Tecnologia Meccanica II

2008

TECNOLOGIA MECCANICA II Corso di Laurea Specialistica in Ing. Meccanica tenuto dal prof. Luigi Tricarico.

Sunto degli argomenti trattati nel corso omonimo che propone essenzialmente una rielaborazione delle dispense ricoprendo i due macro-argomenti: MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE e LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI.

A.D. Cardillo – A. delli Carri – V.A. Nigro Politecnico di Bari 09/01/2008

SOMMARIO

SOMMARIO Sommario ........................................................................................................................................................................... II ■ MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE......................................................................................................................... 1 1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA.................................................................................................... 1 Passi principali nella realizzazione di un oggetto per fusione ........................................................................................ 4 Disegno del getto ............................................................................................................................................................ 5 Disegno del modello ....................................................................................................................................................... 6 2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI........................................................ 8 Scelta di un processo in base ai requisiti ........................................................................................................................ 8 Definizione delle fasi e dei parametri del processo ...................................................................................................... 10 Stima dei costi............................................................................................................................................................... 11 Fattore di complessità della forma ........................................................................................................................... 12 Complessità di superfici ed anime ............................................................................................................................ 12 Costo degli utensili.................................................................................................................................................... 12 Costo del materiale: getto, anime e forma ............................................................................................................... 13 Costo dell’energia ..................................................................................................................................................... 13 Costo del lavoro ........................................................................................................................................................ 14 Scelta di un processo in base ai costi ............................................................................................................................ 14 Confronto tra colata in terra e pressofusione .......................................................................................................... 15 3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI ..................................................................................................................... 16 Classificazione delle ghise ............................................................................................................................................. 16 Elementi Grafitizzanti, Antigrafitizzanti e di lega ...................................................................................................... 16 Impiego ......................................................................................................................................................................... 17 Designazione e Costi ..................................................................................................................................................... 18 Ghise bianche ............................................................................................................................................................... 18 Struttura e Applicazioni ............................................................................................................................................ 18 Composizione e Proprietà meccaniche..................................................................................................................... 18 Ghise conchigliate o temprate o trotate ...................................................................................................................... 18 Caratteristiche .......................................................................................................................................................... 18

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SOMMARIO

Applicazioni............................................................................................................................................................... 19 Ghise grigie ................................................................................................................................................................... 19 Influenza della composizione chimica ...................................................................................................................... 19 Grafite nelle ghise ..................................................................................................................................................... 20 Vantaggi e svantaggi delle ghise grigie ..................................................................................................................... 22 Ghise malleabili............................................................................................................................................................. 22 Proprietà meccaniche ............................................................................................................................................... 22 Realizzazione getti .................................................................................................................................................... 22 Ghise malleabili a cuore bianco ................................................................................................................................ 23 Ghise malleabili a cuore nero ................................................................................................................................... 23 Ghise sferoidali (Europa) – Ghise duttili o nodular (USA) ............................................................................................. 23 Inoculazione Solidificazione e raffreddamento ........................................................................................................ 24 Proprietà e campi di applicazione............................................................................................................................. 24 Ghise legate .................................................................................................................................................................. 25 Resistenti alla corrosione.......................................................................................................................................... 25 Resistenti al calore .................................................................................................................................................... 25 Studio di progetto di un getto in ghisa: alloggiamento dell’asse per un trasportatore cingolato ................................ 26 Fasi per lo studio del progetto .................................................................................................................................. 26 Caratteristiche del componente ............................................................................................................................... 26 Le problematiche ...................................................................................................................................................... 26 Benefici nell’uso della ghisa duttile: riduzione dei costi ed aumento delle prestazioni ........................................... 27 L’approccio del disegno della colata ......................................................................................................................... 27 Aspetti critici della progettazione della colata ......................................................................................................... 27 Disegno del cilindro .................................................................................................................................................. 27 Disegno delle nervature di rinforzo .......................................................................................................................... 28 Disegno del modello e delle anime per la produzione delle scanalature ................................................................. 30 Disegno del modello: controllare modulo di raffreddamento e solidificazione ....................................................... 31 Controllo del costo del modello................................................................................................................................ 32 Disegni definitivi ....................................................................................................................................................... 33 Conclusioni................................................................................................................................................................ 34 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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SOMMARIO

Studio di progetto di un getto in ghisa duttile: giunto cardanico in un motore marino tra entrobordo-fuoribordo ... 35 Fasi per lo studio del progetto .................................................................................................................................. 35 Caratteristiche del componente ............................................................................................................................... 35 Le problematiche ...................................................................................................................................................... 35 Benefici nell’uso della ghisa duttile: riduzione dei costi ed aumento delle prestazioni ........................................... 35 Aspetti critici della progettazione della colata ......................................................................................................... 36 Requisiti e scelta della ghisa da utilizzare ................................................................................................................. 36 Disegno per ottenimento di una forma a rete .......................................................................................................... 37 Forma a rete e costi di lavorazione........................................................................................................................... 38 Disegno finalizzato alla producibilità ed alla qualità................................................................................................. 38 Scelta del materiale del modello sul costo di lavorazione e la sua vita utile ............................................................ 39 Disegno finale del modello superiore ed inferiore ................................................................................................... 40 Lavorazioni finali ....................................................................................................................................................... 40 Conclusioni................................................................................................................................................................ 40 4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) ......................................................................................................................................... 41 Acciai inossidabili: Effetto della composizione ............................................................................................................. 41 Classificazione degli acciai inossidabili ......................................................................................................................... 43 Classificazione e proprietà degli acciai inossidabili ferritici ...................................................................................... 43 Acciai inossidabili martensitici .................................................................................................................................. 45 Acciai inossidabili austenitici .................................................................................................................................... 49 Acciai inossidabili induriti per precipitazione ........................................................................................................... 51 Acciai Inossidabili Bifasici (DUPLEX).............................................................................................................................. 52 Proprietà ................................................................................................................................................................... 52 Impiego ..................................................................................................................................................................... 53 Tipi di corrosione .......................................................................................................................................................... 53 Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion) ........................................................................................................... 53 Corrosione Interstiziale o in fessura (crevice corrosion) .......................................................................................... 54 Corrosione Intergranulare o intercristallina ............................................................................................................. 54 Corrosione sotto tensione o Stress Corrosion .......................................................................................................... 55 Studio di progetto di un getto in acciaio: disco rotore per il motore di trazione in una locomotiva diesel ................. 56 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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SOMMARIO

Fasi per lo studio del progetto .................................................................................................................................. 56 Caratteristiche del componente ............................................................................................................................... 56 Requisiti .................................................................................................................................................................... 57 Aspetti critici della progettazione della colata ......................................................................................................... 57 Scelta dell’acciaio...................................................................................................................................................... 57 Composizione della lega AISI-SAE 1023 .................................................................................................................... 57 Scelta del metodo di formatura ................................................................................................................................ 58 Orientamento del componente nella forma............................................................................................................. 58 Scelta del sistema di colata ....................................................................................................................................... 59 Disegno finale del guscio di formatura del getto ...................................................................................................... 60 Ottenimento del getto .............................................................................................................................................. 60 Lavorazione meccanica del getto.............................................................................................................................. 60 Controllo di qualità ................................................................................................................................................... 61 Conclusioni................................................................................................................................................................ 61 Studio di progetto di un getto in acciaio per microfusione: braccio-leva nel sistema di distribuzione di motori BMW ...................................................................................................................................................................................... 62 Fasi per lo studio del progetto .................................................................................................................................. 62 Il sistema Valvetronic della BMW ........................................................................................................................... 62 Utilizzo della tecnologia di fusione nel sistema Valvetronic ..................................................................................... 63 Il componente oggetto di studio: il braccio a leva intermedio ................................................................................. 63 Analisi delle opzioni di produzione ........................................................................................................................... 64 Scelta del materiale .................................................................................................................................................. 64 Scelta del processo di formatura: la microfusione ................................................................................................... 64 Caratteristiche e progettazione del sistema di colata .............................................................................................. 67 Scelta della configurazione ed orientazione della forma.......................................................................................... 67 Assemblaggio dei modelli ......................................................................................................................................... 68 Investment e colata .................................................................................................................................................. 68 Pulitura, taglio, ricottura e lavorazioni per asportazione di truciolo ........................................................................ 69 Trattamento termico e rettifica ................................................................................................................................ 69 Nitrurazione al Plasma .............................................................................................................................................. 69

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Controllo di qualità ................................................................................................................................................... 70 Conclusioni................................................................................................................................................................ 70 Studio di progetto di un getto in acciaio: accumulatore idraulico per un sottomarino della Marina Americana ........ 71 Fasi per lo studio del progetto .................................................................................................................................. 71 L’applicazione e la descrizione del componente ...................................................................................................... 71 Il progetto ed il processo originario .......................................................................................................................... 72 Scelta dell’acciaio inossidabile Duplex ...................................................................................................................... 73 Colata centrifuga....................................................................................................................................................... 73 Trattamento termico e lavorazione meccanica ........................................................................................................ 76 Controllo di qualità ................................................................................................................................................... 76 Conclusioni................................................................................................................................................................ 76 5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO ............................................................................................................................. 78 Leghe di Alluminio ........................................................................................................................................................ 78 Leghe semilavorate ....................................................................................................................................................... 78 Leghe non trattabili termicamente ........................................................................................................................... 79 Leghe trattabili termicamente .................................................................................................................................. 79 Trattamenti termici....................................................................................................................................................... 80 Ricottura ................................................................................................................................................................... 80 Tempra di soluzione (TG) .......................................................................................................................................... 81 Invecchiamento ........................................................................................................................................................ 81 Distensione ............................................................................................................................................................... 82 Designazione convenzionale dell’alluminio e delle sue leghe semilavorate ................................................................ 83 Stato di fornitura ...................................................................................................................................................... 83 Leghe da Fonderia ........................................................................................................................................................ 84 Designazione leghe da fonderia................................................................................................................................ 85 Leghe di Alluminio: effetto elementi di lega................................................................................................................. 85 Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING 767 ................................... 87 Fasi dello studio del getto ......................................................................................................................................... 87 Applicazione.............................................................................................................................................................. 87 Funzione e Disegno ................................................................................................................................................... 87 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Supporto uplock: Descrizione ................................................................................................................................... 87 Il problema del progetto del getto ........................................................................................................................... 88 Selezione della Lega d'alluminio ............................................................................................................................... 89 Caratteristiche del getto per quanto riguarda resistenza e rigidezza....................................................................... 90 Caratteristiche del progetto ..................................................................................................................................... 90 Controllo della microstruttura .................................................................................................................................. 91 Scelta delle zone su cui effettuare lavorazioni alle macchine utensili ...................................................................... 92 Colata dell’alluminio ................................................................................................................................................. 93 Processo di saldatura ................................................................................................................................................ 93 Controllo qualità ....................................................................................................................................................... 93 Conclusioni................................................................................................................................................................ 94 Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV.... 95 Studio del Progetto ................................................................................................................................................... 95 Motori GM per fuori-strada ed autocarri ................................................................................................................. 95 Progetto del motore ................................................................................................................................................. 95 I problemi del progetto del getto ............................................................................................................................. 97 Scelta della Lega d’alluminio..................................................................................................................................... 97 Leghe prese in considerazione per questa applicazione .......................................................................................... 97 Confronto: colata in sabbia verde e colata in forma persa....................................................................................... 99 Colata in forma persa ............................................................................................................................................. 100 Caratteristiche dettagliate del getto....................................................................................................................... 100 Modello di poliestere espanso................................................................................................................................ 101 Formazione del polistirolo espanso ........................................................................................................................ 101 Rivestimento del modello ....................................................................................................................................... 101 Procedura per rivestire il modello .......................................................................................................................... 102 Riempimento con sabbia e Compattazione ............................................................................................................ 102 Colata del metallo ................................................................................................................................................... 102 Decomposizione del Modello ................................................................................................................................. 103 Controllo qualità ..................................................................................................................................................... 103 Ricapitolazione dei concetti sviluppati ................................................................................................................... 103 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Conclusioni.............................................................................................................................................................. 104 Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette ......................................... 105 L’Applicazione e la descrizione del componente .................................................................................................... 105 Scelta del metodo di produzione ............................................................................................................................ 108 Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico ................................................................... 112 Scelta del materiale ................................................................................................................................................ 113 Scelta del processo di colata e risoluzione problemi .............................................................................................. 115 6. RAME E SUE LEGHE ..................................................................................................................................................... 117 Vantaggi e Svantaggi ................................................................................................................................................... 117 Proprietà del rame ...................................................................................................................................................... 117 Classificazione e designazione del rame ..................................................................................................................... 119 Classificazione e designazione del rame raffinato ...................................................................................................... 119 Rame contenete Ossigeno molecolare ................................................................................................................... 120 Rame Disossidato.................................................................................................................................................... 121 Rame esente da ossigeno ....................................................................................................................................... 121 Classificazione e designazione del rame basso legato ................................................................................................ 122 1. Rame all’argento ................................................................................................................................................. 122 2. Rame al tellurio ed allo zolfo .............................................................................................................................. 122 3. Rame all’arsenico ................................................................................................................................................ 122 Proprietà meccaniche del rame raffinato e basso legato ........................................................................................... 123 Leghe di Rame ............................................................................................................................................................ 124 Trattamenti termici delle leghe di rame ................................................................................................................. 124 Classificazione e designazione delle leghe di rame ................................................................................................ 125 Ottoni .......................................................................................................................................................................... 126 Designazione convenzionale ................................................................................................................................... 126 Classi ....................................................................................................................................................................... 127 Trattamenti termici degli ottoni ............................................................................................................................. 132 Ottoni designazione e proprietà meccaniche ......................................................................................................... 132 Bronzi .......................................................................................................................................................................... 133 Bronzi allo stagno ................................................................................................................................................... 133 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Bronzi al silicio ........................................................................................................................................................ 134 Bronzi all’alluminio (Cuproallumini) ....................................................................................................................... 135 Bronzi al Berillio ...................................................................................................................................................... 137 Cupronickel ................................................................................................................................................................. 137 Metalli Bianchi ............................................................................................................................................................ 138 Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale ....................................................... 139 Fasi dello Studio del Progetto ................................................................................................................................. 139 Applicazione............................................................................................................................................................ 139 Funzioni................................................................................................................................................................... 139 Sistema pedale del freno ........................................................................................................................................ 139 Sistema dell’acceleratore ....................................................................................................................................... 140 Requisiti del sistema pedale ................................................................................................................................... 140 I problemi nella progettazione del getto ................................................................................................................ 140 Scelta della lega ...................................................................................................................................................... 140 L'Approccio per la colata in conchiglia (Chill-casting) ............................................................................................. 142 Problemi di forma-Riduzione degli Stress ............................................................................................................... 143 Processo di ottimizzazione del getto ...................................................................................................................... 144 Controllo qualità ..................................................................................................................................................... 146 Aspetti salienti ........................................................................................................................................................ 147 Conclusioni.............................................................................................................................................................. 147 7. ZINCO E SUE LEGHE .................................................................................................................................................... 149 Leghe di zinco per deformazione plastica .................................................................................................................. 150 Leghe di zinco per fonderia ........................................................................................................................................ 151 Diagramma di fase zn-al ......................................................................................................................................... 151 Confronto con altre leghe nella produzione di getti............................................................................................... 152 Zama ........................................................................................................................................................................... 152 Composizione chimica ............................................................................................................................................ 153 Proprietà meccaniche ............................................................................................................................................. 153 Limitazioni di impiego ............................................................................................................................................. 154 Leghe di zinco per colate centrifughe ..................................................................................................................... 154 A.D. 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SOMMARIO

Leghe di zinco ad alto tenore di alluminio .................................................................................................................. 155 Proprietà meccaniche delle leghe di zinco ad alto tenore di alluminio .................................................................. 155 8. MATERIALI COMPOSITI ............................................................................................................................................... 156 Distinzione per forma di inclusione ............................................................................................................................ 157 Tipi di fibre .................................................................................................................................................................. 157 Tipi di matrice ............................................................................................................................................................. 159 Matrice polimerica.................................................................................................................................................. 159 Matrice metallica .................................................................................................................................................... 160 Matrice ceramica .................................................................................................................................................... 161 Impiego ....................................................................................................................................................................... 162 9. MAGNESIO E SUE LEGHE............................................................................................................................................. 164 Generalità ................................................................................................................................................................... 164 Principali proprietà fisiche e meccaniche ............................................................................................................... 164 Generalità sull’utilizzo del magnesio ...................................................................................................................... 165 Caratteristiche e campi di applicazione .................................................................................................................. 166 Aspetti negativi delle leghe di magnesio ................................................................................................................ 167 La struttura cristallina e caratteristiche microstrutturali ....................................................................................... 168 I processi di produzione del Magnesio ................................................................................................................... 169 Le leghe di magnesio .................................................................................................................................................. 170 Designazione delle leghe di Magnesio .................................................................................................................... 170 Sviluppo delle leghe ................................................................................................................................................ 171 Effetto degli elementi di lega .................................................................................................................................. 171 Resistenza a Creep .................................................................................................................................................. 173 Produzione di componenti in lega di Magnesio ..................................................................................................... 178 Uso del Magnesio nelle automobili ........................................................................................................................ 181 Uso del Magnesio negli aerei .................................................................................................................................. 183 Uso del Magnesio nei prodotti elettronici .............................................................................................................. 184 Uso del Magnesio nella difesa ................................................................................................................................ 185 Uso del magnesio nella produzione elettrica ......................................................................................................... 185 Uso del magnesio nello spazio ................................................................................................................................ 185 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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SOMMARIO

Magnesio utilizzato per la fotografia ...................................................................................................................... 185 Magnesio utilizzato come anti-corrosivo e nelle batterie ...................................................................................... 186 Utilizzo del magnesio nella chimica ........................................................................................................................ 186 Magnesio nell'Acciaio desolforato .......................................................................................................................... 186 Magnesio come elemento di lega nell'Alluminio.................................................................................................... 187 10. TITANIO E SUE LEGHE ............................................................................................................................................... 188 Forme allotropiche ..................................................................................................................................................... 189 Leghe di titanio ........................................................................................................................................................... 189 Effetto elementi alliganti ............................................................................................................................................ 190 Soluzioni solide e principali effetti degli elementi di lega .......................................................................................... 191 Classificazione del Titanio e sue leghe ........................................................................................................................ 192 Proprietà meccaniche di riferimento ed utilizzo delle 4 classi ................................................................................... 193 Titanio commercialmente puro CP ......................................................................................................................... 194 Leghe Alfa ............................................................................................................................................................... 195 Leghe quasi Alfa ...................................................................................................................................................... 196 Leghe Alfa-Beta ....................................................................................................................................................... 197 Leghe Beta .............................................................................................................................................................. 200 Strutture ottenibili con trattamento d’invecchiamento ............................................................................................. 202 Proprietà del Titanio e sue leghe ................................................................................................................................ 203 Il titanio nelle lavorazioni ........................................................................................................................................... 206 Assorbimento ossigeno........................................................................................................................................... 206 Saldatura ................................................................................................................................................................. 206 Lavorabilità alle macchine utensili .......................................................................................................................... 207 Applicazioni del titanio e sue leghe ............................................................................................................................ 207 ■ LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI ........................................................................................................................ 208 11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI..................................................................................... 208 12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM) ................................................................... 215 Il processo ................................................................................................................................................................... 215 Il principio fisico .......................................................................................................................................................... 215 L’attrezzatura .............................................................................................................................................................. 215 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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SOMMARIO

Il sistema di propulsione del gas ed il sistema di dosaggio..................................................................................... 215 Il sistema di guida e di raccolta dell’abrasivo ......................................................................................................... 216 L’ugello e le maschere ............................................................................................................................................ 216 Gli abrasivi .............................................................................................................................................................. 217 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 217 1. Distanza ugello-superficie ................................................................................................................................... 218 2. Portata abrasivo .................................................................................................................................................. 219 3. Pressione del gas................................................................................................................................................. 219 4. Tipo di abrasivo ................................................................................................................................................... 219 Le capacità del processo ............................................................................................................................................. 219 Applicazioni................................................................................................................................................................. 220 13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM) ....................................................................... 222 Il processo ................................................................................................................................................................... 222 Il principio fisico .......................................................................................................................................................... 222 Dinamica del getto .................................................................................................................................................. 222 Meccanismi di asportazione ................................................................................................................................... 223 L’attrezzatura .............................................................................................................................................................. 224 Circuiti acqua/olio ................................................................................................................................................... 224 Sistemi di generazione della pressione................................................................................................................... 224 L’intensificatore ...................................................................................................................................................... 225 Tubi trasporto acqua in pressione .......................................................................................................................... 226 L’ugello.................................................................................................................................................................... 226 Silenziatore ............................................................................................................................................................. 227 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 228 Le capacità del processo ............................................................................................................................................. 228 Applicazioni................................................................................................................................................................. 229 14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM).................................... 230 Il processo ................................................................................................................................................................... 230 Tipologia di macchine ................................................................................................................................................. 230 L’attrezzatura .............................................................................................................................................................. 231 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Sistema di pompaggio............................................................................................................................................. 231 Alimentazione abrasivo .......................................................................................................................................... 232 Ugello ...................................................................................................................................................................... 232 Silenziatori e sistemi di protezione ......................................................................................................................... 234 Supporto ................................................................................................................................................................. 235 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 235 Parametri caratteristici dell’abrasivo ..................................................................................................................... 235 Parametri di miscelazione....................................................................................................................................... 237 Parametri idraulici .................................................................................................................................................. 238 Parametri di taglio .................................................................................................................................................. 240 La Capacità del processo............................................................................................................................................. 244 I materiali ................................................................................................................................................................ 244 Il kerf ....................................................................................................................................................................... 244 spessore di taglio .................................................................................................................................................... 245 Rugosità del kerf ..................................................................................................................................................... 245 Applicazioni................................................................................................................................................................. 247 15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)................................................ 248 Il processo ................................................................................................................................................................... 248 Attrezzatura ................................................................................................................................................................ 249 Sorgente di potenza ................................................................................................................................................ 249 Trasduttore ............................................................................................................................................................. 249 Portautensile........................................................................................................................................................... 250 Utensile ................................................................................................................................................................... 251 Abrasivi ................................................................................................................................................................... 251 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 252 Potenza ................................................................................................................................................................... 253 Indipendenti di Ampiezza d’oscillazione ζ ............................................................................................................. 253 Dimensione abrasivo .............................................................................................................................................. 253 Frequenza ............................................................................................................................................................... 253 Il carico statico ........................................................................................................................................................ 254 A.D. 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XIII

SOMMARIO

Tenacità a frattura .................................................................................................................................................. 254 Forma dell’utensile ................................................................................................................................................. 254 Parametri di processo che influenzano l’usura dell’utensile .................................................................................. 255 Parametri che influenzano la qualità della lavorazione .......................................................................................... 255 Capacita’ del processo ................................................................................................................................................ 256 Applicazioni................................................................................................................................................................. 257 Processo RUM (Rotary Ultrasonic Machining) ........................................................................................................ 258 16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING) ......................................................................................... 260 Il processo ................................................................................................................................................................... 260 Il principio fisico .......................................................................................................................................................... 260 Attrezzatura ................................................................................................................................................................ 261 Sistema a cuneo e ad asta ...................................................................................................................................... 262 Sistema guidato lateralmente................................................................................................................................. 262 Utensile ................................................................................................................................................................... 263 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 263 Capacità di processo ................................................................................................................................................. 264 Compatibilita’ metalli da saldare ............................................................................................................................ 264 Applicazioni................................................................................................................................................................. 264 Saldatura delle plastiche ......................................................................................................................................... 265 Il principio fisico ...................................................................................................................................................... 265 Influenza dell’amplificatore .................................................................................................................................... 266 Ampiezze e indicatori di stabilità ............................................................................................................................ 266 Progettazione del giunto ........................................................................................................................................ 267 Applicazioni degli inserti ......................................................................................................................................... 268 Esempi di inserti...................................................................................................................................................... 268 Rivettatura .................................................................................................................................................................. 269 17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM) ............................................................. 270 Il processo ................................................................................................................................................................... 270 Il mezzo abrasivo ........................................................................................................................................................ 270 L’attrezzatura .............................................................................................................................................................. 271 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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XIV

SOMMARIO

La macchina ............................................................................................................................................................ 271 Le attrezzature ausiliarie ........................................................................................................................................ 273 I parametri di processo ............................................................................................................................................... 273 Le capacità del processo ............................................................................................................................................. 274 Applicazioni................................................................................................................................................................. 276 Un caso industriale ................................................................................................................................................. 277 18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM) ........................................................ 280 Il processo ................................................................................................................................................................... 280 La fresatura chimica.................................................................................................................................................... 281 Lavorazione per immersione .................................................................................................................................. 282 Fresatura foto-chimica (PCM) ................................................................................................................................. 282 Steps della lavorazione ........................................................................................................................................... 282 Parametri di processo ................................................................................................................................................. 283 I reagenti ................................................................................................................................................................. 285 Le applicazioni ............................................................................................................................................................ 286 19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING) ....................................... 287 Il processo ................................................................................................................................................................... 287 Il principio fisico .......................................................................................................................................................... 289 Le reazioni elettrochimiche .................................................................................................................................... 290 Parametri di processo ................................................................................................................................................. 290 Quantità di materiale asportato ............................................................................................................................. 291 Velocità di dissoluzione anodica ............................................................................................................................. 291 Il coefficiente di lavorabilità elettrochimica (Kv) .................................................................................................... 292 Il tasso di materiale asportato (MRR) ed il costo della lavorazione....................................................................... 293 La forma del’utensile e la superficie lavorata ......................................................................................................... 293 Parametri di processo e range di lavoro ..................................................................................................................... 295 L’attrezzatura .............................................................................................................................................................. 296 Macchine per EMC .................................................................................................................................................. 296 Elettrolita ................................................................................................................................................................ 297 Utensile ................................................................................................................................................................... 297 A.D. 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XV

SOMMARIO

Capacità di processo ................................................................................................................................................... 298 Applicazioni................................................................................................................................................................. 299 20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION) ...................................... 300 Electrochemical Deburring ........................................................................................................................................ 300 Il processo ............................................................................................................................................................... 300 Parametri di processo ............................................................................................................................................. 300 Attrezzature ............................................................................................................................................................ 301 Applicazioni............................................................................................................................................................. 301 Electrochemical Honing ............................................................................................................................................. 301 Il Processo ............................................................................................................................................................... 302 Parametri di processo ............................................................................................................................................. 302 Electrochemical Grinding ........................................................................................................................................... 303 Il Processo ............................................................................................................................................................... 303 Attrezzatura ............................................................................................................................................................ 304 Parametri di processo ............................................................................................................................................. 304 Esempi di applicazioni............................................................................................................................................. 304 Electrostream Drilling ................................................................................................................................................. 305 Il processo ............................................................................................................................................................... 305 Attrezzatura ............................................................................................................................................................ 306 Capacità del processo ............................................................................................................................................. 306 Applicazioni............................................................................................................................................................. 306 Shaped-Tube Electrolytic Machining .......................................................................................................................... 307 Il processo ............................................................................................................................................................... 307 Attrezzatura ............................................................................................................................................................ 307 Parametri di processo ............................................................................................................................................. 307 Capacità del processo ............................................................................................................................................. 308 21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING) ........................................................... 309 Il processo ................................................................................................................................................................... 309 Il principio fisico .......................................................................................................................................................... 311 Qualità della superficie e delle particelle rimosse .................................................................................................. 313 A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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XVI

SOMMARIO

Analisi dell’impulso in EDM .................................................................................................................................... 314 Attrezzatura ................................................................................................................................................................ 315 Sistema del dielettrico ............................................................................................................................................ 316 Parametri di processo ............................................................................................................................................. 321 La corrente media di scarica ................................................................................................................................... 322 La corrente massima ............................................................................................................................................... 322 Durata dell’impulso ................................................................................................................................................ 322 Intervallo tra impulsi ............................................................................................................................................... 323 La tensione nominale.............................................................................................................................................. 324 Controllo del gap .................................................................................................................................................... 324 Influenza del materiale ........................................................................................................................................... 324 Capacità del processo ................................................................................................................................................. 325 Qualità della superficie lavorata ............................................................................................................................. 325 Tensioni residue nel layer superficiale ................................................................................................................... 326 Influenza del dielettrico sul contenuto di carbonio ................................................................................................ 326 Resistenza a fatica e confronto con altre lavorazioni ............................................................................................. 327 Applicazioni................................................................................................................................................................. 327 EDM – Varianti al processo ......................................................................................................................................... 328 Improntatura per elettroerosione .......................................................................................................................... 329 Taglio per elettroerosione ...................................................................................................................................... 330

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XVII

1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

■ MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE 1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA Il processo di fonderia è sicuramente uno dei più antichi utilizzati dall’uomo. I primi metalli usati in fusione furono: Rame, Ram Oro e Bronzo (stagno+rame) per la sua facilità di realizzazione.

Procassi di formatura primari

A partire dallo stato liquido o semi-solido

Di un metallo

Formatura in forma TRANSITORIA

Con MODELLO PERMANENTE

Con MODELLO CONSUMABILE

A partire da granuli

Di plastiche

Formatura in forma PERMANENTE

In CONCHIGLIA a GRAVITA'

In CONCHIGLIA sotto PRESSIONE

Colata CENTRIFUGA

Colata CONTINUA

Nel grafico seguente sono messe a cofronto varie lavorazioni in funzione della rugosità superficiale ottenibile.

Risulta evidente che la formatura a cera persa (Die Die Casting), Casting), insieme alla laminazione a freddo (Cold Cold Rollig) Rollig) e stampaggio (Drawing)) sono i processi con cui è possibile ottene una maggiore rifinitura superficiale (ossia bassa rugosità).

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

Di seguito viene illustrata la nomenclatura essenziale nell’ambito della fonderia.

Le caratteristiche generali dei procedimenti di fabbricazione per fusione possono essere riassunte nella seguente tabella che offre un confronto per alcuni aspetti solo qualitativo (usando un punteggio).

Le tecniche di formatura possono essere suddivise in due famiglie in base a ciò che accade alla forma nella fase successiva alla solidificazione. Precisamente si parla di formatura in forme transitorie (fig. in basso), quando occorre necessariamente distruggere la forma per estrarre il getto ottenuto.

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

Diversamente si parla di formatura in forme permanenti (fig. fig. in basso) basso) quando, a fine solidificazione, la forma viene utilizzata per produrre (considerando comunque una vita utile della stessa) altri identici esemplari come avviene tipicamente nelle produzioni in serie.

Quindi possiamo confrontare i detti metodi di formatura nella seguente tabella riassuntiva.

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

PASSI PRINCIPALI NELLA NEL LA REALIZZAZIONE DI UN OGGETTO PER FUSIONE FUSIO 1.

Posizionamento della linea di divisione degli stampi ed orientamento del modello nella forma

2.

Rivedere i disegni costruttivi del componente, tenendo conto di sovrametalli, sovrametalli angoli di sformo e raggi di raccordo

3.

Identificare ed eliminare punti caldi nel getto ossia valutare la contrazione durante llaa solidificazione Formazione di Cavità di ritiro Spostamento del baricentro termico fuori dal getto (Materozza Materozza e uso di sovrametallo) considerando il Modulo di raffreddamento M = sovrametallo)

Volume Superficie di scambio termico

4.

Promuovere la solidificazione direzionale nel getto (con il metodo della divisione del getto in volumi elementari).

5.

Posizionare e dimensionare dei dispositivi, le materozze, materozze, che garantiscono la corretta alimentazione del getto

6.

Posizionare e dimensionare il sistema di colata (canali di colata, distributori e attacchi di colata) con l’obiettivo di garantire il riempimento nel più breve tempo possibile, possibile evitando nello stesso tempo dannose turbolenze.

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

DISEGNO DEL GETTO 1.

SCELTA DEL PIANO DI DIVISIONE… DIVISIONE… per eliminare sottosquadri sottosqu

2.

ANALISI dei SOVRAMMETALLI necessari per avere possibilità di lavorare meccanicamente e per successive asportazioni di truciolo di superfici con particolari requisiti di tolleranza / finitura superficiale Nella tabella UNI 6225-73 6225 sono precisate le tolleranze dimensionali e i sovrametalli per la lavorazione meccanica dei getti di acciaio non legato (UNI 3150-68), 3150 68), colati in sabbia. Le tolleranze dimensionali sono riferite alle dimensioni lineari nominali dei getti grezzi (per le quali quali non siano precisate nel disegno le tolleranze); per le superfici da sottoporre a lavorazione meccanica sono indicati i sovrametalli. Agli effetti delle tolleranze dimensionali e dei sovrametalli, si distinguono 3 gradi di precisione, detti A (tolleranza ampia, getti singoli), B (tolleranza media, getti ripetuti), C (tolleranza stretta, getti di serie).. Le tolleranze sono disposte a cavallo della linea dello zero; si tratta cioè di tolleranze bilaterali. Nelle tabelle che seguono sono riportate, per i tre gradi A, B, C, le tolleranze dimensionali e i sovrametalli di precisione, limitatamente ai getti con massima dimensione nominale di 2500 mm.

L’entità del sovrametallo è il risultato di due opposte esigenze: 1-ECONOMICA ECONOMICA ridurre al minimo i tempi delle successive successive operazioni alle M.U. 2-TECNOLOGICA TECNOLOGICA garantire un sufficiente margine di sicurezza nei confronti degli errori di formatura

Il sovrametallo aumenta: aumenta - all'aumentare delle dimensioni - all’aumentare della precisione richiesta Il sovrametallo diminuisce nella fusioni di serie.

Obiettivo: semplificazione dell' anima e favorire la solidificazione direzionale A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

3.

DEGLI SPESSORI

4.

ANGOLI DI SPOGLIA: Permettono la corretta estrazione del modello.

5.

RAGGI DI RACCORDO • per ridurre erosione della forma durante la colata • per ridurre rischi di rottura durante la solidificazione • per ridurre concentrazioni di tensioni durante l’uso

DISEGNO DEL MODELLO 1.

RITIRO IN FASE SOLIDA

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1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA

2.

DIMENSIONAMENTO PORTATE D’ANIMA

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI Nei primi stadi delle attività, preferibilmente prima di congelare il progetto di un componente e combinata con un’analisi di compatibilità PRODOTTO/PROCESSO, la pianificazione del processo permette di realizzare quelle piccole modifiche al progetto del componente che possono ridurre significativamente i costi.

La pianificazione del processo di fabbricazione per fusione comporta l’individuazione dei processi di formatura e di colata appropriati (processi fattibili) e quindi la scelta del processo più appropriato in base ai requisiti del prodotto ed in base al costo per componente del prodotto.

Scelto il processo, la pianificazione del processo deve definire le fasi ed i parametri coinvolti con il processo.

SCELTA DI UN PROCESSO IN BASE AI REQUISITI

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

DEFINIZIONE DELLE FASI E DEI PARAMETRI DEL PROCESSO

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

STIMA DEI COSTI La stima dei costi viene riferita ad:

Attrezzature Materiale Energia Del lavoro

e segue il seguente modello generale di costo per un processo generico.

Riassumendo abbiamo nella successiva tabella le risorse consumate in produzione. produzione

Ora andremo ad analizzare nel dettaglio tutte le voci che concorrono nella stima dei costi, ossia: Fattore di complessità della forma, Complessità di superfici ed anime, anime Costo to degli utensili, utensili, Costo del materiale ((getto, getto, anime e forma), ), Costo dell’energia, Costo del lavoro.

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E SSTIMA TIMA DEI COSTI

FATTORE TORE DI COMPLESSITÀ DELLA FORMA

COMPLESSITÀ MPLESSITÀ DI SUPERFICI SUPERFI CI ED ANIME

COSTO DEGLI UTENSILI

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

COSTO DEL MATERIALE: GETTO, ANIME AN IME E FORMA

COSTO DELL’ENERGIA

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2. PIANIFICAZIONE PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

COSTO DEL LAVORO

SCELTA DI UN PROCESSO PROCESS O IN BASE AI COSTI

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2. PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI

CONFRONTO TRA COLATA IN TERRA E PRESSOFUSIONE PRESSOFUS IONE

Dopo aver valutato i precedenti aspetti sarà possibile effettuare la scelta di un processo in base ai costi.

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

CLASSIFICAZIONE DELLE GHISE

ELEMENTI GRAFITIZZANTI, ANTIGRAFITIZZANTI E DI LEGA

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

IMPIEGO GHISE GRIGIE

GHISE MALLEABILI

GHISE SFEROIDALI

Impiego delle ghise e confronto con gli altri materiali utilizzati in fonderia

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

DESIGNAZIONE E COSTI

GHISE BIANCHE STRUTTURA E APPLICAZIONI

COMPOSIZIONE E PROPRIETÀ MECCANICHE

GHISE CONCHIGLIATE O TEMPRATE O TROTATE CARATTERISTICHE

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3. LA GHISA NELLA PROD PRODUZIONE UZIONE DEI GETTI

APPLICAZIONI

Cilindri laminatoi: laminatoi • Superficie dura per resistere all’abrasione ed all’ossidazione.

• Cuore ed appoggi tenaci.

Ruote dei treni. treni Cilindri per industria cartaria e per il trattamento dei minerali.

GHISE GRIGIE

INFLUENZA DELLA COMPOSIZIONE CHIMICA

DIAGRAMMA DI MAURER

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INFLUENZA VELOCITÀ DI D I RAFFREDDAMENTO

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

GRAFITE NELLE GHISE

DISTRIBUZIONE E DIMENSIONE DELLA GRAFITE

INOCULAZIONE

Per spessori del getto minori di 10mm, difficoltà nell’ottenere grafite di tipo A. Si utilizzano inoculanti all’atto della colata. Gli inoculanti sono leghe Fe-Si con aggiunta di piccole quantità di Ca, Al, Ba. Gli inoculanti privilegiano la formazione della fase grafitica.

Si ipotizza che l’effetto dell’inoculante sia legato allo sviluppo di gas (CO), la cui superficie servirebbe come superficie di nucleazione della grafite. Se le bolle collassano durante la crescita iniziale è favorita la formazione di lamelle; in caso contrario di sferoidi.

L’inoculazione è eseguita durante il riempimento della siviera di colata, in percentuali variabili tra lo 0.2% e lo 0.3% e con granulometria tale da garantire una buona dissoluzione. Le ghise devono poi essere colate nella forma entro un tempo minore di 10min dall’aggiunta dell’inoculante.

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

GHISE GRIGIE: PROVA DI TRAZIONE (UNI 5007)

DIAGRAMMA DI COLLOUD

DESIGNAZIONE IONE DELLE GHISE GRIGIE GRI GIE (GETTI)

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

VANTAGGI E SVANTAGGI DELLE GHISE GH ISE GRIGIE

GHISE MALLEABILI

PROPRIETÀ ROPRIETÀ MECCANICHE

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REALIZZAZIONE GETTI

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

GHISE MALLEABILI A CUORE C UORE BIANCO

GHISE MALLEABILI A CUORE C UORE NERO

PROPRIETÀ MECCANICHE

PROPRIETÀ MECCANICHE E MICROSTRUTTURA

GHISE SFEROIDALI (EUROPA) (EU – GHISE DUTTILI O NODULAR NODU LAR (USA) -Realizzate Realizzate nel 1948 -Durante Durante la solidificazione della ghisa grigia, la grafite è portata a solidificare in forma di sferoidi (invece che in lamelle), grazie ad alcuni elementi come Mg, e Ce, che alterano il meccanismo della solidificazione.

-Dal Dal punto di vista delle proprietà meccaniche, la ghisa sferoidale può essere confrontata ad un acciaio comune.

-Nella Nella fabbrica fabbricazione dei getti, rimane comunque confrontabile (in termini di colabilità e ritiro) ad una ghisa grigia.

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

INOCULAZIONE SOLIDIFICAZIONE SOLIDIF ICAZIONE E RAFFREDDAMENTO RAFFREDDA MENTO

PROPRIETÀ E CAMPI DI APPLICAZIONE

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI

GHISE LEGATE RESISTENTI ALLA CORROSIONE CORR

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RESISTENTI AL CALORE

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI Studio di progetto di un getto in ghisa: alloggiamento dell’asse per un trasportatore cingolato

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN GHISA: ALLOGGIAMENTO DELL’ASSE PER UN TRASPORTATORE CINGOLATO

FASI PER LO STUDIO DEL PROGETTO •

•

• •

Progettazione in funzione del costo ed della prestazione: o Il cilindro o La rigidezza delle parti laterali Progettazione finalizzata alla fattibilità della produzione o Progettazione essenziale o Solidificazione controllata Controllo del costo delle forme Garanzia della finitura e della qualità

CARATTERISTICHE DEL COMPONENTE Applicazione – L’alloggiamento dell’asse è un componente strutturale fondamentale nella trasmissione del treno d'ingranaggi del trasportatore cingolato Mustang, usato per sollevare e movimentare terra e oggetti pesanti verso i siti di costruzione. L’alloggiamento dell’asse è usato come punti di fissaggio per gli assi anteriori e posteriori e comprende il complesso dei cuscinetti che supportano gli assi.

Descrizione – L’alloggiamento dell’asse è modellato come un a cilindro su una piastra di appoggio rettangolare con un peso complessivo di 65 pounds (29,484 kg). L’alloggio è alto 9” (228,6 mm) e la piastra di appoggio è 12”×15” (304,8×381mm). Il cilindro è armato con quattro nervature di rinforzo e la piastra di appoggio ha otto fori di montaggio per serrare l’alloggio al telaio. Questi sono scanalati per l’uso su due trasportatori differentemente dimensionati.

• • •

Le problematiche critiche a riguardo della prestazione dell’ alloggiamento sono l’alta rigidezza, resistenza al carico, le sollecitazioni degli urti e l’allineamento degli otto fori di serraggio.

Ci sono quattro alloggiamenti degli assi su ogni trasportatore e la produzione annua è di 8000 alloggiamenti.

La specifica lega è ghisa duttile di classe 80-55-06.

LE PROBLEMATICHE Originariamente modellato come un assemblaggio di 6 pezzi d’acciaio saldati, l’alloggiamento montato: • • •

ha dei significanti costi di fabbricazione nell’impianto e saldatura del montaggio Richiede lunghe lavorazioni meccaniche per ognuna delle 8 guide di serraggio, 3 cavità interne per i cuscinetti, e 4 nervature di rinforzo Non fu ottimizzato per ridurre tensioni e peso

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI Studio di progetto di un getto in ghisa: alloggiamento dell’asse per un trasportatore cingolato

BENEFICI NELL’USO DELLA GHISA DUTTILE: RIDUZIONE DEI COSTI ED AUMENTO DELLE PRESTAZIONI La progettazione del getto mostrò che il costo dell’alloggiamento potrebbe essere ridotto del 15% (rapportato allo studio di partenza) usando la colata in sabbia di ghisa duttile. Tale riduzione del costo fu realizzata da:

Forma migliorata tipo rete che eliminò le fasi di taglio, montaggio e saldatura e ridusse le operazioni di lavorazione.

Conversione ad una colata ottimizzata il peso e la resistenza del componente con un robusta sezione trasversale nella sezione sollecitata e peso ridotto nelle parti non sollecitate Rimodellazione delle nervature di rinforzo per permettere un agile accesso dell’utensile durante il serraggio dell’alloggiamento al telaio.

L’APPROCCIO DEL DISEGNO DELLA COLATA Gli ingegneri della progettazione della colata ebbero tre imperativi per ottenere un progetto che integrasse: • • •

Prestazione Colabilità/Producibilità Costo

ASPETTI CRITICI DELLA PROGETTAZIONE DELLA COLATA I requisiti per la prestazione, colabilità/producibilità e costo sono strettamente interconnessi. Quattro aspetti della progettazione della colata giocano un a ruolo predominante nell’incontrare i tre imperativi di progetto: 1.

2.

3.

4.

Rivedere il disegno del componente (cilindro e nervature di rinforzo) per eliminare le fasi di lavorazione, ridurre peso e tensioni con miglioramento della resistenza.

Progettare l’anima per garantire tolleranze precise e allineamenti per gli 8 scanalature di serraggio.

Sviluppare il disegno del modello per controllare la solidificazione e produrre la desiderata microstruttura e proprietà del materiale.

Selezionare un metodo di produzione per l’utensile al fine di minimizzare il suo costo rispetto all’intera fase di fabbricazione.

DISEGNO DEL CILINDRO Nel primo progetto con saldatura (vedi fig. a fianco), il cilindro ha uno spessore uniforme di 1.575” (circa 40 mm), che necessitava della richiesta lavorazione standard per la sede dei cuscinetti e il foro del semiasse. Inoltre la piastra di appoggio ha due operazioni di lavorazione. La prima lavorazione è mostrata in rosso (sgrossatura) e in verde green (finitura). La tecnologia di colata impone una produzione con forma a rete, che può esser usata per migliorare il disegno con:

Colata retiforme, riducendo le necessità di lavorazione Riduzione del peso nelle aree non sollecitate Transizioni geometriche più uniformi per ridurre le concentrazioni di sforzi

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Con la flessibilità nello studio della colata, ci sono tre possibilità per ridurre la lavorazione standard e l’eccesso di peso peso e per ridurre le tensioni attraverso attraverso una geometria ottimizzata e con raccordo generosi. La figura seguente mostra cinque possibili aree per la formatura a rete e per la riduzione delle tensioni.

#1. #2. #3. #4. #5.

Raggio esterno del bordo superiore Sede dei cuscinetti superiori Foro del semiasse Spessore ssore parete interna Raccordo alla base del cilindro

Queste parti, che andremo ad analizzare in dettaglio, hanno il maggior utilità per ridurre i costi di lavorazione, il peso e migliorare la resistenza.

PARTE #1 I profili esterni alla sommità del cilindro cilindro non rappresentano regioni sollecitate. Un profilo arrotondato non è una caratteristica critica del disegno per la riduzione delle sollecitazioni. Un profilo leggermente arrotondato è desiderabile le per l’estetica (raggio di 0.25” = 635 mm).

PARTE #2 Le sedi dei cuscinetti sulle sezioni superiori ed inferiori del cilindro sono buoni candidate per ridurre la lavorazione di sgrossatura. Nel primo progetto per ottenimento con saldatura, erano richieste due lavorazioni meccaniche extra (sgrossatura e finitura finitura)) per ogni sede dei cuscinetti. Con la colata retiforme, la fase di sgrossatura può essere eliminata e solo la finitura è richiesta per le sedi dei cuscinetti.

PARTE #3 Il foro del semiasse non richiede nessuna operazione di lavorazione meccanica; così la colata non prevede nessun vantaggio dalla geometria retiforme.

PARTE #4 Con la colata, lo spessore della parte inferiore del cilindro può essere tracciato riducendo il peso e quindi risparmiando sul costo del metallo. La geometria del diametro interno è prodotta usando un anima di sabbia nel modello per formare la cavità interna del cilindro.

PARTE #5 La giunzione del cilindro alla base di supporto è una regione altamente sollecitata e dovrebbe essere generosamente arrotondata (raggio di 0.5”=127mm) in modo da ridurre notevolmente la concentrazione degli sforzi in tale giunzione. giunzione

DISEGNO DELLE NERVATURE NERVAT URE DI RINFORZO Le nervature di rinforzo sull’alloggio dell’asse servono ad una grande funzione strutturale, sostenere e sopportare il cilindro principale contro contro gli sforzi torcenti. Come, le A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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nervature furono triangolari, rettilinee e relativamente sottili. Lo spessore delle nervature fu limitato da necessità di gioco per la rondella, la chiave inglese e dei bulloni di seraggio, come mostrato in figura.

Con la flessibilità del disegno in colata, il progettista può rimodellare le nervature di rinforzo per fornire geometrie complesse e migliorare la resistenza e rigidità.

Il progettista della colata ha le seguenti tre opzioni nel ridisegnare le nervature di rinforzo:

Opzione A Deformare le nervature vicine alle sedi dei bulloni per fornire il gioco necessario per le chiavi di serraggio.

Opzione B Deformare le nervature vicine alle sedi dei bulloni ed incrementare lo spessore delle nervature per aumentare resistenza e rigidezza.

Opzione C Ispessire le nervature e spostarle a 0°, 90°, 180°, and 270° per fornire il gioco per i fori dei bulloni.

OPZIONE A: NERVATURE DEFORMATE Nella opzione A, le nervature sono rimodellate per deformare le nervature vicine alle sedi dei bulloni.

Ciò fornisce il gioco necessario per le chiavi di serraggio durante l’assemblaggio.

Riducendo l’altezza delle nervature si garantisce più gioco e si riduce l’interferenza con il diameto interno del mozzo.

Ma le nervature hanno ugual spessore al disegno di partenza; un incremento nello spessore garantirebbe maggior resistenza e rigidezza.

L’opzione A rappresenta un buon miglioramento del disegno, ma non mira alla prospettiva di migliorare resistenza e rigidezza.

OPZIONE B: NERVATURE DEFORMATE CON ADEGUATO SPESSORE Nella opzione B, le nervature sono rimodellate con due cambi di disegno garantendo il gioco dell’utensile e migliorando resistenza e rigidezza.

La deformazione delle nervature intorno ai fori dei bulloni garantiscono il gioco necessario all’utensile.

L’ispessimento delle nervature impone un incremento in resistenza e rigidezza con un risultante miglioramento della durevolezza.

Riducendo l’altezza delle nervature si impone più gioco e riduce l’interferenza con il diametro interno del mozzo.

L’opzione B risulta la migliore combinazione di miglioramenti del disegno

OPZIONE C: NERVATURE SPOSTATE CON ADEGUATO SPESSORE A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Nella opzione C, C, le nervature sono ispessite e quindi spostate per fornire il gioco per i fori fori dei bulloni.

Ispessendo le nervature si produce un incremento in resistenza e rigidezza con un risultate miglioramento in durevolezza durevolezza.

Spostando le nervature alle posizioni di 0°, 90°, 180° e 270°si permette il gioco necessario ai fori dei bulloni.

Ma ciò ciò anche riduce braccio di leva per le nervature di rinforzo (rispetto alle posizioni diagonali). Questo ridurrebbe l’effetto rinforzante delle nervature.

La piena altezza e l’angolo piatto delle nervature causa interferenza con il diametro intero del mozzo. mozzo

L’opzione C non è la migliore modifica del disegno per garantire il gioco dell’utensile, migliora la resistenza e genera un gioco del mozzo.

DISEGNO DEL MODELLO E DELLE ANIME PER LA PRODUZIONE DELLE SCANALATURE SCA NALATURE Le scanalature dei bulloni sull’originale progetto per saldatura erano caratteristiche ottenute per successiva lavorazione meccanica. meccanica. Uno dei principali benefici della colata è la capacità di formare le scanalature dei bulloni direttamente ed eliminando l’esigenza l’esigenza della lavorazione.

Le scanalature dei bulloni sono caratteristiche critiche che devono essere ben allineate per accoppiare con gli otto bulloni sul telaio del trasportatore.

Le scanalature dei bulloni sono formate nel getto con anime (inserti fatti di sabbia usata per formare una cavità nel getto) posizionate nella forma.

Gli ingegneri di processo dispongono delle seguenti alternative nel disegno dell’anima per produrre le scanalature dei bulloni considerando onsiderando il requisito di allineamento contro il costo di una anima più complessa. comp .

Opzione A Costruendo e posizionando una singola, piccola anima per ogni scanalatura per un totale di 8 anime nella forma principale.

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Opzione B Costruendo un'unica anima a placca che incorpora le caratteristiche delle delle otto scanalature che sia posizionata nella forma.

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OPZIONE A: ANIME MULTIPLE L’alternativa A usa otto singole anime per produrre le scanalature dei bulloni…

Sulla base dei costi, la produzione di otto anime elementari per ogni colata è semplice ed a basso costo.

L’aspetto negativo di adottare le otto single anime consiste nella difficoltà di garantire un loro accurate posizionamento nella forma al fine di produrre delle scanalature perfettamente allineate.

Esistono anche costi relative al tempo impiegato al posizionamento individuale delle otto anime.

L’opzione A (anime multiple) non è l’approccio migliore per produrre le scanalature dei bulloni.

OPZIONE B: UNICA ANIMA A PLACCA L’alternativa B usa una singola anima a placca piana con otto caratteristiche per produrre le scanalature dei bulloni.

Sulla base dei costi, la produzione di una singola anima a placca piana con otto caratteristiche è più complessa ed ha un maggior costo rispetto alla produzione di singole anime (Opzione A).

Il maggior beneficio nell’utilizzo dell’anima a placca unica consiste nel allineamento delle scanalature più precisamente controllato e garantito. Questo miglioramento qualitative giustifica il costo maggiore di produzione della anima a placca.

L’opzione B (singola anima a placca) è l’approccio migliore per produrre le scanalature dei bulloni.

DISEGNO DEL MODELLO: CONTROLLARE MODULO DI RAFFREDDAMENTO E SOLIDIFICAZIONE Le proprietà meccaniche (resistenza, duttilità, durezza, lavorabilità) delle leghe ferro/acciaio sono determinate in modo significante dalla microstruttura della lega formata durante la produzione ed il trattamento termico.

Se le sezioni di un getto di acciaio duttile vengono raffreddate troppo velocemente, la formazione di carburi ferrosi possono aumentare la durezza del getto e ridurre la lavorabilità in quella sezione.

Raffreddamenti rapidi con tendenza a presentarsi alle pareti sottili delle sezioni isolate. L’ingegnere della colata può trattenere il calore e prevenire un eccessivamente rapido raffreddamento dal disegno e posizionamento delle materozze che fungono da fonte di calore e alimentano il metallo fuso.

Figura 1 – Alloggiamento orientato dalla base verso la sommità per la colata nella forma. Le sezioni #1, #2 e #3 sono sottili ed isolate. Avviene un raffreddamento rapido che riduce la lavorabilità.

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SEZIONE # 1 La sommità delle nervature di rinforzo è una sezione isolata; comunque è una regione non sollecitata dove non è richiesta nessuna lavorazione meccanica successiva. La formazione di carburi ferrosi non avrebbe un effetto negativo ed i moduli di raffreddamento non sono un problema.

SEZIONE # 3 La sommità del cilindro con la sede dei cuscinetti è un’area in cui è richiesta una lavorazione (per il diametro esterno e interno), ma il suo spessore immediatamente adiacente alle sedi è sufficiente a trattenere il calore e prevenire l’eccessivo raffreddamento.

Le sezioni #1 e #3 non richiedono caratteristiche particolari per controllare il trasferimento di calore

SEZIONE # 2 Il fondo della piastra di appoggio con il suo accoppiamento alla flangia richiede tre fasi di lavorazione:

Il diametro della flangia accoppiata Tutta la superficie frontale della piastra di appoggio La sede della guarnizione O-ring

La piastra di appoggio è un’area critica in cui può avvenire un rapido raffreddamento e dove la lavorabilità deve essere controllata.

Il modulo di raffreddamento della piastra di appoggio può essere controllato usando una grande materozza nella forma per garantire un flusso termico addizionale. Nella figura a fianco è mostrato il posizionamento la dimensione della materozza.

CONTROLLO DEL COSTO DEL MODELLO Uno dei costi di produzione nella colata è quello relativo alla preparazione del modello. Questo è usato per formare la cavità nel modello di sabbia. La cavità è formata per produrre i contorni voluti e le dimensioni finali del getto. Il modello è posizionato in un’armatura aperta (matraccio) e la sabbia è pressata attorno il modello. Il modello viene quindi rimosso, lasciando la cavità di colata nello stampo di sabbia.

L’alluminio è il materiale scelto per questo modello. L’ingegnere della colata ha un disegno prescelto di come sarà fabbricato il modello con un impatto diretto del costo del modello.

Di seguito, i risultati della scelta del migliore metodo di produzione del modello in alluminio (getto o ottenuto per lavorazioni meccaniche) basato sul costo di lavorazione, vita del modello e requisiti di tolleranza.

Metodo di produzione del modello

Costo relativo del modello

Durevolezza e finitura superficiale

Tolleranza della lavorazione

Getto di alluminio

1X

Vita limitata con possibili difetti che compaiono con l’accumulata usura

± 0.030” (0.762 mm)

Alluminio lavorato con asportazione di trucciolo

3X

Vita prolungata con nessun difetto superficiale legato all’usura

± 0.005” (0.127 mm)

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L’alluminio lavorato rappresenta modello materiale più efficace (anche se è più costoso) per l’esecuzione di questa produzione a lungo termine (8000 pz/anno per più anni).

La foto accanto dello stampo inferiore mostra i dettagli sul cilindro con lo stampo per posizionare l’anima del cilindro.

DISEGNI DEFINITIVI STAMPO PER L’ALLOGGIAMENTO DELL’ASSE Il modello mostra una sezione trasversale dello stampo definitivo illustrando la cavità, il posizionamento del centro e della placca-anima nello stampo e il posizionamento della materozza nella coperchio dello stampo.

STAMPO SUPERIORE ED INFERIORE Le foto in basso mostrano l’unione degli utensili-piastra per realizzare lo stampo superiore ed inferiore. Il disegno dello stampo finale usa una linea di separazione orizzontale, 2” al di sopra della piastra di supporto. La placcaanima piatta è appoggiata sullo stampo inferiore e forma la primitiva linea di separazione nello stampo. Il metallo fuso riempie il basso un canale laterale si espande attraverso i distributori negli attacchi su un lato del getto. Esiste una grande materozza posizionata de centralmente sullo stampo superiore.

Figura 2 – Piastra dello stampo superiore (a sinistra) ed inferiore (a destra)

LE DUE ANIME Le foto mostrano le due anime usate per l’alloggiamento dell’asse. L’anima del cilindro (fig. a sinistra) è posizionata nello stampo inferiore per formare la cavità interna dell’alloggiamento asse. La piastra-anima (fig. a destra) è posizionata sullo stampo inferiore per formare la superficie superiore della piastra di appoggio con le sedi dei bulloni.

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L’ALLOGGIAMENTO DELL’ASSE COME GETTO E LAVORATO Dopo aver scosso, tagliato e pulito l’alloggiamento il getto è controllato per le tolleranze dimensionali e preparato per due operazioni di finitura:

Perizia non distruttiva – Test di durezza Brinell Lavorazione meccanica – Fresare il fondo della piastra di appoggio and modificare il diametro interno del cilindro per le sedi dei cuscinetti.

CONCLUSIONI Con l’alloggiamento dell’asse nel quinto anno di produzione, ci furono tre importanti conclusioni ottenute da queste vincenti modifiche e impresa produttiva.

• •

•

Un getto di ghisa duttile in alternativa al pezzo assemblato per saldatura con equivalente prestazioni ed un risparmio del costo annuale di € 85.000 Il cambio dall’assemblaggio saldato alla colata produsse una pezzo retiforme con ridotte lavorazioni meccaniche richieste, riduzione del peso ed un disegno definitivo che semplificò l’unione finale dell’alloggiamento alla struttura La fase di ingegnerizzazione coordinata fra la fonderia e gli acquirenti fu critica per concordare il prezzo, la qualità e la lista degli obbiettivi.

In fine possiamo affermare che l’alloggio dell’albero nel trasportatore cingolato fu convertito ad un getto di ghisa duttile con un risparmio economico del 15%, realizzato da: • •

Migliorata forma a rete che riduce le operazioni di lavorazione successive Colata in sabbia per un basso costo, alto volume e una produzione just-in-time.

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3. LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI Studio di progetto di un getto in ghisa duttile: giunto cardanico in un motore marino tra entrobordo-fuoribordo

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN GHISA DUTTILE: GIUNTO CARDANICO IN UN MOTORE MARINO TRA ENTROBORDO-FUORIBORDO

FASI PER LO STUDIO DEL PROGETTO • • • • •

Selezione della lega da adottare Riduzione delle fasi di lavorazione Ottimizzazione dei costi di produzione Disegno per la producibilità Controllo del costo del modello

CARATTERISTICHE DEL COMPONENTE Applicazione – Il giunto cardanico è un componente chiave nella movimentazione dei motori marini entrobordofuoribordo Mercury. Il doppio centro del giunto cardanico trasmette la potenza dal motore di entrobordo a quello fuoribordo di poppa che guida l’unità permettendola di:

ruotare la rotta per governare l’imbarcazione cambiare l’angolo di attacco dell’elica fornire un facile accesso all’elica ed al vano inferiore del motore per manutenzione ed ispezione.

Descrizione – Il giunto consiste in un anello di 3”½ (88,9 mm) di diametro con 4 alette (con fori per l’accoppiamento dei perni) che si prolungano dall’anello stesso, due per ogni lato. La lunghezza complessiva è di 4” (101,6 mm) ed un peso approssimativo di 2 pounds (0,907 kg).

La prestazione critica ed i problemi ingegneristici per il giunto sono il comportamento a fatica e precisamente le tolleranze dimensionali per l’assemblaggio e l’allineamento.

La produzione annua è di 250,000 pezzi.

LE PROBLEMATICHE Originariamente come acciaio forgiato, il giunto:

Richiedeva 10 fasi di lavorazione per raggiungere la forma finale e rientrare nelle tolleranze dimensionali.

Fu acquistato da stabilimenti a largo per il bassissimo prezzo di forgiatura, comunque tale l’acquisto richiede: o Grandi lotti di produzione o Lunghi tempi complessivi o Considerevoli costi di spedizione via mare.

BENEFICI NELL’USO DELLA GHISA DUTTILE: RIDUZIONE DEI COSTI ED AUMENTO DELLE PRESTAZIONI La progettazione del getto mostrò che il costo del componente potrebbe essere ridotto del 50% (rapportato allo all’ottenimento per forgiatura) usando un getto di ghisa duttile. Tale riduzione del costo fu realizzata da:

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Forma migliorata tipo rete che ridusse le operazioni di lavorazione.

Colata in sabbia per il basso costo e l’alta efficienza di produzione.

La conversione ad una colata in loco anche ridusse i costi delle scorte in magazzino offrendo una produzione di lotti Just-In-Time con minori tempi complessivi and minori costi totali di spedizione via mare, in confronto ai costi di forgiatura in altri stabilimenti a largo.

ASPETTI CRITICI DELLA PROGETTAZIONE DELLA COLATA Come già detto i requisiti per la prestazione, colabilità/producibilità e costo sono strettamente interconnessi. Cinque aspetti della progettazione della colata giocano un a ruolo predominante nell’incontrare i tre imperativi di progetto: 1.

2.

3.

4.

5.

Scegliere una lega di ferro che concordi resistenza, comportamento a fatica e richieste di lavorazione.

Rivedere il disegno del componente per produrre una forma a rete e ridurre le fasi di lavorazione.

Progettare il sistema di formatura per ridurre costi aggiuntivi di lavorazione meccanica.

Sviluppare il sistema della materozza per garantire la qualità e migliorare la resa.

Selezionare un materiale di produzione al fine di minimizzare il suo costo rispetto al volume di produzione su larga scala.

REQUISITI E SCELTA DELLA GHISA DA UTILIZZARE

L’acciaio è un metallo di prima qualità per le proprietà meccaniche ed il costo unitario, ma le prestazioni richieste condurranno alla scelta di una specifica lega di acciaio.

Per la prestazione meccanica, la lega d’acciaio deve essere sia forte e resistente ai cicli di fatica, perché le sollecitazioni sono elevate sia sensibile al deterioramento che deve essere evitato.

Gli ingegneri del progetto hanno stabilito le specifiche meccaniche di 80 ksi (5515.8 bar) per la tensione di rottura, 50 ksi (3447.4 bar) per la tensione di snervamento e una tensione limite di fatica di 30 ksi (2068.4 bar).

Il giunto richiede una lavorazione precisa, perciò la lega scelta deve essere lavorabile velocità di base di 60 m/min.

Il giunto è completato con uno strato protettivo anticorrosivo di fosfato scuro, perciò la resistenza alla corrosione non è un fattore da considerare nella scelta della lega.

Detto ciò si considerano per la scelta definitiva le seguenti tre classi di ghise: 1.

2.

3.

Ghisa duttile ASTM classe 100-70-03 Ghisa duttile ASTM classe 60-40-18 Ghisa grigia ASTM classe 40

Figura 3 - Specifiche meccaniche delle tre classi di ghise in esame

Dal diagramma precedente si evince che solo la lega di ghisa duttile ASTM classe 60-40-18 verifica tutti i requisiti prestazionali e quindi su di essa ricade la nostra scelta.

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DISEGNO PER OTTENIMENTO DI UNA FORMA A RETE Il disegno finale del giunto richiede che 4 alette sull’anello abbiano uno spessore finale di 0.445” (11,303 mm) e che la superficie circolare dell’anello sia lavorata per l’equilibratura.

La figura a destra mostra tre aree (evidenziate in rosso) dove è richiesta la lavorazione sul disegno originale.

1.

2.

3.

Facce esterne delle alette Facce interne delle alette Circonferenza esterna dell’anello per il bilanciamento del giunto.

La tecnologia di colata fornisce più snella forma a rete, offrendo

Transizioni geometriche fra le sezioni più nette e più rapide.

Dettaglio maggiore e tolleranze più stratte nelle sezioni sottili.

Le aree (interno aletta, esterno aletta, esterno anello) sono le regioni dove la cavità retiforme della colata dovrebbe eliminare o ridurre le necessità di lavorazioni meccaniche successive.

LAVORAZIONE DELLA CIRCONFERENZA La circonferenza dell’anello è un buon candidato per ridurre la lavorazione meccanica.

1.

2.

Nel disegno originale era richiesto del materiale addizionale sulla circonferenza a causa dei requisiti della spoglia dell’utensile forgiante.

Usando una colata di metallo con formatura in sabbia, è richiesta minor spoglia sulla circonferenza, in modo che c’è minor materiale da rimuovere nell’operazione di lavorazione successiva.

LAVORAZIONE FACCE ESTERNE ALETTE Le facce esterne delle quattro alette sono dei buoni candidati per ridurre la lavorazione meccanica.

1.

2.

Nel disegno originale era richiesto del materiale addizionale sulle facce esterne delle alette per contenere i limiti dell’utensile forgiante.

Usando una colata di metallo con formatura in sabbia, le parti piane sulle facce esterne terminali possono essere prodotte nella colata, eliminando totalmente la lavorazione della faccia sulle quattro alette.

LAVORAZIONE FACCE INTERNE ALETTE Le facce interne delle quattro alette richiedono una lavorazione di finitura in ogni caso.

1.

2.

Le facce interne delle alette richiederanno una lavorazione precisa per venire incontro ai requisiti di accoppiamento e tolleranza. È necessaria una fase di lavorazione, perché la colata con formatura in sabbia non fornisce l’ordine di precisione finale richiesta.

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FORMA A RETE E COSTI DI LAVORAZIONE Il giunto cardanico richiede fori passanti su ognuna delle quattro alette. I fori hanno un diametro di 1.075” (27,305 mm) ed devono essere lavorati per un preciso accoppiamento. L’ingegnere del processo di colata ha le seguenti due alternative per produrre tali fori:

A. Produrre i fori in una lavorazione a due fasi successive: taglio grezzo and alesatura. Questa soluzione venne adottata in quanto: Un’analisi comparativa dei costi mostrò che per questo componente con un tasso di produzione di 250,000 pz/anno, l’operazione di foratura grezza per i quattro fori era meno dispendiosa del costo di produrre e posizionare delle anime nella forma.

La procedura delle due fasi di lavorazione è più economica per questa applicazione e tasso di produzione, comparato al metodo alternativo di creare ed allineare/posizionare più anime per produrre i fori grezzi nel getto.

B. Produrre i fori con un diametro ineguale usando due anime di sabbia nella forma. Le anime in sabbia sono rimosse dalla colata ed i fori sono infine alesati. In questo caso, usando le anime, elimineremo la lavorazione di foratura grezza richiesta per i fori ma tale soluzione venne scartata in quanto: Visto che i fori hanno un ben fissato requisito dimensionale, essi devono essere alesati alla fine.

Un’analisi comparativa dei costi mostrò che per questo componente con un tasso di produzione di 250,000 pz/anno, il costo di produrre e posizionare delle anime nella forma era più costoso della foratura grezza.

DISEGNO FINALIZZATO ALLA PRODUCIBILITÀ ED ALLA QUALITÀ Il giunto è formato come unione di sei giunti in un unico getto. Dopo che il getto è rimosso dall’armatura (la cassetta in cui giace la forma in sabbia) e raffreddato, viene ripulito dalla sabbia che è aderita nel processo di “scollatura”.

Il macchinario per la “scrollatura” è un agitatore meccanico. Il getto grava su una lastra d‘acciaio ed è vigorosamente vibrato per scrollare la sabba di formatura.

Se il getto grezzo complessivo riposa sulle linguette dei giunti nel macchinario di “scrollatura”, i bordi dell’aletta saranno raschiati e danneggiati.

Le alette del giunto possono essere protette durante lo scuotimento dimensionando e posizionando le materozza affinché l’insieme del getto resti vicino alle materozze, non vicino alle alette, durante la scrollatura.

Ora valuteremo due possibilità per il dimensionamento e posizionamento delle materozze che vengono mostrate di seguito.

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A. 6 materozze alte. Questa soluzione venne adottata in quanto: Si posizionano e dimensionano le materozze in modo che il getto complessivo dei giunti è sostenuto sopra le materozze durante lo “scrollamento”, le alette dei giunti risultano così protette durante tale fase.

Ogni giunto è alimentato su ogni lato da una materozza, fornendo un uniforme apporto di metallo nel giunto.

B. 4 materozze basse. Questa soluzione venne scartata in quanto: Si posizionano e dimensionano le materozze in modo che il getto complessivo dei giunti è sostenuto sopra le alette durante la “scrollatura”, piuttosto che sulle materozze. Ciò potrebbe danneggiare le alette del giunto, nel momento in cui strisciano contro la lastra di supporto.

I quattro giunti agli angoli sono alimentati ognuno da un’unica materozza. Questo genera un irregolare apporto di metallo all’interno di questi quattro componenti.

SCELTA DEL MATERIALE DEL MODELLO SUL COSTO DI LAVORAZIONE E LA SUA VITA UTILE Uno dei costi di produzione nella colata è quello relativo alla preparazione del modello. Questo è usato per formare la cavità nel modello di sabbia. La cavità è formata per produrre i contorni voluti e le dimensioni finali del getto. Il modello è posizionato in un’armatura aperta (matraccio) e la sabbia è pressata attorno il modello. Il modello viene quindi rimosso, lasciando la cavità di colata nello stampo di sabbia.

I modelli sono generalmente lavorati di forma desiderata in legno, plastica o metallo. Il costo di lavorazione dl modello dipende dalla durezza del materiale adottato. Materiali più morbido risultano meno costosi per la lavorazione.La sabbia usata per la formatura ha un carattere abrasivo che viene rimossa dalla superficie del modello ripetutamente dopo ogni colata.

I contorni netti sono più suscettibili ad logorati in confronto ai contorni piani o curvi del modello. Questo è un aspetto particolare per la formatura automatizzata in cui la sabbia è meccanicamente pressata nell’operazione di formatura. La duratura del modello dipende dalla durezza del materiale con cui viene realizzato. Materiali più duri sono più duraturi ed hanno una vita più lunga ma sono anche più costosi da produrre. Nella tabella successiva vengono paragonati i parametri considerati dei materiali in esame.

Materiale

Costo relativo di lavorazione

Vita utile

Legno

1X

5 getti

Plastica

2X

1.000 getti

Metallo

3X

100.000 getti

Come si evince dalla tabella il metal è il materiale dal maggior costo che risulta valido per l’esecuzione di questa produzione a lungo termine: 250,000 pz/anno, per più anni.

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DISEGNO FINALE DEL MODELLO SUPERIORE ED INFERIORE

Figura 4 - Piastra dello stampo superiore (a sinistra) ed inferiore (a destra) Il disegno finale dello stampo usa una linea di partizione orizzontale con 6 giunti in un modello rettangolare.

Il metallo fuso alimenta il basso da un canale di colata centrale, e si espande attraverso i corridoi nelle aperture con le materozze.

Ci sono 6 materozze posizionate sulle aperture che portano ai sei giunti. Ogni giunto è alimentato dal metallo fuso da due lati.

LAVORAZIONI FINALI Dopo la colata ed il taglio il giunto viene controllato per le tolleranze dimensionali e preparato per le tre operazioni finali:

Valutazione non distruttiva con radiografia ai raggi X e liquidi penetranti di un lotto di pezzi selezionato Lavorazione: taglio ed alesatura dei quattro fori, brocciatura delle facce interne delle alette e lavorazione del diametro esterno per l’equilibratura Protezione del giunto con uno strato fosfato per la resistenza alla corrosione.

CONCLUSIONI Il giunto cardanico nella trazione marina fu convertito ad un getto di ghisa duttile con un risparmio economic del 50%, realizzato da: 1.

2.

3.

Migliorata forma a rete che ridusse le successive operazioni di lavorazione meccanica.

Formatura in sabbia per ottenere bassi costi, alti volume di produzione, produzione just-in-time Conversione ad una colata che ridusse anche i costi delle scorte offrendo lotti di produzione Just-In-Time con minori tempi totali e minori costi di spedizione via mare, comparato alla produzione da una fonte al largo.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Pur rappresentando solo il 2% della produzione di acciaio, gli acciai inossidabili, date le loro particolari caratteristiche di resistenza alla corrosione costituiscono una delle classi di acciai di maggior interesse tecnologico.

Essi sono essenzialmente leghe l ferro-carbonio carbonio-cromo cromo (contenenti spesso anche nichel) caratterizzate da un'ottima resistenza alla corrosione, per cui trovano svariate applicazioni soprattutto nel campo dell'industria chimica, alimentare, farmaceutica, dell'arredamento dell'arredamento e dei casalinghi casalinghi ed in generale in tutti i casi in cui è richiesta una elevata resistenza sistenza alla corrosione o particolari qualità estetiche.

Tale resistenza alla corrosione è garantita dalla presenza di un tenore di cromo minimo del 12% che conferisce al materiale una ottima passivabilità, ciò vuoI dire che sulla superficie del metallo si forma un film di ossido che protegge il materiale dalla corrosione.

Alla lega base possono essere aggiunti altri elementi (nichel, molibdeno, titanio, niobio, tantalio, ecc.) per migliorare orare alcune specifiche caratteristiche.

ACCIAI INOSSIDABILI: EFFETTO DELLA COMPOSIZIONE COMPOS IZIONE

•

• •

Acciai caratterizzati dalla presenza di Cr: Cr • Acciai cciai resistenti alla corrosione per Cr≥12% Cr≥12% (acciaio inossidabile); • Cr ≥12% passiva la superficie dell’acciaio con strato di ossido (1-10nm) (1 che protegge il metallo dalla corrosione; • Strato di ossido → necessità necessità che l’acciaio sia in contatto con mezzi ossidanti (aria..); (aria..)

• Ill contatto con mezzi riducenti, distrugge lo strato di ossido e rende simile l’acciaio inox agli altri ltri acciai; acciai • Cr < 12% → acciai con certa resistenza resistenza a corrosione, ma non INOX. Aggiunta di Ni: • migliora la resistenza alla corrosione in ambiente neutro o leggermente ossidante (aumenta il costo dell’acciaio); • in opportune concentrazioni: o aumenta la duttilità e la formabilità formabilità; o struttura austenitica a temperatura ambiente. temperatura ambiente Aggiunta di Mo: • migliora la resistenza a corrosione da cloruri. cloruri Aggiunta di Al: scagliatura ad alta temperatura temperatura.

• migliora la resistenza alla scagliatura

Per studiare gli acciai inossidabili si ricorre al diagramma di Schaeffler; Schaeffler; valido a rigore solo allo stato normalizzato, in cui sono riportate riportate in ascisse la percentuale di cromo equivalente ed in ordinata la percentuale di nichel equivalente. Il cromo equivalente è pari alla somma pesata degli elementi ferritizzanti cioè degli elementi di lega che tendono a chiudere il campo del Fe--y (%Cr+%Mo+l,5%Si+0,5%Nb), o+l,5%Si+0,5%Nb), il nichel equivalente è invece pari alla somma pesata degli elementi austenitizzanti cioè degli acciai che tendono a aprire il campo del Fe-y (%Ni+30%C+0,5Mn). Da questo questo A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI IN INOSSIDABILI OSSIDABILI (INOX)

diagramma si può vedere come scegliendo opportunamente gli elementi di lega si possano ottenere acciai con struttura austenitica (reticolo cristallino c.f.c. del Fe-y), y), ferritica (reticolo cristallino c.c.c. del Fe-α.) o martensitica.

Ad esempio;; le tre più tipiche composizioni (con il minimo tenore possibile di elementi di lega) corrispondenti alle tre diverse strutture sono le seguenti: • struttura austenitica (punto * di Fig. 8.7): cromo 18%, nichel 8-10%, 8 10%, carbonio 0,06%, • struttura ferritica (punto o sul diagramma): cromo 17%, carbonio 0,1 %, • struttura martensitica (punto (pun + di Fig. 8.7): cromo 13%, carbonio 0,15%.

Da un punto di vista generale si può anticipare che: • Gli acciai austenitici sono in genere quelli che presentano miglior resistenza alla corrosione, seguiti dai ferritici e dai martensitici; • Gli acciai martensitici sono invece quelli che hanno migliori caratteristiche meccaniche, seguiti dai ferritici e dagli austenitici, questi ultimi tuttavia, essendo più deformabili, possono essere notevolmente incruditi; • Il maggior tenore di elementi di lega, e in particolare particolare di nichel, fa si che gli acciai austenitici siano i più costosi, seguiti dai martensitici per i quali, pur essendo meno legati dei ferritici, è necessario tener conto dei costi di trattamento termico e della più difficile lavorabilità.

• Per completare completare il quadro è anche opportuno ricordare che anche gli acciai inossidabili austenitici più legati possono non sopportare alcune condizioni di elevata aggressività ambientale; è allora necessario ricorrere a superleghe a base di nichel, cromo, molibdeno e cobalto.

I più tipici acciai di ognuna delle principali classi di acciai inossidabili sono:

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

CLASSIFICAZIONE DEGLI DEGL I ACCIAI INOSSIDABILI INOSSIDABIL Classificazione UNI per acciai legati (contenenti Tipi Elementi di lega Designazione almeno un elemento di lega uguale o maggiore AISI del 5%, è il caso degli acciai inossidabili Ferritici – (α) Fe-Cr 4xx contenenti Cr con percentuali minime del 12%); Martensitici Fe-Cr-C 4xx - simbolo iniziale X, seguito dalla lettera G Austenitici – (γ) Fe-Ni-Cr Cr 3xx nel caso di acciai per getti, Fe-Cr-Ni Ni - numero da dividere dividere per 100, indicante la Duplex – (α+γ) Indurenti per precipitazione Fe-Cr-Ni Ni % media di carbonio, Leghe con % di - simbolo degli elementi di lega seguiti dai Super ferritici e austenitici elementi maggiori numeri indicante la % degli stessi.

Esempio: • X8Cr17 (carbonio 0,08% - cromo 17%); • X10CrNi 1808 (carbonio 0,1% - cromo 18% - Nichel 8%).

Molto olto usata la classificazione AISI (430) • Differenti tipologie di acciai L'unificazione maggiormente usata per designare gli acciai inossidabili è quella americana AISI. Essa designa gli acciai inossidabili con numeri di tre cifre. Gli austenitici sono designati da numeri numeri delle serie 200 e 300 (2xx e 3xx), mentre i ferritici ed i martensitici da numeri della serie 400 (4xx). Altri acciai inossidabili particolari (duplex austeno-ferritici, austeno ferritici, ferritici a bassi interstiziali, indurenti per precipitazione, leghe con più alti tenori tenori di elementi di lega) vengono designati generalmente con sigle scelte dal produttore. Una classificazione a parte hanno anche gli acciai inossidabili per getti.

CLASSIFICAZIONE E PROPRIETÀ PR OPRIETÀ DEGLI ACCIAI INOSSIDABILI INOSSID FERRITICI • •

• •

•

•

AISI 405: 12-13%Cr, 12 13%Cr, basso C; AISI 409 con Ti → stabilizzati; Ti = 6 x C → per saldatura, elimina formazione di martensite.

AISI 430: più usato, 17%Cr; AISI 430F, S > 0.15% per aumentare la lavorabilità alle macchine utensili; AISI 446 più resistente ad ossidazione.

Gli acciai inossidabili ferritici contengono ferro, carbonio (< 0,12%) 2%) e cromo (12 - 30%). %). Il diagramma di Shaeffler mostra che si può ottenere struttura ferritica anche solo con il 12% di cromo, ma in questo caso sarebbe necessario eliminare completamente il carbonio, carbonio, che ha effetto austenitizzante. In assenza di altri stabilizzanti la ferrite (come il molibdeno e l'alluminio) e tenendo il carbonio intorno allo 0,1 %, è allora necessario aumentare il tenore di cromo fino a circa il 17%. Il tipo più A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

• •

utilizzato è infatti l'acciaio AISI 430 (0,12%C-17%Cr), da cui derivano tutti gli altri. Rispetto agli acciai austenitici, pur resistendo meno alla corrosione, presentano il vantaggio di non contenere nichel, elemento costoso, e sono inoltre meno soggetti alla corrosione sotto sforzo.

Lavorabilità; Alcuni anni addietro sono stati sviluppati acciai inossidabili ferritici a bassi interstiziali, caratterizzati da bassi tenori di carbonio e azoto e dall’introduzione di molibdeno, chiamati acciai ELI ("Extra Low Intersticials"), con l'obiettivo di migliorare la resistenza alla corrosione degli acciai inossidabili ferritici. Benché di un certo interesse applicativo, lo sviluppo di tali acciai è stato in realtà soppiantato dallo sviluppo degli acciai inossidabili duplex, caratterizzati, rispetto ad essi, da migliori proprietà meccaniche.

TRATTAMENTI TERMICI •

Basso C → non consente la trasformazione austenite-ferrite → non trattabile a caldo; Anche gli acciai inossidabili ferritici, come gli austenitici, non essendo soggetti a trasformazioni di fase durante il raffreddamento, non possono essere sottoposti a trattamenti termici veri e propri; l'unico trattamento realizzato è quello di ricottura non propriamente detto (riscaldamento a 650-830°C e rapido raffreddamento), che ha lo scopo di ridurre o eliminare l'incrudimento prodotto dalle deformazioni a freddo o dalle saldature, ottenendo il miglior compromesso tra resistenza meccanica (che peggiora durante il trattamento) e resistenza alla corrosione (che viceversa migliora).

• Se dopo lavorazione a freddo → ricristallizzazione; • Se dopo saldatura → restaura la duttilità e la resistenza a corrosione.

Tempo: 1-2h per evitare ingrossamento del grano; Precauzioni: evitare permanenza tra 400-570°C per la possibilità di precipitazione della fase fragile.

MECCANISMI DI RAFFORZAMENTO Le caratteristiche meccaniche a temperatura ambiente dipendono dallo stato di incrudimento. Nel grafico si può notare il differente effetto dell’incrudimento sul carico unitario di resistenza alla trazione per gli acciai ferritici (4xx) e austenitici (3xx).

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

In genere: Sollecitazione a rottura R: 420420-700 MPa; Sollecitazione di scostamento dalla proporzionalità RP(0.2): 230 230-350 MPa; Allungamento %: 13-30 13 %; Durezza: • HB 131-212; 212; HRB 90.

Effetti dell'incrudimento: • Basso asso sulla resistenza alla corrosione; corrosione • Aumenta umenta RP(0.2) molto più di R; R • Diminuisce iminuisce A% del 20-25% 20 25%.

IMPIEGO A TEMPERATURE TEMPERATUR E DIVERSE DA QUELLA AMBIENTE Proprietà a basse temperature: temperature • Non Non adatti (CCC): T transizione duttile-fragile duttile fragile a T ambiente; ambiente • Dimensioni Dimensioni del grano, contenuto di elementi interstiziali, fasi disperse disperse.

Proprietà ad alte temperature: temperature • Resistenza Resistenza allo scagliamento aumenta con contenuto di cromo; cromo • AISI 430: resiste all'ossidazione fino a 800-850°C; 800 • AISI 446 fino a 1100-1150°C; 1100 ; • Sensibile ensibile ad infragilimento: infragilimento: 400-600°C; 400 • Inf nfragilimento ragilimento da fase σ (precipitazione di carburi): carburi): lunghi tempi tra 550 550-850°C; • Ingrossamento ngrossamento del grano. grano

ACCIAI INOSSIDABILI MARTENSITICI Gli acciai inossidabili martensitici, martensitici hanno un tenore di carbonio C 0,1-1% e di cromo variante tra l’11,5 ed il 13%, il limite inferiore essendo determinato dalla resistenza alla corrosione e quello superiore dalla possibilità di assumere struttura martensitica, come mostrato dal diagramma di Shaeffler. Questi acciai sono utilizzati nei casi in cui si richiedono elevate caratteristiche meccaniche resistenziali, proprie della struttura martensitica, unitamente ad una resistenza alla corrosione comunque non trascurabile (determinata dalla presenza di cromo); sono ad esempio largamente utilizzati per realizzare realizzare palette di turbine, parti di valvole, collettori, A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI INOSSIDABILI INOSSIDABI (INOX)

cuscinetti, per l'industria estrattiva, ecc. L'acciaio più utilizzato è l'AISI 410 (0,15C13Cr), (0,15C13Cr), con carico di snervamento che può raggiungere, in dipendenza della temperatura di rinvenimento, i 1000 1000 MPa. Un aumento del tenore di carbonio comporta un aumento delle caratteristiche meccaniche, a scapito tuttavia della saldabilità e della duttilità. Possono essere aggiunte piccole percentuali di nichel e molibdeno, in particolare per evitare la fragilità fragilità da rinvenimento.

TRATTAMENTI TERMICI Essendo in questi acciai i punti critici A3 ed A1 superiori a temperatura ambiente, su questi acciai è possibile eseguire i normali trattamenti termici di: Ricottura,, che permette una miglior lavorabilità, Ricottura lavorabilità tempra,, per la quale è sufficiente il raffreddamento in aria anche per grossi spessori, rinvenimento, eseguito fra 600 e 670°C, che garantisce un miglioramento della tenacità, rinvenimento, tenacità a fronte di un peggioramento della resistenza alla corrosione, corrosione distensione, eseguita fra distensione, fra 150 e 430°C, per ridurre le tensioni interne senza peggiorare la resistenza alla corrosione.

• • • •

RICOTTURA • •

Effettuata a T< A3 e A1 → aumenta la lavorabilità, lavorabilit a volte preceduta da normalizzazione → martensite.

TEMPRA •

Presenza di Cr → bassa conducibilità conducibilit termica → necessitàà di basse velocità di riscaldamento. o o

Conveniente per pezzi incruditi con variazioni di sezione, preriscaldo a T≈900°C T≈900°C fino a riscaldo completo alla temperatura di tempra; Per componenti di grandi dimensioni: preriscaldo a ≈ 550°C;

•

Alte lte T di tempra → valori massimi di durezza e tenacità tenacità dopo distensione;

•

Basse asse T di tempra → migliore tenacità tenacità dopo rinvenimento;

•

Raffreddamento: affreddamento: o o

In n aria per pezzi di forma irregolare; irregolare In n olio a 40-90°C, 40 90°C, durezze superiori. superiori

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

•

La durezza della martensite dipende dalla percentuale di carbonio %C.

•

Controllando i diagrammi Fe-Fe3C Fe Fe3C con 12 %Cr e 18 %Cr si evidenzia che a 1000°C la massima % di carbonio è;

•

o 0.55 %C per l’acciaio al 12 %Cr o 0.30 %C per l’acciaio al 18 %Cr Si può perciò ottenere una martensite con più alta percentuale di carbonio con la più bassa % di cromo.

•

Tenori maggiori di carbonio daranno grandi quantità di carburi.

•

Aumento della possibilità di avere austenite residua per: 1. Acciai con tenori maggiori di cromo e carbonio (>0.35) 2. Aumento della temperatura peratura di tempra (in genere di 1050°C) Il trattamento sotto zero prima del rinvenimento trasforma la maggior parte dell’austenite residua.

•

RINVENIMENTO •

per acciai a basso e medio C o migliore combinazione di: Proprietà meccaniche: 600-670°C 600 resistenza a corrosione: < 430°C o durata del trattamento: maggiore per T minori o Velocità raffreddamento alta (olio) → elevata tenacità tenacit o T 430-570°C 570°C fragilità da rinvenimento A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

•

• •

bassa resistenza a corrosione per acciai ad alto C (AISI 440) o solo distensione.

Possono essere rinvenuti tra 200-525°C 200 525°C e ottenere stesse durezze ma drastiche perdite di resistenza alla corrosione a causa della precipitazione dei carburi nella matrice.

Questo a causa della diminuzione del contenuto di Cr nella matrice che fa perdere le caratteristiche caratteristiche di inossidabilità.

DISTENSIONE •

Elimina le tensioni residue, migliora la stabilità meccanica (dopo tempra o deformazioni a freddo): o Per er tutti gli acciai → appena dopo tempra (evita cricche), cricche) o per acciai ad alto C: unico trattamento dopo tempra, o per gli altri è alternativo al rinvenimento, rinvenimento o le proprietà finali dipendono dalla T di tempra. tempra

•

Effetti delle temperature di tempra sulle caratteristiche meccaniche di un acciaio martensitico tipo AISI 410 dopo distensione a 260°C per 2 ore e raffreddamento in aria.

I tempi di permanenza alle temperature di tempra sono stati di 30min ed il raffreddamento è stato realizzato in olio.

L’aumento di durezza per temperature di tempra tra 975975 1040°C è giustificato da un aumento dei carburi in soluzione.

Oltre una certa temperatura, in genere 1050°C, l’aumento di carburi in soluzione favorisce la formazione di austenite residua dopo tempra. Per questo la durezza diminuisce.

Per avere un ulteriore aumento di durezza oltre 1050°C è necessario un trattamento sotto zero.

• • •

•

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

PROPRIETÀ A TEMPERATURA DIVERSE DA QUELLA AMBIENTE Comportamento analogo a quello degli acciai da bonifica.

• Per quanto riguarda il comportamento a bassa temperatura, tenacità condizionata dal trattamento termico • Per quanto riguarda il comportamento ad alta temperatura, di solito non usati a temperature maggiori di quelle di rinvenimento (perdono i vantaggi della bonifica).

• AISI 410 permette temperature di lavoro fino a 650°C (servizio continuo).

• Tipi con Ni, Mo, W, V buona resistenza al creep → tubi per generatori di vapore.

ACCIAI INOSSIDABILI AUSTENITICI

Leghe ternarie Fe-Cr-Ni: Cr 12÷30%, Ni 8÷35%, C 0,03÷0,25% Non induribili per trattamento termico; Austenite a T ambiente; Maggiore duttilità e resistenza a corrosione; Corrosione intergranulare: modificare composizione o trattamenti termici particolari; Produzione: oltre il 60% degli acciai inox.

Gli acciai inossidabili austenitici rappresentano più del 60% della produzione di acciai inossidabili. Sono, fra gli acciai inossidabili di più larga produzione, quelli che meglio resistono alla corrosione e pertanto trovano applicazione in tutti i campi in cui tale resistenza è quella di maggior importanza. L'acciaio inossidabile austenitico più tipico è il classico acciaio AISI 304 (0,06C-18Cr-8/10Ni), di designazione UNI X8CrNi18-8 e noto più semplicemente anche come 18/8 o 18/10, che ancor oggi rappresenta più di un terzo dell'intera produzione di acciaio inossidabile.

Svariate sono le possibili modificazioni di tale composizione chimica base, realizzate per conseguire specifici miglioramenti nelle proprietà di resistenza alla corrosione generalizzata, localizzata e intergranulare, nella saldabilità, nelle caratteristiche meccaniche, nella lavorabilità.

Fra le più importanti modificazioni segnaliamo:

L'aggiunta di molibdeno in tenori del 2-3% per migliorare la resistenza alla corrosione localizzata per vaiolatura ("pitting corrosion") o in fessura ("crevice corrosion"): AISI316,

la diminuzione del tenore di carbonio (<0,03%) per ridurre la possibilità di insorgenza di corrosione intergranulare in particolare nelle strutture saldate: AISI 304L o AISI 316L,

l'aggiunta di bassi tenori di titanio oppure niobio e tantalio per ottenere i cosiddetti acciai stabilizzati, anche in questo caso per prevenire la corrosione intergranulare: rispettivamente AISI 321 e AISI 347,

l'aumento del tenore di carbonio (0,15%) per migliorare le caratteristiche meccaniche anche se a scapito della resistenza alla corrosione: AISI302,

l'aumento del tenore di cromo (fino 25%) e nichel (fino 20-35%) per accrescere la resistenza all'ossidazione a caldo: AISI310,

l'aumento del tenore di azoto (fino allo 0,5%) per migliorare le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla corrosione: acciai fuori standardizzazione AISI, in quanto di recente sviluppo.

Deve essere sottolineato che non essendo soggetti a trasformazioni di fase durante un eventuale ciclo di riscaldamento e raffreddamento, sugli acciai inossidabili austenitici (come anche sui ferritici) non possono essere effettuati trattamenti termici di tempra per aumentare le caratteristiche meccaniche, ma solo trattamenti termici di solubilizzazione (riscaldamento a 1050°C e rapido raffreddamento) per disciogliere eventuali carburi presenti o di distensione (a 400°C) per eliminare le tensioni interne.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) (INOX

Le caratteristiche meccaniche, basse allo stato solubilizzato (carico di snervamento pari a circa 250 MPa), possono essere aumentate solo mediante incrudimento cioè deformazione plastica a freddo ad esempio sempio per laminazione o trafilatura). In questo modo è possibile raggiungere caratteristiche meccaniche molto più elevate, fino a 800-1000 800 1000 MPa in caso di barre e lamiere di normali dimensioni, e fino a valori anche molto superiori per lamierini e fili sottili. sot

TRATTAMENTI TERMICI Solubilizzazione: Solubilizzazione Scopo: Scopo o Solubilizzare i carburi, o rimuovere le variazioni strutturali (ferrite, martensite) a seguito di processi di formatura.

Modalità: Modalit o Riscaldare a T > 1000°C, tempi brevi (in funzione dello spessore dei pezzi) → il tempo non influisce sulle proprietà meccaniche ma sull’ingrossamento del grano → corrosione intergranulare. intergranulare o Raffreddamento rapido (850-450°C: (850 450°C: evita formazione fase σ e carburi) in acqua (non è possibile possib per pezzi di grandi dimensioni). Per pezzi sottili, il raffreddamento può essere realizzato in aria.

Caso: o AISI 304 dopo saldatura: non raffreddabile velocemente e non solubilizzabile →sostituito con acciai stabilizzati stabilizzati.

Sensibilizzazione: Scopo: o Testare la suscettibilità alla corrosione intergranulare → individuazione di intervallo di T e tempo per precipitazione dei carburi.

Stabilizzazione: Scopo: Scopo o evitare la formazione di carburi di cromo al bordo di grano → aumenta la resistenza a corrosione intergranulare. tergranulare. o Acciai: AISI 321 (Ti), AISI 347 (Nb).

(Nb) A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Modalità: o mantenimento a 880°C, 2h (in funzione delle dimensioni del pezzo), e quindi raffreddamento in aria.

Si ha: • formazione di TiC e NbC nel grano, • stabilizzazione dell’austenite per eliminazione di Ti. o la sensibilizzazione si ha a 650°C: manca C per formare carburi di Cr. Impieghi: o ad alte T (creep), o per T< 425°C → AISI 304L, AISI 316L con C < 0,03% (costo inferiore).

Distensione: Scopo: o Eliminare tensioni interne dopo cicli di formatura → tensocorrosione; o non necessaria se il pezzo non è sottoposto a tensocorrosione.

Modalità: o riscaldamento a T < 450°C, mantenimento per 0.5-2h, raffreddamento in aria.

Applicazioni: o Acciai saldati non raffreddabili rapidamente (per le dimensioni), o decapaggio e passivazione delle superfici ossidate → uso di acciai stabilizzati o della serie L.

PROPRIETÀ MECCANICHE AD ALTA TEMPERATURA Usati ad alte T per: • Resistenza all’ossidazione: Cr • Elevate proprietà: Ni → aumenta R e K (austenite), resistenza a fatica termica, a carburazione e nitrurazione, si degrada con S → solfuro di Ni. Sensibilità all’infragilimento per effetto della: separazione di carburi, formazione della fase σ: o Molto dura e fragile → aumenta la durezza e resistenza, ma diminuisce la tenacità e la duttilità, o altera le proprietà meccaniche a caldo, o si forma sia dalla fase α che da quella γ. o La formazione è lenta a T< 600°C ma diventa veloce per T maggiori: • Precipita in poche ore da strutture bifasiche (γ+α); molte ore in acciai austenitici al Cr-Ni nell’intervallo di T: 750-900°C. • La favoriscono elementi ferritizzanti: Si, Mo, Ti, Nb, Al. • La rallentano elementi austenitizzanti: Ni, C, N, Mn.

ACCIAI INOSSIDABILI INDURITI PER PRECIPITAZIONE • •

Cr: 10-30%, + Ni e Mo. Fasi che precipitano: da Cu, Al, Ti e Nb → elevata resistenza e resistenza a corrosione.

Gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione, spesso indicati con la sigla PH (“Precipitation Hardening”) sono stati sviluppati per venire incontro alla richiesta di acciai di alte caratteristiche meccaniche, unite a buona resistenza alla corrosione; ciò è ottenuto con acciai più legati in cromo e nichel dei martensitici, in cui si sfruttano meccanismi di rafforzamento per precipitazione, mediante particolari trattamenti termici, di composti intermetallici molto fini. Si distinguono in martensitici (tipico il 17-4 PH), semiaustenitici e austenitici (tipico il 17-10 PH).

•

Tre classi: 1. martensitici (stainless W): o derivato dal 301: AISI 630 o 17-4PH; o C 0.07%, Cr 16.5%, Ni 4%, Cu 4%, Nb+Ta 0.3%; o TT tra 480 e 510°C. 2. semi-austenitici: o 17-7PH; o C 0.09%, Cr 17%, Ni 7.1%, Al 1.1%; A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

o o 3. austenitici: austenitici o o o o o o

solubilizzati: austenitici; austenitici dopo TT: martensite e fasi indurenti. indurenti

17-14 14 Cu Mo; C 0.12%, Cr 15.9%, Ni 14.1%, Cu 3%, Mo 2.5%, Nb 0.45%, Ti 0.25%; solubilizzazione a 1100 °C; invecchiamento a 700 °C; eccellente resistenza alla corrosione; buona saldabilità.

ACCIAI INOSSIDABILI BIFASICI (DUPLEX) Gli acciai inossidabili, detti duplex, che grazie ad un opportuno bilanciamento degli elementi di lega (cromo: 22-25%, 22 25%, nichel 4-7%, 7%, molibdeno 0-4%, 0 4%, azoto 0,1-0,3%) 0,1 0,3%) hanno una struttura composta per metà da austenite e per metà da ferrite. Questi acciai rispetto agli acciai austenitici sono dotati di migliori caratteristiche sia meccaniche (legate al tenore dii azoto) che di resistenza alla corrosione sotto sforzo. L'aggiunta di tenori crescenti di molibdeno (e azoto) ne aumenta anche la resistenza alla corrosione generalizzata e localizzata, tanto da far considerare tale classe di materiali per molte applicazioni applicazioni (in particolare in campo petrolifero e per scambia tori ad alta temperatura) una valida alternativa rispetto ai tradizionali acciai inossidabili austenitici.

PROPRIETÀ • • •

•

Struttura: austenite-ferrite austenite ferrite (matrice ferritica con austenite dispersa). dispersa) C < 0,03%; Cr > 16%; contengono anche Ni, Mo, Mn, Si. Si Costo limitato; limitato bilanciando Cr – Ni - Mo (N): o Struttura austeno-ferritica austeno ferritica (50%) → protezione catodica della austenite da parte della ferrite.

PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) = %Cr +3,3%Mo +16%N PREN > 40 → acciai superduplex → pari resistenza a corrosione puntiforme ntiforme nell’austenite e nella ferrite.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

IMPIEGO • • • • •

Indicati in condizioni di corrosione sotto tensione (no austenitici), corrosione intergranulare (quasi esenti), corrosione generalizzata (no ferritici) e pitting (superiore ai ferritici).

In esercizio allo stato solubilizzato (a T 1050-1150°C, raffreddato in acqua) → elevate R ed Rs rispetto ad inox austenitici.

Migliore saldabilità.

Pericolo fase sigma.

Caratteristiche meccaniche: superiori ai ferritici. a fatica, meglio del 304. a caldo, intermedie fra i ferritici e gli austenitici. o Non usabili ad alte T > 300°C per tempi lunghi (creep) → fenomeni di infragilimento.

TIPI DI CORROSIONE 1. Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion).

2. Corrosione Interstiziale (crevice corrosion).

3. Corrosione Intergranulare o intercristallina (Intergranular corrosion), denominata anche decadimento da saldatura (weld decay).

4. Corrosione sotto tensione (Stress corrosion cracking).

CORROSIONE PER VAIOLATURA (PITTING CORROSION) •

• • •

E' una corrosione localizzata ed è particolarmente subdola e pericolosa dato che agisce in profondità su areole molto ristrette e tali da sfuggire a un controllo visivo mentre può portare a mettere fuori uso un pezzo fino a perforare la parte aggredita. E' dunque molto difficile riscontrare l'insorgere di questo tipo di corrosione.

L'innesco si verifica nelle zone della superficie dove è più difficile instaurare una condizione di passività stabile.

In genere l'ambiente in cui si verifica corrosione per vaiolatura è costituito da soluzioni a debole carattere ossidante e contenenti ioni di Cl¯ o Br¯, tipico ambiente è l’acqua di mare.

Si può presentare di tipo penetrante o di tipo cavernoso.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

ESEMPI DI CORROSIONE PER VAIOLATURA I pits si formano solitamente in quei punti localizzati ove per la presenza di eterogeneità superficiali (come per esempio macchie o residui eterogenei) non è assicurata una perfetta circolazione dell’elettrolita ed il materiale è soggetto a depassivazione localizzata senza possibilità di ricostituzione della pellicola passivante.

CORROSIONE INTERSTIZIALE O IN FESSURA (CREVICE CORROSION) E' una corrosione localizzata e può insorgere quando un manufatto presenta degli interstizi fra due superfici accoppiate di parti metalliche. Gli interstizi che provocano la corrosione sono molto sottili, normalmente di dimensioni comprese tra 0,0025 e 0,1 [mm] e possono essere causati: a) Dalla particolare conformazione del pezzo (intagli, saldature porose ecc…); b) Dall’assemblaggio a formare le apparecchiature o delle condizioni di funzionamento delle stesse a causa di contatti metallo-metallo (giunti di sovrapposizione saldati, collegamenti filettati, impilaggi di lamiere, ecc…) o metallo-non metallo (giunzioni di tenuta ecc…); c) Dalla precipitazioni di prodotti di corrosione o di corpi estranei trascinati dai fluidi circolanti (sabbia, polveri); in questo caso si parla anche di corrosione sotto deposito.

Resistono meglio a questa forma di attacco i materiali con caratteristiche di passibilità tali per cui bastano anche i modesti tenori di ossigeno, comunque presenti all’interno delle fessure, per impedire al materiale di lavorare in campo attivo. Ad esempio gli acciai inossidabili alto legati (tipo Cr25-Ni20).

MECCANISMI DI CORROSIONE INTERSTIZIALE

Simile alla corrosione per vaiolatura (aree con elevata locale concentrazione).

Ossigeno: • Aree con bassa concentrazione si corrodono; Zona Anodica.

• Aree con alta concentrazione sono protette; Zona Catodica.

Zone di collegamento, incrostate, con discontinuità, ecc…..

CORROSIONE INTERGRANULARE O INTERCRISTALLINA E' considerata corrosione di tipo selettivo in quanto aggredisce i bordi dei grani di acciai che risultino sensibilizzati.

In questa condizione ciascun grano si stacca dagli altri e viene asportato da qualunque azione.

Per effetto di una sensibilizzazione (riscaldamento e permanenza in determinati range di temperatura per un tempo sufficiente), si verifica un impoverimento del contenuto in Cr ai bordi del grano a causa della formazione di carburi di Cromo, portando il tenore di Cr in certe zone <12% (limite inferiore per cui l'acciaio perde le caratteristiche di inossidabilità).

In queste condizioni si vengono a formare aree catodiche (interno dei corpi dei grani) e zone anodiche (zone impoverite di cromo adiacenti al bordo grano).

Oss.: Fenomeno della sensibilizzazione; Consiste nella corrosione intergranulare dovuta alla precipitazione di carburi di cromo al bordo dei grani, questo crea una diminuzione di cromo (Cr<12%) in corrispondenza del bordo stesso, dunque possibile corrosione, infatti, per garantire buona resistenza alla corrosione la % di Cr non deve scendere al disotto del 12%. La precipitazione si verifica se dopo trattamento di solubilizzazione, si riscalda e si mantiene la temperatura tra 500-800°C. Si risolve il problema: 1) Raffreddando velocemente dopo solubilizzazione, oppure; 2) Stabilizzando il materiale con l’aggiunta di Titanio(Ti), Niobio(Nb), Tantalio(Ta).

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX)

CORROSIONE SOTTO TENSIONE O STRESS CORROSION Fenomeno di corrosione localizzata. E' da notare che in presenza di sollecitazioni, sia statiche che dinamiche, il processo di corrosione ha delle caratteristiche proprie, differenti da quelle che si avrebbero in assenza delle sollecitazioni.

E' un fenomeno molto preoccupante poiché si sviluppa in profondità in zone ristrette del materiale con velocità di penetrazione particolarmente elevata (~1-2 mm/h).

E' pericolosa soprattutto perché si manifesta senza segni premonitori. Essa si arresta nel momento in cui viene a cessare la sollecitazione oppure quando il suo procedere provoca nel materiale uno scaricamento delle tensioni accumulate.

In genere quando la cricca diventa visibile il materiale diventa irrimediabilmente compromesso per la presenza di profonde cricche (in genere ramificate e ad andamento transgranulare).

MECCANISMI DI STRESS CORROSION CRACKING L’azione simultanea di particolari ambienti ( Cl- e OH- per gli acciai inox austenitici, martensitici e ferritici sensibili ad ambienti acidi con sviluppo di idrogeno ) che in assenza di sforzi possono risultare blandamente aggressivi o addirittura completamente non aggressivi, e di uno stato di sollecitazione caratterizzato da sforzi di trazione di valore inferiore a quello necessario per causare cedimento puramente meccanico, può dar luogo su certi materiali metallici a formazione e propagazione di cricche. Le cricche che si formano possono essere sia intercristalline che trans cristalline, con o senza ramificazioni, o del tipo a delta di fiume. Esse comunque si producono in genere in direzione perpendicolare a quella di massima sollecitazione di trazione. Il fenomeno può essere diviso in due stadi: un primo di innesco delle cricche, in zone con micro difetti metallurgici o semplicemente ai bordi dei grani; ed un secondo di propagazione delle stesse, infatti, una volta che la cricca si è formata, la sua propagazione si produce per azione combinata dell’ambiente corrosivo e degli sforzi applicati.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio: disco rotore per il motore di trazione in una locomotiva diesel

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN ACCIAIO: DISCO ROTORE PER IL MOTORE DI TRAZIONE IN UNA LOCOMOTIVA DIESEL FASI PER LO STUDIO DEL PROGETTO • •

•

Progetto finalizzato alla prestazione o Scelta della lega Progetto finalizzato alla produzione: o Disegno dello stampo o Orientamento o Sistema di attrezzatura – Canali di colata e materozze Lavorazioni meccaniche e controllo di qualità

CARATTERISTICHE DEL COMPONENTE Applicazione – Una locomotiva diesel è equipaggiata di in motore diesel sovralimentato che comanda l’albero di potenza al generatore elettrico principale per la conversione in potenza elettrica per azionare la locomotiva. La potenza elettrica proveniente dal generatore è quindi distribuita ai motori di trazione, ognuno dei quali converte l’energia elettrica in momento torcente sulle ruote motrici attraverso una trasmissione ridotta.

Una parte necessaria per ogni motore di trazione è l’armatura del rotore con i lunghi avvolgimenti elettrici che generano il campo magnetico rotante nel motore. L’armatura del rotore ha una disco di forma complessa su di esso e sull’albero del rotore che serve come piastra terminale, contenente gli avvolgimenti ed agendo come caratteristica costruttiva. L’albero principale saldato per attrito sulla faccia interna del disco; una albero pignone più piccolo è inserito con interferenza nella faccia esterna del disco.

Descrizione – Il disco dell’avvolgimento rotore è il getto più complesso nell’assemblaggio del rotore.

Il disco di diametro 380 mm ha un peso di 59 kg Il disco ha a il corpo principale dotato di fessure e nervature ed un mozzo centrale alto 145mm, con un diametro di 178mm e con un foro di diametro interno 119mm.

Il bordo eterno è alto 76 mm e spesso 12.5 mm Le fessure nel disco aiutano il raffreddamento degli avvolgimenti.

Il disco ha una tratto di sezione senza spessore – da 48 mm allo spessore di 5 mm delle nervature.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio: disco rotore per il motore di trazione in una locomotiva diesel

REQUISITI I equisiti delle prestazioni nominali per la ruota sono:

Tensione di rottura di 414 MPa e tensione di snervamento di 1427 MPa (207ksi)1 Elongazione del 22% e strizione del 30% Durezza: 120 -163 Brinell Finitura superficiale: 6.25 –12.5μm sulla superficie del getto grezzo Tolleranza dimensionale di ±0.1mm sulla superficie lavorata Bassa percentuale di carbonio, acciaio con elevata permeabilità magnetica è richiesto per le prestazioni magnetiche.

ASPETTI CRITICI DELLA PROGETTAZIONE DELLA COLATA Come è già noto i requisiti per la prestazione, colabilità/producibilità e costo sono strettamente interconnessi. Quattro aspetti della progettazione della colata giocano un a ruolo predominante nell’incontrare i tre imperativi di progetto: 1.

2.

3.

4.

Scegliere i componenti dell’acciaio che concordi le prestazioni ed i requisiti del getto Scegliere un sistema di formatura che concordi gli obbiettivi di tolleranza e costo.

Pensare ad un orientamento nella forma che ottimizzi le caratteristiche di precisione nel getto.

Disegnare il sistema di condotti e materozze che garantisca la solidità dei getti.

SCELTA DELL’ACCIAIO Una decisione fondamentale per il progetto è la scelta della lega di acciaio che concorda i requisiti prestazionali requirements ed abbia un’ottima fluidità nella forma.

Le porzioni di sezione senza spessore in questo getto richiedono che l’acciaio abbia un’eccellente fluidità Le sezioni sottili non dovrebbe essere ben riempite con leghe di acciaio con bassa fluidità.

La lega dovrebbe avere basso tenore di manganese, fosforo, and zolfo per minimizzare la mancanza di isteresi magnetica.

COMPOSIZIONE DELLA LEGA AISI-SAE 1023 Le specifiche del produttore originariamente richiedono un acciaio a basso tenore di carbonio (AISISAE 1015) riferito ai requisiti meccanici.

La lega 1015 ha la seguente composizione percentuale: 0.13-0.18 di Carbon, 0.300.60 di Manganese, 0.040 massimo di Fosforo e 0.050 massimo di Zolfo.

Il livello di carbonio specifico nell’acciaio 1015 ha insufficiente fluidità alle temperature di colata per un flusso scorrevole e rapido del metallo in questa forma complessa.

La colata Huron suggerisce una lega alternativa (AISISAE 1020) con un più alto tenore di carbonio (0.17%-0.23%), ma un ugual tenore di manganese, fosforo e zolfo. Non sussiste alcuna perdita delle proprietà meccaniche. Il più alto livello di carbonio riduce la temperatura di fusione è darà una migliorata fluidità nella forma alla temperatura di colata (1554°C –1576°C).

1

1 ksi = 1000 psi = 6.894.760 Pa = 6,895 MPa

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SCELTA DEL METODO DI FORMATURA Questo getto potrebbe essere prodotto con due metodi di formatura.

FORMATURA IN SABBIA A VERDE Sabbia umida, unita unita ad argilla viene riempita ben bene attorno ad un modello di legno o metallo nel recipiente della forma. Il modello diviso a metà è rimosso e la forma e preparata con o senza anime.

FORMATURA A GUSCIO La sabbia ricoperta di resina è applicata al modello metallico riscaldato creando la forma a mò di guscio diviso in due parti che vengono fissati insieme con o senza anime.

Dalla seguente tabella comparativa si evince chiaramente che la formatura con sabbia a verde non soddisfa alcuni requisiti (evidenziati (evidenziati in rosso!) quindi il metodo idoneo risulta essere la formatura a guscio. guscio

Caratteristica

Obbiettivo

Sabbia a verde

Formatura a guscio

Tolleranza dimensionale del getto grezzi oltre i 25.4mm

±0.762mm

±0.762mm

±0.2032mm

Finitura superficiale nominale

12.5μm

12.5 -23μm 23μm

6.5-12.5μm 12.5μm

Spessore minimo della sezione

4.845mm

6.375mm 6.375mm‼!

3.825mm

Bassa‼!!

Efficienza del trasferimento termico

Alta

Alta

(Sand)

(Riempimento metallo)

Complessità dei dettagli

Discreta

Discreta

Molto buona

Costo utensile/modello

Medio

Basso (Legno)

Medio (Metallo)

ORIENTAMENTO DEL COMPONENTE COM PONENTE NELLA FORMA Nel disegno del modello per la colata, l’orientamento del pezzo nel modello è un fattore importante per produrre un getto sano. Difetti del getto (porosità, inclusioni), quando avvengono, tendo ad affiorare e separarsi nella sezione superiore del modello di getti ottenuti per gravità. I difetti dovrebbero anche essere minimizzati in ogni sezione o superficie lavorata. Le superfici lavorate e le caratteristiche tteristiche critiche dovrebbero essere disegnate in modo da dover essere esse A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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formate nella parte superiore o inferiore del getto.

Le sottili pareti delle nervature nelle vicinanze del mozzo e quelle alla base del rotore sono caratteristiche critiche che sopportano rtano un carico significante e devono essere esse e senza difetti per la resistenza e la lavorabilità. Il rotore è orientato nel piano orizzontale in modo che il piano di divisione risulta perpendicolare all’asse del rotore. Gli ingegneri della getto hanno no due opzioni opzioni per orientare il rotore nella forma: A. Il rotore è orientato con le nervature rivolte verso il basso - Questa soluzione venne adottata in quanto se vengono formate inclusioni o porosità, esse rimarrebbero segregate nella parte superiore del getto nella nella parte centrale del mozzo, dove avranno il minimo effetto sulle proprietà meccaniche. Le nervature del rotore saranno esenti dai difetti con questo orientamento.

B. Il rotore è orientato con le nervature rivolte verso l’alto - Questa soluzione NON venne adottata adottata in quanto se vengono formate inclusioni o porosità, esse rimarrebbero segregate nelle nervature del getto dove esse agirebbero come difetti strutturali nelle nervature sollecitate e causerebbero problemi nelle lavorazioni finali. Le nervature e le superfici superfici lavorate sarebbero a rischio con questo orientamento.

SCELTA DEL SISTEMA DI D I COLATA Il sistema colata (canali, distributori ed attacchi) serve come percorso del flusso per il metallo fuso nella cavità della forma. L’opportuno disegno del sistema di colata è cruciale per provvedere un flusso del metallo uniforme e controllato. Un flusso di metallo non uniforme, con percorsi lunghi e/o lenti potrebbero produrre sezioni non riempite o un ritiro di solidificazione nel getto. Troppi attacchi e distributori distributori richiederanno anche metallo fuso addizionale e diminuiranno la resa del getto (il metallo nel getto contro il metallo complessivo colato).

Nel nostro caso le sottili nervature che collegano il mozzo ed il bordo del rotore devono essere riempite rapidamente rapidamente e completamente. Due approcci sugli attacchi di colata vennero considerate per un efficace flusso di metallo nelle nervature:

A. Quattro attacchi sul bordo esterno del getto - Questa soluzione NON venne adottata in quanto: I quattro attacchi producono un percorso del flusso di metallo nelle nervature molto lungo.

Un getto di prova mostrò un insufficiente riempimento nelle nervature generando così imperfezioni/difetti B. Due attacchi nella parte centrale del mozzo del getto - Questa soluzione venne adottata in quanto: I due attacchi sulla parte centrale del mozzo producono un percorso veloce e diretto del flusso di metallo fast in tutte le nervature.

Un getto di prova mostrò un eccellente riempimento del metallo in tutte le nervature.

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MANICOTTO ESOTERMICO SULLE MATEROZZE Il bordo del rotore ha una significante bacino termico e si solidificherà lentamente. Per prevenire il ritiro e porosità nel bordo, la deve esserci una fonte di continua alimentazione fonte di metallo fuso nel bordo durante la solidificazione.

Le materozza perimetrali alimentano il metallo fuso nel bordo. La materozza più piccola normalmente dovrebbe solidificare più velocemente rispetto al bordo, la quale dovrebbe arrestare l’alimentazione di metallo nel bordo prima che esso sia completamente solidificato.

Per sormontare questo problema e per garantire un costante apporto di metallo fuso verso il bordo, le materozze sono avvolte da un manicotto esotermico di spessore pari a 12.5mm.

I manicotti esotermici sono cilindri compressi di un impasto resina, sabbia, alluminio ed un ossidante. Il calore è generato dall’ossidazione dell’alluminio in una reazione tipo-termite.

Il manicotto è una fonte di calore per la materozza che sia mantiene il metallo fuso in essa contenuto sia alimenta il metallo nel bordo, appena il bordo solidifica.

DISEGNO FINALE DEL GUSCIO DI FORMATURA DEL GETTO Le foto precedenti mostrano i due semigusci del modello, inferiore (a sinistra) e superiore (a destra), prima dell’assemblaggio. Lo spessore dei gusci di 12.5mm vengono formati da sabbia impregnata di resina direttamente su l’utensile metallico e quindi trattati termicamente per imprimere la loro forma. I due gusci sono quindi uniti insieme per creare la cavità di formatura e posizionati nell’armatura. L’armatura è riempita di metallo in pressione che sostiene il modello ed agisce come un bacino termico durante la solidificazione del metallo.

OTTENIMENTO DEL GETTO Dopo che la solidificazione è completata, il getto del rotore è:

Rimosso dall’armatura e ripulito dalla sabbia nel processo di scuotimento La superficie è rimossa dalle imperfezioni distruttive Taglio con fiamma per rimuovere l’attrezzatura di sollevamento Alla fine viene passato a rettifica Trattamento termico a 904°C per normalizzare la microstruttura Rimozione delle incrostazioni del trattamento termico su rotore appena formato.

LAVORAZIONE MECCANICA DEL GETTO L’albero è successivamente saldato al rotore per attrito e l’assemblato è lavorato meccanicamente sulle superfici critiche:

Il diametro esterno della faccia posteriore del bordo Il diametro interno del foro nel mozzo A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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Le due facce del mozzo

CONTROLLO DI QUALITÀ Il rotore è ispezionato a riguardo della qualità, dimensioni, e finitura.

Appena sformato, il getto è sottoposto ad un’ispezione visiva per valutare la finitura superficiale e imperfezioni nelle nervature, la superficie dei fori, il ritiro nel mozzo e sul bordo. Le dimensioni del getto non lavorato sono misurate per valutare la tolleranza.

Dopo il trattamento termico, il rotore è ispezionato a riguardo della durezza sul mozzo Dopo la lavorazione, le superfici critiche sono misurate per rilevare dimensioni e finitura superficiale.

CONCLUSIONI Le maggiori problematiche nel produrre questo getto furono inerenti ad adattare la lega ed il disegno dell’attrezzatura per produrre un getto di qualità con un buon riempimento nelle sottili sezioni delle nervature e minimizzare il ritiro nelle sezioni spesse.

Ciò venne realizzato da:

Incrementare il tenore di carbonio nella composizione della lega per ridurre imperfezioni nelle nervature.

Posizionando il canale di colata, materozze ed attacchi nella parte centrale del mozzo per ottenere un migior riempimento nelle nervature.

Usano manicotti esotermici sulle materozze, per dare alimento ed eliminare il ritiro nel mozzo e sul bordo.

La lega scelta ed il disegno effettivo degli attacchi e materozze assicurò una consistente produzione di un getto di acciaio di qualità per questo componente fondamentale nel motore di trazione di una locomotiva diesel.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio per microfusione: braccio-leva nel sistema di distribuzione di motori BMW

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN ACCIAIO PER MICROFUSIONE: BRACCIO-LEVA NEL SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DI MOTORI BMW FASI PER LO STUDIO DEL PROGETTO • •

•

Progetto finalizzato alla prestazione o Scelta della lega Progetto finalizzato alla produzione del getto: o Processi di formatura e colata o Disegno degli attacchi o Configurazione della forma Rifinitura e controllo di qualità

IL SISTEMA VALVETRONIC DELLA BMW Applicazione – BMW usa un innovativo sistema a controllo variabile, chiamato "Valvetronic", nei loro motori 4, 8, e 12 cilindri per la linea di veicoli BMW e Rolls Royce. I motori Valvetronic usano una combinazione di componenti fisiche e software per eliminare il necessario meccanismo convenzionale della valvola a farfalla. Il sistema Valvetronic riduce i costi di manutenzione, migliora le condizioni di avvio a freddo, abbassa le emissioni dei gas di scarico e permette al motore una marcia più morbida.

Descrizione – Il sistema Valvetronic sostituisce nel motore la funzione della valvola a farfalla usando un valvola di aspirazione infinitamente variabile con tempi e alzate totalmente regolabili.

Il sistema ha un convenzionale albero a camme delle valvole, ma esso usa anche un albero secondario eccentrico con una serie di leve ed un rullo al seguito, il tutto azionato da un motore passo passo2.

Sulla base dei segnali provenienti dal pedale dell’acceleratore ed i sensori del motore, il motore passo passo cambia la fase dell’albero eccentrico, modificando il profilo di apertura/chiusura delle valvole di aspirazione.

Se il bilanciere preme in modo più forte, le valvole di aspirazione avranno un’alzata maggiore, e vice-versa.

Il sistema Valvetronic possiede l’abilità di generare una profonda/lunga ventilazione (ampia alzata della valvola) e piatta/breve ventilazione (piccola alzata valvola), in funzione delle esigenze istantanee del motore. I parametri chiave della prestazione della valvola sono:

Alzata variabile fra 0 e 9.7 mm.

Regolazione dei sensore di movimento dell’ingranaggio affinché si sposti de un estremo all’altro in 300 millisecondi.

2

Il motore passo passo (stepper motor) funziona facendo ruotare un magnete attirandolo da un passo ad un altro con delle elettrocalamite appositamente disposte. In questo tipo di motore on esistono parti striscianti quindi per ottenere il moto occorre alternare dall’esterno, secondo una sequenza ben precisa, il verso di percorrenza delle correnti indotte sui suoi due avvolgimenti.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio per microfusione: braccio-leva nel sistema di distribuzione di motori BMW

Combinato con una tecnologia a doppio albero a camme variabile nella sincronizzazione delle, l’angolo dell’albero a camme relativo all’albero a gomiti può essere regolato sino a 60°.

UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA DI FUSIONE NEL SISTEMA VALVETRONIC I due componenti chiave del treno d'ingranaggi della valvola Valvetronic sono prodotti come getti, il braccio di leva intermedio ed il tastatore. Il progetto e la produzione di entrambi le parti fu una creazione collaborativa tra i disegnatori BMW designers e gli ingegneri di fonderia Hitchiner a New Hampshire, partendo da un diegno iniziale per giungere alla completa produzione (10.000 pezzi al giorno) in un ciclo di due anni. Anche Hitchiner operò le operazioni di lavorazione meccanica, rifintura, assemblaggio dei componenti della valvola con l’installazione dei cuscinetti.

IL COMPONENTE OGGETTO DI STUDIO: IL BRACCIO A LEVA INTERMEDIO Il braccio di leva intermedio è un componente critico nel sistema Valvetronic. Esso si muove sotto l’azione di una camma eccentrica per spostare il tastatore nel punto di articolazione e modifica la corsa della valvola sotto l’azione dell’albero a camme. Il braccio di leva è una barra d’acciaio lunga 75 mm con nervature di rinforzo, intagli, scanalature, alette, e superfici di sede dei cuscinetti. La sezione trasversale di inviluppo del braccio è circa 25mm da 25mm.

Lo spessore più sottile è meno di 1.5mm; lo spessore maggiore è 3mm.

Il peso del getto del braccio-leva è 50 g.

Il peso del pezzo finito assemblato con i cuscinetti è 80 g.

Il braccio-leva intermedio è un componente di precisione progettato per minimizzare il peso e l’inerzia del sistema di distribuzione, ma anche possiede alta robustezza e resistenza. Il braccio-leva deve sostenere alte frequenze di sollecitazioni ed aggressive condizioni di usura nella vita intera del motore, richiedendo una lega di acciaio che possiede: Tensione di rottura = 1870 MPa Tensione di snervamento = 1670 MPa Durezza superficiale di 70 Rockwell C misurara con un tastatore di miro durezza Vickers Durezza interna di 37 Rockwell C.

La precisa azione meccanica nel sistema di distribuzione dipende dalle strette tolleranze sulle dimensioni critiche del braccio-leva (±0.05 mm).

I componenti finiti sono ispezionati al 100% e classificati in sei gruppi di tolleranze, ognuna comprende 8 micron. I pezzi classificati sono usati come assortimenti in motori individuali.

Apparenza: uniforme, senza imperfezioni con uno strato di ossidazione dopo una nitrurazione al plasma.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio per microfusione: braccio-leva nel sistema di distribuzione di motori BMW

ANALISI DELLE OPZIONI DI PRODUZIONE Due opzioni di produzione furono considerate: colata e forgiatura. Le richieste di produzione è di 2.5 milioni di bracci-leva ogni anno (10.000-12.000 bracci-leva finiti ed assemblati ogni giorno) con requisiti precise tolleranze, costo contenuto ed la minima lavorazione meccanica ma la lega d’acciaio è molto dura con bassa lavorabilità. Con tali requisiti la colata è il metodo produttivo scelto. La colata produce una componente con forma a rete con il minimo quantità di lavorazione addizionale.

La sfida nel produrre questo componente fu selezionare la miglior lega di metallo o ottimizzare il progetto del getto per apere un punto d’incontro con gli obbiettivi di prestazione e produzione:

Raggiungere alta robustezza, lega con prestazione di resistenza all’usura.

Unire la richiesta tolleranza dimensionale per il riempimento e funzionale. Producendo pezzi di alta qualità, senza difetti rispettando tempi e costi.

Come è già noto i requisiti per la prestazione, colabilità/producibilità e costo sono strettamente interconnessi. Quattro aspetti della progettazione della colata giocano un a ruolo predominante nell’incontrare i tre imperativi di progetto: 1.

2.

3.

4.

Scegliere la lega di acciaio che concordi i requisiti di robustezza e resistenza all’usura Scegliere il processo di formatura e di colata che garantisca un pezzo di qualità e costi contenuti.

Disegnare il sistema attacchi per produrre getti di qualità.

Sviluppare una configurazione della forma che ottimizzi le caratteristiche e massimizzi il caricamento.

SCELTA DEL MATERIALE Nel progetto originale, BMW necessitava di una durezza di 50-56 Rockwell C ed indicò precisamente una lega d’acciaio AISI 8640 (40NiCrMo7: Fe-C con manganese, cromo, nickel, e molibdeno) per i getti. Ma quando furono testati i componenti sui motori di banco, 6 mesi prima della piena produzione,la specificata lega scelta ebbe problemi di usura sull’albero eccentrico. I test 3 mesi precedenti alla produzione sull’albero modificato indicarono un’usura sul braccioleva intermedio. La lega sul braccio-leva intermedio doveva essere cambiata per essere compatibile col nuovo albero.

BMW e gli ingegneri della Hitchiner lavorarono insieme per rispondere a questo inaspettato imprevisto, facendo uno studio congiunto per scegliere e testare una lega alternativa con maggiore resistenza e migliorati requisisti di resistenza all’usura.

La squadra di sviluppo scelse e validò una lega europea (30Cr-MoV9 acciaio da utensile) per trovare un punto di incontro fra i requisiti prestazionali del braccio-leva. Un trattamento di nitrurazione al plasma produce sul getto strati superficiali duri e resistenti all’usura. Ci furono fattori negativi con la nuova lega perché l’acciaio 30CR-MoV9 ha

bassa fluidità scarso rendimento alle alte temperature di colata per un buon riempimento. Inoltre, alte temperature richiedono tempi più lunghi di solidificazione, che incrementano la i tempi di produzione del getto e producono meno cicli giornalieri di colata.

SCELTA DEL PROCESSO DI FORMATURA: LA MICROFUSIONE Considerando le dimensioni, il tasso di produzione, la complessità della forma, i requisiti di tolleranza e i target di costo del componente, la scelta ricade sulla colata di precisione o a cera persa.

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Il processo di microfusione:

utilizza una forma ottenuta per rivestimento di un modello in cera con un guscio di materiale ceramico permette di realizzare componenti con precisione di dettaglio e tolleranze dimensionali, elevate ha capacità di alti volumi di produzione

I passi principali del processo di microfusione sono:

Produzione con elevata precisione di un modello in cera o in plastic facilmente fondibile con il calore Assemblaggio dei modelli in cera o in plastica su un sistema di colata, anch’esso in cera o plastica Investment o copertura dei modelli e del canale di colata, con ceramica, in modo da produrre una forma monolitica Riscaldamento della forma con l’obiettivo di fondere la cera o la plastica lasciando nella forma una cavità, e cottura del guscio ceramico Preriscaldamento del guscio ceramico e colata del metallo nella forma Rottura del guscio ceramico dopo solidificazione del metallo e smaterozzatura, finitura ed ispezione del getto

Nella scelta di realizzare il componente in esame con un processo di microfusione, gli ingegneri di produzione devono risolvere due specifiche problematiche: 1.

2.

La forma del getto ha numerosi dettagli che pongono difficoltà nel riempimento completo e con precisione della cavità La resa del getto deve essere massimizzata, ovvero deve essere minimizzata la quantità di metallo che rimane nel sistema di colata

Per risolvere i punti precedenti, gli ingegneri della produzione, devono individuare la corretta posizione del sistema di colata, e scegliere tra due processi di microfusione alternativi:

Colata per gravità convenzionale Colata a bassa pressione in contro gravità

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MICROFUSIONE IN GRAVITÀ GRAV Nel colata in gravità, il riempimento della cavità è realizzato a pressione atmosferica nei seguenti step: A. B. C. D.

Riscaldamento e fusione del metallo nel crogiuolo Inclinazione del crogiuolo e colata del metallo liquido nella forma.

Solidificazione e raffreddamento della forma e dei getti.

Rimozione dei getti dal canale di colata

La colata in gravità NON risultò il metodo più indicato nella produzione dei bracci a leva in quanto comporta numerosi difetti: 1.

2.

3.

Il metallo solidifica nel canale di colata e, confrontato confrontato con la colata in contro-gravità, contro gravità, diminuisce notevolmente la resa del getto, aumentando il costo del materiale La grande variabilità di condizioni di riempimento tra le diverse cavità della forma, rende difficile il completo riempimento dei getti getti ed aumenta il rischio di scarti L’ingresso del metallo nelle forme è più turbolento ed aumenta la possibilità di intrappolare gas ed inclusione di ossidi nei getti.

MICROFUSIONE IN CONTRO-GRAVITÀ CONT GRAVITÀ

Nel colata a bassa pressione, il riempimento della cavità cavità e schematizzabile nei seguenti step: A. La forma permeabile è posizionata in una camera chiusa in cui è possibile realizzare il vuoto; un canale di colata aperto, alla base della forma, si estende al di fuori della camera B. Il canale di colata della forma è abbassato nel crogiuolo. Realizzando il vuoto nella camera, il metallo sale nel canale in modo controllato C. Il metallo riempie la forma e solidifica, con il centro del canale di colata che è allo stato fuso D. La pressione nella camera è riportata a quella atmosferica, atmosferica, il metallo del canale ancora fuso ricade nel crogiuolo. La camera è innalzata. Al raffreddamento, la forma con i getti solidificati e estratta dalla camera La colata in contro-gravità contro gravità risultò il metodo più indicato per la produzione dei bracci a leva in quanto comporta i seguenti vantaggi: 1.

2.

3.

La pressione differenziale con cui il materiale è guidato nella forma, assicura il riempimento di spessori di parete molto sottili ed una elevata capacità di dettaglio delle superfici.

Il ritorno di gran parte del metallo del canale di colata nel crogiuolo, aumenta la resa del getto e diminuisce quindi il costo del materiale.

L’ingresso del metallo nelle forme è meno turbolento, riducendo la possibilità di intrappolare gas ed inclusione di ossidi nei getti A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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CARATTERISTICHE TERISTICHE E PROGETTAZIONE PROGETT AZIONE DEL SISTEMA DI D COLATA Gli attacchi di colata del getto servono come percorso attraverso il quale il metallo fuso fluisce nella cavità della forma ed alimenta il ritiro che si sviluppa durante la solidificazione del getto. Un disegno opportuno del sistema di alimentazione risulta critico nel convergere due requisiti importanti.

Brevi e controllati percorsi del flusso prevengono difetti del getto che causano una prematura solidificazione.

Sezioni relativamente pesanti e spesse che che solidificheranno più lentamente richiedono un contato diretto con gli ingressi per permettere al metallo fuso di alimentare il ritiro durante la solidificazione.

Due differenti disegni del getto per il braccio-leva braccio leva vendono esaminati: A. Due grandi ingressi nella sezione centrale del braccio-leva braccio leva – Questo disegno risulta buono per tre motivi: • È minimizzata la distanza che il metallo necessita percorrere nel getto, riducendo il rischio di imperfezioni e sezioni di sabbia non riempite.

• La solidificazione solidificazione partirà partirà alla fine all’estremità del getto procedendo attraverso le sezioni centrali più pesanti, producendo un getto impeccabile.

• Gli ingressi alimentano direttamente le sezioni centrali del getto (che sarà l’ultima parte a solidificare) provvedendo una buona alimentazione durante la solidificazione.

B. Un ingresso stretto all’estremità del braccio-leva braccio – Questo approccio di alimentazione mentazione è sconsigliato perché: perché • Il metallo viene alimentato nella lontana estrema parte terminate del getto ed ha una lunga corsa corsa verso l’estremità opposta, rischiando difetti di sezioni non riempite.

• Lo stretto ingresso produrrà un flusso di metallo più veloce con più turbolenze • La sezione centrale rimarrà isolata dall’ingresso e potrebbe solidificare sufficiente metallo liquido alimentato, alimentato, rischiando imperfezioni di solidificazione.

Da quanto detto è evidente che la scelta A è la migliore in quanto deve considerare tre problemi di processo.

1.

2.

3.

A causa dei requisiti di tolleranza sulla faccia di accesso del metallo, il taglio lase è iill metodo migliore per rimuovere gli attacchi di colata.

In quanto ci sono due attacchi, sono necessarie due operazioni di taglio.

Una variazione dei tempi di solidificazione fra parti senza attacchi atta chi e quelle con attacchi sono una potenziale causa di deformazione. deformazione. Un approccio “stickless “stickless”” (senza canale di colata) del getto elimina questo problema.

SCELTA DELLA CONFIGURAZIONE CONFIGU RAZIONE ED ORIENTAZIONE ORIENTAZI ONE DELLA FORMA L’orientamento delle parti nella forma è un fattore importante nella rimozione della cera, nel controllo del flusso di metallo, andamento termico ed un’alta resa del metallo. La parte dovrebbe essere orientata nella forma in modo che:

La cera può fluire liberamente fuori delle cavità individuali e non venga colpita sbattuta nella forma durante la fase di rilascio rilascio della cera.

Il metallo fluisca uniformemente ed agevolmente nella cavità senza rimbalzare o schizzare.

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Le parti sono strettamente vincolate nell’albero al fine di ottenere un uniforme riscaldamento e raffreddamento ed un’efficienza del volume (alta resa). re

I bracci-leva leva possono essere posizionati nella forma con un orientamento orizzontale o verticale (rispettivamente opzione A o B) relativo al canale di colata. Scegliamo l’orientamento dl getto che semplifichi la rimozione della cera, fornendo un flusso di metallo facile e diretto e massimizzi la resa del metallo.

A. Orientazione orizzontale – Secondo questa possibilità i bracci-leva bracci leva sono orientati orizzontalmente nella forma in relazione al canale di colata. Questa orientazione ha un buon impacchet impacchettamento tamento ed efficienza del volume. Essa produce anche getti di qualità senza imperfezioni e quindi fu l’opzione scelta in quanto: quanto La cera nella cavità può liquefarsi e facilmente fluire fuori della cavità attraverso l’attacco perché non ci sono zone di ostruzione ostruzione a valle dell’attacco. La cera intrappolata può causare porosità nel getto.

Quando il metallo fluisce nella cavità, l’orientamento orizzontale permetterà un agile ed uniforme flusso in tutte le sezioni della cavità, minimizzando turbolenze e spruzzi.

B. Orientazione verticale - Secondo questa possibilità i bracci-leva bracci leva sono orientati verticalmente nella forma in relazione al canale di colata. Questa orientazione ha un buon impacchettamento ed efficienza del volume, ma non venne scelta in quanto ha due lacune: la La cera nella metà inferiore delle cavità individuali non può facilmente sfuggire e rimarrà intrappolata nella porzione inferiore della cavità della forma, causando probabilmente inclusioni gassose nel getto.

Quando il metallo fluisce nella cavità, l’orientamento verticale la distanza verticale dagli attacchi causerà un moto disordinato e turbolento, che può produrre difetti del getto.

ASSEMBLAGGIO DEI MODELLI MOD La produzione di modelli per il braccio-leva braccio leva BMW inizia con la produzione di un individuale modello di cera in un utensile di alluminio. 243 modelli di cera sono assemblati su un unico canale di colata di 150mm di diametro per formare l’albero del getto.

(Assemblaggio Assemblaggio dei modelli mostrato a destra) destra

INVESTMENT E COLATA L’albero è quindi quindi “investito” (ricoperto) con ceramica per immersione in un bagno di impasto ceramico. Dopo la rimozione della cera, la forma finale è posizionata nella camera di colata che è riempita posteriormente con una maglia di 22 strati di sabbia. La sabbia nella nella camera sorregge la forma e riduce il numero delle coperture coper ure necessarie, riducendo il tempo di produzione. La sabbia migliora anche l’uniformità termica e la distribuzione del calore nella camera di formatura. La forma finita è posizionata nella camera di colata ed inizia il processo di colata contro-gravità contro gravità a vuoto secondo queste fasi:

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1.

2.

3.

4.

5.

La forma permeabile è posizionata nella camera e riempita dal basso con la sabbia.

Il canale di colata della forma è abbassato nel canale fuso nel crogiolo. Il vuoto applicato solleva il metallo fuso nella cavità di formatura con un flusso continuo.

Il metallo fuso colma la cavità di formatura ed i getti solidificano, mentre nel canale di colata centrale sta il metallo fuso.

Quando il vuoto viene meno, il metallo ancora presente nel canale di colata centrale ritorna al crogiolo per essere riutilizzato. La camera viene sollevata e le parti separate del getto rimangono nella forma.

Dopo il raffreddamento, la forma col getto viene rimossa dalla camera. I getti individuali ed isolati sono rimossi dalla forma.

PULITURA, TAGLIO, RICOTTURA E LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO Dopo la rimozione del guscio ceramico, i getti di braccio-leva attraversano varie operazioni per prepararli alla lavorazione meccanica, trattamenti superficiali ed ispezione.

I getti sono lavorati con gli abrasivi e lavaggio claustico per rimuovere i residui di sabbia del guscio.

Gli attacchi di colata sono tagliati al laser.

I getti sono temprati nel metano per il rinvenimento del carbonio.

Sono praticati i due fori per i cuscinetti con un tolleranza di 50 micron.

TRATTAMENTO TERMICO E RETTIFICA Il braccio-leva è trattato termicamente e temprato per produrre la microstruttura voluta sulla base della durezza.

Dopo il trattamento termico, tre parti dell’braccio sono in fine lavorate meccanicamente.

I due fori dei cuscinetti rettificati per ottenere una tolleranza di 20 micron.

I due blocchi di cuscinetti are affilati ad una tolleranza di 30 micron.

Il profilo è affilato ad una tolleranza di 30 microns.

Dopo le lavorazioni di finitura le parti sono vibro ripuliti con una vibrazione e lavate.

NITRURAZIONE AL PLASMA La resistenza all’usura e la durevolezza del braccio-leva sono migliorate da una nitrurazione al plasma che sviluppa un duro stato superficiale sull’intero componente.

La nitrurazione al plasma (anche conosciuta come nitroionizzazione) è un processo ingegneristico a bassa temperatura e bassa distorsione della superficie.

L’anodo a corrente continua scaricato dal è usato per trasferire l’azoto alla superficie dei componenti alla temperatura compresa fra i 400°C ed i 750°C a bassa pressione dei gas.

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Il processo di nitrurazione produce una strao superficiale ricca di nitrati con un’alta durezza superficiale con profondità di tempra siano a 0.8mm con minime variazioni delle alte temperature del componente.

CONTROLLO DI QUALITÀ Le tolleranze dimensionali sul braccio-leva sono critiche per il funzionamento del sistema di distribuzione del motore. La qualità dimensionale e della colata sono controllate sono controllati in 5 punti del processo di colata:

Le dimensioni critiche sul modello in cera sono controllate prima di assemblare i modelli L’inclinazione del profilo è valutata e i bracci-leva sono classificati in 6 classi di tolleranza (ognuna ampia 8 micron) in modo da identificare le serie che sono montate su un dato motore L’allineamento ed il contorno delle sedi di cuscinetti sono ispezionati al 100% da una macchina che misura le coordinate Il getto viene ispezionato visivamente a riguardo della qualità superficiale l’operazione di rilevamento dopo l’assemblaggio.

CONCLUSIONI L’impresa di progettazione e produzione per il braccio-leva fu un breve ciclo di progetto che va dall’ideazione alla piena produzione in due anni. Le principali nozioni assunte furono: • • • •

Lo studio di progettazione coordinato ed integrato fu fondamentale per far incontrare gli obbiettivi del prodotto ed la programmazione. L’interazione fra gli ingegneri Hitchinerand e BMW fu critica già dall’inizio Ci furono molte iterazione del disegno nel processo ed l’energica comunicazione fra le due squadre fu essenziale per far incontrare la qualità dinamica, la programmazione e i costi degli obbiettivi L’ingegnerizzazione coordinata deve essere pronta alle sfide impreviste Nel promo test di qualificazione del prototipo, la lega originale produsse un eccessivo logoramento sugli altri pezzi. Ciò venne confermato 3 mesi prima della produzione e richiese un affrettato programma per identificare un’appropriata lega con una maggiore durezza.

La produzione Hitchiner ha realizzato i due componenti delle valvole BMW (braccio-leva ed il tastatore) con un tasso di 2.5 milioni di assemblati all’anno.

Le tolleranze richieste e l’alta affidabilità richiesta potrebbero essere prodotti economicamente solo dalla precisa colata a cera persa.

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STUDIO DI PROGETTO P ROGETTO DI UN GETTO IN ACCIAIO: ACCUMULATORE IDRAULI IDRAULICO CO PER UN SOTTOMARINO DELLA MARINA MA RINA AMERICANA

FASI PER LO STUDIO DEL D EL PROGETTO •

•

• •

Progetto finalizzato alle prestazioni o Approccio all’Acciaio Duplex o Scelta della lega Progetto finalizzato alla produzione o Colata centrifuga centri o Orientazione del getto o Preparazione della forma e colata Trattamento termico e lavorazione meccanica Controllo di qualità

L’APPLICAZIONE E LA DESCRIZIONE DEL COMPONENTE I sottomarini della marina americana usano a richiesta della pressione idraulica operazioni di sistemi, usando l’acqua come fluido di lavoro.

Gli accumulatori idraulici sono usati per contenere ed immagazzinare il fluido di lavoro in pressione di esercizio. pressione Gli accumulatori sono cilindri come forma con un accluso pistone mobile che serve come meccanismo di trasferimento della pressione

Applicazione – Gli accumulatori devono resistere ad un’alta pressione idraulica senza perdite di pressione o rotture attraverso i numerosi cicli di pressione (>½ milione di cicli).

Le pareti del cilindro devono essere resistenti sia all’usura che alla corrosione per p prevenire revenire cadute di pressione causate danneggiamento delle tenute, rigatura delle superfici, corrosioni localizzate (pitting) ( ) and cedimenti delle pareti.

Anche se l’acqua fresca è il convenzionale fluido di lavoro, il sistema è progettato per usare acqua marina in condizioni di emergenza e deve resistere alla corrosione salina.

Descrizione – La Spuncast, nella Watertown, Wisconsin produce ce i cilindri a tamburo per gli accumulatori nei sottomarini della marina americana.

I cilindri sono tubi rettilinei con un diametro esterno di 406mm ed una lunghezza di 762mm Lo spessore della parete è uniforme e pari a 35mm Il trattamento termico e la lavorazione meccanica dei cilindri che alla fine sono assemblati con placche terminali, tondini di rinforzo ed il pistone interno. interno.

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Requisiti – Proprietà meccaniche:

Tensione di snervamento = 760MPa Tensione di rottura = 485MPa Strizione alla rottura = 20% Resistenza alla rottura = 47J con impatto Charpy Durezza = 229-250 Brinell Tolleranze del getto su lunghezza e diametro esterno = ±1/16"

Il processo del controllo di qualità include un’ispezione completa di ogni getto per specifiche militari con liquidi penetranti e prove radiologiche.

Come è già noto i requisiti per la prestazione, colabilità/producibilità e costo sono strettamente interconnessi. Quattro aspetti della progettazione della colata giocano un a ruolo predominante nell’incontrare i tre imperativi di progetto: 1.

2.

3.

4.

Scegliere la lega di acciaio che concordi le proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e riduce i costi Scegliere il processo di formatura e di colata che produca rapidamente cilindri senza imperfezioni Scegliere l’orientazione del getto che unisca i requisiti di tolleranza alla riduzione delle lavorazioni meccaniche.

Usare un ciclo di trattamento termico che ottimizzi le caratteristiche e la microstruttura.

IL PROGETTO ED IL PROCESSO ORIGINARIO La prima bozza di progetto per l’accumulatore fu un getto a doppio strato con il cromo che rivestiva il foro interno.

Il progetto con il doppio strato richiedeva due distinti metalli colati nel getto a formare due parti.

La parete esterna (spessa 25.4mm) era una lega di acciaio inossidabile 410 e la parete interna (spessa 9.5mm) era una lega di acciaio inossidabile 316.

L’acciaio INOX 316 forniva la resistenza alla corrosione sulla superficie interna, mentre l’INOX 410 forniva al cilindro l’alta resistenza meccanica (tensione di 760MPa) Dopo la lavorazione di finitura, la parete interna del cilindro era quindi composta di cromo duro elettropatinato (0.35 –0.50m) per la resistenza all’usura richiesta.

Il getto a doppio strato con la placcatura di cromo sul diametro interno ha tre significanti carenze di progetto.

Il processo a doppio strato richiede un controllo molto stretto delle condizioni del getto (temperature di fusione, velocità di raffreddamento e tempo di colata) per produrre un’aderenza metallurgicamente netta e di qualità fra i due strati di leghe Le due leghe richiedono due unità di fusione con un conseguente costo aggiuntivo.

L’elettropatinatura di cromo ha indesiderabili costi ambientali e rischi ed è vincolato strettamente alle normative EPA. La politica del Dipartimento della Difesa richiede la sostituzione/riduzione di questa fase per i componenti militari, ogniqualvolta tecnologie alternative opportune siano disponibili.

Le leghe di acciaio Duplex offrirono una soluzione che garantì sia la robustezza che la resistenza alla corrosione in un unico detto di metallo senza la necessità della cromopatinatura.

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SCELTA DELL’ACCIAIO INOSSIDABILE DUPLEX DUPL Acciai inossidabili Duplex hanno una microstruttura composta dall’unione di fasi ferrite ed austenite nella soluzione delle condizioni di tempra. Cromo e nichel sono i principali elementi della lega negli acciai duplex, ma azoto, molibdeno, rame, silicio io e tungsteno sono spesso usati per controllare il bilanciamento strutturale, le proprietà meccaniche e le caratteristiche di resistenza alla corrosione. Per quest’ultima infatti:

Il baso tenore di carbonio e l’alto tenore di cromo rendono la lega dopale relativamente immune alla corrosione intergranulare.

L’alto tenore di cromo e molibdeno permettono anche in alto grado di resistenza alla corrosione localizzata (pitting pitting)) e corrosione in fessura, mentre la microstruttura duplex resiste all’incrinatura dell dellaa tensocorrosione.

Gli acciai inossidabili duplex possiedono maggiori tensioni di rottura e snervamento rispetto alle leghe austenitiche con una resistenza alla frattura tra le leghe austenitiche e ferritiche.

Le lega Duplex scelta è ASTM A-890 A in quanto:

È disponibile in sette classi differenti.

Le date caratteristiche meccaniche richieste dall’accumulatore considerano le proprietà nominali di tre classi nella tabella seguente ed è possibile optare per la classe che meglio concorda i requisiti meccanici.

Come si evince chiaramente dalla tabella la nostra scelta ricade sulla classe 1B modificata, modificata, miglioramento della classe 1B standard (CD4MCuN) che è simile alla classe 1A, ma ha un controllato livello di azoto inoltre:

C -0.04 0.04 max, Cr -24.5 24.5-26.5, Ni -4.75-6.00, 6.00, Cu 2.75-3.25, 2.75 3.25, Mo -1.7-2.3, 2.3, N -0.10-0.25, 0.25, Mn Mn-1.00 1.00 max, P -.040 .040 max, S -0.040 0.040 max, Si-1.00 Si 1.00 max L’azoto controllato aumenta la resistenza a frattura della lega ma i valori di tensione di snervamento e di rottura rimangono bassi rispetto ai requisiti minimi richiesti.

Perciò gli ingegneri modificarono la lega 1B con una composizione proprietaria cambiando il componente che incrementa la tensione di snervamento, di rottura e l’elongazione percentuale.

COLATA CENTRIFUGA Nella colata centrifuga il metallo metallo fuso è colato dentro una forma che sta ruotando vorticosamente durante la colata e le fasi di raffreddamento. Le forme per la colata centrifuga sono comunemente di acciaio permanente, formati come tubi cavi con una parte terminate parzialmente chiusa. Le L forme

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consumabili in sabbia sono alcune volte usate per eseguire getti molto grandi e/o singoli. Non necessita o viene utilizzala alcuna anima nella colata centrifuga di tubi e cilindri cavi. La forza centrifuga trattiene il metallo sulla parete parete del modello llo e forma il foro interno. La colata centrifuga è particolarmente adatta per la produzione di forme cilindriche e può essere realizzata in orientazione verticale o orizzontale.

Nella colata centrifuga la forma ruotando vorticosamente (>1000 rpm) forza il metallo fuso contro la “fredda”parete della forma. Il metallo solidifica dal diametro esterno del getto verso quello interno. La colata centrifuga possiede 3 benefici metallurgici principali: 1.

2.

3.

La rapida solidificazione direzionale dal diametro esterno a quello qu o interno produce un struttura con grani omogenei con eccellente robustezza e resistenza.

Il metallo fuso sulla parete interna alimenta la solidificazione frontale e la porosità di ritiro è minimizzata senza l’uso di materozze e sistemi di attacco.

Sotto l’azione della forza centrifuga, le inclusioni più lievi e le porosità gassose nel metallo fuso migrano Sotto massicciamente verso il foro interno.

Il diametro interno del getto raffreddato viene quindi lavorato meccanicamente per rimuovere le consolidate anomalie alie del getto: ossidi, impurità e porosità gassose. La colata centrifuga produce un getto a tubo che risulta privo di difetti in tutto il suo spessore con eccellenti proprietà meccaniche.

ORIENTAZIONE DEL GETTO GET La colata centrifuga può essere eseguita in verticale come in orizzontale e quindi ora andremo a scegliere l’orientazione migliore per produrre il cilindro accumulatore con 406mm di diametro e lungo 706mm… 406/706<1‼!

406/706<1 o

o

La colata centrifuga verticale è più idonea per cilindri con una geometria anulare anulare (diametro/lunghezza>1). Le macchine verticali sono spesso montate in una solida fossa sotto terra. Questa orientazione non venne scelta in quanto i costi di installazione sono maggiori and i tempi morti risultano maggiori rispetto alla colata centrifuga orizzontale.

Inoltre bisogna considerare che: La colata verticale è più idonea per detti ad alto rapporto larghezza/altezza (>1) come coni o parti con particolari sul diametro esterno.

Forme lunghe in orientazione verticale richiedono buche profonde o alte alte gru, che incrementano i costi di capitale e complicano il riempimento del metallo A causa dell’effetto della gravità, i getti verticali tendono ad avere un assottigliamento (~10.5mm per metro) sul foro interno che dovrà essere esse e eliminato con l lavorazione meccanica. In alternativa aumentando le velocità di rotazione si può ridurre tale effetto.

La colata centrifuga orizzontale è più idonea per geometrie tubolari (diametro/lunghezza<1). Le macchine verticali sono spesso montate a (diametro/lunghezza<1). filo pavimento. Questa orientazione venne adottata in quanto i costi di installazione sono minori and i tempi morti risultano minori rispetto alla colata centrifuga verticale. ver icale. Inoltre bisogna considerare che: Le macchine per la colata orizzontale sono più convenienti per la movimentazione del metallo su getti più lunghi ed hanno minori limitazioni di lunghezza.

Lo spessore della parete del cilindro è uniforme da un capo all’altro non si risente dell’effetto della della gravità lungo l’asse orizzontale.

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IL PROCESSO DI COLATA CENTRIFUGA Il processo di colata centrifuga ha 5 fasi.

1.

2.

3.

4.

5.

La forma di acciaio preriscaldato e ricoperto all’interno con uno un rivestimento di ceramica refrattaria (applicata come un’ impasto spray).

Il metallo si fa fondere nell’altoforno.

La forma ruota, si versa il metallo e si ruota la forma fino a quando il metallo non si è raffreddato.

Si rimuove il getto dalla forma dopo la solidificazione.

Si pulisce, si opera il trattamento termico e le lavorazioni di finitura.

PREPARAZIONE DELLA FORMA Una o entrambe le parti terminali della forma devono essere rimosse ed i capi trattenuti con appigli o pinze. Rimuovendo il capo terminale si permette di rimuovere il getto dalla forma.

Una fase critica nella preparazione della forma è il rivestimento spray della superficie interna della forma di acciaio con una sostanza ceramica fino ad un controllato spessore.

Il rivestimento ceramico serve da umettante che fa avanzare il flusso del metallo fuso nella forma, controlla il trasferimento termico durante la solidificazione ed agisce come strato di separazione per la rimozione del getto.

ROTAZIONE ORIZZONTALE DELLA FORMA La forma cilindrica di acciaio è posizionata sulle ruote ad un punto specifico rispetto alla sua lunghezza orizzontale. Un motore elettrico fa girare le ruote di comando che trasferiscono il movimento rotatorio alla forma, raggiungendo velocità maggiori di 1000rpm.

Le velocità di rotazione sono calcolate sul raggio della forma ed il peso del getto La velocità è aumentata ed il metallo fuso viene trattenuto contro le pareti della forma attraverso la piena rotazione senza scorrimento del liquido sulla parete o gocciolamento ("raining") alle estremità.

GESTIONE TERMICA La solidificazione nella forma è attentamente controllata dalla gestione di cinque fattori termici nel processo di colata: 1.

2.

3.

4.

5.

Preriscaldamento della forma ad una specifica temperatura.

Preparazione della composizione e spessore dello strato ceramico nell’interno della forma per controllare la velocità del trasferimento termico attraverso la parete della forma.

Controllando la temperatura di colata del metallo fuso nella siviera.

Raffreddamento ad acqua del diametro esterno della forma per accelerare il raffreddamento e la solidificazione ad un punto critico nel processo di colata.

Aggiunta di un componente esotermico ("liquidizer") all’interno della forma per prevenire solidificazioni premature del foro interno del getto.

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio: accumulatore idraulico per un sottomarino della Marina Americana

La controllata solidificazione direzionale dal diametro esterno verso verso quello interno del cilindro produce un getto di qualità con struttura a grano uniforme ed proprietà meccaniche eccellenti.

TRATTAMENTO TERMICO E LAVORAZIONE MECCANICA MECCAN ICA Il getto raffreddato viene pulito con getto abrasivo per rimuovere ogni residuo residuo del rivestimento ceramico della forma o ossidazioni superficiali. Il controllo del trattamento termico e tempra in acqua sono essenziali per produrre la richiesta microstruttura del metallo per le richieste proprietà meccaniche e resistenza alla corrosione.

Ill cilindro accumulatore viene inserito nell’altoforno per il trattamento termico fino a 2050 F (1121°C) e quindi raffreddato a 1900F (1038°C) Il cilindro viene quindi temprato in acqua in un bagno immersione specialmente progettato (vedi (vedi fig. a fianco) fianco con acqua a flusso forzato sul diametro esterno del cilindro ed al centro del diametro interno. Il flusso forzato sul diametro esterno ed interno garantisce un rapido raffreddamento con ottenimento di un’ottima microstruttura.

Dopo il trattamento termico ed ilil raffreddamento, il cilindro viene lavorato da operazioni di sgrossatura sul diametro esterno, foro interno e le due facce di estremità per ottenere una rifinitura superficiale di 6.25m. Il cilindro viene quindi spostato per le lavorazioni finali.

CONTROLLO LO DI QUALITÀ La normativa ISO-9000 ISO 9000 definisce le procedure ad ogni fase del processo di colata per garantire la qualità.

Un preciso controllo della composizione della lega attraverso l’analisi spettroscopica delle emissioni delle proprietà chimiche della siviera.

Prove meccaniche del trattamento termico del getto. o Tensione di snervamento ed impatto del pendolo Charpy testando i provini a barra (vedi (vedi fig. a fianco). fianco o Prova di durezza Brinell su zone scelte del getto.

Prove non distruttive del getto lavorato secondo le specifiche militari Mil Spec T0974-AS-G1B T0974 G1B-010/271 o Prova con co liquidi penetranti o Radiografia ai raggi X.

CONCLUSIONI 1.

2.

3.

Usando un'unica lega che offre robustezza, resistenza alla corrosione e resistenza all’us all’usura, ura, il costoso e difficile processo di colata di due metalli è evitato. Ciò abbassa i costi diretti di produzione (del 20%) e produce getti più uniformi con con una produzione di scarti notevolmente notevolmente ridotta.

L’accciaio ciaio modificato INOX A890 ridusse drammaticamente drammaticamente i guasti durante l’esercizio, tempi di fermo, e costi del sistema riparazione/sostituzione. L’ispezione durante l’esercizio dei cilindri duplex nell’arco dei sei anni di produzione ha mostrato nessuna significante usura e non ci sono state rotture dura durante nte l’esercizio.

Il progetto con lega singola eliminò la necessità del film di cromo con il contemporaneo risparmio di tempo e rischi sull’affidabilità. Ma perfino in modo più importante, ciò aiutò la Marina a conciliare il requisito A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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4. ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Studio di progetto di un getto in acciaio: accumulatore idraulico per un sottomarino della Marina Americana

4.

5.

dell’affidato mandato DoD di eliminare/ridurre la patinatura di cromo in difesa dei sistemi con i suoi presente costi ambiente e rischi.

La Spuncasthas sta producendo il cilindro accumulatore come getto di acciaio inox duplex di colata centrifuga per sei anni, sopportando i continui acquisti per il miglioramento dell’equipaggiamento dalla Marina e l’appaltatore del cantiere navale.

La colata centrifuga dell’acciaio duplex risparmia il denaro, migliora l’affidabilità e riduce i tempi di fermo in questa applicazione.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Materiali metallici leggeri e di alta resistenza (2.71kg/cm3). Definito metallo leggero in quanto con densità minore di 7.8g/cm3 e che ingegneristicamente utilizzabile. Punto di fusione 660 °C. Struttura cristallina a temperatura ambiente c.f.c. (cubica a facce centrate). Di estremo interesse nel settore dell’ingegneria per elementi strutturali di uso terrestre, marino e aerospaziale. Le prime applicazioni industriali sono come lega in fonderia del tipo Al-Cu, Al-Zn. Le leghe Al-Si furono introdotte dopo la prima guerra mondiale. Il successo di queste leghe fu in gran parte legato allo sviluppo dell’aviazione, un industria che per affermarsi necessitava di metalli leggeri e resistenti. Dopo la seconda guerra mondiale, l’alluminio entra in concorrenza con il rame, come conduttore. Attualmente alluminio e sue leghe sono al primo posto nei consumi dei materiali metallici non ferrosi. Commercialmente disponibile con titolo maggiore del 99%. La proprietà più nota e la sua bassa densità (1/3 dell’acciaio e del rame). Ha un basso carico unitario di rottura (50MPa), che può raggiungere 160MPa se fortemente incrudito. Elevato è però il rapporto Resistenza/Peso.

Con opportuni fondenti e metalli d’apporto può essere saldato a gas, all’arco elettrico e per brasatura. Può anche essere saldato per resistenza. Altre proprietà sono l’elevata riflettività (l’allumino puro è utilizzato per i riflettori nell’industria fotografica), l’elevata resistenza alla corrosione, l’alta conducibilità elettrica (a parità di peso la conducibilità elettrica dell’allumino è pari al 200% di quella del rame, mentre a parità di volume pari al 62%) e l’alta conducibilità termica. L’allumino e suoi componenti non sono tossici. E’ antiscintilla. E’ amagnetico (applicazioni per realizzare schermature di apparecchiature elettriche). Eccellente duttilità e malleabilità che lo rendono facilmente lavorabile per deformazione plastica a caldo e a freddo. Applicazioni dove è richiesta buona formabilità e/o eccellente resistenza alla corrosione atmosferica (utensileria da cucina, componenti architettonici, apparecchiature di stoccaggio e trattamento di sostanze alimentari).

LEGHE DI ALLUMINIO Sono introdotti come elementi dei lega nell’alluminio: Cu, Si, Mg, Mn. Occasionalmente: S, Ni, Cr. L’effetto degli elementi di lega è di accrescere le caratteristiche resistenziali (rottura, snervamento, durezza) e di diminuire quelle di deformabilità (duttilità). Il carico unitario di rottura può raggiungere 600MPa nelle leghe semilavorate e 300MP nelle leghe da getto. In alcune leghe il rapporto Resistenza/Peso è superiore a quelle dell’acciaio ad alta resistenza.

Elementi come Si sono aggiunti per migliorare la fluidità del bagno e la qualità del getto. Con queste leghe si realizzano applicazioni: • In fonderia (leghe da getto): cilindri, pistoni ed altre parti di motori a combustione interna di aerei e automobili.

• Mediante lavorazione plastica (leghe da deformazione plastica).

LEGHE SEMILAVORATE La maggior parte delle leghe di alluminio sono utilizzate allo stato semilavorato, che vengono cioè formate per deformazione plastica. L'alta resistenza meccanica è dovuta all'affinamento ed omogeneizzazione del grano ed all'incrudimento introdotto dalla lavorazione meccanica della lega laminata, forgiata o estrusa.

Le leghe sono classificate come: - non trattabili termicamente, cioè induribili solo per deformazione plastica a freddo (stato metallurgico H); - trattabili termicamente, cioè induribili per precipitazione di fasi coerenti e semicoerenti (stato metallurgico T).

La produzione delle leghe dì alluminio semilavorate avviene in tre stadi: a) colaggio di un lingotto; b) lavorazione plastica a caldo (seguita da una a freddo) del lingotto fino a formatura del pezzo; c) trattamento termico.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

Due sono le condizioni da seguire per ottenere un lingotto privo di difetti. Il bagno metallico deve essere colato rapidamente ed uniformemente nella lingottiera evitando il trascinamento di scoria o la formazione di zone fredde; inoltre il calore va sottratto dal lingotto ad una sufficiente velocità e nella direzione più opportuna in modo da ottenere un grano fine senza cricche superficiali. Due sono le ragioni principali della lavorazione a caldo delle leghe di alluminio. La prima è di deformare la struttura del lingotto, convertendolo in una più facilmente sottoponibile alle successive lavorazioni; la seconda è la maggior plasticità a caldo che permette riduzioni di sezioni più drastiche e l'ottenimento di forme complicate dotate di sezioni sottili.

Nella figura a fianco vi è un confronto tra leghe di Alluminio per semilavorati non trattabili termicamente.

LEGHE NON TRATTABILI TERMICAMENTE Questa classe di leghe è rinforzata per deformazione plastica a freddo (determina nel materiale metallico la moltiplicazione delle dislocazioni presenti che interagendo fra loro causano l’incrudimento del materiale, bloccando lo scorrimento dei piani cristallini).

La deformazione per laminazione, per trafilatura, ecc. è eseguita per ottenere la forma voluta e nello stesso tempo per migliorare le proprietà meccaniche. La lavorazione a freddo inizia là dove finisce quella a caldo a meno che tra le due non venga effettuato un trattamento termico di ricottura. Sono utilizzate le leghe Al-Mn, Al-Si, Al-Mg. Il carico di rottura può raggiungere i 415MPa come nella 5056-H38. Le leghe incrudite a freddo includono la 1100 (Al puro al 99%), 3003, 3004 (leghe Al-Mn, in cui la solubilità massima nella fase α è del 1,82% a 658°C, nonostante la solubilità decresca con la temperatura, le leghe di questa classe non sono induribili per invecchiamento per mancanza della precipitazione di fasi intermedie coerenti e semicoerenti), 4043 (leghe Al-Si, in cui la solubilità massima del silicio nella soluzione solida α è del 1,65% alla temperatura eutettica di 577°C, sebbene la linea di solvus mostri una solubilità del silicio decrescente con la temperatura, non sono adatte, per aumentare la resistenza meccanica, ai trattamenti termici), 5005, 5052, 5056, 5083 e 5456 (leghe Al-Mg, anch’esse non trattabili termicamente).

In definitiva, queste leghe hanno un carico dì rottura che va dai 90 MPa della 1100 allo stato ricotto ai 415 MPa per la 5056-H38 fortemente incrudita.

Nella figura a fianco vi è un confronto tra leghe di Alluminio trattabili termicamente.

LEGHE TRATTABILI TERMICAMENTE I principali trattamenti termici dell'alluminio e delle leghe di alluminio comprendono: la ricottura; la distensione; la tempra di solubilizzazione e l’indurimento per precipitazione o invecchiamento.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

TRATTAMENTI TERMICI RICOTTURA La ricottura dell'alluminio viene eseguita per lo più sulle leghe incrudite. Consiste in un riscaldamento ad una temperatura di circa 350°C, a cui l'addolcimento l'addolcimento è rapido, seguito da un raffreddamento a temperatura ambiente. La temperatura esatta, il tempo di permanenza e la velocità di raffreddamen raffreddamento to non sono parametri critici, purché il riscaldamento sia stato effettuato so sopra pra la temperatura di ricristallizzazione. La struttura incrudita ricristallizza in nuovi grani privi di sforzi interni e si ottiene, pertanto, la struttura originale originale dolce e duttile. La ricottura delle leghe di alluminio semilavorate è simile a quella dell'alluminio. dell'alluminio. La sola differenza è la velocità di raffreddamento raffreddamento che non deve essere essere maggiore di 10°C/h fino a circa 260°C e sotto può assumere un qualsiasi qual valore. Per esempio l'esame del diagramma di stato alluminio rame (Al-Cu) (Al Cu) evidenzia che una lega al 4% di rame solidifica in una soluzione solida α.

Con n un lento raffreddamento la solubilità del rame (come me CuAl2 decresce lungo la linea di solvus fino a valori dello 0,5% a 150°C. Perciò Per con un lento raffreddamento della lega da 520°C, il rame è gradualmente precipitato come particelle dure e grossolane di CuAl2 in una matrice dolce di soluzione solida α.

Questa struttura, che può essere considerata allo stato ricotto, è sottoponibile a deformazione plastica a freddo. La lega può essere ricotta dopo lavorazione a freddo per rimuovere l'incrudimento.

Un riscaldo scaldo a 340°C è sufficiente per ricristallizzare la lega senza disciogliere il composto composto CuAl2. La distensione è qualche volta raccomandata per i giunti saldati di grande sezione. Le leghe alluminio-rame alluminio rame contengono in genere rame rame in quantità non superiore superiore al 12% per cui è sufficiente limitare lo studio del diagramma a un campo che non superi tale percentuale. Supponiamo di raffreddare una lega lega contenente il 4% di rame la solidificazione avrà inizio nel punto A sotto forma di cristalli di soluzione solida α.. Nel punto B avremo liquido e soluzione solida α (BS è la concentrazione della soluzione solida alla temperatura temperatura tB; BL la concentrazione del liquido). Nel punto C la lega è solidificata sotto forma di soluzione solida α;; al di sotto del punto D la soluzione soluzione solida inizierà a segregare il composto CuAl2 (alluminuro di rame). Alla fine avremo dunque una struttura costituita da soluzione solida α e composto CuAl2.

Raffreddando invece una lega con il 12% di rame si ha all'inizio la formazione di soluzione solida α ; alla temperatura di 548 °C il liquido rimanente solidifica sotto forma di eutettico, costituito costituito da soluzione solida α di concentrazione G e composto CuAl uAl2. A temperature inferiori, dalla soluzione solida segrega il composto CuAl2. Avremo remo in definitiva una struttura costituita da soluzione solu solida α, α eutettico e CuAl2.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

TEMPRA DI SOLUZIONE (TG) Considerando una lega Al-Cu Al Cu con circa il 4% di Cu, questa a temperatura superiore a 500°C si trova nella zona del diagramma in cui vi è solo la soluzione solida α,, cioè, il rame è completamente solubile nella matrice di alluminio. Se si raffredda lentamente, come si è già visto, poiché vi è perdita di solubilità del Cu nell’Al (perdita di solubilità con la temperatura), si verifica una segregazione del rame che va a formare particelle incoerenti di CuAl2 (alluminuro di rame) ai bordi dei grani della matrice, ed a temperatura ambiente si ottiene soluzione solida α + CuAl2. Se invece, si raffredda velocemente, la matrice non fa in tempo a segregare il Cu, ed a temperatura ambiente si ha la soluzione solida α,, che tuttavia non è in equilibrio termodinamico e tende spontaneamente a modificarsi nel tempo attraverso un progressivo rogressivo rigetto di atomi di rame, che accumulandosi in alcune zone dovrebbe portare alla formazione delle particelle di fase θ (CuAl2). Questo stadio finale e gli eventuali stadi intermedi sono tuttavia difficilmente raggiungibili a temperatura ambiente, data l'estrema lentezza del processo diffusivo del rame nel reticolo dell'alluminio.

INVECCHIAMENTO Se la lega viene sottoposta ad un trattamento di invecchiamento, che consiste in un riscaldamento per esempio a 165°C, il movimento degli atomi di di rame è facilitato e questo conduce innanzi tutto alla formazione di addensamenti di atomi di rame nel reticolo c.f.c.(cubico a facce centrate) dell'alluminio, noti come zone di Guinier Guinier-Preston Preston o G.P.1 (che hanno una lunghezza non superiore a 100 À e una larghezza massima di qualche distanza interatomica). Queste zone non possiedono un reticolo cristallino proprio e sono coerenti con la matrice nel senso che esiste continuità tra i punti reticolari di tale zona e quelli della matrice. Nel caso della lega alluminio a minio-rame rame questa condizione di coerenza implica tuttavia tuttavia una certa distordistor sione elastica del reticolo reticolo in un intorno della zona di Guinier-Preston, ston, poiché la dimensione dimensione degli atomi di rame è minore di circa il 12% di quella degli atomi di alluminio.

Mantenendo la lega alla temperatura di invecchiamento per tempi più lunghi, le zone G.P.1 sono sostituite dalle cosiddette zone G.P.2 che hanno dimensioni maggiori (lunghezza di circa 200 À e larghezza di circa 20 20-100 100 À) ed un reticolo tetragonale. Le zone G.P.2 a differenza delle zone G.P.1 sono già un vero e proprio precipitato sia pure metastabile (e si indicano con il simbolo θ''). ''). Esse sono ancora completamente coerenti con la matrice sia pure a costo di una forte ed estesa distorsione elastica del reticolo circostante. Nelle zone G.P.2 cominciano poi a comparire dei precipitati più grossi di composizione nominale CuAl2 che vengono indicati con θ';'; essi hanno ancora un reticolo tetragonale, ma non sono più completamente coerenti con la matrice, poiché poiché date le loro dimensioni (circa 500 À ), la matrice non è più capace di assorbire elasticamente gli sforzi interni e pertanto l'entità di tali sforzi viene ridotta mediante la creazione di un'interfaccia parzialmente coerente (zone di coerenza separate da dislocazioni a spigolo). Le particelle A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

θ'' possono essere considerate i veri nuclei di cristallizzazione della fase di equilibrio θ;; infatti, mantenendo ulteriormente la lega alla temperatura di invecchiamento, esse si ingrossano ingrossano e si trasformano nelle particelle incoeincoerenti θ.. Da questo momento la lega diviene sovrainvecchiata. sovrainvecchiata. Gli stadi successivi attraversati da una lega al 4 % di rame nel corso del suo invecchiamento, per esempio a 165°C, sono:

I valori massimi di caratteristiche meccaniche meccani sii hanno in presenza dei precipitati θ'''' ed in minor misura θ'. θ'. Per la lega in esame il carico di rottura raggiunge il massimo valore dopo un invecchiamento a 165°C (curva C) per 10 ore; dopo di che, se si prolunga prolunga il tempo di permanenza a 165°C, esso diminuisce diminuisce per la rapida comparsa delle particelle grossolane e incoerenti di θ.. Tale trattamento può essere più vantaggioso rispetto rispetto ad uno a temperatura più bassa (ad esempio 130°C, curva B) che determina minor resistenza meccanica e richiede tempi di trattamento trattamento più lunghi. Invece, un trattamento a 200°C (curva D) porta a risultati scadenti per l'immediata formazione di precipitato incoerente e (con rapidissima formazione e scomparsa di ogni precipitato intermedio). Anche un invecchiamento a temperatura ambiente iente porta in tempi lunghi ad un miglioramento (non elevato) delle proprietà meccaniche (curva A).

Il rafforzamento per precipitazione non avviene solo nelle leghe di alluminio contenenti il 4 % di rame, ma anche in altre leghe, purché esse abbiano un diagramma diagramma di stato con diminuzione di solubilità del soluto al diminuire della temperatura e sia possibile la formazione di precipitati intermedi coerenti o semicoerenti nella matrice. matrice. Tra esse vi sono alcune leghe di rame, per esempio i bronzi al berillio e al cobalto, e le leghe alluminio-silicio-magnesio. alluminio magnesio.

DISTENSIONE Raccomandata per i giunti saldati di grande sezione. Riscaldamento a bassa temperatura (circa 230°C) per 4 ore.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

DESIGNAZIONE CONVENZIONALE DELL’ALLUMINIO E DELLE SUE LEGHE SEMILAVORATE E’ stata fissata nel 1954 dall’Aluminium Association. Si basa su una designazione chimica classificata con 4 cifre: 1.

Prima cifra: CLASSE.

2.

Seconda cifra: Modificazione della lega originale della classe (0:originale, 1-9:eventuali successive modificazioni).

3.

Terza e quarta cifra: Nella classe 1xxx la purezza minima dell’alluminio (per esempio la lega 1060 indica l’alluminio puro con purezza minima 99.60%), nelle classi 2xxx-9xxxx, identificano la lega specificata.

Classe 1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx

Famiglia Al (puro oltre il 99%) Al-Cu Al-Mg Al-Si Al-Mg Al-Mg-Si Al-Zn Al-Li *

(attualmente non utilizzata)

STATO DI FORNITURA Segue dopo un trattino, le cifre della designazione chimica; • • •

Definito sia per getti che per semilavorati.

Descrive l’insieme di trattamenti termici e meccanici che la lega deve subire prima dell’esercizio.

Consiste in una lettera indicante lo stato metallurgico seguita (ad eccezione del stato grezzo o ricotto) da uno o più cifre.

F: grezzo di lavorazione. Materiale dopo il ciclo di produzione. Proprietà meccaniche non garantite.

O, Ricotto, ricristallizzato: Qualità più dolce dei semilavorati.

H, incrudito: Proprietà resistenziali aumentate per incrudimento.

H1: Incrudito, seguito dal grado di incrudimento (9: extra- incrudimento, 8: massimo incrudimento, 6: ¾ di incrudimento, 4: semi incrudimento, 2: ¼ di incrudimento) ed eventualmente dal grado qualitativo.

H2: Incrudito e parzialmente ricotto. Per leghe con massimo incrudimento e portate alla resistenza voluta. Il grado residuo di incrudimento è indicato con una o più cifre come per H1.

H3: Incrudito e stabilizzato. Solo per leghe Al-Mg incrudite e riscaldate successivamente a bassa temperatura per fissare nel tempo le proprietà. Il grado residuo di incrudimento è indicato con una o più cifre come per H1.

W: Temprato ed invecchiato naturalmente. Si applica alle leghe che invecchiamento a temperatura ambiente (invecchiamento naturale) dopo tempra di solubilizzazione. La designazione è completata dal periodo di invecchiamento. Per esempio 2024-W(1/2h).

T, Trattato termicamente: Per leghe trattate termicamente, incrudite o non. Segue la lettera una cifra (1-10) per il tipo di trattamento ed eventualmente altre due cifre per le variazioni introdotte nelle condizioni usuali di lavorazione.

T1: ricotto e invecchiato naturalmente.

T2: ricotto, incrudito e invecchiato naturalmente.

T3: temprato, incrudito e invecchiato naturalmente.

T4: temprato e invecchiato naturalmente.

T5: ricotto e invecchiato artificialmente.

T6: temprato e invecchiato artificialmente.

T7: temprato e stabilizzato per il controllo del grano.

T8: temprato, incrudito e invecchiato artificialmente.

T9: temprato, invecchiato naturalmente e incrudito.

T10: ricotto, incrudito e invecchiato artificialmente.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO AL

LEGHE DA FONDERIA In funzione della propensione alla colabilità si distinguono per: getti in sabbia, getti in conchiglia, getti presso fusi: •

Alcune leghe possono rientrare in più di un gruppo;

Getti in sabbia: sabbia Caratterizzati da basso costo e facilità di esecuzione.

Utilizzati in piccole serie di pezzi di forma anche intricata e di grande dimensione.

Realizzati con numerose leghe di alluminio (Al-Cu, (Al Cu, Al-Si, Al Al-Mg, Al--Si-Mg, Al-Zn).

Zn).

Nel colaggio è necessario evitare evitare il surriscaldamento della lega per: o Evitare lunghi tempi di raffreddamento con conseguente ingrossamento del grano. o Ad alta temperatura l’alluminio reagisce con il vapor d’acqua formando ossido di alluminio ed idrogeno. L’idrogeno è assorbito nella fase liquida. Al raffreddamento diminuisce la solubilità dell’idrogeno che si allontana in forma di bolle dal bagno.

Le bolle possono rimanere intrappolate, formando porosità. Per evitare questo si utilizzano fondenti. o E’ necessario colare il metallo sufficientemente sufficientemente caldo per evitare zone fredde in cui viene a mancare la continuità del getto.

Getti in conchiglia: conchiglia La temperatura bassa di fusione permette il colaggio per gravità in conchiglie di acciaio o di ghisa. La finitura superficiale è eccellente, le tolleranze tolleranze dimensionali sono strette e le proprietà meccaniche elevate.

In genere i getti sono di piccola dimensione e di forma semplice.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

Le leghe utilizzate sono quelle Al-Si e Al-Si-Mg. Getti presso-fusi: Il metallo fuso è forzato nella conchiglia a pressioni di 5MPa –140MPa. I getti possono avere sezioni molto sottili.

La finitura ed i dettagli superficiali sono superiori a quelli dei getti in sabbia ed in conchiglia.

Le tolleranze dimensionali raggiungibili sono di 1.5μm/mm.

Le leghe utilizzabili sono quelle Al-Si, Al-Mg e Al-Si-Mg.

DESIGNAZIONE LEGHE DA FONDERIA Le leghe d’allumino per getti vengono designate con 3 cifre invece che 4 e la numerazione non ha nessuna diretta correlazione con la composizione chimica; rimane solo la prima cifra ad individuare la classe (o serie) d’appartenenza ( 2 → elemento di lega è il rame Cu, 3 → silicio Si (Mg o Cu), 4 → Classe Famiglia silicio Si, 5 → magnesio Mg, , 7 → zinco Zn, 8 → stagno Sn, le lettere 1xx Al e numeri successivi identificano se vi sono stati o meno trattamenti 2xx Al-Cu successivi alla formazione del materiale, esempio, F = grezzo di 3xx Al-Si (Mg o Cu) lavorazione, non vengono garantite buone caratteristiche 4xx Al-Si meccaniche, T = ricottura, tempra, invecchiamento.

5xx Al-Mg Le leghe di alluminio possono in generale essere rafforzate per 6xx * (attualmente non utilizzata) incrudimento, soluzione solida e per precipitazione. Maggiori 7xx Al-Zn capacità resistenziali si ottengono combinando tali metodi di 8xx Al-Sn rafforzamento. L’alluminio puro è poco utilizzato; vi sono vari tipi di 9xx * (attualmente non utilizzata) leghe di alluminio per vari usi, fonderia, deformazione plastica….L’aumento delle caratteristiche meccaniche delle leghe di alluminio possono essere impartite per trattamento termico, per leghe contenenti rame (indurimento per precipitazione, ottengo più durezza perché metto in condizione il materiale di formare precipitati “invecchiamento” che per l’appunto precipitando distorcono la matrice, diminuisce però la duttilità e la resistenza alla corrosione) o per incrudimento (aumenta la durezza ma diminuisce la duttilità e la resistenza alla corrosione; incrudimento si attua nelle leghe di alluminio per deformazione plastica.

LEGHE DI ALLUMINIO: EFFETTO ELEMENTI DI LEGA Il rame (< 12%) conferisce alta resistenza meccanica e buona lavorabilità all’utensile, a scapito della resistenza alla corrosione. Tali leghe hanno nome commerciale di Avional e Duralluminio.

Il silicio (< 25%) è da preferire nelle leghe da fonderia in quanto aumenta la colabilità e riduce la dilatazione termica, ma esercita un’azione sfavorevole sulla lavorabilità all’utensile. La resistenza alla corrosione non viene influenzata dalla presenza di silicio. Tali leghe hanno nome commerciale di Inafond e Silumin.

Il magnesio (< 10%) aumenta la resistenza alla corrosione, la saldabilità, la lavorabilità all’utensile, mentre riduce la col abilità aumentando notevolmente la fragilità di ritiro. Tali leghe hanno nome commerciale di Corrofond, Anticorodal e Peraluman.

Il titanio (< 0.30%) affina il grano.

Lo stagno (< 20%) esalta le caratteristiche antifrizione.

Lo zinco (< 8%) aumenta la resistenza meccanica e, se viene associato al magnesio, rende le leghe suscettibili di tempra anche per raffreddamento in aria e tali leghe sono dette, pertanto, autotempranti.

Il manganese (< 2.5%) innalza lievemente le caratteristiche meccaniche e la resistenza alla corrosione, senza influire negativamente sulla colabilità.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO

Il ferro (< 1.8%) è sempre presente come impurezza. Aumenta le caratteristiche meccaniche alle alte temperature ed ha un effetto affinante sui grani cristallini. Viene aggiunto nelle leghe da fonderia perché facilita il distacco del getto dalla forma.

Il nichel (< 4.5%) viene aggiunto per migliorare la resistenza meccanica a caldo.

Il cromo (< 0.35%) aumenta la resistenza alla corrosione.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING 767

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN LEGA DI ALLUMINIO: SUPPORTO DI CHIUSURA PER UN BOEING 767 FASI DELLO STUDIO DEL GETTO

Introduzione.

Fasi per la definizione delle. caratteristiche/colabilità/produzione del getto.

Scelta della lega d'alluminio.

Caratteristiche e controllo delle microstrutture del disegno.

Assegnare le lavorazioni alle macchine utensili.

Requisiti "Non saldabile".

Controllo di qualità.

Sommario.

APPLICAZIONE Il supporto di chiusura “uplock” è un componente strutturale che sostiene innanzi tutto il sistema della scatola del carrello per il Boeing 767, aereo molto utilizzato. La scatola del carrello è posizionata vicino alle ruota in ogni ala.

Le porte di sbarco agganciano e chiudono nel saliscendi della scatola del carrello quando sono chiuse per il volo. Il supporto della scatola del carrello porta il peso della porta di sbarco chiusa durante il volo.

FUNZIONE E DISEGNO L'uplock ha anche due funzioni di emergenza: 1. la scatola deve essere forte abbastanza da sostenere il peso dell’atterraggio, il sistema di controllo del carrello è azionato da una pressione idraulica che fa ruotare il carrello.

2. se c'è uno scoppio di un pneumatico del carrello, la scatola del carrello deve essere abbastanza robusta per resistere al danno e permettere al carrello di mantenere le sue funzioni.

I requisiti meccanici che devono avere le aree di grande stress del carrello sono:

50 ksi per il carico di rottura, 40 ksi carico di snervamento, ed elongazione del 5%.

Nelle altre aree i requisiti meccanici sono: carico di rottura 45 ksi, carico di snervamento 36 ksi, ed elongazione del 3%.

Questi requisiti resistenziali devono essere garantiti mentre si cerca di minimizzare il peso.

SUPPORTO UPLOCK: DESCRIZIONE L'uplock è una struttura a scatola di forma triangolare.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING 767 1. le dimensioni sono 35" x 26" x 12".

2. il minimo spessore è di 0,120".

3. la scatola è un getto in alluminio con un peso di 33,5 libbre.

La scatola ha numerosi fori, flange, nervature interne ed esterne, alette, ganci, punzoni, ed è una chiusura per la struttura, riunisce sistemi con vari scopi.

CAMBIAMENTI La scatola di uplock fu ridisegnata come un getto dopo considerevoli problemi di produzione (tolleranze e assemblaggio) mentre si sperimentava col disegno originale, consistente nell’assemblaggio con rivetti delle lastre di metallo con i componenti forgiati.

BENEFICI DEI CAMBIAMENTI Il disegno del getto modificato portò un miglioramento dei costi e delle caratteristiche sia per il costruttore che per la compagnia aerea. I benefici per il costruttore aereo furono il risparmio dei costi del 50% e si basarono su: 1. riduzione delle parti da fabbricare (in originale vi erano 35 parti da realizzare) 2. l'eliminazione di 25 spessori, 2 attrezzi di montaggio e 29 disegni tecnici.

3. risparmio dei costi per ridotto uso di lavorazioni alle macchine utensili, processo di assemblaggio semplificato, minor tempo, tolleranze più strette, meno errori possibili e più facile installazione.

Benefici per la compagnia aerea: 1. minor costo d’acquisto e dei ricambi.

2. migliore affidabilità e facilità di assemblaggio senza fori per rivetti, più grande resistenza alla corrosione, ispezioni e manutenzioni più facili.

IL PROBLEMA DEL PROGETTO DEL GETTO L'Approccio del progetto del getto Gli ingegneri del progetto del getto avevano tre imperativi per la realizzazione del prodotto:

Progetto riferito alle prestazioni Progetto riferito alla colabilità/produzione Progetto per il costo Problemi critici del progetto del getto I requisiti per le prestazioni, colabilità/produzione e costo sono interconnessi. Cinque problemi del progetto del getto ebbero un ruolo notevole nel soddisfare i tre imperativi: 1. selezionare la lega di alluminio che soddisfi i requisiti resistenziali.

2. assicursi che i requisiti resistenziali siano soddisfatti nelle zone critiche.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING 767 3. piano di controllo delle microstrutture nelle regioni di alto stress durante la colata.

4. progetto del tipo di lavorazione alle macchine e tolleranze.

5. cercare i requisiti per non effettuare saldature.

SELEZIONE DELLA LEGA D'ALLUMINIO È il principale problema da risolvere per garantire all’uplock le minime caratteristiche resistenziali nelle regioni più sollecitate e meno sollecitate.

1. Zone più sollecitate - carico di rottura di 50 ksi, carico di snervamento 40 ksi, elongazione e duttilità del 3%.

2. Zone meno sollecitate - carico di rottura di 45 ksi, carico di snervamento 36 ksi, elongazione e duttilità del 3%.

In somma, la lega d’alluminio dovrebbe avere, perché si ottenga un buon getto, buona lavorabilità, saldabilità e resistenza alla corrosione.

Tre leghe d’alluminio sono state prese in considerazione per realizzare il getto: 1. lega d’alluminio A201 - 4.6% rame, 0.7% argento, 0.35% manganese, 0.35% magnesio e 0.25% titanio 2. lega d’alluminio A206 - 4.5% rame, 0.30% manganese, 0.25% magnesio e 0.22% titanio 3. lega d’alluminio D357 - 7% silicio e 0.6% magnesio.

1 = Eccellente; 2 = Ottima 3 = Buona 4 = Sufficiente 5 = Scadente •

•

•

L'alluminio 201 T7 soddisfa i requisiti di carico di rottura (67ksi > 50 ksi) e carico di snervamento (60ksi > 40ksi), ma non riesce ad offrire l'elongazione minima richiesta (4.5% < 5%). Ed inoltre, la lega è scadente per la saldabilità, quasi scadente per la col abilità, lavorabilità e resistenza alla corrosione. Questa lega non è una buona scelta.

L'alluminio 206 T7 soddisfa i requisiti di carico di rottura (44ksi > 40 ksi) e dell'elongazione minima richiesta (11% > 5%), ma non riesce ad offrire un buon carico di snervamento (49ksi < 50 ksi). Inoltre, la lega ha una scadente saldabilità, ed anche per la colabilità, lavorabilità, e resistenza alla corrosione non raggiunge i requisiti richiesti.

Questa lega non è una buona scelta.

L'alluminio 357 T6 soddisfa tutti i requisiti resistenziali, carico di rottura (50ksi = 50 ksi), carico di snervamento (40ksi = 40 ksi) ed elongazione (5% = 5%). Ma anche i requisiti di colabilità, lavorabilità, saldabilità e resistenza alla corrosione. Questa lega è la scelta migliore.

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CARATTERISTICHE DEL GETTO PER QUANTO RIGUARDA RESISTENZA E RIGIDEZZA Gli stress più alti nella scatola di appoggio si hanno nelle congiunzioni e nei punti di appoggio, dove forze e momenti sono trasferiti sul componente. Il componente uplock ha numerose flange, nervature, alette, ganci, punzoni, che servono per il montaggio.

Uno dei benefici di realizzare il pezzo in getto è la flessibilità del progetto di poter rinforzare con un aumento dello spessore delle zone più sollecitate per migliorarne la resistenza e rigidezza. Insomma, si può, per eliminare le concentrazioni di stress, riempire zone e raccordare gli angoli, soprattutto nelle giunture.

CARATTERISTICHE DEL PROGETTO L'ingegnere deve considerare quali zone sono soggette ad alti stress effettuando una analisi di stress e quindi verificare se dovrebbero essere riempite o raccordate affinché soddisfino i requisiti di sicurezza.

Tre sono state le zone interessate dalla verifica di rinforzo:

Zona A, interessata da un riempimento con materiale supplementare da entrambi i lati, interno ed esterno:

Zona B, interessata da raccordi degli spigoli interni ed esterni.

Zona C, sono gli attacchi dei tiranti hanno un diametro di 0.60 pollici ed una profondità di 0.50 pollici, non portano carichi eccessivi. Le loro dimensioni sono sufficienti a sopportare le sollecitazioni. Ed hanno una forma che non concentra gli stress. Quindi non si prevedono per loro cambiamenti.

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CONTROLLO DELLA MICROSTRUTTURA Le proprietà meccaniche del alluminio sono influenzate dalla microstruttura (la grandezza, distribuzione delle fasi e dei grani) della lega. Una struttura formata da grani piccoli produce maggiore resistenza meccanica. Un raffreddamento veloce produce grano fine, mentre un raffreddamento lento produce un grano più grande.

L’ingegnere di fonderia zone fredde per controllare, inizio, ubicazione e direzione della solidificazione nel getto. Una zona fredda o raffreddatore (chill) è un blocco di materiale (sabbia o metallo) la quale ha una grande conducibiltà termica che accelera la quantità di calore estratto nella zona critica. I raffreddatori sono posizionati in zone che hanno bisogno di essere raffreddate rapidamente per controllare la microstruttura, e che se non fosse facilitato il loro raffreddamento tenderebbero a rimanere calde per via di sezioni a croce o alta capacità termica.

Per quanto riguarda la necessità o meno di inserire raffreddatori si prendono in considerazione la zone A, D, ed E che presentano una critica funzione strutturale. L’ingegnere deve valutare quali zone hanno necessità di utilizzare i raffreddatori per controllare la solidificazione.

La zona A ha bisogno di raffreddatori in quanto è molto sollecitata, quindi, deve garantire alte caratteristiche resistenziali (carico di rottura di 50 ksi, carico di snervamento 40 ksi), cioè grano fine. Inoltre si deve garantire una rapida solidificazione perché ha una sezione abbastanza spessa 1.3" (zona con più alta capacità termica). I raffreddatori sono messi sui due lati del getto in corrispondenza della zona A.

La zona D è una nervatura alta 1.5" e spessa 0.25", essa non è direttamente caricata, quindi, non ha bisogno di raffreddatori.

La zona E, ha una funzione di gancio ed è molto sollecitato (carico di rottura di 60 ksi, carico di snervamento 40 ksi), lo spessore è di 0.25". Quindi ha bisogno di raffreddatori appoggiati ai suoi lati, in modo da controllare la solidificazione d ottenere una fine microstruttura.

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SCELTA DELLE ZONE SU CUI EFFETTUARE LAVORAZIONI ALLE MACCHINE UTENSILI Il supporto uplock ha precise tolleranze di forma e accoppiamento di diversa entità. La lavorazione alle macchina utensili del supporto uplock era estesa:

Fresatura e smerigliatura di superfici.

Alesatura di fori per boccole.

Foratura e maschiatura di fori per viti.

Uno dei fattori chiave del progetto era assegnare il tipo di macchine per le varie tipologie di superfici, la precisione di lavorazione, quindi, tolleranze e finitura finale.

La tolleranza di lavorazione può esser libera, fin quando non si arriva alle lavorazioni finali. Usando tolleranze di + / - 0.060 pollici come regola comune.

Le lavorazioni delle superfici dove si trovano i canali di colata e dei rialzi, dovrebbero avere un supplemento di 0.060 di pollice.

Il disegno evidenzia tre zone sull’uplock diverse lavorazioni alle macchine e requisiti di tolleranza.

1. Zona A 2. Zona B 3. Zona C L'ingegnere di fonderia dovrebbe considerare se vi è necessità di spessori supplementari. Cioè, quali di queste zone A, B o C hanno bisogno di materiale supplementare per la lavorazione.

•

Nella zona A, il foro di accesso rettangolare inclinato è coperto da un pannello piatto. Questo pannello di copertura è assicurato da multipli bulloni. L'accoppiamento per il pannello di coperta ha un requisito di rugosità di + / - 10 millesimi.

Questo livello di tolleranza richiede lavorazioni alle macchine sugli accoppiamenti di superficie.

100 millesimi di spessore è aggiunto sul perimetro del foro di accesso per la lavorazione.

La zona A ha bisogno di materiale supplementare per la lavorazione alle macchine.

•

La zona B, è il foro di accesso laterale:

È usato per cavo di comando.

Non ha necessità di precisione.

L'entità di tolleranza è + / - 60 millesimi è già garantita dalla tolleranza del getto grezzo.

La zona B non necessita di nessun materiale supplementare, in quanto, non ha bisogno di lavorazione alle macchine utensili.

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•

La zona C è un lungo spessore di 2.75" posto nel laterale in basso al getto.

Questo spessore deve avere una precisione sulla dimensione in piano di + / - 10 millesimi.

Questa superficie serve per un accoppiamento, quindi richiede materiale supplementare.

100 millesimi di materiale supplementare è aggiunto per la successiva lavorazione alle macchine utensili.

La zona C richiede uno spessore supplementare.

COLATA DELL’ALLUMINIO

Le industrie Hitchcock formano il supporto uplock in alluminio 357 T6 con matrice di precisione non in sabbia.

Non viene utilizzata la colata in sabbia, in quanto, non garantisce la necessaria precisione dimensionale, struttura metallurgica e proprietà richieste.

Il sistema a matrice usa oltre 20 anime per formare le caratteristiche interne ed esterne dell’uplock.

Canali di colata e tipo di raffreddamento sono pianificati ed ottimizzati affinchè il flusso di metallo riempia le parti sottili del getto. Questo produce un getto libero da cricche, contrazioni e porosità.

PROCESSO DI SALDATURA

È intenzione di ogni fonderia di produrre getti "liberi da difetti". Qualche volta si manifestano comunque, anche con i migliori controlli del materiale e dei processi, specialmente con grandi e/o complessi getti.

Queste sono dovute a mancanze del processo o del materiale.

Saldatura dell’alluminio.

Per tenere il processo di saldatura economico si devono attuare pochi accorgimenti.

Si è dimostrato che il processo di saldatura non ha effetti significativamente avversi sull'integrità strutturale dei getti di alluminio, finché la saldatura è fatta correttamente, propriamente trattata termicamente e ispezionata dopo aver saldato.

Requisiti di "Non saldatura" Se nel processo di un prodotto di fonderia non vengono effettuate saldature questo garantisce la qualità, il costo ed il tempo di produzione del getto. È importante considerare bene di non effettuare saldature sui getti. Quindi, l'ingegnere di fonderia e l’ingegnere di progetto dovrebbero fare una rassegna delle caratteristiche del componente per effettuare saldature solo quando queste siano strettamente necessarie all’integrità strutturale del getto.

Nota storica Il progetto originale del supporto uplock richiese di non effettuare saldature nelle regioni in sezioni critiche. Dopo 2 anni di produzione, una successiva revisione dei requisiti, rimosse tutti i divieti di saldatura nelle sezioni critiche del getto.

Il risultato, è che il getto continuò a riscontrare le stesse caratteristiche, ma con una minore percentuale di scarti.

CONTROLLO QUALITÀ I test di accettazione del supporto uplock sono necessari per fornire un prodotto di qualità al boeing comprensivo di documentazione. Gli uplock vengono ispezionati ed esaminati controllando le seguenti caratteristiche: A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING 767

100% Ispezione con liquidi penetranti fluorescenti dopo la colata del 100% dei getti prodotti.

I getti di classe B vengono sottoposti ad esame radiografico.

Controlli dimensionali prima e dopo la lavorazione alle macchine utensili.

Collaudo con sollecitazioni di trazione ed a fatica delle sezioni del getto.

Il supporto uplock è così consegnato e pronto per l’installazione.

Prima anodizzare e poi verniciare.

Alla fine del processo viene riverstito con guaina isolante.

CONCLUSIONI Le industrie Hitchcock hanno prodotto più che 100 supporti uplock per l’aereo Boeing durante il corso degli ultimi sei anni. La riuscita produzione del supporto si deve a questo: Non si è utilizzata la colata in sabbia in quanto metodo troppo costoso per getti in alluminio grandi e con struttura complessa.

La stretta collaborazione tra ingegneri di fonderia e di progetto è essenziale per garantire caratteristiche e standard di qualità ad un ragionevole costo.

Integrazione verticale della fabbricazione ( modelli >> matrici >> colata >> trattamenti termici >> lavorazione alle macchine ) offre controllo di processo e ne trae profitto, l’intero progetto ed un costo di produzione totale più basso.

Non saldare in regioni che hanno necessità strutturali critiche, elevano il tasso di scarto della produzione.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN ALLUMINIO: MONOBLOCCO PER MOTORI DELLA GENERAL MOTORS SU MODELLI TRUCK/SUV STUDIO DEL PROGETTO

Introduzione.

Progetto finalizzato alla prestazione.

Scelta della lega.

Colata a forma persa.

Progetto del modello.

Produzione del modello.

Colata del metallo.

Lavorazione alle macchine utensili e Controllo qualità.

Concetti imparati e Sommario.

MOTORI GM PER FUORI-STRADA ED AUTOCARRI L’Applicazione: Nel 2002 la General Motors (GM) presentò una nuova famiglia di Veicoli del settore Sport (Chevy Trailblazer, Buick Rainier e GMC Envoy).

Nel 2004 furono presentati, invece, una famiglia di autocarri di media stazza (Chevy Colorado e GMC Canyon).

•

•

•

Con i veicoli di peso e capacità di carico maggiore, la sfida degli ingegneria era aumentare la potenza di traino, la resistenza del telaio, diminuendo i consumi di combustibile, le emissioni inquinanti, la rumorosità, le vibrazioni e la rigidità, tenendo i costi del veicolo ed il peso bassi.

Lo studio ingegneristico fu intrapreso per selezionare la migliore configurazione del motore considerando un V-8, V-6 e un 6 in linea (numero di cilindri e loro disposizione a V o in Linea). Lo studio determinò che il motore con cilindri in linea aveva i seguenti vantaggi: Progetto più semplice, numero minore di componenti, conseguente minor costo, e migliore flessibilità produttiva.

Il 6 cilindri in linea fu progettato per avere potenza e coppia di un V-8. Il 5 cilindri in linea fu progettato per ottenere le caratteristiche di un V-6. Per ambo i motori si ottenne il miglioramento dei consumi senza sacrificare le prestazioni del 5 cilindri in linea con cilindrata di 3.5 litri.

PROGETTO DEL MOTORE Il progetto del motore configurato con cilindri in linea, è applicabile a 6, 5 e 4 cilindri (4.2, 3.5 e 2.8 è la rispettiva cilindrata).

I SUVs (o fuori-strada) vengono equipaggiati con sei versioni motoristiche e gli autocarri di media-taglia dotati di quattro o cinque versioni motoristiche.

Tutti i tre motori in inline usano il progetto dei cilindri Vortec con un diametro di 93mm ed una corsa di 102mm con in testa duplice camma con 4 valvole per cilindro.

I motori operano con un rapporto di compressione 10:1, ma ancora usano un normale combustibile senza piombo (87 RON).

I tre motori i linea hanno il 75% di parti in comune.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV

CARATTERISTICHE MOTORISTICHE

Le caratteristiche prestazionali dei tre motori sono:

GETTO DI ALLUMINIO PER IL MOTORE Un importante fattore che garantisce un peso non eccessivo è la realizzazione del monoblocco per cilindri in linea, con getto in lega di alluminio.

Le sedi cilindriche in cui si posizioneranno i pistoni viene realizzata in getto di acciaio ed inserite in pressione nel monoblocco in alluminio.

Questo offre trasferimento di calore ottimale nel monoblocco.

Le zone cilindriche in acciaio offrono resistenza migliorando la duttilità.

Il processo di installazione delle zone cilindriche in acciaio vengono posizionate con precisione dopo il raffreddamento.

Dopo l’installazione, la zona cilindrica in acciaio viene forata con un massimo di spessore finale di 1.5 mm.

DESCRIZIONE DEL MONOBLOCCO DEI CILINDRI Per esempio, il monoblocco dei cilindri per il motore con 5 cilindri in linea ha dimensioni di 61x43x33 cm ed un peso di 39kg.

Il getto del monoblocco dei cilindri contiene già caratteristiche interne che riducono successive e costose lavorazioni alle macchine utensili, incluso: canali di passaggio dell’olio in pressione, canali di drenaggio dell’olio, zone per il passaggio dell’aria, canali per il refrigerante.

Vi sono sulla parte esterna del monoblocco numerose nervature, blocchi, canali e fori per rinforzare, ridurre il peso, e per l’attacco degli accessori.

CARATTERISTICHE DEL MONOBLOCCO DEI CILINDRI Il blocco di cilindro deve resistere ad accentuati stress ciclici di fatica e termici, e resistere a queste condizioni di stress per l’intera del motore.I requisiti tipici che si sono ottenuti con la colata del getto in forma persa sono: Carico di rottura = 245 MPa A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV Carico di snervamento = 215 MPa Elongazione % = 1.6% Durezza di Brinell = 80 BHN Resistenza a fatica (10^8 cicli) = 60 MPa Tenuta di pressione = Eccellente Lavorabilità = Buona

I PROBLEMI DEL PROGETTO PROGE TTO DEL GETTO Gli ingegneri del progetto del getto si focalizzarono su tre problemi:

Progetto per le caratteristiche prestazionali.

Progetto per Produzione/Colabilità.

Progetto per il Costo.

SCELTA DELLA LEGA D’ALLUMINIO D’ ALLUMINIO L’alluminio è il metallo scelto per ridurre ridurre il peso del monoblocco, ma i requisiti prestazionali e produttivi guideranno la scelta di una specifica lega d’alluminio.

Vi sono diverse leghe d’alluminio che sono comunemente usate per i getti.

Il progettista del motore seleziona la lega d’alluminio che offre la migliore combinazione di proprietà meccaniche, di colabilità e lavorabilità.

LEGHE PRESE IN CONSIDERAZIONE PER QUESTA Q UESTA APPLICAZIONE • • •

Lega di alluminio A356 T6 Lega di alluminio 319 T5 Lega di alluminio 242 T77 Nota - Mentre le proprietà meccaniche nominali di una lega possono avere un certo livello, le caratteristiche specifiche possono variare in base alla taglia o allo spessore della sezione, alla porosità, al progetto dei canali di colata.

Sezioni spesse (sezioni (sezioni sottili) genera raffreddamenti lenti fornendo proprietà meccaniche più basse.

La porosità è funzione del contenuto di idrogeno, ossidi e composizione del metallo. Livelli di porosità più alti danno proprietà più basse. È necessario ottimizzare la direzione di solidificazione e la pressione del metallo.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV Lega di alluminio 242 T77 : È una lega con 4Cu-2Ni-2.5Mg. 4Cu 2.5Mg. invecchiamento a 340°C.

T77 indica una tempra di soluzione con

La lega 242 è molto usata dove è necessaria resistenza e durezza alle alte temperature.

Tipici utilizzi sono: pistoni per industrie motociclistiche, pistoni per diesel su aeromobili, ed in genere per costruzione di aeromobili.

Non appropriato per parti complesse, sezioni pesanti (monoblocchi / testate) a causa di minima fluidità.

La lega 242 ha buon duttilità, durezza, resistenza a fatica, e lavorabilità, ma la lega non riesce a soddisfare i requisiti di carico di rottura, carico di snervamento, tenuta tenuta alla pressione e colabilità/fluidità.

Lega di alluminio 319 T5 : È una lega con 6Si6Si 3.5Cu e max (1.0 Fe-1.0 Fe 1.0 Zn). T5 indica una tempra di soluzione con invecchiamento a 155°C.

La lega 319 ha il buone caratteristiche di colabilità e lavorabilità.

Il tipico utilizzo è per getti in sabbia utilizzati per basamenti per motori diesel, oggetti resistenti a combustioni interne, serbatoi per combustibili ed oli.

La Lega 319 ha buon duttilità, durezza, resistenza a fatica e lavorabilità, ma la lega non soddisfa oddisfa i requisiti per il carico di rottura, carico di snervamento, tenuta alla pressione e

fluidità.

Lega di alluminio A356 T6: È una lega con 7Si-0.3Mg 7Si 0.3Mg e max (0.2Fe-- 0.10Zn). T6 indica una tempra di soluzione ed un invecchiamento a 160°C. La lega A356 ha la più alta duttilità e resistenza meccanica delle leghe 356.

La lega A356 ha migliorato le proprietà meccaniche a causa di un più basso contenuto di ferro, rispetto delle leghe 356.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su mod modelli elli Truck/SUV

Tipiche applicazioni sono, condotte per aria, parti di macchine, macchine, parti di telai per autocarri, aerei e componenti di missili e parti strutturali che richiedono alta resistenza meccanica.

La A356 raggiunge o supera tutti i requisiti di resistenza meccanica, duttilità, durezza, resistenza a fatica, tenuta alla pressione, pressione, fluidità e lavorabilità.

La lega A356 è la miglior scelta.

CONFRONTO: COLATA IN SABBIA VERDE E COLATA IN FORMA PERSA PERS

Il metodo tradizionale ottenere getti di monoblocchi è di colarli in sabbia verde, in cui la forma del getto è data da un modello in legno o metallo e per formare passaggi interni si utilizzano le anime in sabbia.

Il confronto tra la colata in sabbia verde e quella in forma perduta, mette in evidenza un certo numero di vantaggi che a la colata in forma persa rispetto a quella in sabbia abbia verde.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV La colata in forma persa permette passaggi più complessi e particolareggiati che possono esser direttamente ottenute nel getto del monoblocco.

Nel monoblocco si possono direttamente ottenere, condotti per l’olio, canali per la ventilazione, passaggi per il refrigerante.

Queste caratteristiche possono richiedere lavorazioni che potenzialmente potrebbero provocare lesioni.

Con i getti in forma persa si possono ottenere minori tolleranze dimensionali, l’eliminazione delle anime e l’utilizzo di molte meno attrezzature nella produzione.

Parti interne complesse sono prodotte assemblando multiple sezioni di polistirolo incollandole insieme per formare un singolo modello di polistirolo espanso complesso.

Nel caso del monoblocco, si usano 4 modelli di polistirolo separati che vengono poi assemblate per formare un singolo modello.

Con queste 4 sezioni si può ottenere direttamente il monoblocco.

COLATA IN FORMA PERSA Riduzione significativa nei costi di lavorazione alle macchine ed investimento sulle attrezzature e meno possibilità di errori di lavorazione alle macchine ed assemblaggio. È un processo estremamente efficiente ed affidabile per la produzione di complessi getti utilizzato dalla GM per i nuovi motori ad alte prestazioni.

Le fasi base del processo sono: 1. Formatura del modello 2. Riunione dei modelli a formare un grappolo 3. Rivestimento del modello ed asciugatura 4. Riempimento con sabbia e compattazione 5. Colata del metallo raffreddamento 6. Estrazione e pulizia del getto

CARATTERISTICHE DETTAGLIATE DEL GETTO Il condotto per il passaggio dell’olio in pressione all’albero motore, all’albero a camme e alla testata dei cilindri è lungo 580mm con un diametro di 12mm.

Questo eliminò varie operazioni di trapanatura di lunghi fori: • •

•

•

Sei di lunghezza 75mm e diametro di 7mm per l’alimentazione dell’olio in pressione delle superfici dell’albero a gomiti.

Quattro fori lunghi 200mm e di diametro 7mm per il passaggio dell’olio in pressione per la lubrificazione delle superfici dell’albero di distribuzione e degli attuatori elettrici per la chiusura.

Ottenuti in getto le coperture dell’asta del bilanciere così eliminando due guarnizioni ed otto sedi per bulloni per ogni copertura, in questo modo non vi è stato più bisogno di lavorazioni alle macchine per questi componenti.

Quattro buchi di diversa taglia sono stati ottenuti in getto per il filtro dell’olio, eliminando queste lavorazioni.

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MODELLO DI POLIESTERE ESPANSO Il modello è formato da varie nervature (comunemente di polistirolo) quali contengono pentano (5-7% in peso) come un agente soffiante. L'EPS grezzo è composto da grani, (EPS = polistirene espanso) con densità approssimativa di 38 libre/piede cubico, di varie taglie iniziali in una serie larga di taglie iniziali (da 10 a 80 mm di diametro).

•

•

Più piccoli sono i grani migliore sarà il riempimento della forma del modello in polistirolo e migliore sarà la finitura superficiale del getto, ma la densità dei grani piccoli è difficile da controllare.

In genere, la sezione più sottile del getto dovrebbe essere forata almeno da tre grani. Questo limita le sezioni degli spessori più grandi di 3mm generalmente da ottenere per getti in alluminio.

FORMAZIONE DEL POLISTIROLO ESPANSO Il processo di formatura del modello finale di polistirolo ha 4 fasi: 1.

2.

3.

4.

Pre-espansione dei grani controllando la taglia e la densità con la temperatura.

Preriscaldamento della forma di metallo alla temperatura conveniente.

Iniezione dei grani nella forma.

Riscaldamento e raffreddamento opportuno per espandere e fondere i grani per ottenere il modello in polistirolo finale (l’errato controllo del riscaldamento e del raffreddamento produce una pre o post espansione).

Dopo l'immissione nella forma, il modello in polistirolo viene lasciato “invecchiare” per permettere il rilascio del pentano in eccesso e acqua, affinché il modello si stabilizzi nella dimensione finale.

RIVESTIMENTO DEL MODELLO Le diverse sezioni del modello sono assemblate ed incollate insieme per formare il modello. Il modello è rivestito con uno spray di ceramica a base di acqua ed asciugato in forno per formare un rivestimento rigido sul modello.

•

•

Il rivestimento si comporta come una barriera che impedisce la penetrazione della sabbia, permeabile invece ai gas formati dalla decomposizione del polistirolo, irrigidisce il modello, permette la formazione di un getto con superficie liscia e non impedisce il trasferimento del calore nella sabbia durante la colata.

Il processo di rivestimento deve essere attentamente controllato in modo da ottenere uno spessore uniforme del prodotto per garantire una uniforme permeabilità. Questo è fatto monitorando il solido contenuto e la viscosità dello spray e controllando il peso e la grossezza del rivestimento essiccato sul modello.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV

PROCEDURA PER RIVESTIRE IL MODELLO Due procedure spesso sono usate per rivestire il modello; imergendo o spruzzando il prodotto.

Scelta A – Si bagna il modello per immersione in un serbatoio col prodotto.

Scelta B – Si bagna il modello per spruzzando il prodotto.

Usato modelli sottili, capaci di galleggiare, o fragili con le poche caratteristiche interne (canali , fori ecc…).

Il metodo per immersione è il migliore per il modello del monoblocco.

•

• •

Il modello del monoblocco è abbastanza grande e rigido per resistere alla spinta di galleggiamento che potrebbe deformarlo.

Bagnando si assicura che tutti il passaggi interni siano rivestiti bene con un strato uniforme di ceramica.

Il procedimento per immersione è, per il modello del monoblocco, più veloce di quello spray.

Il rivestimento a spruzzo non è un buon metodo per il modello del monoblocco.

• •

È difficile garantire un uniforme e completo rivestimento di tutti i passaggi interni.

Richiede più tempo del metodo per immersione.

Quindi, per il modello del monoblocco il metodo migliore è quello per immersione.

RIEMPIMENTO CON SABBIA E COMPATTAZIONE Il processo in forma perduta usa sabbia come in genere i processi di colata.

La sabbia è usata per mantenere la forma rigida nella colata.

COLATA DEL METALLO Il monoblocco e la testata sono prodotti come getti dalla GM negli stabilimenti in Saginaw, Michigan e Defiance, OH. •

•

Tre sistemi di fusione colano il getto in cinque celle che formano il prodotto. Ogni sistema di fusione contiene una parte del forno che riceve, una che contiene ed un sistema a mestolo che versa.

Il metallo è versato in ogni cella da un sistema robotizzato.

Queste installazioni assicurano produzioni con quantità e temperature precise del metallo. L'alluminio è versato sul modello a perdere ad una temperatura di circa 1015°C.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV

DECOMPOSIZIONE DEL MODELLO Come il metallo è versato, il calore della fronte di fusione che avanza progressivamente vaporizza la forma in polistirolo. La densità e la condizione di fusione del modello fanno variare il modo di decomposizione.

•

•

Se il modello non è fusibile uniformemente si decomporrà non uniformemente ed il flusso di metallo sarà veloce e turbolento, mentre intrappola residui e provoca difetti.

Modello fusibile uniformemente si decomporrà uniformemente e produrrà superfici lisce, flusso di metallo uniforme senza residui, quindi un getto senza difetti.

Getti liberi da difetti richiedono flusso di metallo controllato con densità e fusione costanti del modello.

CONTROLLO QUALITÀ La qualità prende come obbiettivo (prestazioni e produzione) una micro-struttura controllata, libera da difetti e precisione dimensionale. La qualità del monoblocco è pianificata nell’intero progetto e nel processo produttivo.

Pianificazione del progetto per prestazioni e produttività.

Controllo della precisione dell’attuazione del processo nelle varie sue fasi; preparazione dei grani di polistirolo, formazione delle varie parti del modello ed unione degli stessi per formare il modello finale, rivestimento del modello con prodotto ceramico a base di acqua, riempimento della cella, in cui si inserisce il modello, con sabbia, colata, pulitura, trattamento termico, e lavorazione alle macchine utensili.

Misurazione particolareggiata delle proprietà critiche del getto (dimensioni, peso, tenuta alla pressione, durezza, ecc….) nelle varie fasi della produzione.

RICAPITOLAZIONE DEI CONCETTI SVILUPPATI L'uso della colata in forma persa del getto richiede stretta correlazione tra il progetto e l’ottimizzazione del processo dall’inizio alla fine. I concetti sono: 1. La colata in forma perduta è vantaggiosa per getti complessi con molte parti interne ed estese.

I vantaggi della colata in forma perduta sono meglio utilizzati quando il componente è progettato dall'inizio per questo processo curando i requisiti di col abilità, capacità produttive e limitazioni.

2. I controlli del modello è una fase critica per assicurare un getto con buoni requisiti di tolleranza.

L’80-90% della qualità finale del getto è determinata durante la fase del processo di colata.

3. Il disegno 3D ed il controllo della colata e solidificazione al computer da un aiuto essenziale per ottimizzare rapidamente il progetto, per ottenere buone prestazioni meccaniche e colabilità, con riduzione del tempo.

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CONCLUSIONI La GM del settore, trazione di potenza, sta producendo il monoblocco da 5 anni. I benefici della colata in forma perduta che ha riscontrato sono:

Peso minore e piĂš potenza del motore.

Ridotto costo della produzione del getto e della lavorazione alle macchine utensili.

Migliori tolleranze dimensionali.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN ALLUMINIO: PEDALE DEL FRENO DI UNA CHEVROLET CORVETTE L’APPLICAZIONE E LA DESCRIZIONE DEL COMPONENTE La Corvette di Chevrolet è una macchina sportiva posizionata ad un livello di mercato alto, si è dato agli ingegneri mandato, nel progettare l’auto di re-ingegnerizzare i componenti per renderli leggeri, per risparmiare combustibile e garantire una buona accelerazione, ma nello stesso tempo resistenti. Il pedale del freno è uno di questi componenti presi in analisi. In genere, il pedale del freno è composto dall’unione saldata di 6 pezzi di acciaio, quindi pesante 2,7 Kg e richiedeva molti trattamenti e rivestimenti in plastica per renderlo di bel aspetto. Il pedale è disegnato come una sbarra approssimativamente lunga 380mm con un appoggio per il piede integrante il blocco (con quattro fessure sulla faccia, per alleggerire il pezzo). Dalla parte opposta della sbarra ha un cilindro di perno perpendicolare per montarlo e rendere possibile la rotazione insieme ad un foro posizionato tra il cilindro e l’appoggio del piede. Il pedale deve essere un componente con alta resistenza (almeno; carico di rottura 240MPa e carico di snervamento 170MPa) con alta duttilità (7%). I problemi da risolvere furono l’aspetto, la leggerezza, il tipo di produzione ed il costo. Si pensò, quindi, di utilizzare leghe di alluminio e formare il pezzo in getto, che garantiva non solo una riduzione di peso da 2,7 Kg a 0,8 Kg, ma senza penalizzare la resistenza meccanica, anche un buon aspetto finale, senza l’utilizzo di rivestimenti in plastica, con una riduzione dei costi per le saldature e le lavorazioni alle macchine utensili e l’attrezzaggio. L’unico inconveniente è che l’alluminio è un materiale poco duttile rispetto all’acciaio e quindi con problemi di fragilità; infatti, non è accettabile una rottura improvvisa del pezzo, per ovvi motivi (pedale del freno!!!) quindi, si dovrà prevedere un controllo spinto di eventuali difetti. L’alluminio puro è poco utilizzato; vi sono vari tipi di leghe di alluminio per vari usi, fonderia, deformazione plastica….L’aumento delle caratteristiche meccaniche delle leghe di alluminio possono essere impartite per trattamento termico, per leghe contenenti rame (indurimento per precipitazione, ottengo più durezza perché metto in condizione il materiale di formare precipitati “invecchiamento” che per l’appunto precipitando distorcono la matrice, diminuisce però la duttilità e la resistenza alla corrosione) o per incrudimento (aumenta la durezza ma diminuisce la duttilità e la resistenza alla corrosione; incrudimento si attua nelle leghe di alluminio per deformazione plastica, esempio, le leghe che nella nomenclatura americana sono identificate con la sigla SERIE Alluminio e elemento/i di lega 5000, cioè, quelle alluminio-magnesio). Le leghe 1xx Al d’allumino per getti vengono designate con 3 cifre 2xx Al-Cu 3xx Al-Si (Mg o Cu) invece che 4 e la numerazione non ha nessuna diretta 4xx Al-Si correlazione con la composizione chimica; rimane solo la 5xx Al-Mg prima cifra ad individuare la classe (o serie) 6xx * (attualmente non utilizzata) d’appartenenza ( 2 → elemento di lega è il rame Cu, 3 → 7xx Al-Zn silicio Si (Mg o Cu), 4 → silicio Si, 5 → magnesio Mg, , 7 8xx Al-Sn → zinco Zn, 8 → stagno Sn, le lettere e numeri successivi 9xx * (attualmente non utilizzata) identificano se vi sono stati o meno trattamenti successivi alla formazione del materiale, esempio, F = grezzo di lavorazione, non vengono garantite buone caratteristiche meccaniche, T = ricottura, tempra, invecchiamento.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette

La lega d’alluminio 206 T7 (3Si-4Cu) presenta alta resistenza e duttilità, quindi, può facilmente soddisfare i requisiti di resistenza meccanica del pedale. La presenza del rame nella lega provoca una bassa resistenza alla corrosione con il problema se impiegata di richiedere un rivestimento protettivo sul pezzo. La lega ha abbastanza fluidità idonea al riempimento anche delle parti più sottili del getto. Ma ha bassa resistenza allo strappo per effetto delle tensioni residue. Una possibilità per l’impiego di questo materiale è quella di prevedere il 100% dei controlli non distruttivi sul prodotto finito, per controllare a freddo eventuali micro-fratture, questo ovviamente, aumenta notevolmente i costi di produzione. In definitiva, la 206 T7 eccede sulla resistenza meccanica, ma cala sulla resistenza alla corrosione e quella alle tensioni residue.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette

La lega d’alluminio B356 T6 (9.5Si-3Cu-1Mg) ha una sufficiente resistenza meccanica, duttilità e resistenza alla corrosione. Mentre ha buona fruibilità e resistenza alle tensioni residue. Questa ultima caratteristica assicura un getto di qualità e riduce il bisogno esteso di ispezioni.

La lega d’alluminio 535 F (Al-Mg) ha un sufficiente carico di rottura, ma un carico di snervamento basso, alta duttilità e resistenza alla corrosione, mentre cala notevolmente sulle caratteristiche peculiari per il buon esito del getto, cioè, la fluibilità e la resistenza alle tensioni residue.

In definitiva, si può facilmente dedurre che la migliore scelta è la lega B356 T6.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette

SCELTA DEL METODO DI PRODUZIONE Importante, per la scelta del metodo di produzione e sapere quanto è il volume di produzione e per quanti anni dovrò produrre il pezzo. → Si devono produrre 35000 pezzi l’anno per 10 anni.

La tavola seguente descrive le caratteristiche dei tre approcci per ottenere il getto:

1.

Costo del modello (colata in terra), o della forma (colata in conchiglia). [ Ovviamente, il modello ha un costo minore della forma (in metallo) ].

2.

Tolleranze dimensionali.

3.

Finitura superficiale. [ Migliora passando dalla metodo 1 al metodo 3].

4.

La durabilità del modello (colata in terra) o della forma (colata in conchiglia).

5.

Tasso di produzione. [ La produzione in conchiglia è molto più alta che in terra ].

6.

La bontà (porosità) e le proprietà meccaniche del pezzo che ottengo. [ Col. in sabbia=Moderata → Col. in conch. a gravità=Buona → Col. in conch. a bassa pressione ( 1 - 3 bar )=Migliore, si nota che passando dalla sabbia alla conchiglia le caratteristiche meccaniche del getto migliorano, questo perché, la conchiglia ha una A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette capacità più alta di asportare calore della sabbia, quindi, garantisce grano fine dando getti con caratteristiche meccaniche migliori. Mentre, se confronto metodo a gravità con quello a bassa pressione, sempre con matrice metallica, migliora ulteriormente perché l’utilizzo della bassa pressione permette una maggiore compattazione, cioè, la probabilità di trovare micro-vuoti (porosità) è sempre più bassa, in definitiva meno difetti nel pezzo].

Il metodo che garantisce i migliori risultati è quello della colata in conchiglia a bassa pressione.

Per diminuire le tensioni residue bisogna evitare spigoli vivi e brusche variazioni di sezione, anche perché si potrebbero avere punti caldi e quindi problemi di baricentri termici e porosità. Come concetto, bisogna sempre raccordare gli angoli. Inoltre, ampi raccordi favoriscono il flusso del metallo che deve riempire la forma.

Nel nostro caso, il problema sussiste e si trova nella zona di collegamento tra la barra e l’appoggio del piede. Vi sono due possibilità:

POSIZIONAMENTO DEL SISTEMA DI COLATA

In genere, va posizionato nelle sezioni più spesse del getto, ma in posizioni che permettono al flusso di metallo, di raggiungere facilmente tutti i punti del getto. Evitare inoltre, che più flussi si incontrino quando stanno già solidificando perché potrebbero non saldarsi bene, formando ciò che vengono chiamate “saldature fredde”, molto pericolose.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette

Lungo percorso del flusso, quindi, pericoli di eccessivo raffreddamento del metallo prima che riesca a riempire la forma, ed inoltre, problemi di porosità del getto nella parte finale dove è posizionata l’anima che, deviando il flusso, provocherebbe una saldatura fredda nella zona di ricongiungimento dello stesso. Ovviamente, la migliore posizione del sistema di colata è quella dell’opzione B. Il materiale scelto per la matrice deve essere essenzialmente duro, quindi, si pensa agli acciai per utensili, divisi in: acciaio rapido = asportazione di truciolo 1,1-0,78 C, 4 Cr, 7-18 W, 4 Mo, 1-2 V, 5 Co ; acciaio per lavorazioni a freddo 0,55-2,05 C, 1-12 Cr, 2 W, 0,2 V ; acciaio per lavorazioni a caldo = la lavorazione è a caldo, quindi, si è optato per un acciaio per utensili a caldo, dal quale la principale qualità che ci si aspetta è conservare, malgrado il riscaldamento a temperature piuttosto elevate, una durezza e duttilità sufficienti per resistere agli shock termici ed al fenomeno dell’ingrossamento del grano. In genere sono caratterizzati da un tenore di carbonio relativamente basso (0,25-0,6) e da elementi capaci di aumentare la duttilità (Nichel, Ni) e la durezza a caldo ( Tungsteno W, Vanadio V, Molibdeno Mo, Cromo Cr ). Per il caso specifico; l’acciaio per utensili a caldo con 0,3 C, 9 Mo.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette Alla fine il getto si presenta come sotto in figura:

Si prevede la pulitura con mezzi abrasivi classici, ed il trattamento termico T6 = Temprato e invecchiato artificialmente (aumenta la durezza per effetto della precipitazione; la tempra serve per creare una soluzione α soprassatura dell’elemento di lega, mentre l’invecchiamento rende possibile la formazione del precipitato che va a deformare il reticolo cristallino). Bisogna ricordarsi che gran parte degli sforzi di progettazione è quella di creare gli elementi di fissaggio del pezzo per la lavorazione alle macchine utensili, ciò che viene detto “attrezzaggio”.

Il controllo qualità si effettua con una radiografia ai raggi X per evidenziare l’eventuale presenza di pori nella zona più sollecitata. Il primo anno di produzione tutti i pezzi (100%) veniva mandato al controllo fino ad arrivare al sesto anno in cui il controllo veniva fatto a campione (10%). Questo perché dopo, un più o meno lungo periodo, se ci si accorge che i difetti sono minimi si può diminuire i controlli, infatti, essi incidono molto sul costo di produzione.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN ALLUMINIO: VENTILATORE TERMO-ELETTRICO

Si utilizza in tende, capannoni ed edifici militari, per rendere gli ambienti uniformemente riscaldati, in quanto, le stufe a legna o carbone, producono calore che si porta nella zona alta dell’ambiente.

Creando negli strati bassi, dove è presente il personale, zone più fredde e quindi un comfort non ottimale. Il ventilatore termo-elettrico serve per ovviare a questo inconveniente. Esso produce elettricità con il calore della stufa ed aziona il ventilatore che prende aria dagli strati alti e li spinge in quelli bassi, creando una più uniforme distribuzione del calore. La superficie più basso del V.T.E. è scaldato dal contatto diretto con la piastra calda della stufa. Il dispositivo sfrutta l’effetto Seebeck: “Due conduttori metallici o semiconduttori sottoposti ad una differenza di temperatura generano elettricità”.

Il corpo del ventilatore è cilindrico ed ha un diametro del 355mm altezza di 255mm ed un peso di 3,4 Kg. Lo spessore varia da 22,4mm alla base e 3,1mm dei lati. Le fessure nella base offrono percorsi per l’aria forzata che passa sulla superficie calda andando verso il basso. Il corpo del ventilatore deve essere un buon conduttore di calore e nello stesso tempo avere una buona resistenza meccanica. Le tolleranze dimensionali devono essere +/- di 0,1mm.

Produzione di 1500 unità. Quindi, i requisiti che il pezzo deve rispettare sono:

Produzione di forme complesse con piccole tolleranze.

Produzione di un numero elevato di pezzi a costo basso.

Nessuna o piccole lavorazioni alle macchine utensili.

Elementi di chiusura integrati.

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico La produzione in colata sotto-pressione, soddisfa i requisiti per la forma complessa, piccole tolleranze, alta qualità e costi bassi. Infatti, per riempire le zone con spessori dell’ordine di millimetri, come nel nostro caso, sarebbe difficoltoso con una colata in gravità.

L'efficienza del generatore termo-elettrico dipende da quanto gradiente termico si riesce a stabilire tra la piastra della stufa ed il materiale del pezzo.

Il materiale del pezzo deve agire da buon accumulatore di calore ma nello stesso tempo deve cedere velocemente calore all’aria del ventilatore in modo da non aumentare troppo la sua temperatura proprio per garantire il più alto gradiente termico possibile.

Questo richiede una buona conducibilità termica e poiché il prodotto deve garantire anche il sostegno del ventilatore, deve possedere inoltre una buona resistenza meccanica.

SCELTA DEL MATERIALE Per la scelta del materiale si è optato per le leghe di zinco o alluminio: 1) Zinc ZA8 2) AlluminumThermalcast 130 3) Alluminio A380

La tabella è composta da una colonna che evidenzia i target, cioè, i valori delle varie proprietà che i materiali devono rispettare.

La lega di zinco viene scartata, in quanto, presenta due discordanze rispetto ai valori di target:

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico

Alta densità 6,64 Kg/dm^3 >> 2,77 Kg/dm^3 → Materiale pesante.

Infatti, il dispositivo dovrà essere posizionato su una stufa che ovviamente non è progettata per pesi eccessivi.

Bassa conducibilità termica 115 W/mK < 120 W/mK dell’ordine del 4% rispetto sempre al valore di target.

L'alluminio A380 raggiunge gli obbiettivi di target per quanto riguarda la resistenza meccanica e la densità.

Ma la conducibilità termica è di circa il 20% più bassa; 96 W/mK < 120 W/mK

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico

Il AlluminumThermalcast 130 è la lega che soddisfa tutti i requisiti di target ed è caratterizzata dall’avere un’alta conducibilità termica con buone caratteristiche meccaniche. Quindi, risulta la migliore scelta.

SCELTA DEL PROCESSO DI COLATA E RISOLUZIONE PROBLEMI Per garantire una bassa porosità del getto e quindi una buona qualità dello stesso, si utilizza oltre alla pressofusione anche il sotto-vuoto che viene generato dalla parte opposta da cui arriva il materiale, attraverso un aspiratore.

Per la posizione del canale di colata si può optare per due soluzioni: A. Vari canali sul fondo del getto al bordo esterno.

B. Un solo canale al centro del getto.

Si è optato per la soluzione B, garantisce un riempimento uniforme e rapida del getto. Nel caso A la colata di metallo deve percorrere dei tratti lunghi e tortuosi, rischiando di solidificarsi prima del completo riempimento del getto.

Per quanto riguarda le zone dove verrà creato il vuoto, detti “Fagioli”, vi sono due possibili soluzioni: A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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5. ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico A.

6 in basso ad getto sul perimetro esterno.

B.

12 in basso ad getto sul perimetro esterno.

I fagioli hanno l’obiettivo è quello di raccogliere il fronte della colata che è la parte della colata con maggiore porosità, esso infatti si sistema verso la fine del getto, in pratica sono dei canali di sfogo per i gas. La scelta A viene scartata in quanto 6 cavità risulterebbero troppo poche. Quindi, si è optato per 12 cavità.

Per il sistema di raffreddamento vi sono due possibilità: 1.

Ad acqua.

2.

A spruzzo.

Il raffreddamento ad acqua è molto energico ed è anche costoso, perché si devono prevedere nello stampo dei canali per la circolazione del refrigerante. Nel secondo caso viene, prima della colata, spruzzato un emulsione che avrà la funzione di refrigerante, quest’ultima soluzione è economica. Per il getto in analisi si è optato per il primo caso che, pur essendo costoso garantisce un risultato migliore ed il suo utilizzo è giustificato per l’alto numero di pezzi da produrre.

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6. RAME E SUE LEGHE

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6. RAME E SUE LEGHE La prima lega utilizzata è stata il bronzo (Cu-Sn) (Cu Sn) ed ha dato il nome ad un periodo periodo della storia dell’uomo (l’età del bronzo: dal 3000 al 1000 a.C.)

Rame raffinato (Cu>99.99% Cu>99.99%) Rame basso legato (Cu>99%) Ottone (leghe leghe rame –zinco) Bronzi – Sn, Al, Si, Mn Leghe Rame - Nichel Leghe Rame - Berillio

Nel tempo il rame si ossida e sulla superficie si genera una piacevole patina verde (carbonato di rame) in atmosfera pulita, o nera (solfuro di rame) rame) in atmosfera inquinata. La patina che si forma sul bronzo è di un caldo colore marrone, molto amato dagli scultori. scultori

VANTAGGI E SVANTAGGI VANTAGGI

SVANTAGGI

Buona resistenza alla corrosione. corrosione

Suscettibilità all’infragilimento da idrogeno ed alla corrosione sotto sforzo sforzo.

Eccellente ccellente conducibilità termica ed elettrica. elettrica

Variazione di colore con aggiunta di elementi di lega (proprietà estetiche). estetiche)

Confrontato alle leghe di alluminio e all’acciaio, basso rapporto resistenza/peso resistenza/peso.

Facilità di lavorazione per l’eccellente duttilità (laminato, stampato, trafilato). trafilato)

Proprietà soggette a grandi variazioni con il tenore di altri elementi; per esempio esempio, grande diminuzione della conducibilità con n l’aumentare delle impurezze presenti.

PROPRIETÀ DEL RAME

È un metallo di largo impiego nelle applicazioni ingegneristiche perché facilmente lavorabile alle macchine utensili e per deformazione plastica a caldo e a freddo. freddo Quando è di elevata purezza, ha una eccellente conducibilità elettrica e termica. termica

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6. RAME E SUE LEGHE

Tutti gli elementi in soluzione solida nella matrice hanno l’effetto effetto di ridurre la conducibilità elettrica elettrica.

Tra gli elementi meno influenti l’argento ed il cadmio. cadmio

La conducibilità elettrica è riferita rispetto al valore di riferimento kCu, che si ottiene con una resistività elettrica di ρCu.

Il valore fu definito nel 1913 e oggi non è difficile avere valori superiori. superiori Ha una buona resistenza alla corrosione in molti ambienti..

Le caratteristiche meccaniche sono conservate sino a bassa temperatura. temperatura Presenta resenta facilità di elettrodeposizione. elettrodeposizione Ha un’elevata solubilità con molti altri elementi; questo permette la formazione di numerose leghe. leghe Presenta facilità di giunzione per saldatura e brasatura. brasatura Disponibilità isponibilità alle colorazioni decorative. decorative Cristallizza ristallizza con un reticolo cubico a facce centrate, centrate, ha una elevata densità (ρ = 8930 kg/m3) ed una temperatura di fusione è di 1083 °C. °C Il rame forma una serie di sali rameosi (ionizzandosi a Cu+) e rameici (ionizzandosi a Cu++), molto più stabili dei primi..

Nella serie elettrochimica degli elementi il rame è prossimo alla zona più nobile e non è attaccato dagli acidi (anche forti) non ossidanti che, pertanto, possono permanere a contatto senza conseguenze conseguenze.

Il rame, generalmente, resiste ad ambienti fortemente alcalini ed in soluzioni saline. saline.

Il suo accoppiamento con diversi metalli, metalli, per la maggior parte meno nobili, nobili non provoca forme di corrosione a danno del rame stesso. stesso Altra caratteristica importante è la bassa affinità con l’ossigeno a temperatura ambiente che rende possibile l’utilizzazione dei tubi di rame negli impianti fissi di distribuzione dell’ossigeno. dell’ossigeno

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6. RAME E SUE LEGHE

CLASSIFICAZIONE E DESIGNAZIONE DE SIGNAZIONE DEL RAME La designazione del “rame” è utilizzata quando la sua percentuale supera il 99.3%.

99.3%. Le moderne tecnologie permettono di produrre rame di più elevata purezza, superiore al 99.9%; 99.9%

Esistono due tipologie: tipologie

1. Rame raffinato (%Cu>99..9%)

3 qualità: qualità

O2

Cu contenete O2; Cu disossidato; Cu esente da

;

2. Rame basso legato

Leghe contenenti elementi di lega (Ag, Te, S, Ar) con tenore < al 1% La sigla con cui essi sono individuati, unitamente al simbolo chimico del rame Cu, sintetizza il processo di ottenimento.

Per esempio;

-

Cu-ETP è ottenuto per raffinazione elettrolitica e trattato al toc tocco di pino; Cu-DHP DHP è totalmente disossidato nel quale viene mantenuto, a garanzia della disossidazione, un tenore di fosforo relativamente alto.

CLASSIFICAZIONE E DESIGNAZIONE DEL RAME RAM E RAFFINATO 1. Cu contenete O2; • •

Cu-ETP ETP:: Rame raffinato per via elettrolitica, trattato al tocco di pino per applicazioni elettriche; Cu-FRTP FRTP:: Rame raffinato al fuoco e trattato al tocco di pino per applicazioni non elettriche.

2. Cu disossidato; disossidato • •

Cu-DCP DCP:: a basso tenore residuo di fosforo; Cu-DHP DHP:: ad elevato tenore residuo di fosforo.

3. Cu esente da O2 • •

Cu-OFE OFE (raffinato per via elettrolitica) Cu-OF OF (ottenuto per sinterizzazione)

•

Le differenze di composizione chimica tra il rame ottenuto ottenuto per raffinazione elettrolitica e quello totalmente disossidato sono davvero infinitesime e sono in pratica determinate dai contenuti di ossigeno e fosforo. fosforo Il fosforo influenza notevolmente la conduttività elettrica, questa per esempio si riduce, nel Cu Cu-DHP, DHP, quasi del 25% rispetto al Cu-ETP, Cu ETP, per la presenza di appena lo 0.04% di fosforo.

Il rame destinato ad applicazioni elettriche ed elettrotecniche dovrà essere perciò del tipo Cu-ETP Cu in modo da garantire la massima conduttività elettrica.

•

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6. RAME E SUE LEGHE

•

Il rame Cu-DHP potrà invece essere utilizzato per altre applicazioni, come ad esempio per la produzione di tubi, dove la conduttività elettrica non riveste alcuna importanza.

Il fosforo permette di eliminare fenomeni di fragilità in ambiente riducente, di migliorare la deformabilità plastica a freddo e, soprattutto, di incrementare l’attitudine alla brasatura, il tutto con costi di fabbricazione contenuti.

RAME CONTENETE OSSIGENO MOLECOLARE O2 è presente come CuO2 (0.02-0.05%) che si forma nel materiale fuso prima della colata per il particolare trattamento (tocco di pino) a cui è sottoposto durante raffinazione.

Durante la solidificazione CuO2 forma con Cu un eutettico che si dispone al bordo dei grani e che nella successiva lavorazione per deformazione plastica a caldo è frantumato in forma di particelle finissime isolate.

La presenza di CuO2 garantisce: 1. la lavorabilità a caldo;

Alla temperatura di deformazione, O2 contenuto nel CuO2 forma ossidi insolubili con impurezze come Bismuto e Piombo, che altrimenti andrebbero in soluzione nella matrice infragilendola.

Il tasso di O2 non dovrebbero comunque superare 0.06% per non creare difficoltà nelle successive lavorazioni per deformazione plastica a freddo.

2. conducibilità elettrica;

Gli ossidi insolubili non pregiudicano la conducibilità elettrica, mentre le impurezze in soluzione solida la penalizzano pesantemente.

Il rame al tocco di pino non è indicato quando trattamenti termici, giunzioni o condizioni di esercizio portano a riscaldamenti prolungati in atmosfera contenente idrogeno, che ha facilità di diffondere interstizialmente nella matrice.

A temperature di circa 400°C, gli atomi di idrogeno reagiscono con CuO2 e formano vapore acqueo con aumento della pressione che causano rotture locali nella matrice.

E’ disponibile nelle qualità: 1. Cu-ETP: Rame elettrolitico trattato al tocco di pino per applicazioni elettriche.

2. Cu-FRTP: Rame raffinato al fuoco e trattato al tocco di pino per applicazioni non elettriche.

Applicazioni:

Elettriche (conduttori, interruttori ..).

Chimiche (bollitori, tini, vasche …).

Meccaniche (chiodi, rivetti, oggetti stampati, applicazioni per scambio termico in atmosfere prive di idrogeno).

Civili (rivestimenti vari, grondaie, pluviali, tetti).

Oss.: In Italia nel 2005 c’è stato un consumo di 519.800 t di fili di rame. Il rame Cu-ETP è il più usato nelle applicazioni per il trasporto di elettricità. I laminati usati per tetti, gronde e pluviali sono in rame puro al 99,90%, con aggiunte di fosforo. Sono classificati come Cu-DHP (secondo la ISO 1190-1).

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6. RAME E SUE LEGHE

RAME DISOSSIDATO Destinato alla produzione di semilavorati per la costruzione di impianti e apparecchiature saldate.

La disossidazione è ottenuta introducendo nel metallo fuso, dopo la raffinazione (termica o elettrolitica) e prima della colata, un agente riducente (in genere fosforo, in forma di lega madre Cu-P con 15% P, ma anche con litio, sodio, cadmio o bario).

Il fosforo è aggiunto in eccesso per assicurare la disossidazione. Il fosforo in eccesso si scioglie in soluzione solida riducendo la conducibilità elettrica. Per P > 0.01% il prodotto non è utilizzabile per applicazioni elettrotecniche.

Prodotto in due qualità: 1. Cu-DCP: a basso tenore residuo di fosforo.

2. Cu-DHP: ad elevato tenore residuo di fosforo.

Applicazione nei settori:

Civile (tubi per impianti idraulici e termici, distributori acqua e gas, serbatoi,condizionatori).

Meccanico (impianti che prevedono la presenza di idrogeno durante la giunzione od il funzionamento in temperatura, come evaporatori e scambiatori di calore, radiatori).

Chimico (calderia saldata in genere, tubi per liquidi e gas relativamente non corrosivi per frigoriferi).

RAME ESENTE DA OSSIGENO Si utilizza rame raffinato per via elettrolitica e di elevata purezza.

Il Cu è rifuso in forni elettrici ad induzione sotto vuoto o in atmosfera controllata (neutra o riducente). Il metallo fuso è colato in lingottiere speciali (sotto vuoto o in atmosfera controllata). Il risultato è un prodotto privo di ossigeno e privo di tracce residue di disossidanti (non è utilizzato un riducente) con un alto titolo di rame (99.95%).

Rame esente da ossigeno può anche essere ottenuto per sinterizzazione ed estrusione di polveri elettrodepositate.

Sono disponibili due qualità: 1. Cu-OFE (raffinato per via elettrolitica) 2. Cu-OF (ottenuto per sinterizzazione) Applicazioni principalmente;

nel settore elettrico (componenti elettronici e radaristici, …) ed in genere in tutti gli impieghi che richiedono una elevata conducibilità elettrica e termica senza rischi di rotture per idrogeno.

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6. RAME E SUE LEGHE

CLASSIFICAZIONE E DESIGNAZIONE DEL RAME BASSO LEGATO 1. RAME ALL’ARGENTO

Cu-LSTP: Ag basso (0.02 – 0.12%) e contenente CuO2 Cu-HSTP: Ag alto (0.02 – 0.12%) e contenente CuO2 Cu-OFS: Ag basso (0.027 – 0.12%)

L’argento insieme al cadmio è tra gli elementi meno nocivi sulla conducibilità elettrica.

L’argento aumenta la temperatura di ricristallizzazione (0.08% di Ag permettono di aumentare tale temperatura di 150°C) e la resistenza allo scorrimento viscoso.

Un rame all’argento incrudito permette di mantenere le sue proprietà meccaniche sino a 300°C mentre un rame privo di Ag, sino a 175°C. Le applicazioni sono tutte quelle in cui sono necessarie conducibilità termica ed elettrica, ma si vuole garantire caratteristiche meccaniche ad alta temperatura.

Sono disponibili tre qualità; 1. Cu-LSTP: Ag basso (0.02 – 0.12%) e contenente CuO2 2. Cu-HSTP: Ag alto (0.02 – 0.12%) e contenente CuO2 3. Cu-OFS: Ag basso (0.027 – 0.12%)

2. RAME AL TELLURIO ED ALLO ZOLFO

CuTe (0.4 – 0.6% Te) CuS (0.2 – 0.5% S)

Entrambi formano inclusioni microscopiche nella matrice che aumentano la truciolabilità. Si ottengono pertanto prodotti che hanno proprietà simili agli ottoni da torneria, senza ridurre notevolmente la conducibilità elettrica.

3. RAME ALL’ARSENICO

Cu-DPA

L’arsenico impartisce resistenza all’ossidazione a caldo maggiore degli altri prodotti di rame basso legati.

E’ innalzata la temperatura di ricristallizzazione e la resistenza allo scorrimento viscoso.

E’ un rame disossidato e quindi può essere brasato, anche se la contemporanea presenza di arsenico e fosforo riduce la conducibilità.

Applicazioni nella costruzioni di preriscaldatori, piastre di focolari, bruciatori.

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6. RAME E SUE LEGHE

PROPRIETÀ MECCANICHE DEL RAME RAFFINATO E BASSO LEGATO

Le proprietà meccaniche dei vari tipi di rame raffinato e basso legato sono relativa relativamente basse (R = 235 MPa, Rs = 76 MPa) e possono essere aumentate solo mediante incrudimento per deformazione plastica a freddo fino a valori massimi di R = 395 MPa ed Rs = 365 MPa. MPa

Le applicazioni dei vari tipi di rame raffinato e basso legato sono connesse alle specifiche proprietà di ogni classe, ma in generale possono essere citate applicazioni nei campi elettrico, elettronico, civile, chimico, meccanico, ecc.;

Il rame, come le sue leghe, è usato in getti o in semilavorati. Le caratteristiche meccaniche dei semilavorati sono funzione del grado di incrudimento. incrudimento

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6. RAME E SUE LEGHE

-

Caratteristiche meccaniche dei getti: getti Minori rispetto a quelle dei semilavorati e comunque dipendenti dalla velocità di raffreddamento del getto.

Simili a quelle di uno scadente semilavorato allo stato ricotto. ricotto

LEGHE DI RAME Si definiscono leghe di rame tutte le leghe nelle quali il rame è presente con un tenore superiore al 50% in massa. massa Le leghe di rame tecnologicamente più importanti sono:

ottoni leghe rame + zinco bronzi leghe rame + stagno cuprallumini leghe rame + alluminio cupronichel leghe di rame + nichel + zinco

Queste leghe possono contenere, oltre all’elemento di alligazione principale, anche altri altri elementi, con tenori inferiori, per migliorare alcune particolari caratteristiche del materiale.

Le leghe di rame rispetto al rame puro presentano i seguenti vantaggi: vantaggi •

Migliori caratteristiche meccaniche: meccaniche: ottenibili mediante rafforzamento per soluzione solida, incrudimento per deformazione plastica a freddo e in alcuni càsi per trattamento termico,

•

miglior colabilità: colabilità: il rame ha colabilità non soddisfacente, gli elementi di lega migliorano questa proprietà e alcune leghe, quali i bronzi, sono particolarmente adatte per la realizzazione di getti,

•

miglior lavorabilità alle macchine utensili, utensili, in quanto il rame puro è troppo tenero per essere facilmente lavorato alle macchine utensili per asportazione di truciolo,

•

miglior resistenza alla corrosione, corrosio , soprattutto in acqua di mare. mare

TRATTAMENTI TERMICI DELLE LEGHE DI RAME

Nella lavorazione plastica delle leghe di rame è molto accentuato il fenomeno dell’ dell’incrudimento incrudimento.

Per effetto di questo fenomeno i grani cristallini risultano soggetti a scorrimenti relativi ed a suddivisioni di piani che determinano condizioni particolari di rigidità, rigidità, tale che ogni deformazione viene ad essere impedita ed il materiale acquista un grado elevato di durezza e basso di duttilità.

Con un riscaldamento ad una temperatura opportuna, opportuna detta di ricristallizzazione ricristallizzazione,, si produce il riassetto del complesso cristallino e vengono ripristinate le condizioni di plasticità anteriori all’incrudimento.

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6. RAME E SUE LEGHE

Il riscaldamento alla temperatura di ricristallizzazione e per un tempo opportuno viene detto ricottura.

Il riscaldamento deve aver luogo con molta cautela perché devono essere evitate le atmosfere sia ossidanti che riducenti e, quindi, il materiale non deve essere a contatto con le fiamme.

In genere, si usa effettuare questo trattamento con i pezzi immersi in acqua o in olio, in modo che l’acqua o l’olio aderiscano al materiale ed evaporando rendano neutra l’atmosfera.

La temperatura consigliata per le leghe di rame è di circa 480°C ed il raffreddamento avviene in acqua.

CLASSIFICAZIONE E DESIGNAZIONE DELLE LEGHE DI RAME Le leghe di rame sono classificate, in base all’utilizzazione, in:

leghe di rame da fonderia; leghe di rame da lavorazione plastica.

Le leghe di rame da fonderia si classificano a loro volta, secondo lo stato di fornitura, in:

leghe allo stato di pani; Le leghe allo stato di pani vengono indicate con la lettera G anteposta alla designazione. leghe allo stato di getti.

Le leghe allo stato di getti vengono indicate ancora con la lettera G seguita da una o due lettere indicanti il modo di ottenimento del getto: • Gs getti colati in sabbia • Gc getti colati in conchiglia • Gp getti colati in pressione • Gcf getti colati in centrifuga • Gct getti colati in continuo Secondo lo stato di approvvigionamento, le leghe di rame per deformazione plastica si classificano, in:

leghe allo stato grezzo di fusione; Le leghe allo stato grezzo di fusione vengono indicate con la lettera G.

leghe allo stato di semilavorato.

Le leghe allo stato di semilavorato sono indicate ancora con la lettera P, seguita da una seconda lettera che specifica lo stato di lavorazione: • Pl semilavorato laminato • Pe semilavorato estruso • Pf semilavorato fucinato • Ps semilavorato stampato • Pt semilavorato trafilato La designazione viene completata posponendo una lettera, che indica lo stato fisico di fornitura: • • • •

R ricotto B bonificato T temprato H incrudito La sigla H è seguita sempre da un numero di due cifre che indica il grado di incrudimento cioè il grado percentuale di riduzione di sezione subito dal semilavorato dopo l’ultima ricottura:

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(S0 - S1)/S0 · 100 • V rinvenuto • D normalizzato • A invecchiato artificialmente Le leghe di rame sono designate mediante i simboli chimici degli elementi che le compongono; essi si succedono in ordine decrescente dei relativi tenori.

Ogni simbolo, escluso quello del rame, è seguito da un numero che indica la percentuale con la quale l’elemento è presente.

Esempi:

Bronzi = La designazione si fa col simbolo Cu Sn seguita da un numero indicante la % di stagno. Si premette la lettera G per i bronzi da fonderia e la lettera P per quelli da lavorazione plastica: • P-Cu Sn 8: bronzo da lavorazione plastica con 8% di stagno • G-Cu Sn 10: bronzo da fonderia con 10% di stagno Ottoni = La designazione si fa col simbolo Cu Zn seguita da un numero indicante la % di zinco. Si premette la lettera G per i bronzi da fonderia e la lettera P per quelli da lavorazione plastica. Eventuali altri simboli chimici di altri elementi di lega, seguiti da numeri che indicano la loro %: • G-Cu Zn 40: Ottone comune da fonderia, con zinco al 40% • G-Cu Zn 38 Pb 2: Ottone speciale da fonderia, con zinco al 38% e piombo al 2%

OTTONI Le leghe di rame di più largo impiego industriale sono gli ottoni; essi sono leghe rame-zinco con tenore di Zn fino al 47%.

Sono possibili anche altri elementi come Pb, Sn, Al.

In funzione di piccole variazioni di composizione chimica si hanno variazioni di colore, duttilità, lavorabilità alle macchine utensili.

Lo Zn forma come il Cu una soluzione solida α (CFC) sino a circa il 40% di Zn, per percentuali maggiori forma una soluzione solida β a reticolo CCC (più dura e fragile) che può anche essere ordinata β’ (atomi di Cu sugli spigoli e Zn al centro).

α è lavorabile a caldo e a freddo; β solo a caldo.

Gli ottoni α e α + β oltre che per semilavorati possono essere utilizzati anche per getti. Quest’ultimi possono contenere altri elementi di alligazione (come Sn e Pb), aggiunti intenzionalmente al fine di conferire alla lega particolari proprietà meccaniche e chimico-fisiche. Gli ottoni per getti sono utilizzati per realizzare valvole di bassa pressione, raccorderia per tubi, piccoli ingranaggi, corpi di piccole pompe.

DESIGNAZIONE CONVENZIONALE La designazione prevede:

lettera P o G per indicare gli ottoni da lavorazione plastica e quelli da fonderia;

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simbolo chimico degli altri elementi di lega che caratterizzano l’ottone seguito dal numero indicante il loro tenore percentuale.

Esempio:

P-CuZn37 : ottone binario da lavorazione plastica costituito dal 63% di rame e 37% di zinco.

G-CuZn34Pb2 : ottone speciale da fonderia costituito dal 64% di rame, 34% di zinco e 2% di piombo.

CLASSI Gli ottoni

commerciali si distinguono in:

1. ottoni da lavorazione a freddo (ottoni α)

Zn < 36% Caratterizzati da resistenza alla corrosione e buona lavorabilità a caldo e a freddo; le caratteristiche meccaniche aumentano al crescere del tenore di zinco.

In funzione della % di Zn:

Ottoni Rossi Zn < 20%, colore rosso.

Ottoni Gialli 20 < Zn < 36% colore giallo.

La resistenza alla corrosione degli ottoni rossi è maggiore di quella degli ottoni gialli.

2. ottoni da lavorazione a caldo (ottoni α + β’)

35 < Zn < 40% a temperatura ambiente sono nella forma α + β’ e quindi difficili da lavorare per la presenza della fase β’. a 400°C β si trasforma in β’, che è più plastica per cui permette le lavorazioni a caldo.

Ottoni α OTTONI ROSSI Hanno contenuto di zinco dal 5% fino al 20%; sono comunemente denominati tombachi o similori; essi sono deformabili a freddo e a caldo, saldabili ed hanno buona resistenza alla corrosione.

La lavorabilità cresce ↑ al diminuire ↓ della % di Zn. Il costo aumenta ↑ con l’aumento ↑ del tenore di Cu. Esistono differenti tipologie in funzione del tenore di Zn:

Metallo DORATO (95Cu-5Zn): ha resistenza meccanica maggiore del Cu. o Utilizzato per monete, medaglie, detonatori, placche per oggetti da dorare e lucidare.

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Ottone COMMERCIALE (90Cu--10Zn): eccellente lavorabilità . o E’ usato per ferramenta marina, marina forgiati, forgiati chiodi,, viti, gioielleria. gioielleria o Con il Pb (< 1.75%) è favorita la truciolabilità, truciolabilità, per cui è utilizzato per viteria e parti da lavorare alle macchine utensili. utensili

Ottone ROSSO (85Cu 85Cu-15Zn). o Utilizzato per conduttori elettrici, elettrici, porta lampade, condensatori, condensatori scambiatori di calore calore, tubazioni per impianti idraulici.

Ottone BASSO (80Cu 80Cu-20Zn). o Utilizzato per realizzare parti ornamentali, ornamentali strumenti musicali, musicali tubi flessibili flessibili.

OTTONI GIALLI Hanno contenuto di zinco dal 26% fino al 36%; 36%

Ottone giallo (65Cu 65Cu-35Zn) Cartridge (70Cu-30Zn 30Zn)

Caratterizzati da buona resistenza meccanica e ottima duttilità che li rende particolarmente idonei allo stampaggio a freddo, freddo all’imbutitura imbutitura profonda ed alla trafilatura.

Sono rafforzati per incrudimento; incrudimento l’ottone ottone giallo laminato e ricotto ha R = 340MPa; incrudito può raggiungere 1000MPa. 1000MPa Applicazioni nell’industria nell’industria automobilistica (tubi per radiatori, serbatoi, fanali), elettrica (impianti di illuminazione, portalampade, viteria), ferramenta (fermagli, chiodi, chiodi, molle, minuteria varia), impianti idraulici e industria bellica (bossoli di proiettili). proiettili) Tenori di Pb dello 0.5% migliorano la truciolabilità e rendono la lega idonea per realizzare ingranaggi, ingranaggi e componenti orologeria. orologeria Gli ottoni gialli sono soggetti a: corrosione sotto sforzo in ambienti ammoniacali. ammoniacali. In questo caso è necessario un trattamento di distensione prima dell’utilizzo. dezincificazione (dissoluzione dissoluzione selettiva o completa dello Zn)) in presenza di acqua di mare o dolce con elevati tenori di O2 o CO2. Il risultato è un materiale poroso con perdita delle caratteristiche meccaniche meccaniche.

Un rimedio alla dezincificazione è l’aggiunta di piccole quantità di stagno, arsenico e alluminio.

Si evidenziano:

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Ammiragliato (71Cu - 28Zn – 1Sn): ): La lega contiene anche circa il 0.03% di arsenico. o E’ indicata per tubi condensatori e tubi per scambiatori di calore per impianti termoelettrici.

Ottone all’alluminio (76Cu 76Cu - 22Zn – 2Al): 2Al L’alluminio alluminio permette la formazione di un film protettivo auto sigillante che protegge la lega. o E’ utilizzato in tubazioni per impianti di potenza marini e terrestri.

Ottoni α + β Gli ottoni con contenuto di zinco compreso fra il 37 e il 47% in massa sono denominati ottoni α+β e sono particolarmente adatti alle lavorazioni per deformazione plastica a caldo; caldo il carico unitario di rottura a trazione e la durezza sono più elevati a scapito, scapito, però, della resilienza e dell’allungamento allungamento.

Le leghe commerciali più usate sono: sono Metallo Muntz Muntz (60Cu - 40Zn): 40Zn E’ la lega più importante. importante Ha elevata resistenza meccanica meccanica,, unita ad una eccellente lavorabilità a caldo. caldo o E’usata nel settore navale per realizzare testate e piastre di condensatori e scambiatori di calore. calore

L’ottone free-cutting cutting (61.5C 61.5Cu – 35.5Zn – 3Pb): 3Pb L’aggiunta di Pb migliora la truciolabilità truciolabilità. o E’ usata per minuteria varia da ferramenta, ferramenta ingranaggi. ingranaggi

L’ottone architettonico (57Cu 57Cu – 40Zn – 3Pb): 3Pb): E’ caratterizzato da eccellente forgiabilità e di lavorabilità alle macchine utensili. utensili o Utilizzato per corrimano, corrimano cerniere,, corpi di lucchetto. lucchetto

L’ottone navale (60Cu – 39.9Zn – 0.8Sn): ): E’ detto anche ottone Tohn ed ha resistenza alla corrosione marina marina. o Utilizzato per piastre condensatori. condensatori

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TRATTAMENTI TERMICI DEGLI OTTONI Normalizzazione: Ha lo scopo di eliminare le tensioni interne ed il pericolo di crepe e rotture dette di stagionatura, che si verificano dopo un certo tempo dalle lavorazioni a freddo subite dagli ottoni. La normalizzazione si esegue riscaldando il materiale per un tempo conveniente a temperature:

intorno ai 200°C, per gli ottoni con il 38 ÷ 60% di rame, intorno ai 300°C, per ottoni con il 67÷72% di rame.

Il raffreddamento ha sempre luogo in aria.

OTTONI DESIGNAZIONE E PROPRIETÀ MECCANICHE

Oss.: Gli ottoni comuni, sono detti anche ottoni binari, contengono come elemento di lega solo lo zinco (Zn).

Gli ottoni speciali contengono, oltre allo zinco, altri elementi, che sono aggiunti per migliorare le proprietà.

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BRONZI I bronzi inizialmente sono stati definiti come leghe rame-stagno con tenore di stagno inferiore al 28% in massa.

Attualmente si definiscono bronzi, le leghe di rame non contenenti zinco come elemento principale, ma contenenti invece un elemento di lega in tenore maggiore del 12%.

Si hanno in questo modo bronzi al:

Rame – Stagno Rame – Silicio Rame – Alluminio Rame – Berillio

Nelle leghe possono aggiungersi anche elementi come Pb, P, Zn, Ni. Sono disponibili in forma di getti e semilavorati.

I bronzi si suddividono in:

bronzi binari; o

Le principali applicazioni dei bronzi binari sono la produzione di organi di macchine sottoposti a notevoli sollecitazioni quali ingranaggi, molle.

bronzi speciali. o

Le principali applicazioni dei bronzi speciali riguardano la produzione di valvole, ruote dentate, componenti navali.

BRONZI ALLO STAGNO In genere hanno un tenore di stagno compreso tra 1% e 11%. Sono denominati anche bronzi fosforosi perché il fosforo è aggiunto come disossidante nel bagno; il tenore di fosforo è di 0.01 – 0.5%.

L’aggiunta di stagno:

1. produce un aumento della durezza, e della resistenza all’usura molto più elevata di quanto ottenuto alligando il Cu con lo Zn.

2. porta ad una perdita di duttilità della lega.

3. aumenta la resistenza meccanica a trazione, fino ad un tenore di stagno del 16% circa, per poi decrescere rapidamente.

Sino al 16% di stagno la lega è una soluzione solida α a reticolo CFC (cubica a facce centrate).

E’ possibile trovare leghe con piccoli tenori di Zn, destinate alla produzione di getti: l’aggiunta di Zn in sostituzione dello stagno aumenta la colabilità della lega e la tenacità del getto, senza ridurre la resistenza all’usura.

Il piombo, in tenori minori del 2% è aggiunto per migliorare la lavorabilità della lega e la resistenza all’usura degli organi meccanici sottoposti a strisciamento o dello stesso utensile durante la lavorazione. Questo A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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6. RAME E SUE LEGHE

grazie all’effetto lubrificante delle particelle di piombo. piombo. Tenori di piombo maggiori peggiorano la resistenza meccanica se i carichi sono modesti, meccanica; modesti, è possibile utilizzare leghe con tenori di piombo anche del 25%, 25% per la realizzazione di gabbie sfere e rulli di cuscinetti. cuscinetti Le principali caratteristiche dei bronzi fosforosi sono: • • • • • •

Alta resistenza meccanica. meccanica Basso coefficiente di attrito. attrito Resistenza alla corrosione sotto sforzo. sforzo Lavorabilità a freddo delle leghe con tenore di stagno minore del 8%, 8%, destinate alla produzione di fili, lamiere monete, lamiere, monete rondelle, guarnizioni, guarnizioni molle. molle Leghe con 8 – 12% di d stagno sono utilizzate per la produzione di ingranaggi, ingranaggi cuscinetti cuscinetti, raccorderia varia. varia Leghe con maggiori % di stagno (20 – 25%) sono leghe molto dure ma poco duttili.. Sono utilizzate per la produzione di getti per palle di frantoio. frantoio

BRONZI AL SILICIO Introdotti tti nel 1925.

1925

Eccellenti caratteristiche meccaniche e anticorrosive. anticorrosive Oltre al Si,, la lega contiene altri elementi come Mn, Sn, Zn, Zn Fe,, in piccoli tenori (0.25 (0.25 – 1.25%). ). Tra questi, quello più usato è il manganese. manganese Nelle leghe comuni, comuni il silicio è in tenori del 1.5 – 3% e forma con il rame una soluzione solida α.

Un aumento del silicio porta ad un aumento della resistenza meccanica e della resistenza alla corrosione, corrosione ma un peggioramento della lavorabilità a caldo e a freddo. freddo Il rafforzamento dellaa lega è possibile solo per incrudimento. incrudimento La lega è destinata sia alla produzione di getti che di semilavorati. semilavorati. Tra le applicazioni applicazioni, attrezzature chimiche che devono essere resistenti alla corrosione, corrosione scambiatori di calore, calore carburatori, carburatori parti di valvole valvole..

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6. RAME E SUE LEGHE

BRONZI ALL’ALLUMINIO (CUPROALLUMINI) Introdotti nel 1870.

1870. Hanno % di rame maggiore del 50% e sono anche denominati cuproallumini cuproallumini.

Caratteristiche della lega:

Ottima resistenza alla corrosione, corrosione, legata alla produzione di una pellicola tenace e stabile di ossido che preserva dalla corrosione il metallo e che, se asportata per sfregamento, si riforma in tempi brevissimi.

Elevate caratteristiche meccaniche. meccaniche Resistenza all’ossidazione a caldo. caldo Resistenza all’usura. all’usura Proprietà antifrizione. antifrizione

Si distinguono le seguenti seguenti classi: 1. Cuproallumini binari •

Monofasici (96Cu 96Cu-4Al; 95Cu-5Al; 5Al; 93Cu-7Al) 93Cu ):

•

In tenori di Al < 7%,, Al forma con il Cu una fase α CFC. Lavorabilità a freddo ma non a caldo; presentano anche difficoltà in saldatura.

Destinati alla produzione di componenti a contato con acque acide o soluzioni saline (anche salamoie concentrate), tubi per condensatori, condensatori evaporatori e scambiatori di calore, calore impianti per l’industria cartaria, steli di valvole, casse d’acqua e serbatoi. serbatoi

Bifasici (92Cu-8Al; 8Al; 91Cu-9Al): 91Cu In tenori di Al compresi tra 8% e 12%, 12%, Al forma con il Cu una fase α ed una seconda fase più dura (у ( 2) che aumenta la durezza e la resistenza meccanica ma complica la lavorabilità a freddo. freddo Sono comunque lavorabili a caldo a temperature superiori a 565°C (temperatura in cui scompare la fase più dura a favore della fase β CCC). β può essere stabilizzata a temperatura ambiente con un rapido raffreddamento ed un rinvenimento rinvenimento.

Destinati ad applicazioni chimiche (componenti a contatto con acque acide e soluzioni saline anche concentrate), decorative (monete, medaglie e bigiotteria), marine (fasciame protettivo e tubazioni per acqua di mare), meccaniche (elettrodi di saldatura e riporto, elementi di fissaggio, steli steli di valvole).

3. Cuproallumini complessi

Formano la classe più estesa e più importante delle leghe rame – alluminio alluminio.

Lo sviluppo di tutti le leghe di questa classe è partito dalla lega 90Cu-10Al, 90Cu 10Al, introducendo elementi di lega allo scopo di migliorare le caratteristiche tecnologiche, meccaniche e di resistenza alla corrosione.

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6. RAME E SUE LEGHE

•

Monofasici (91Cu 91Cu – 7Al – 2 Fe; 90Cu – 8Al – 2Ni): Caratterizzati da aggiunte in alternativa di elementi per migliorare le caratteristiche della fase α,, senza comprometterne la lavor lavorabilità abilità a freddo.

Tra gli elementi aggiunti: aggiunti Fe: 1.5-3.5% 3.5%,, affinazione grano, incrementa R (30MPa ogni 1%), oltre il 3% precipita e peggiora resistenza alla corrosione. corrosione Ni: 2%,, resistenza alla corrosione in acqua di mare, aumento del limite di snervamento, snervamento, aumento solubilità ferro quando questo supera il 3%.

Mn: 0.5-1% 1%,, in tenori minori dello 0.5%, disossidazione bagno fuso, aumento colabilità, lavorabilità a caldo e saldabilita (stabilizza β). ).

Co: 1-3%,, riduce drasticamente la presenza della fase γ2, aumenta nta le proprietà plastiche e la resistenza alla corrosione.

Le applicazioni sono nel settore chimico (impianti criogenici, serbatoi), marino (piastre tubiere, tubazioni) e meccanico (produzione di attrezzature antiscintilla).

•

Polifasici olifasici (82.7Cu 82.7Cu – 13Al – 4.3Fe; 75Cu – 8Al – 12Mn – 3Fe – 2Ni): Stessi elementi di lega dei monofasici ma con tenori superiori e contemporaneamente. Porta ad un effetto sinergico. sinergico. L’aumento dei tenori porta inizialmente una variazione delle caratteristiche, delle percentuali e delle dispersioni delle fasi della lega binaria. Successivamente determinano delle nuove fasi con forti variazioni delle caratteristiche meccaniche meccaniche.

Tra le applicazioni dei semilavorati, semilavorati tubi trafilati per condensatori e scambiatori termici. Le lamiere sono utilizzate termici. utilizzate per piastre tubiere, recipienti saldati in pressione per gli impianti chimici. I fili estrusi come metallo d’apporto nelle saldature. La lega può anche essere stampata a caldo o fucinata.

Tra le applicazioni dei getti (sia in sabbia che in conchiglia), eliche navali, navali corpi di pompa e di valvole, valvole ingranaggi, ingranaggi, attrezzi antiscintilla, cuscinetti cuscinetti, bronzine, bronzine giranti di turbine idrauliche e di pompe, stampi per pressofusione e imbutitura profonda profonda.

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BRONZI AL BERILLIO

Il berillio è un elemento costoso per difficoltà di approvvigionamento. I bronzi al berillio hanno proprietà migliori di quelli allo stagno.

Sono leghe invecchiabili artificialmente: Non sono suscettibili di invecchiamento leghe con bassi tenori di berillio (1.0 – 1.3%).

Sono invecchiabili leghe con più alti tenori di berillio (1.3 – 3%), ottenendo notevoli aumenti di durezza; per esempio una lega con il 2.5% di Be passa da 110HB ad una durezza di 350HB. La soluzione α CFC, ottenuta per rapido raffreddamento e quindi sovrassatura di berillio, può anche essere facilmente lavorata a freddo.

La lega incrudita può essere successivamente invecchiata con ulteriore aumento delle proprietà meccaniche.

Elementi come Co, Ni e Fe sono aggiunti per affinare ed inibire l’ingrossamento del grano durante l’invecchiamento.

Sono disponibili in getti e semilavorati.

E’ fornita allo stato ricotto e temprato perché è lo stato che assicura la deformabilità. L’invecchiamento a 300-350° dopo la formatura a freddo, conclude il ciclo di lavorazione.

Applicazioni nel settore elettrotecnico (molle, contatti e parti sottoposte a fatica), bulloneria ad alta resistenza e non soggetta a corrosione, utensili antiscintilla.

CUPRONICKEL

I cupronichel sono leghe di rame e nichel con tenore di nichel inferiore al 50%, ottenibili in semilavorati e getti.

Sono escluse con questa classificazione il Monel (60%Ni, 30%Cu) ed anche le leghe complesse come le Alpacche (Cu – Ni – Zn), le leghe Cu – Ni – Ag e le leghe Cu – Ni – Al. Le principali leghe commerciali sono: 90Cu – 10Ni; 80Cu – 20Ni; 70Cu – 30Ni, caratterizzante anche da aggiunte di Fe (0.3-2%, migliora la resistenza alla corrosione-erosione e corrosione-turbolenza) o recentemente di Mn (stessi effetti del Fe) in adatti rapporti.

Rame e Nichel sono mutuamente solubili e formano una soluzione α CFC rafforzabile soltanto per incrudimento.

Rame e Nichel sono entrambi elementi resistenti alla corrosione; la loro combinazione ne esalta questa caratteristica.Queste leghe sono state introdotte negli anni ’40, per superare i problemi di corrosione dei condensatori di turbine a vapore che utilizzano acqua di mare come fluido refrigerante.

Attività biologica del Nichel in presenza di ioni rame contro gli organismi incrostanti, che permette di utilizzare la lega in applicazioni navali.

Altre applicazioni sono le monete e le medaglie, serbatoi per acqua calda, proiettili per l’industria bellica, apparecchiature per l’industria chimica e dello zucchero, rivestimenti acciai.

Le leghe di rame vengono usate anche per coniare le monete da 1 euro e 2 euro: la parte gialla è chiamata Nickel brass (CuZn20Ni5), mentre la parte bianca è un cupronickel (CuNi25).

La lega 55Cu – 45Ni è utilizzata come resistenza elettrica (costantana).

I cupronickel sono utilizzati anche nella produzione di getti (10-30%Ni) e con piccoli tenori di Fe, Mn e Si. I getti sono colati in sabbia ed in conchiglia se si desidera una struttura più fine.

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6. RAME E SUE LEGHE

METALLI BIANCHI Leghe Cu – Zn, Zn a cui è aggiunto Nichel, Nichel, che in tenori sino al 10 – 20% da alla lega una colorazione simile all’argento. all’argento In Italia, tali leghe sono conosciute come alpacche (quelle più ricche di Nichel: 18%) 18% e le packfong (12%Ni, 12%Ni, 23%Zn) 23%Zn Rispetto agli ottoni si ha una migliore: Resistenza alla corrosione. corrosione Proprietà meccaniche, meccaniche, che possono arrivare anche a 800MPa di resistenza a trazione, per gli stati fortemente incruditi.

Quando la somma del contenuto Cu-Ni Cu Ni supera il 73%, 73%, la lega si presenta come soluzione solida α, α rafforzabile solo per incrudimento. incrudimento Hanno Hann buone caratteristiche plastiche e favorevole comportamento alla corrosione corrosione.

Il rapporto Ni/Cu condiziona le caratteristiche meccaniche e elastiche della lega e quindi l’utilizzo; per esempio la lega 64Cu –18Ni – 18Zn è indicata per lavori di stampaggio, nella produzione di vasellame e posateria, mentre la lega 55Cu – 18Ni – 27Zn è indicata per molle, nonostante abbiano entrambe il 18% di Ni. Applicazioni come articoli ornamentali, ornamentali, (posateria e vasellame, spesso finiti con rivestimenti galvanici) apparecchiature chimiche, chimiche, molle per relais e parti di apparecchiature elettriche, fili e piattine per resistenze elettriche. Come getti,, talvolta con l’aggiunta di stagno, sono impiegate per impianti a vapore e nell’industria navale (bronzine, saracinesche, saracinesche, steli, coperchi di valvole, viti senza fine).

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale

STUDIO DI PROGETTO DI UN GETTO IN BRONZO COLATO IN CONCHIGLIA: SISTEMA A PEDALE FASI DELLO STUDIO DEL PROGETTO Fase per la definizione dell’aspetto e della produzione o

Scelta della lega

o

Colata in conchiglia

o

Riduzione degli stress

o

Fasi di inserimento delle anime

o

Inserimento dei componenti

o

Controllo di qualità

APPLICAZIONE Il sistema del pedale del freno è fabbricato dalla Teleflex Alfabeto Morse per l’uso negli autobus scuola. Il sistema offre una serie di posizioni per il pedale del freno e dell’acceleratore per la comodità di diversi conducenti. Si richiede il sistema adattabile perché il posto di conducente è chiuso in una posizione predeterminata che crea una distanza tra il conducente e l'aria di sicurezza borse. Questa distanza assicura una zona che in caso di incidente protegge il conducente. Il sistema del pedale usa motori elettrici per aggiustare la posizione del pedale per migliorare il confort del conducente.

FUNZIONI Il sistema del pedale è compreso di due sottosistemi: 1. Il sottosistema frenante con il pedale del freno ed il componente superiore del freno.

2. Il sottosistema accellerante con un componente più basso dell’acceleratore ed un componente superiore all’acceleratore. Il sistema di pedale permette al conducente un controllo sicurezza in momenti critici dei freni del veicolo e dell’accelerazione del motore. Il sistema deve funzionare in modo affidabilmente per l’intera vita del veicolo attraverso una serie di condizioni di carichi di stress, temperature e corrosione.

SISTEMA PEDALE DEL FRENO Il componente del pedale del freno più basso è lungo 10"(pollici), largo 4", ed alto 3" con un peso di 29 once. Consiste di un cilindro superiore, con un certo raggio di curvatura della sezione, ed un alloggiamento per il pedale del freno. Il componente superiore del freno ha una forma di due cilindri perpendicolare in acciaio ed una flangia. È largo 6", profondo 4" ed alto 3" con un peso di 50 once.

Lo spessore minimo del getto dei quattro getti è di 0,21". I componenti hanno numerosi intagli, flange, buchi, e nervature di rinforzo.

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale

SISTEMA DELL’ACCELERATORE L'acceleratore è il componente superiore, consiste di due cilindri perpendicolari con due flange piatte attaccate. Il getto ha le dimensioni 1,5" x 4" x 3" con un peso di 14 once. La parte più bassa dell'acceleratore è una cornice rettangolare unita ad un cilindro.

Esso ha le dimensioni di 2" x 5,5" x 3" ed un peso di 26 once. I componenti hanno numerosi intagli, buchi, flange, e nervature di rinforzo. I quattro getti richiedono solamente lavorazione a macchina per quanto rguarda la finitura superficiale. I componenti sono provvisti dal fabbricante di una patina nera di rivestimento.

REQUISITI DEL SISTEMA PEDALE Poiché i componenti hanno un uso di sicurezza-critica, loro devono avere rigidità (al carico sollecitante) e resistenza ai cicli di fatica. I componenti hanno severe tolleranze dimensionali per quanto riguarda le alesature dei fori di collegamento. I componenti più bassi devono resistere anche alla corrosione ed abrasione da fanghiglia mista a neve, nevischi, ghiaia sotto le scarpe dell'operatore, agenti vari.

I PROBLEMI NELLA PROGETTAZIONE DEL GETTO I problemi critici nella progettazione del getto sono stati: I requisiti prestazionali, colabilità/produttività e costo sono strettamente interconnessi. Quattro sono stati i problemi incontrati per soddisfare i tre requisiti progettuali; 1. Scelta della lega.

2. Riduzione lo stress.

3. Forma per l’inserimento delle anime che soddisfino gli obiettivi di precisione e costo.

4. Scelga di un approccio progettuale del sistema che ottimizzi i costi di produzione complessivi.

SCELTA DELLA LEGA Una scelta progettuale fondamentale è la selezione di una specifica lega che soddisfi i requisiti prestazionali e produttivi. Per i componenti del pedale, i requisiti meccanici nelle aree critiche sono: •

Carico di rottura (ultimate tensile strength) 90 ksi

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale •

Carico di snervamento (yield strength) 50 ksi

•

Duttilità 5%

Devono essere rispettati questi requisiti di resistenza ed inoltre soddisfare alta resistenza, alla corrosione, modulo di elasticità e durezza, evitando in contemporanea peso e costo di produzione.

Tre leghe di metallo sono state candidate per la realizzazione dei componenti del sistema a pedale: •

Lega di Alluminio A201 T7

•

Lega di Bronzo Alluminio Nichel - A020

•

Lega d’Acciaio duttile per getti - ASTM A536 100-70-03

Fair = Corretta, sufficiente.

Per verificare quale dei materiali (alluminio, bronzo-alluminio-nichel o acciaio duttile per getti) meglio riunisce i requisiti di resistenza alle sollecitazioni duttilità, resistenza alla corrosione, peso e modulo di elasticità; si procede a paragonare le proprietà con l’uso di un grafico:

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La lega di Alluminio A201 T7 ha la più bassa densità, ma non può soddisfare il requisito resistenziali richiesti. Inoltre, questa lega ha i valori più bassi per quanto riguarda il modulo di elasticità e durezza, ma resistenza alla corrosione sufficiente.

La lega d’Acciaio duttile per getti A536 - 100-70-03 riunisce sufficientemente tutti i requisiti resistenziali, ma non può soddisfare il requisito di duttilità specificato nel progetto. La resistenza alla corrosione del è sufficiente.

Lega di Bronzo Alluminio-Nichel – A320. La lega eccede nei requisiti resistenziali del progetto e nella duttilità. Questa lega ha eccellente resistenza alla corrosione, con valori alti di durezza e modulo di elasticità. Quindi è la migliore scelta.

L'APPROCCIO PER LA COLATA IN CONCHIGLIA (CHILL-CASTING) Il processo della colata in conchiglia è utilizzato per produrre in forme permanenti (costituite di uno speciale metallo), getti di precisione in rame e leghe a base di rame.

La colata in conchiglia consiste di due passi: 1. Inclinazione della colata.

2. Orientazione della conchiglia.

FASI DI INCLINAZIONE E RAFFREDDAMENTO 1.

Fase di inclinazione della colata.

Il metallo liquido entra nella forma per gravità o per bassa pressione.

Mentre si versa il metallo la forma è viene inclinata in modo coordinato movimento per evitare turbolenze, quando il metallo entra e riempie la forma. Inoltre la forma viene fatta vibrare dolcemente per assicurare il ripieno completo degli angoli e dettagli del getto.

2.

Fase di orientazione della conchiglia.

La fase raffreddamento della forma è effettuata con acqua dopo che il getto è rimosso. Questo raffredda la forma vuota per poi procedere ad una nuova colata, ma l’acqua viene utilizzata anche per controllare la temperatura nelle varie fasi della colata. Il controllo della differenza di temperatura tra la forma ed il metallo fuso produce una fine struttura dei grani che rendono il getto di bronzo meccanicamente resistente.

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale

COLATA IN CONCHIGLIA - I BENEFICI Il risultato delprocesso di colata in conchiglia produce getti di alta qualità offre ai disegnatori, ingegneri, e produttori molti vantaggi: •

Si possono ottenere componenti con forme complicate.

•

Migliori proprietà meccaniche.

•

Piccole tolleranze e grande accuratezza dimensionale ed uniformità.

•

Tenuta verso le pressioni.

•

Superfici metalliche brillanti e liscie.

PROBLEMI DI FORMA-RIDUZIONE DEGLI STRESS Gli stress più alti nei componenti del sistema a pedale avvengono nelle congiunzione e nelle zone aguzze, nelle quali sezioni si trasferiscono i principali carichi e momenti.

Grandi raccordi e raggi di curvatura del disegno del getto minimizzano la concentrazione degli stress nelle giunture di queste sezioni. Si hanno benefici se nella forma del getto si aumentano gli spessori delle nelle zone in cui vi potrebbero essere alti stress e ridurli dove si prevedono stress minori per ridurre il peso.

RIDUZIONE DI STRESS NEL PEDALE Tre sono i punti da rinforzare per quanto riguarda il pedale del freno, con arrotondamenti e cambiamenti nello spessore delle sezioni:

1. la zona A--L’unione tra l’asta del pedale e l’appoggio del piede--

2. la zona B--La curva dell’asta--

3. la zona C--La sezione dell’asta--

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale Zona A: La giuntura tra l’asta del pedale e l’appoggio del piede è sottoposta ad un significativo sforzo.

La giuntura dovrebbe essere rinforzata con due sezioni triangolari per irrigidirla e riduce gli accumuli di stress con raccordi.

Zona B: La curvatura è troppo pronunciata ed è un ovvia zona in cui si concentrerebbero gli stress. Quindi per ridurre gli stress basta aumentare generosamente la curvatura.

Zona C - Sezione obliqua dell’asta La sezione obliqua dell’asta ha già una forma che offre la rigidezza richiesta senza peso eccessivo. Aumentando la sezione obliqua ad uno spessore uniforme non può significativamente migliore la rigidezza, ma aggiungerebbe peso al componente.

Quindi conviene mantenere la sezione obliqua effettiva come è stata disegnata.

PROCESSO DI OTTIMIZZAZIONE DEL GETTO L'ingegnere di fonderia ottimizza il disegno del getto sempre, bilanciando benefici tecnici e costi. Un problema critico del disegno è la risoluzione di come forme complesse dovrebbero essere prodotte nel componente. Nella situazione ideale, il getto può essere prodotto nella forma finale, con ogni caratteristica riprodotta nella colata con finitura alle macchina utensili. Spesso i getti sono dotati di fori. Nella realtà l’aumento della complessità del getto e delle lavorazioni successive alle macchine utensili si devono confrontare con il costo dell’intero processo di produzione e del volume di produzione.

ANIME CONTRO LAVORAZIONE ALLE MACCHINE UTENSILI L'ingegnere che realizza il disegno del getto sceglie la produzione ottimale che si avvicini ad ogni caratteristica richiesta, tolleranze e requisiti dimensionali, con un costo di produzione finale accettabile. Il disegno che mostri la corretta posizione dei fori che si intersecano nel componente superiore all’acceleratore.

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6. RAME E SUE LEGHE Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale Può essere prodotto: •

Con due anime nella forma ed una successiva finitura alle macchine utensili.

•

Senza fori nel getto che verranno prodotti alle macchine utensili.

Il pezzo che si pone superiormente all’accelleratore è provvisto di due fori che si intersecano, uno per posizionare l’attuatore del freno (diametro di 3/8") e l’altro per il cilindro di fissaggio passante (diametro di 1"), con tolleranza dimensionale di + / - 0.003".

INSERIMENTO ANIME - LAVORAZIONE ALLA MACCHINA UTENSILE 1. Inserimento anime Il miglior modo di creare questi fori è usare due anime che si intersecano nel getto, seguito da una lavorazione alle macchine utensili solo per la finitura. Le anime hanno un vantaggio di costo nel totale processo di produzione, rispetto ad una lavorazione alla macchina utensile che conporterebbe due operazioni per ambo i fori.

2. Lavorazione alla macchina utensile Un processo di lavorazione alla macchina utensile comporterebbe due fasi (sgrossatura e finitura) per ogni foro per rispettare le caratteristiche di precisione richieste. La lavorazione completa dei fori alla macchina utensile comporta costi decisamente maggiori, rispetto alla loro realizzazione grezza direttamente dal getto.

Quindi l’inserimento delle anime (con lavorazione finale di finitura alla macchina) è il metodo di produzione ottimale per la realizzazione dei due fori che si intersecano.

COMPONENTE SUPERIORE DEL FRENO Il componente superiore del freno ha due funzioni:

Un punto per l’innesto dell’attuatore cilindrico.

Un perno cilindrico per incernierare l’asta del freno.

Il perno cilindrico per incernierare è un tubo cavo di acciaio (diametro esterno di 1,12" e diametro interno di 0,75"). Il tubo di acciaio deve essere ben fissato al getto in modo da trasferire la coppia torcente senza subire slittamenti.

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CONGIUNZIONE DEL GETTO CON IL PERNO D'ACCIAIO Vi sono due modi per congiungere il perno d’acciaio al getto:

1. Approccio A: Inserire con forza il perno nel foro del getto in modo che si incastri.

2. Approccio B: Mettere il perno nello stampo di colata in modo che con il raffreddarsi del metallo del getto si abbia una inevitabile contrazione dello stesso, mentre si raffredda, creando un perfetto fissaggio.

APPROCCIO A – ALESATURA E PRESSIONE DI INCASTRO In questo approccio, Sia il perno che il foro devono essere dimensionalmente precisi per un buon incastro. Se il foro è troppo grande il perno potrà muoversi al suo interno. Se è troppo piccolo il perno non potrà inserirsi e sarà necessaria una lavorazione di alesatura per allargare il foro. Questo tipo di approccio per via della variabilità dimensionale, che potrebbe provocare problemi di inserzione, o slittamenti, è troppo rischiosa. Quindi, non è un buon metodo di congiunzione.

APPROCCIO B – PERNO DI ACCIAIO NEL GETTO "CAST-IN" In questo approccio, il perno d'acciaio è posizionato nella forma di colata. Il perno d’acciaio è attentamente pulito prima della colata e deve essere posizionato con molta precisione. La solidificazione con conseguente contrazione del getto provoca un forte serraggio del perno col getto. Il "Castin" che prevede il perno di acciaio nel getto è un approccio che garantisce un forte serraggio, precisa ed affidabile giunzione senza ulteriori lavorazioni alle macchine utensili, quindi, minor costi.

Il "Cast-in" è un buon metodo per la congiunzione del perno d’acciaio col getto.

CONTROLLO QUALITÀ La fonderia applica ben definite tecniche per ciascun tipo di getto e processo di produzione per assicurare buona qualità del prodotto. Controllo di qualità particolareggiato su prototipi, usando carichi ciclici e collaudo per verificare il prodotto. Controllo del processo chimico della lega usata nel getto, temperatura di fusione, metodo di colata, temperatura della forma, il tutto secondo le procedure basate sulla ISO 9000. Un piano di ispezione in produzione, comprensivo di controllando delle dimensioni critiche e dell’aspetto della finitura superficiale.

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ASPETTI SALIENTI Gli ingegneri di fonderia condussero il lavoro in collaborazione con la Teleflex Alfabeto Morse, pianificando il disegno che soddisfacesse i requisiti richiesti con un processo economico con alte produzioni e qualità di prodotto.

Concetti essenziali imparati, sono stati:

Il getto prodotto nella colata in forma permanente in conchiglia "chill casting permanent mold" garantisce nei getti in bronzo, fine struttura del grano e di conseguenza buona resistenza meccanica.

Il "Cast-in" che prevede il perno di acciaio nel getto è un approccio che garantisce un forte serraggio, precisa ed affidabile giunzione senza ulteriori lavorazioni alle macchine utensili, quindi, minor costi.

CONCLUSIONI Il getto prodotto nella colata in forma permanente in conchiglia è stata scelta per la possibilità di creare un getto quanto più vicino a quello finale con un minimo utilizzo delle macchine utensili, alta resistenza meccanica ed alla corrosione del getto e costi accettabili.

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7. ZINCO E SUE LEGHE

7. ZINCO E SUE LEGHE

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7. ZINCO E SUE LEGHE

Lo zinco gode di un'eccellente un'eccellente resistenza alla corrosione e capacità di essere trattata galvanicamente in qualsiasi modo (trattamenti superficiali di: cromatura, zincatura, doratura, nichelatura, ramatura, ecc… allo scopo di proteggere la superficie e migliorarne l’estetica).

Le leghe di zinco si distinguono in leghe da

deformazione plastica

e

leghe da fonderia fo .

composizioni chimiche e le principali proprietà ed applicazioni dello zinco e delle leghe di zinco sono:

LEGHE DI ZINCO PER DEFORMAZIONE D EFORMAZIONE PLASTICA

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Le

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7. ZINCO E SUE LEGHE

LEGHE DI ZINCO PER FONDERIA F ONDERIA

Di maggior interesse sono le leghe

zinco allumino; zinco-allumino

DIAGRAMMA DI FASE ZN-AL ZN

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7. ZINCO E SUE LEGHE

CONFRONTO CON ALTRE LEGHE NELLA PRODUZIONE PRODUZIO NE DI GETTI

ZAMA

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7. ZINCO E SUE LEGHE

Nella progettazione delle leghe Zama si cerca il più possibile di renderle adatte al processo di presso-colata, presso , ottenendo getti anche di piccolo spessore, spessore ottima finitura superficiale, superficiale, tolleranze dimensionali ridotte e bassi tempi di produzione che permettano grandissime serie con costi limitati. limitati Sono ad esempio utilizzate per rubinetterie, rubinetterie maniglie, maniglie, corpi di pompe e di carburatori.

COMPOSIZIONE CHIMICA

PROPRIETÀ MECCANICHE MECCAN

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7. ZINCO E SUE LEGHE

LIMITAZIONI DI IMPIEGO IMPIE

LEGHE DI ZINCO PER COLATE C OLATE CENTRIFUGHE

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7. ZINCO E SUE LEGHE

LEGHE DI ZINCO AD ALTO AL TO TENORE DI ALLUMINIO ALLUMIN

PROPRIETÀ MECCANICHE DELLE LEGHE DI ZINCO AD ALTO TENORE DI ALLUMINIO AL LUMINIO

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8. MATERIALI COMPOSITI

8. MATERIALI COMPOSITI I materiali compositi rappresentano un brillante esempio di sviluppo su base ingegneristica di materiali innovativi; i criteri che hanno guidato l’evoluzione di questi materiali si sono ispirati alla possibilità di conseguire combinazioni particolari di proprietà, integrando nello stesso materiale (che per tale motivo è definito composito) due o più materiali convenzionali. Scegliendo opportunamente il tipo di matrice e di fase dispersa del composito, nonché la sua architettura in termini di proporzioni tra i componenti, geometria della fase dispersa e forza dei legami interfacciali, è stato possibile produrre materiali con proprietà prefissate. Talvolta, sfruttando un’azione sinergica tra i componenti del composito, si può ottenere un materiale che presenta proprietà migliori rispetto a quelle sia della matrice sia del rinforzante. I materiali compositi hanno trovato negli ultimi decenni applicazioni sempre più ampie in molteplici settori industriali: dei trasporti (terrestri, aerospaziali e navali), delle costruzioni edili, della produzione di energia nucleare, dell’elettronica e degli attrezzi sportivi. Numerose applicazioni specifiche sono legate ad un insieme di proprietà che rendono il materiale unico e vantaggioso per l’applicazione proposta. E’ questo il caso dei compositi alluminio /SiC per “heat sink” di moduli di potenza a cui sono richiesti: coefficiente di dilatazione termica compatibile con quella dell’allumina o del nitruro di alluminio, conducibilità termica elevata, leggerezza, buona resistenza meccanica e rigidezza. Nel caso invece dei sistemi di protezione termica dei veicoli spaziali i compositi a matrice ceramica rivestono grande interesse poiché sono caratterizzati da: resistenza all’ossidazione a temperature molto elevate, leggerezza, buona tenacità a frattura e buone caratteristiche meccaniche a caldo. Nel settore degli impianti nucleari i compositi Cf/C appaiono insostituibili poiché presentano: ottima conducibilità termica, stabilità elevata alle alte temperature, buone caratteristiche meccaniche e bassa attivazione neutronica. I principali motivi del successo di questi materiali nel settore dei trasporti può essere attribuita principalmente alla combinazione di resistenza, rigidezza e leggerezza. Ormai è largamente diffuso nel settore aeronautico l’utilizzo di compositi a matrice polimerica e, in misura molto inferiore, metallica. E’ anche consolidato l’impiego di compositi a matrice ceramica nel settore dei veicoli spaziali, mentre la loro diffusione per applicazioni autoveicolistiche è stata frenata soprattutto a causa del costo, che è significativamente superiore a quello dei materiali convenzionali. A partire dai primi compositi in vetroresina la famiglia di questi materiali si è progressivamente ampliata nel tempo, comprendendo materiali compositi a matrice metallica e ceramica rinforzata sia con fibre sia con whiskers e particelle. A tale sviluppo ha sicuramente contribuito la disponibilità di nuove e sempre più efficienti fibre ceramiche (di carbonio e di carburo di silicio) ed il perfezionamento delle tecnologie di fabbricazione. Una spinta notevole al progresso nel settore dei compositi a matrice metallica e ceramica è derivata dalla necessità di ottenere materiali in grado di operare in un intervallo esteso di temperature, superando così il principale difetto dei compositi a matrice polimerica. Allo stato attuale tutte le principali categorie di materiali compositi (ovvero a matrice polimerica, metallica e ceramica) sono utilizzati per la fabbricazione di componenti dell’autoveicolo. Per queste applicazioni ciascuna classe di compositi presenta vantaggi rispetto ai materiali convenzionali. I compositi a matrice polimerica presentano elevata leggerezza, e quindi resistenza e modulo specifici migliori dei materiali metallici convenzionali utilizzati per la realizzazione dello chassis e della carrozzeria. I compositi a matrice metallica offrono vantaggi in termini di maggiore leggerezza e resistenza a caldo rispetto ai materiali metallici da cui derivano (leghe leggere o di magnesio). I compositi a matrice ceramica sono in grado di supportare temperature elevatissime, il che, unitamente al loro comportamento tribologico, li rende idonei alla fabbricazione di componenti freno con elevata efficienza. Nel seguito saranno brevemente presentate le applicazioni nell’industria automobilistica di ciascuna classe di materiali compositi.

In definitiva definiamo materiale composito: una combinazione di due o più micro o macro costituenti, che differiscono nella forma e nella composizione chimica, insolubili l’uno nell’altro.

In genere uno dei costituenti viene chiamato matrice mentre gli altri costituiscono le inclusioni.

Se distinguiamo i compositi in base alla matrice abbiamo: • • •

compositi a matrice polimerica, PMC: materiali con alte proprietà meccaniche specifiche. compositi a matrice metallica, MMC: resistenza migliorata ad alta temperatura. compositi a matrice ceramica, CMC: per migliorare la tenacità.

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8. MATERIALI COMPOSITI

DISTINZIONE ISTINZIONE PER FORMA DI INCLUSIONE • • • •

Inclusioni sferiche sferiche (compositi con proprietà isotrope) Inclusioni irregolari (compositi con proprietà isotrope) Inclusioni a piattello (proprietà isotrope nel piano) Inclusioni a fibre: fibre corte (compositi 3D) fibre lunghe (compositi unidirezionali o laminati)

TIPI DI FIBRE •

•

•

•

Fibre di vetro: ottima resistenza meccanica (2-5 (2 5 GPa), basso costo, buona tenacità, basso modulo elastico (70-80 (70 GPa), media densità (2.5-2.8 (2.5 2.8 gr/cm3).

Fibre di carbonio: ottima resistenza meccanica (3.1(3.1-4.5 4.5 GPa), alto costo, bassa tenacità, alto alto modulo elastico (220 800 GPa), bassa densità (1.7-2.1 (220-800 (1.7 gr/cm3).

Fibre aramidiche (kevlar e nomex): ottima resistenza meccanica (3.0-4.5 (3.0 GPa), alta tenacità, costo medio, modulo elastico medio (130-150 (130 150 GPa), bassa densità (<1.5 gr/cm3).

Altre fibre: polietilene ilene (alte proprietà meccaniche/densità). meccaniche/densità). boro (buona resistenza a compressione, alto costo). costo) SiC, Al2O3,quarzo.....

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8. MATERIALI COMPOSITI

Le proprietà meccaniche dei materiali compositi dipendono dal tipo di fibre e dalla loro disposizione all’interno della matrice. La disposizione delle fibre può essere di tre tipi.

Le fibre di rinforzo più utilizzate, attualmente, sono: • • • •

Fibre di vetro: sono costituite da filamenti, aventi diametro di 10 micron circa,ottenuti per trafilatura ; Identificabili dal colore bianco.

Fibre di carbonio: sono filamenti ottenuti da fibre organiche. Stanno sostituendo le fibre di vetro per il minor Fibre peso e la maggiore rigidità. Il colore è nero brillante.

Fibre organiche: sono le fibre di rinforzo più leggere; la loro composizione chimica ed il processo di fabbricazione sono ancora brevettati. Il colore è giallo vivo.

Fibre minerali: sono utilizzate nel campo delle tubazioni, coperture e recipienti; l’elevato costo ne limita l’impiego.

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8. MATERIALI COMPOSITI

TIPI DI MATRICE •

Si possono avere termoindurenti e termoplastiche.

•

Le più usate sono:

matrici epossidiche: buone caratteristiche meccaniche (sono quelle che possiedono le migliori proprietà meccaniche) e di adesione alle fibre, minor ritiro, sono costose e vengono utilizzate per lo più con fibre carbonio e aramidiche (compositi pregiati, areonautica .....). matrici poliestere: sono le più comuni ed economiche; molto utilizzate con fibre di vetro hanno basso costo e trovano applicazione per: scafi imbarcazioni, pannelli per edifici, carrozzeria autoveicoli, apparecchiature...

Altre: Fenoliche (hanno maggior resistenza alla corrosione e all’infiammabilità), PEEK, poliammidi, polietilene (PE), polistirene....

MATRICE POLIMERICA Questi materiali sono da tempo utilizzati per la realizzazione di parti strutturali di autoveicoli. I compositi contenenti fibre lunghe di vetro (generalmente disposte in una matrice termoindurente) sono impiegate nella fabbricazione di componenti della carrozzeria di vetture che hanno larga diffusione sul mercato, mentre i corrispondenti compositi contenenti fibre di carbonio, che presentano costo più elevato, trovano impiego nella fabbricazione di carrozzeria e telaio di autovetture di fascia alta. Inizialmente quest’ultimo tipo di composito ha fatto la comparsa su vetture da competizione, successivamente ha trovato applicazione in vetture di segmenti più commerciali del mercato. Soluzioni di carrozzeria e telai integrati che impiegano i compositi con fibre di carbonio sono state proposte da numerosi costruttori (Ferrari, Porche, Maserati, Bugatti, Alfa Romeo, MC Laren Mercedes, Crysler).

Le principali caratteristiche meccaniche di questi compositi con fibre continue di vetro o di carbonio sono riassunte in tabella 1 e confrontate con le corrispondenti caratteristiche dell’acciaio. Tali valori sono indicativi poiché le proprietà finali del composito dipendono in misura rilevante dalla frazione in volume di fibre e dalla loro disposizione all’interno del materiale. La presenza delle fibre incrementa inoltre notevolmente la tenacità a frattura, la resistenza al creep ed alla fatica. Le tecnologie idonee alla fabbricazione di componenti, anche di ragguardevole dimensione e forma complessa, sono molteplici e ben consolidate: metodi semi-manuali, stampaggio, formatura sotto vuoto in autoclave, poltrusione, filament winding. I principali aspetti problematici riguardano il costo delle fibre di carbonio (tutt’ora elevato), l’integrazione con componenti di altro materiale, i processi di invecchiamento e degradazione della matrice polimerica ed il riciclaggio di tali materiali a fine vita.

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MATRICE METALLICA I compositi a matrice metallica maggiormente diffusi, anche per il costo relativamente contenuto, contengono particelle ceramiche (SiC, Al2O3, B4C), whiskers (generalmente di SiC) o fibre corte (Al2O3) disperse in una matrice in lega di alluminio. Le particelle ceramiche possono essere disperse nel metallo allo stato fuso e i manufatti in composito possono essere fabbricati con tecniche di fonderia tradizionali, come la colata in gravità. In alternativa questi compositi possono essere prodotti con tecniche di metallurgia delle polveri, partendo da miscele di polveri metalliche e ceramiche. In questo secondo caso sono utilizzate leghe di alluminio da deformazione plastica ed il materiale composito può essere sottoposto ad operazioni di deformazione plastica (estrusione o forgiatura) ed a trattamenti termici di indurimento della matrice per precipitazione. In particolare la forgiatura può consentire anche notevoli deformazioni del materiale a condizione che le particelle ceramiche presentino piccole dimensioni. Compositi contenenti fibre corte o whiskers sono invece prodotti con processi “near net shape”, a partire da preforme di fibre che sono sottoposte a processi di infiltrazione del metallo fuso per esempio mediante squeeze casting. Rispetto alle leghe di alluminio da cui derivano i compositi a matrice in lega di alluminio presentano un incremento di modulo elastico dal 50 al 100% e resistenza allo snervamento anche doppia. Queste caratteristiche meccaniche, congiuntamente alla bassa densità del composito danno origine a valori di modulo e resistenza specifici di notevole interesse. Alcune caratteristiche di compositi di questo tipo sono confrontate con quelle delle matrici metalliche corrispondenti in tabella 2.

A fronte di un netto incremento di rigidezza e resistenza a temperatura ambiente questi compositi presentano però allungamento a frattura di poche unità percentuali; ciò nonostante essi possono subire anche severi processi di deformazione a caldo se si opera a temperature sufficientemente elevate. In generale la resistenza a caldo di questi materiali compositi è superiore rispetto a quella delle leghe di alluminio corrispondenti; a titolo di esempio valori di resistenza a diverse temperature sono confrontate in tabella 3.

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8. MATERIALI COMPOSITI

La presenza del rinforzante ceramico migliora inoltre la resistenza a fatica e creep, mentre riduce il coefficiente di espansione termica (da 28,6 10-6 K-1 per la lega 6061 a 13,7 10-6 K-1 per un composito 6061-20%SiCw nell’intervallo di temperatura 25-500°C ). La conducibilità termica, nonostante la presenza di un componente ceramico, si mantiene per altro elevata (120-200 W/m K) e durezza e resistenza ad usura migliorano notevolmente rispetto alle leghe di alluminio. Per contro la tenacità a frattura diminuisce in modo più che proporzionale con il contenuto di rinforzante ceramico discontinuo e la resistenza alla corrosione è talvolta peggiore del metallo base a causa della possibile formazione di coppie galvaniche. Sono stati anche sviluppati compositi con matrice in lega di magnesio e rinforzante ceramico discontinuo, prodotti con tecniche di metallurgia delle polveri, che pur presentando notevoli potenzialità sono stati presi in considerazione raramente per applicazioni nel settore dei trasporti.

L’introduzione del ceramico nella matrice a base magnesio migliora le proprietà nella stessa direzione già riscontrata per le leghe di alluminio. Per applicazioni a temperatura elevata rivestono notevole interesse i compositi con matrice in lega di titanio rinforzata da fibre continue di SiC, che sono prodotti con tecniche di filament winding e diffusion bonding. Questi ultimi materiali presentano resistenza meccanica e rigidezza confrontabili con quelle dei migliori acciai e maggiore leggerezza, ma il costo elevato fino ad ora ne ha confinato l’applicazione esclusivamente al settore aeronautico. L’elevata rigidezza, la leggerezza e la buona resistenza meccanica ha suggerito l’utilizzo di compositi a matrice in lega di alluminio per parti meccaniche di autoveicoli. In particolare alberi motore realizzati con questo tipo di materiale (6061-20% Al2O3p) sono stati adottati per diverse autovetture fabbricate negli USA (Corvette, Ford Crown Victoria). Il passaggio dall’utilizzo dell’alluminio a quello del composito ha consentito un incremento di rigidezza specifica del 34% ed un consistente risparmio di peso. Fin dagli anni 60 sono state realizzate bielle in materiale composito, in particolare bielle fabbricate in composito con matrice di titanio o di alluminio sono state oggetto di sperimentazione su vetture da competizione. Le buone caratteristiche meccaniche a caldo, la buona conducibilità termica e la elevata resistenza all’usura dei compositi con matrice di alluminio sono state sfruttate nella realizzazione del blocco motore, di cilindri e pistoni con l’impiego di compositi del tipo Al-5%Al2O3f e Al/20%SiCp. Quest’ultima tecnologia è stata adottata nella costruzione della Celica Toyota, Prelude e NSX Honda, 911 e Boxter Porche. Infine l’elevata resistenza ad usura del composito A359-20%SiCp ha trovato applicazione fin dal 1991 nella realizzazione di componenti freno, che sono stati adottati in diverse vetture: VolksWagen Lupo; Plymouth Prowler, GM EV-1, Precept, Impact; Ford Prodigy; Lotus Elise. L’utilizzo di questo tipo di materiale ha consentito un risparmio sul peso del componente del 38% rispetto ai tradizionali dischi in ghisa, mentre il costo del manufatto si è mantenuto al di sotto di 5 US-$ al kg.

MATRICE CERAMICA Questo tipo di compositi è stato inizialmente sviluppato per l’utilizzo ad elevatissime temperature ed applicazioni nei settori della produzione di energia nucleare ed aerospaziale. Tessuti costituiti da fibre lunghe di carbonio (generalmente derivate da poliacrilonitrile o da pece) sono utilizzati per ottenere una preforma destinata all’infiltrazione. Sovente le fibre sono ricoperte mediante CVD con uno strato superficiale di carbonio pirolitico, avente spessore inferiore al micrometro, allo scopo di ottimizzare la forza dei legami interfacciali che si instaureranno con la matrice. Una matrice, pure di carbonio, è realizzata mediante infiltrazione chimica in fase vapore (CVI). I materiali compositi Cf/C così ottenuti presentano una peculiare combinazione di proprietà: elevata stabilità termica, buona resistenza meccanica e rigidità (che si mantengono inalterate da temperatura ambiente fino a 1600° C), leggerezza, tenacità a frattura superiore anche di un ordine di grandezza rispetto ai materiali ceramici convenzionali, ottima conducibilità termica nelle direzioni in cui le fibre sono orientate e proprietà antifrizione. Le proprietà sopra elencate rendono questo materiale particolarmente adatto alla fabbricazione di dischi e pastiglie di sistemi frenanti; la prima applicazione di questo tipo ha riguardato componenti freno di velivoli commerciali e militari. Le caratteristiche di tenacità dipendono in misura rilevante dal controllo del legame interfacciale tra fibre e matrice, che non deve essere eccessivamente forte in modo tale da consentire meccanismi di dissipazione di energia quali carck-bridging, debonding e pull-out. I parametri di processo utilizzati durante il trattamento CVI (pressione e temperatura) influenzano la microstruttura della matrice di carbonio (particelle semi-amorfe, struttura di tipo grafitico, soot incoerente). E’ stata cercata una alternativa al processo di infiltrazione in fase vapore (CVI), che è costoso sia in termini impiantistici sia per la durata del trattamento che deve prolungarsi anche per centinaia di ore al fine di A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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8. MATERIALI COMPOSITI

densificare la matrice. Un’alternativa efficace è costituita dal metodo di infiltrazione in fase liquida seguita pirolisi. In quest’ultimo caso (processo PIP) si impregna la preforma con una soluzione contenente un polimero precursore della matrice carboniosa (per esempio resina fenolica o poliimmidica) e quindi si procede ad un trattamento di pirolisi a circa 1100°C. Il ciclo di impregnazione e pirolisi deve però essere ripetuto numerose volte allo scopo di ridurre la porosità della matrice. Dopo la realizzazione della matrice con uno dei due metodi sopra menzionati si conduce un trattamento termico finale a temperatura compresa tra 2300 e 2500°C allo scopo di conferire alla matrice caratteristiche meccaniche ottimali. Il trattamento a temperature maggiormente elevate consente di esaltare la tenacità a frattura. Anche la caratteristiche tribologiche dipendono da tale trattamento; in particolare un trattamento ottimizzato consente di evitare che il materiale presenti all’inizio del funzionamento un valore di picco del coefficiente di attrito. In ogni caso le particelle risultanti dall’abrasione dei componenti freno si ri-depositano sulla loro superficie esercitando generalmente un’azione auto-lubrificante. In tali condizioni è stato riscontrato un valore del coefficiente di attrito variabile nell’intervallo 0,1-0,25 in dipendenza della velocità di scorrimento e della temperatura. Nonostante la buona conducibilità termica del compositi Cf/C, in condizioni di lavoro severe i dischi freno realizzati con questo materiale raggiungono temperature molto elevate e sono quindi soggetti a fenomeni di degradazione in seguito all’ossidazione del carbonio. Per superare questo inconveniente sono stati sviluppati compositi del tipo Cf/SiC. La matrice di carburo di silicio può essere sintetizzata all’interno della preforma di fibre di carbonio sia con tecniche CVI (per esempio mediante decomposizione termica di metil-tricloro-silano) sia con tecniche PIP (utilizzando policarbosilano come precursore). Un’alternativa possibile per la fabbricazione dei compositi Cf/SiC è costituita dal processo di “Liquid silicon infiltration” (LSI). In questo caso la preforma è inizialmente sottoposta ad un processo PIP, che consente di ottenere una matrice porosa di carbonio, successivamente il materiale è infiltrato con silicio fuso, che reagisce con il carbonio pirolitico generando la matrice di SiC. Le caratteristiche di questi compositi dipendono in misura rilevante dal grado di porosità residua, dalla percentuale in volume di fibre e dalle caratteristiche dell’interfaccia fibre/matrice; in tabella 4 sono confrontate le proprietà di alcuni materiali compositi appartenenti a questa classe.

La tecnologia di produzione di sistemi frenanti in composito ceramico dei velivoli è stata trasferita al settore automobilistico, inizialmente sono state dotate di freni in composito le vetture da competizione e successivamente anche alcune vetture su strada di fascia elevata come la Porche Carrera S. Questi materiali compositi ceramici, che contengono fibre notevolmente più dure dell’acciaio, consentono di ridurre del 50% il peso dei dischi freno, di aumentarne la durata e le prestazioni in condizioni particolarmente severe di esercizio.

IMPIEGO La moderna tecnologia consente di realizzare materiali compositi con un ampia gamma di caratteristiche; in pratica è possibile costruire un materiale “su misura“ per una data applicazione. Così ad esempio si possono costruire materiali che abbiano particolare resistenza a trazione, materiali con elevata resistenza all’usura ed al calore, materiali ad elevata resistenza a caldo per la costruzione di utensili ( il metallo duro composto da una matrice metallica di Cobalto in cui sono disciolti i carburi di tungsteno) ecc. I materiali compositi hanno trovato applicazione nella costruzione dei principali componenti delle autovetture. In ragione delle loro proprietà caratteristiche, materiali compositi appartenenti a classi differenti sono stati utilizzati per specifiche applicazioni in questo settore. I compositi a A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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8. MATERIALI COMPOSITI

matrice polimerica sono utilizzati nella costruzione di telaio e carrozzeria; quelli a matrice metallica per organi di trasmissione, componenti di motore e freni; quelli a matrice ceramica per componenti freno. Allo stato attuale solo l’uso di compositi vetro-ceramici è esteso, interessando anche vetture commerciali di larga diffusione. Al contrario i compositi in carbo-resina, come pure quelli a matrice metallica e ceramica, sono stati utilizzati inizialmente per applicazioni in vetture da competizione e, solo più recentemente, per componenti di vetture da gran turismo. Mentre l’utilizzo di compositi a matrice polimerica e ceramica è ampiamente generalizzato in molte nazioni, componenti di autoveicoli in composito a matrice metallica sono adottati da costruttori statunitensi e giapponesi, ma non dalle case automobilistiche europee. Le potenzialità dei materiali compositi in termini di miglioramento delle prestazioni appaiono di sicuro interesse, pur essendo strettamente condizionate ad un loro uso corretto, che richiede la revisione dei criteri di progettazione, anche nel caso di componenti il cui design è tradizionalmente consolidato. Per altro lo sfruttamento di tali potenzialità è frenato da considerazioni di carattere economico, poiché il loro costo rimane significativamente più elevato rispetto ai materiali tradizionali. D’altra parte le tecnologie di fabbricazione dei materiali compositi sono ben consolidate ed i volumi produttivi in costante aumento, il che fa prevedere una progressiva riduzione dei costi nel futuro. Anche altri importanti fattori spingono nella direzione di un impiego più ampio dei materiali compositi nel settore dell’autoveicolo. In particolare la maggior parte dei materiali compositi è caratterizzata da notevole leggerezza, proprio mentre la richiesta di materiali leggeri nei trasporti si fa sempre più pressante in vista della necessaria riduzione sia dei consumi energetici sia delle cause di inquinamento ambientale.

Nell’industria aeronautica si utilizzano i compositi per parti di ali e fusoliera, per i carrelli di atterraggio. Nell’industria di articoli sportivi molte sono le applicazioni quali racchette da tennis, sci, aste per salto, alberi maestri per barche a vela, canne da pesca, telaio bici, scafi ecc. Nell’industria bellica si costruiscono parti per armi leggere, blindature, giubbotti antiproiettile. Nell’industria meccanica si realizzano pezzi meccanici vari , incastellature, ruote dentate ,ecc.

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9. MAGNESIO E SUE LEGHE

9. MAGNESIO E SUE LEGHE GENERALITÀ

Il Magnesio (simbolo chimico Mg) possiede una bassissima densità ed un elevata resistenza specifica e risulta essere il più leggero tra i metalli con impiego strutturale. o

Possiede una densità di 1,738 g/cm3 a 293 K. E’ comunque usato solitamente in forma di lega e la maggior parte delle leghe ha una densità leggermente più elevata di quella del magnesio puro.

Il magnesio è un metallo reattivo e di solito si trova in natura sotto forma di ossidi, carbonati e silicati, spesso in combinazione con calcio. o o

Questa reattività è una delle ragioni per cui la produzione del metallo richiede una grande quantità di energia.

In presenza di aria ed a temperature prossime a quella di fusione genera una reazione fortemente esoterica, producendo MgO e Mg3N2; mentre possiede una blanda reattività con HCl, producendo H2 e MgCl2. Il Magnesio non è reattivo con NaOH e da una reazione vigorosa con acido nitrico.

PRINCIPALI PROPRIETÀ FISICHE E MECCANICHE

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9. MAGNESIO E SUE LEGHE

GENERALITÀ SULL’UTILIZZO DEL MAGNESIO L’utilizzo del magnesio è fortemente centrato su 3 principali proprietà del metallo: • • •

La sua abilità a formare composti intermetallici con altri metalli.

La sua reattività chimica.

La sua bassa densità.

La produzione mondiale di magnesio è bassa rispetto a quella di altri metalli strutturali come l’acciaio e l’alluminio (circa 300000 tonnellate per anno). Una grande parte della produzione è poi utilizzata per impieghi non strutturali, per esempio per rafforzare l’alluminio come elemento di lega (il corpo di un contenitore per bevande in allumino contiene approssimativamente 1.5% Mg, mentre il coperchio circa il 4.5% Mg).

Altre significative applicazioni sono: • • • • •

La desolforazione degli acciai.

L’inoculazione delle ghise grigie per la produzione delle ghise nodulari.

La costruzione di anodi sacrificali per la protezione di strutture in acciaio come le stive delle navi, gasdotti, oleodotti, scaldabagni domestici.

La produzione di celle a secco (batterie).

La produzione di componenti per colata in sabbia, in conchiglia o per pressofusione. o Questa è l’area di maggiore richiesta di magnesio, particolarmente nell’industria automobilistica in quanto si pone come soluzione alla riduzione delle emissioni inquinanti e quindi ad una significativa riduzione della CO2 nell’atmosfera, riducendone l’impatto sul suo riscaldamento globale, in accordo con gli accordi di Kyoto.

PERCHÉ USARE LE LEGHE DI MAGNESIO Durante la I e la II Guerra Mondiale il magnesio fu usato in maniera massiva in campo aerospaziale ed aeronautico.

Ad esclusione di applicazioni di nicchia in campo militare e nelle centrali nucleari, l’interesse per questo metallo diminuì notevolmente a causa della sua insufficiente resistenza a corrosione e degli alti costi di produzione. Nel 1944 il consumo era approssimativamente di 228.000ton; alla fine della Seconda Guerra mondiale tale consumo crollò a 10.000 ton/anno. Una analoga involuzione si ebbe in campo automobilistico un po’ più tardi, quando gli standard qualitativi e di resistenza richiesti aumentarono notevolmente, facendo preferire al magnesio materiali meno costosi e più collaudati. Storicamente la Volkswagen Beetle (il famoso Maggiolino) ha rappresentato la più consistente applicazione delle leghe di magnesio in campo automobilistico. In questa vettura si ottenne un risparmio A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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9. MAGNESIO E SUE LEGHE

di peso di ben 50 Kg realizzando la scatola del cambio e il carter del motore con una fusione di lega di magnesio piuttosto che con una fusione in ghisa. La diminuzione di peso era, in questo caso una scelta obbligata per la stabilità della vettura, poiché alloggiava il motore nella parte posteriore. La necessità di ridurre il peso dei veicoli in accordo con la legislazione che limita le emissioni ha portato ad un nuovo interesse nei confronti del Magnesio. La crisi energetica della fine degli anni ’70, indusse le case automobilistiche a concentrare le ricerche e gli investimenti verso i metalli leggeri. Nel 1998, con il rinnovato interesse, la richiesta di Magnesio è salita a 40.000 tonnellate/anno e la velocità di crescita, negli ultimi 10 anni si aggira intorno al 7% annuo.

Abbondante in natura;

Buona colabilità, in presso-fusione permette elevate pressioni di colata;

Possibilità di essere lavorato con elevate velocità di taglio;

Buona saldabilità con sistemi ad atmosfera protetta;

Buona resistenza a corrosione delle leghe ad elevata purezza;

Buona stabilità dimensionale, conferisce una velocità di ritiro costante durante la solidificazione e la quasi assenza di stress dovuti al ritiro;

Minore densità rispetto a qualsiasi materiale metallico con impieghi strutturali;

Elevata resistenza specifica.

Comparato con i materiali polimerici, possiede: Migliori proprietà meccaniche; Resistente all’invecchiamento; Migliori qualità di conducibilità elettrica e termica; Ottime caratteristiche di riciclabilità.

Considerazioni economiche hanno reso possibile l’utilizzo delle leghe di Magnesio e lo sviluppo delle tecnologie ad esse correlate, soprattutto in alcuni comparti come quelli dell’industria automobilistica, aeronautica e militare.

CARATTERISTICHE E CAMPI DI APPLICAZIONE

Minore densità fra tutti i materiali metallici strutturali.

• Componenti di automobili ed aeromobili e di dispositivi elettronici portatili.

Elevata resistenza specifica.

• Telai ed alloggiamenti per pannelli a cristalli liquidi, per computer desktop notebook, telefoni cellulari, ingranaggi, carter motori, etc.

Buona dissipazione del calore.

• La conducibilità termica del magnesio è molto più alta di quella della plastica. Le custodie di apparecchiature elettroniche possono dissipare il calore prodotto dai circuiti in maniera più

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9. MAGNESIO E SUE LEGHE

efficiente di quelle costruite in plastica, conservando le caratteristiche di leggerezza e portabilità.

Alloggiamenti per computer, proiettori LCD e TV.

Assorbimento delle vibrazioni.

• A causa della bassa densità che implica bassa inerzia, queste leghe possono assorbire efficacemente l’energia vibrazionale, il che è desiderabile in tutte quelle applicazioni in cui si ha la presenza di movimento meccanico. Tale capacità aumenta all’aumentare della deformazione.

Pianali di scorrimento per pick-up ottici e ventilatori elettrici.

Duttilità.

• Alcuni tipi di leghe di magnesio hanno una duttilità maggiore rispetto alle leghe di alluminio, possono quindi assorbire energia da impatto senza esibire un meccanismo di frattura fragile.

Volanti ed intelaiature di sedili di automobili.

Completa riciclabilità.

• Il magnesio può essere riciclato senza che vi sia alcun degrado delle proprietà fisiche. L’energia necessaria per il processo di riciclaggio, è minore di quella richiesta dagli altri metalli ed è pari al 4% di quella necessaria per la produzione della lega “vergine”.

Buona saldabilità in atmosfera controllata.

Abbondanza in natura ( il magnesio è il sesto elemento più diffuso sulla terra).

Schermatura elettromagnetica (EMI shielding).

• Gli alloggiamenti in magnesio forniscono una migliore schermatura elettromagnetica rispetto ad analoghi prodotti in plastica con metallizzazione. Alloggiamenti e rivestimenti di telefoni cellulari ed apparati di trasmissione radio.

Ottima lavorabilità alle macchine utensili.

• Le leghe di magnesio hanno una più bassa resistenza agli utensili da taglio rispetto alla gran parte dei materiali metallici. Ciò fa si che si possa tornirle e fresarle ad alta velocità risparmiando su tempi e costi di lavorazione e sull’usura degli utensili. Propria di tali leghe è la capacità di acquisire una elevata finitura superficiale che spesso non rende necessario il ricorso ad ulteriori lavorazioni.

ASPETTI NEGATIVI DELLE LEGHE DI MAGNESIO

•

•

•

•

Basso modulo elastico.

Limitata tenacità.

Lavorabilità per deformazione plastica a temperature superiori a quella ambiente.

Limitata resistenza meccanica e a creep alle temperature elevate.

Elevato grado di ritiro durante la solidificazione.

Elevata reattività chimica.

La pellicola di ossido, Mg(OH)2 , che si forma in ambiente atmosferico offre una debole protezione.

Il magnesio è un metallo molto attivo della serie galvanica; questo comporta problemi quando è a contatto con altri metalli più nobili. Per evitare la formazione di una cella elettrochimica in cui l’anodo è il magnesio, è necessaria la protezione con rivestimenti superficiali.

Limitata resistenza a corrosione soprattutto in particolari ambienti come quelli contenti cloruri.

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9. MAGNESIO E SUE LEGHE

RESISTENZA ALLA CORROSIONE CORR Nella scala dei potenziali elettrochimici, il magnesio occupa una posizione molto distante dai metalli strutturali comuni. Le leghe di magnesio sono fortemente sensibili alla corrosione galvanica su scala macroscopica, in tutti i casi in cui una struttura in magnesio viene collegata ad altre parti in metalli più nobili. nobili Il suo potenziale di soluzione si abbassa però per merito della formazione di una pellicola di ossido Mg(OH)2 che fornisce una buona protezione in ambienti rurali e industriali; la velocità di corrosione del magnesio in queste condizioni è intermedia tra quella dell’alluminio e dell’acciaio La pellicola di ossido dell’acciaio. superficiale è instabile per pH inferiori a 10,5 e ciò lo rende quindi sensibile all’attacco di molte soluzioni acide. acide Su scala microscopica si nota una forte forte influenza delle impurezze che generano composti più nobili (ricchi in Fe, Cu, Ni) i quali si comportano come catodi in presenza di un mezzo corrosivo, instaurando micro celle galvaniche. galvaniche Nelle moderne leghe di magnesio iperpure si ha un controllo molto spinto dei tenori di questi elementi (Fe<170 ppm, Ni<5 ppm, Cu<1300 ppm). ppm) Per i getti di qualità non vengono riutilizzati gli scarti di produzione ma solo pani di lega primaria. primaria

LA STRUTTURA CRISTALLINA CRISTAL LINA E CARATTERISTICHE CARATTERISTIC HE MICROSTRUTTURALI Il Magnesio possiede possiede una struttura cristallina esagonale compatto. I parametri di reticolo del metallo puro a 25 °C sono: a = 0,32092 nm e c = 0,52105 nm [2,4,8]. Il rapporto c/a è 1.6236 ed è tale da rendere il metallo altamente impacchettato. Il diametro atomico del magnesio esio è di 0,320 nm e questo lo rende compatibile con molti elementi utilizzabili come soluto nelle sue leghe. Alluminio, zinco, cerio, argento, torio e zirconio sono esempi di elementi alliganti.

A causa delle difficoltà nell’ottenere geometrie complesse complesse con operazioni di deformazione plastica e della bassa duttilità del magnesio a temperatura ambiente per i bassi sistemi di scorrimento, le leghe ottenute per colata predominano sopra i prodotti ottenuti per deformazione plastica.

Le caratteristiche cristalline influenzano i meccanismi di rottura del materiale:

I meccanismi di frattura più comuni che si verificano nelle leghe di magnesio sono il clivaggio e la frattura intergranulare. A elevate temperature, la cavitazione ai bordi di grano diventa un fattore importante nella frattura del metallo.

La ragione di tale comportamento dipende dalla microstruttura della lega. Infatti la rottura duttile si verifica quando la geometria della struttura cristallina è caratterizzata da diversi sistemi di scorrimento scorrimento attivi ed attivabili durante la deformazione; al contrario, il clivaggio si verifica in materiali aventi una struttura con pochi sistemi di scorrimento quale la struttura esagonale compatta (EC).Lo scarso numero di sistemi di scorrimento del magnesio spiega spiega la sua limitata duttilità e la sua tendenza a fenomeni di frattura fragile. La frattura intergranulare è dovuta, invece, a corrosione intergranulare o alla presenza di precipitati ai bordi di grano.

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Anche se il magnesio è poco duttile, a causa del limitato limitato numero dei sistemi di scorrimento, i getti presentano solitamente una certa porosità che, sotto carico, può dare luogo a fenomeni di microvuoti, e quindi, a seguito all’attivazione di ulteriori sistemi di scorrimento, ad un meccanismo di frattura d duttile. uttile. In condizioni di sollecitazione, la nucleazione di microvuoti è favorita anche dalla presenza di precipitati incoerenti con la matrice. La presenza di idrogeno favorisce la frattura intergranulare ed aumenta la porosità del magnesio.

I PROCESSI DI PRODUZIONE DEL MAGNESIO MAGNE SIO Il magnesio è il sesto elemento più abbondante sulla crosta terrestre e rappresenta circa il 2,5% della sua composizione. Il valore del diametro atomico del Mg rende possibile la formazione di estese soluzioni solide con diversi elementi.

Per la sua alta reattività chimica non è possibile trovarlo in natura nella forma metallica, ma in forma combinata. combinata Concentrazioni non trascurabili sono presenti nell’acqua di mare o in molte soluzioni saline concentrate presenti in natura, oltre che nei minerali.

I più diffusi metodi di produzione dei lingotti di magnesio si possono raggruppare in due processi distinti: distinti

elettrolitici, che interessano il cloruro di magnesio anidro (MgCl2) ricavato dall’acqua del mare, dai I processi elettrolitici, laghi salati e dalla magnesite.

I processi termici, termici, che interessano la riduzione dell’ossido di magnesio (MgO) per mezzo del ferro-silicio, ferro silicio, derivato dai minerali carbonati come la dolomite [CaMg(CO3)2] e la magnesite [MgCO3]. La calcinazione della magnesite produce anche anche ossido di magnesio, di cui un’enorme quantità viene usata per la produzione di refrattari.

La quantità di energia in gioco nella produzione di magnesio metallico è molto elevata a causa della sua reattività; si passa così dai 394 MJ/Kg del processo elettrolitico elettrolitico ai 276 MJ/Kg del processo termico.

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LE LEGHE DI MAGNESIO

Il magnesio si trova facilmente in commercio con purezze che superano il 99,80 %, tuttavia è raramente usato per applicazioni industriali senza essere legato con altri metalli, a causa delle sue proprietà meccaniche non eccelse.

Gli alliganti tipici come alluminio, manganese, zinco, torio, zirconio, argento, terre rare permettono di ottenere leghe leggere per applicazioni strutturali.

L’alligazione del magnesio con tali elementi è resa resa possibile dal suo diametro atomico (0,320 nm) che rende favorevoli i fattori dimensionali per l’ottenimento di soluzioni solide. La quantità massima di elementi alliganti è limitata dalla solubilità allo stato liquido dell’elemento nel metallo fuso così come dalle interferenze tra elementi competitivi aggiunti.

DESIGNAZIONE DELLE LEGHE L EGHE DI MAGNESIO La designazione e la composizione chimica a cui si fa riferimento per le leghe di magnesio è quella ASTM fissata nella ASTM B 275.

La designazione si compone di quattro parti, la prima indica i due principali elementi alliganti, la seconda la quantità in percentuale dei due maggiori elementi alliganti, la terza serve a distinguere leghe diverse, ma aventi la stessa quantità in percentuale dei due maggiori elementi elementi alliganti, infine, la quarta parte indica l’eventuale trattamento termico subito.

In figura i maggiori elementi chimici che oggi interessano le leghe di Magnesio e le sigle alfanumeriche con cui tali elementi chimici sono Designati.

Trattamenti termici e deformazioni plastiche subiti dalla lega, sono indicati seguendo la seguente simbologia: simbologia

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SVILUPPO DELLE LEGHE

EFFETTO DEGLI ELEMENTI ELEMEN TI DI LEGA La maggior parte delle applicazioni delle leghe Magnesio impiegano leghe a base di alluminio alluminio.

L’Alluminio, aggiunto in elevate quantità, quantità, per esempio il 9%, favorisce la colabilità e la resistenza; resistenza

Quando aggiunto in piccole percentuali promuove lo sviluppo di leghe con una maggiore duttilità, duttilità, che possono essere lavorate per deformazione plastica. plastica. La lega binaria contente il 3% di Al conferisce ottime proprietà di resistenza e duttilità al materiale, ma apprezzabile duttilità si ha anche con tenori di alluminio compresi tra il 5% ed il 6%.

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LEGHE PER GETTI CONTENENTI CONT ENENTI ALLUMINIO Il trattamento di tempra di soluzione e invecchiamento è potenzialmente praticabile, non sempre conveniente.

CURVE TENSIONE – DEFORMAZIONE DI LEGHE LEGH E DI MAGNESIO PER PRESSOFUSIONE PR ESSOFUSIONE CON ALLUMINIO

Nelle leghe prive di Al, Al, lo Zr è quasi sempre presente come potente affinante del grano cristallino (Zr Zr non è compatibile con la presenza di Al e Mn); Mn Attraverso una reazione si ha una fase ricca di Zr che agisce da nucleo per i grani. Lo Zr consente inoltre di rimuovere l’idrogeno per formazione di ZrH2.

L’aggiunta aggiunta di Silicio ha promosso lo sviluppo delle leghe per colata in sabbia. sabbia Le leghe contenenti Mg – Li – X vengono denominate leghe super-leggere; super ; l’aggiunta di litio riduce la resistenza, resistenza, ma aumenta la duttilità. duttilità. Esse vengono indurite per invecchiamento invecchiamento,, ma questo avviene già a 60°C 60°C; l’aggiunta aggiunta di altri elementi in lega ha lo scopo di aumentare da un lato la resistenza e dall’altro spostare verso temperature maggiori l’invecchiamento l’invecchiamento.

Queste leghe trovano largo impiego nelle automobili e nella fabbricazione di macchine utensili, utensili, soprattutto per componenti che subiscono brusche accelerazioni e decelerazioni.

Lo sviluppo di nuove leghe aventi il sistema Mg – Si, Si Mg – Al – Ca – (Terre Rare) e Mg – Li – X offre la possibilità di ottenere fasi si miste cubiche corpo centrato (ccc) ed esagonali (ec) (ec) e promuovono un materiale avente grana fine. fine

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UTS E TYS DI LEGHE DI D I MAGNESIO PER

EFFETTO DEL TRATTAMENTO TRATTAME NTO TERMICO NELLA

PRESSOFUSIONE CON MANGANESE MA NGANESE E

LEGA PER PRESSOFUSIONE AZ91

DIVERSE PERCENTUALI DI ALLUMINIO

RESISTENZA A CREEP Il Magnesio fonde a 650°C, conseguentemente si possono avere dei problemi a prevenire il creep in componenti fabbricati con leghe tradizionali.

Per esempio la lega AZ91 possiede una scarsa resistenza a creep sopra i 130°C. Il creep è determinato principalmente dal movimento delle dislocazioni, come attraversamento di piani di scorrimento o climb, anche se in molti casi si osserva in modo macroscopico lo scorrimento del bordo grano. Segli ostacoli al movimento delle dislocazioni, per esempio i precipitati, diventano meno efficaci si osserva un aumento dello scorrimento ed è proprio questo il caso che limita l’impiego della lega AZ91.

L’approccio generale che è stato seguito per aumentare la resistenza al creep può essere così schematizzato:

Il tentativo di incrementare le prestazioni della lega AZ91; Lo sviluppo di alternative economiche per ottenere leghe capaci di sopportare applicazioni intorno ai 200°C; Lo sviluppo di leghe per applicazioni sopra i 300°C, mediante mediante l’utilizzo delle terre rare (RE) o di elementi in lega simili;

AUMENTO DELLE PRESTAZIONI PRESTA ZIONI DELLA LEGA A BASE B ASE ALLUMINIO Il tentativo di incrementare le prestazioni della lega a base alluminio ha come vantaggio quello della grande colabilità, quando l’alluminio è intorno al 9%; Tuttavia Alluminio e Magnesio formano un intermetallico basso fondente (Mg17Al12) che pregiudica le proprietà a Creep. La scelta strategica si è indirizzata nella ricerca di elementi in lega che potessero formare degli intermetallici allici con l’Alluminio in modo da sopprimere la formazione della fase precipitata Mg17Al12. Ne risulta un diagramma ternario Mg-Al-Me Mg Me (dove con la sigla Me si intende il terzo elemento in lega) che descriverà la presenza di tre composti intermetallici: Mg17Al12, AlZMeW, MgxMey. Per eliminare la reazione A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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eutettica che porta alla formazione della fase precipitata, l’elemento Me dovrà reagire con l’Alluminio e formare l’intermetallico AlyMey. Questo può accadere solo se Al e Me hanno una grande affinità e quindi ndi la formazione di questo precipitato è preferita rispetto ad altri.L’analisi altri.L’analisi del diagramma ternario ha portato alle seguenti categorie di elementi in lega: Terre rare (Ce, Nd, etc.): • Mg-Al-Re; Mg Re; AE42; con temperature di lavoro sino a 175°C. Elementi alcalini (Ca, Ba, Sr): • Mg-Al-Ca; Mg Ca; MRI 153; con temperature di lavoro sino a max 200°C.

•

Un esempio di aumento della resistenza a creep con l’introduzione di elementi alcalini come Ca e Sr è stato messo a punto dal Magnesium Research Institute. Sono commercializzate due leghe: La lega MRI-153M: MRI : ha costi confrontabili con l’allumino 380. Ha colabilità, resistenza alla corrosione e proprietà meccaniche a temperatura ambiente confrontabili con la AZ91D; è però adatta a temperature di lavoro sino a 150°C ed è priva di berillio, che è un materiale tossico è che è introdotto nella AZ31 per aumentarne la fluidità della lega.

La lega MRI-230D: MRI : è adatta a temperature sino a 190 190-200°C. 200°C. La resistenza a Creep delle leghe MRI è notevolmente aumentata rispetto alla lega AZ91 ed a quella sviluppata con terre rare AE42, come si può notare dal grafico che rappresenta i dati ottenuti dalle prove a T=135°C e con σ pari a 85 MPa.

LEGHE RESISTENTI AL CREEP PRIVE DI ALLUMINIO ALLUM INIO E CON TERRE RARE RAR L’utilizzo di terre rare permettono permettono di aumentare le resistenza al creep senza alterare la colabilità (ovvero la fluidità del metallo fuso) delle leghe ottenute per presso-fusione. presso fusione. Si ha comunque una diminuzione della resistenza e duttilità a temperatura ambiente. Tipiche leghe sono: Lega per colata contente il 5% di Zinco con Terre Rare e Zirconio (ZE41) con tem temperature perature di lavoro sino a 150°C. Lega per colata contente il 3% di Terre Rare con Zinco e Zirconio (EZ33), con tem temperature perature di lavoro sino a 250°C. Leghe per deformazione deformazione plastica, plastica, contente il 4% - 5% di ittrio con terre rare e Zirconio (WE43, WE43, WE54), WE54), con temperature di lavoro sino a 300°C. 300°C

LEGHE CONTENTE ZINCO, ZINCO , TERRE RARE E ZIRCONIO ZIRCO Lega per colata contente il 5% di Zinco con Terre Rare e Zirconio (ZE41) con tem temperature perature di lavoro sino a 150°C. Possiede elevata resistenza ed è impiegata per fusioni, ottenute ad elevate pressioni, che operano da temperatura ambiente fino a 150°C. La versatilità di questa lega ne permette l’utilizzo per componenti aerospaziali, automobilistici, automobilistici, nell’industria bellica ed elettronica; tipici esempi sono: Casse per ingranaggi di elicotteri; Componenti per autovetture e per aerei; case per videocamere; componenti di computer; Cerchioni per autovetture e motociclette.

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LEGHE CONTENTE TERRE RARE, ZINCO E ZIRCONIO Lega per colata contente il 3% di Terre Rare con Zinco e Zirconio (EZ33), con temperature di lavoro sino a 250°C. Possiede eccellenti caratteristiche di colabilità (che permettono getti con geometria complicata) e di saldabilità unite ad una resistenza a creep fino a 250°C. • Viene impiegata per componenti in cui è richiesta resistenza a creep ma con basse sollecitazioni.

L’utilizzo prolungato, superiore alle 1000 ore, a temperature di 100 e 250° C può far diminuire la duttilità.

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LEGHE CONTENTI DI ITTRIO Leghe per deformazione plastica, contente il 4% - 5% di ittrio con terre rare e Zirconio (WE43, WE54), con temperature di lavoro sino a 300°C. Lega ad alta resistenza per impieghi sopra i 300°C, conservano buone caratteristiche meccaniche e resistenza a corrosione ad alta temperatura.

• Sono impiegate per componenti di aerei, sistemi di potenza, scatole di trasmissione di elicotteri, missili e in vetture da competizione. Le leghe per deformazione plastica sono impiegate anche per componenti motori aeronautici. L’utilizzo prolungato, superiore alle 1000 ore, a temperature di 100 e 250° C può far diminuire la duttilità.

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Trattamento termico: termico

Le leghe per colata sviluppano le migliori proprietà a seguito di un trattamento termico completo T6 ( 525°C per 8 ore; tempra in acqua calda o polimero, o raffreddamento in aria; Invecchiamento a 250°C per 16 ore seguito da raffreddamento in aria ).

Le leghe per deformazione plastica sono trattate con: •

•

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T6 ( 525°C per 4-8 4 8 ore, seguito da tempra in acqua calda o polimero, o raffreddamento in aria; Invecchiamento a 250°C per 16 ore seguito da raffreddamento in aria ).

T5, Invecchiamento a 250°C per 16 ore seguito da raffreddamento in aria.

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LEGHE RESISTENTI AL CREEP CONTENENTI TORIO TOR Leghe contenenti Torio, come la HZ22, mostrano una temperatura di servizio di circa 350°C 350°C,, che risulta essere la più alta temperatura di utilizzo delle leghe di Magnesio. La radioattività del Torio, Torio ne limita comunque l’utilizzo utilizzo come elemento alligante.

LEGHE RESISTENTI AL CREEP CONTENENTI SCANDIO SCA Lo sviluppo di leghe contenenti Scandio ha portato ad un successo nell’aumento aumento delle qualità resistenziali a creep, creep, ma un insuccesso dal punto di vista economico a causa dell’elevato dell’elevato costo di questo elemento in lega.

L’addizione di Sc fa aumentare il punto di fusione della soluzione solida di Magnesio; • L’alto punto di fusione fusione dello scandio (circa 1541°C), comparato con altre terre rare, suggerisce una diffusività più bassa nel Magnesio; La densità di questo elemento è bassa (3 g/cm3) rispetto a quella di molti altri elementi in lega; Unito con altri elementi in lega, può formare precipitati complessi che migliorano le qualità resistenziali sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura.

PRODUZIONE DI COMPONENTI COMPON ENTI IN LEGA DI MAGNESIO MAGN ESIO I processi di formatura delle leghe di magnesio si possono dividere in due gruppi: gruppi

PROCESSI DI PRODUZIONE PRODUZIO NE PER DEFORMAZIONE PLASTICA •

•

Sono effettuati a caldo perché le leghe di magnesio sono poco deformabili a temperatura ambiente in quanto la struttura cristallina esagonale compatta consente scorrimenti generalmente solo lungo i piani basali processi di produzione per getti. getti Le operazioni di deformazione plastica (estrusione, laminazione, forgiatura) sono eseguite a partire da 250°C 250°C perché a tali temperature si attivano altri sistemi di scorrimento delle dislocazioni su piani prismatici.

FORGIATURA E’ effettuata su billette o lingotti. I lingotti vengono realizzati in stampi permanenti di acciaio. Le billette per mezzo di pre-estrusione estrusione di lingotti, attraverso cui si passa da una struttura as cast ad una struttura lavorata. Le billette e lingotti vengono preriscaldati prima di subire il forging. Le leghe che si usano per il forging sono principalmente: AZ31A, AZ61A, AZ80A, QE22A, ZK21A e A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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ZK60A. Per questo processo si usano presse idrauliche o meccaniche con stampi aperti o chiusi.

Le proprietà meccaniche dei pezzi forgiati dipendono molto dall’incrudimento subito (rafforzamento da deformazione) e questo è inversamente proporzionale alla temperatura di forgiatura, tuttavia se quest’ultima è troppo bassa si va incontro alla rottura del pezzo. Le pressioni di forgiatura dipendono dalla temperatura e sono comprese tra i 100 e i 200MPa.

ESTRUSIONE L’estrusione a caldo ha lo scopo di formare barre ed un’ampia varietà di profilati. L’estrusione può essere realizzata con il metodo diretto o indiretto. Gli stampi sono realizzati in acciaio legato.

Le temperature di estrusione vanno da 300 a 450°C. I rapporti di estrusione vanno da 10 a 1 a 100 a 1. I prodotti ottenuti sono raffreddati con aria forzata o con acqua per mantenere una microstruttura fine e una omogeneità del metallo.

LAMINAZIONE Lingotti di forma piatta con lati arrotondati costituiscono il materiale di partenza per la realizzazione di lastre e piatti attraverso la laminazione. Ciascun lingotto è prima preriscaldato e quindi laminato. Il ciclo di laminazione prevede riscaldamenti intermedi tra laminazioni successive. La percentuale di riduzione in ogni passata e la temperatura di laminazione sono parametri che influenzeranno la struttura finale (anisotropia e dimensione dei grani). In genere nel ciclo di laminazione sono previste laminazioni a caldo in condizioni di tiepido e a temperatura ambiente.

PROCESSI DI PRODUZIONE PER FONDERIA •

Al contrario, il Mg e relative leghe sono particolarmente adatte alla fonderia. Il processo attualmente più utilizzato per la produzione di componenti in lega di magnesio è quello di fusione. In particolare per pressofusione, ma anche con colata in sabbia e colata in conchiglia.

Il processo di formatura in sabbia è economico, ma non si possono realizzare pezzi di complessità e accuratezza dimensionale elevate, inoltre i getti hanno una tendenza alla contrazione e quindi c’è necessità di diversi alimentatori. I getti hanno un peso che va da poche centinaia di grammi a più di 1400 kg.

Il processo di formatura in conchiglia prevede la presenza di uno stampo permanente. E’ adatto a produrre un numero di pezzi elevato e tale da ammortizzare il costo elevato dello stampo. Le finiture superficiali e le tolleranze dimensionali ottenibili sono superiori a quelle realizzabili con la formatura in sabbia. A causa di una solidificazione più rapida le proprietà meccaniche del prodotto finito sono superiori a quelle del prodotto in sabbia.

• Quando l’alimentazione è realizzata dal basso con una leggera pressione che vince la gravità (low pressure die casting), la turbolenza è minimizzata ed il riempimento dello stampo è unidirezionale.

• Nel processo di presso-colata (high pressure die casting: HPDC): o Lo stampo è riempito rapidamente (in 5-100ms) sfruttando la pressione generata da un pistone. Il metallo fuso, da una canale di alimentazione detto sleeve, attraverso un accurato sistema di distribuzione (runners e gates) posizionati all’interno dello stampo. Il metallo solidifica con elevata rapidità (da 100 a 1000°C/s), e ciò determina una granulometria molto fine e buone proprietà meccaniche del pezzo prodotto. L’HPDC è utilizzabile per la produzione in grossi volumi al fine di ammortizzare gli alti costi degli stampi. Le caratteristiche positive di processo e di prodotto rendono l’HPDC il processo maggiormente utilizzato nel settore automobilistico ed aeronautico. L’alta pressione riduce la porosità dei getti. Un ulteriore riduzione della porosità si ha con la presso-colata in vuoto. Necessità primaria di proteggere la lega liquida dal contatto con l’ambiente per evitare di infiammarsi, sopra 850°C si ha combustione spontanea con formazione di fiamma, (protezione del bagno liquido mediante miscela gassosa che consente di modificare lo strato di ossido sul pelo libero del liquido), inoltre, al contrario delle leghe di alluminio, la presenza di una pellicola di ossido sulla superficie del liquido non protegge il metallo dall’ulteriore ossidazione. Concezioni di impianti a ciclo chiuso con pani da fondere in ingresso e getti estratti dalla conchiglia in uscita. Per parti di grandi

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dimensioni si hanno presse da 400-2500ton, 400 2500ton, tempi di iniezione della lega di 10 10-100msec, 100msec, sovra-pressioni sovra pressioni nella fase di solidificazione solidificazione da 10 a 150bar e cadenze produttive dell’ordine di 1 getto al minuto.

I VANTAGGI E GLI SVANTAGGI SVA NTAGGI DELLA PRESSO-FUSIONE PRESSO FUSIONE DELLE LEGHE DI MAGNESIO POSSONO ESSERE COSÌ SINTETIZZATI: SINTETIZ

MIGLIORIE RAGGIUNTE NELLE TECNOLOGIE DI COLATA •

Mediante la formatura allo stato semisolido: semisolido 1) Ill metallo è colato a bassa temperatura in un recipiente in acciaio per un raffreddamento controllato nella regione semi-solida, semi , quindi riscaldato per un breve periodo, periodo, per essere successivamente formato per Squeeze o High Pressure Die casting.

MACCHINA DI PRESSO PRESSO-FUSIONE 2) Il metallo è colato in un recipiente ceramico, ceramico, dove è raffreddato in modo controllato allo stato semisemi solido.. In questo stato è quindi inserito in una macchina di pressofusione convenzionale High Pressure Die Casing.

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Il processo di Tixotropic–Casting è un procedimento di formatura del materiale allo stato semisolido tixotropico.

3) In questo schema le billette per essere adeguatamente preparate devono presentare, dopo la colata e il raffreddamento, una microstruttura omogenea e a grana fine.

CONFRONTO PROPRIETÀ MECCANICHE PRODOTTI OTTENUTI PER DEFORMAZIONE PLASTICA E PER FUSIONE

USO DEL MAGNESIO NELLE AUTOMOBILI Il Magnesio ha una lunga tradizione d’uso come un materiale leggero in il campo commerciale e specialmente nelle costruzione automobilistiche. Nelle macchine sportive sono state usate parti di magnesio nei 1920, ma il magnesio a getti non fu usato estensivamente nei veicoli commerciali fino a che nel 1936 fu presentato il modello “Coleottero” della Volkswagen. La macchina contenuto circa 20kg di magnesio nel propulsore e durante la sua produzione di vetta nel 1971, il consumo di magnesio arrivò a 42.000 tonnellate l’anno. Il consumo poi declinò, ma durante il corso dei 10 anni passati, la produzione in presso-fusione di getti di magnesio aumentò in media del 20% l’anno; l'uso di magnesio come un materiale leggero è strategico nell’industria automobilistica, questo è il motivo principale di questa crescita.

Per minimizzare peso e consumi di combustibile sono stati fatti grandi sviluppi tecnologici per migliorare le leghe di A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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magnesio fino al 1980.L'ulteriore crescita è prevista nei prossimi 10 anni. In Europa, l'aumento nell'usare magnesio come un materiale strutturale strutturale leggero è condotto dal gruppo Volkswagen, ma il materiale è usato anche dall'altra linee addizionali di produzione della DaimlerChrysler (Mercedes Benz), BMW, Ford e Giaguaro. Al momento, circa 14kg di magnesio è usato nelle VW Passat, Audi A4 & A6. Tutti questi veicoli usano trasmissione di magnesio, telai in getto di AZ91D, mentre circa un 20%-25% 20% 25% in peso è di alluminio. Gli altri usi includono pannelli, coperture di testa dei cilindri ecc. In nord l'America, l'uso di magnesio nell’industria automobilistica automobilistica è più avanzato. Il GM modello “Savana” e i furgoni “Espressi” usano 26kg di lega di magnesio. L'industria motoristica sportiva mondiale ha riconosciuto da molto tempo i vantaggi dell’uso delle leghe di magnesio in getti in sabbia sviluppate originariamente originariamente per l’industria aerospaziale. Il loro buon rapporto resistenza-peso resistenza peso rappresenta un grosso vantaggio per queste leghe. Le ZE41, le WE43 e WE54 sono usate in campo motoristico per la loro alta resistenza a stress ad alte temperature.

Lo schema schema in figura evidenzia come l’aumento di richieste da parte dei clienti, e la necessità di una maggiore sicurezza ha portato ad un incremento di peso del veicolo. Da qui la necessità di impiego di nuovi materiali e processi che portano all’alleggerimento.

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USO DEL MAGNESIO NEGLI NEG LI AEREI Leghe di magnesio sono usate estensivamente per una serie di componenti per elicotteri. ZE41 è una lega specificata per operare intorno ai 150°C, ha una eccellente colabilità e buone proprietà meccaniche. Per arrivare a più lunghi intervalli di ispezione e per questo migliorare la resistenza alla corrosione si è arrivati a preferire la lega WE43, per molti modelli di elicotteri MD500, Eurocopter EC120, NH90 e Sikorsky S92. WE43 ha inoltre il va vantaggio ntaggio rispetto alla ZE41 di superiori proprietà meccaniche. Leghe di magnesio sono usate con successo nell'industria degli aeroget, telai per motori, in aerei civili e militari (incluso il F16, Tornado e Tifone di Eurofighter).

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USO DEL MAGNESIO NEI PRODOTTI DOTTI ELETTRONICI Il Magnesio offre vantaggi in tutti gli aspetti. Anche se magnesio ha un più alto peso specifico rispetto alla plastica, il rapporto peso rigidità è significativamente più alto, rendendo possibile fabbricare oggetti leggeri. La conducibiltà conducibiltà di calore rispetto alla plastica e 100 volte maggiore rendendo più facile la dissipazione di calore.

Ha anche buone caratteristiche come schermante elettromagnetico e buona riciclabilità. Oggi, magnesio è usato estensivamente da molti grandi fabbricanti fabbricanti di prodotti elettronici come la Toshiba, Panasonic,JVC, Hitachi, Minolta, Nikon, NEC, Ericsson,Sony, IBM & Compaq. A causa delle sue proprietà fisiche e meccaniche uniche, il materiale ora è utilizzato per una serie più larga di apparecchi di famiglia, in un tentativo di migliorare l'aspetto e la riciclabilità di questi componenti. Nel 1998, la Società Elettrica Matsushita è riuscita nell'usare quasi esclusivamente magnesio nella produzione di un televisore 21 pollici. Le tecnologie che trattano per i componenti componenti elettronici fabbricati in magnesio si sta anche diversificando. Nel 1999, Sony ha lanciato con successo due modelli del Mini-disco Mini disco per Walkman-Sony Walkman Sony ; il MZ-R90 MZ R90 ed il MZE90. Ambo i modelli furono fabbricati da stampaggio della lega di magnesio AZ31.

AZ31. I componenti di magnesio espongono una finitura superficiale eccellente con spessori fino a 0.4mm-0.7mm.

0.4mm 0.7mm. I componenti elettronici stanno offrendo un mercato rapidamente in espansione per quanto riguarda l’uso di leghe di magnesio, nei getti e nello stampaggio. stampaggio. Nei recenti anni, cioè dal 1996 c'è stata un'espansione rapida nell’utilizzo del magnesio per gli apparecchi elettronici come, macchine fotografiche, macchine fotografiche digitali, proiettori, PC portabile, telefoni cellulari e piccoli televisori. I progettisti riconobbero ideali le proprietà di magnesio per la produzione di più piccoli ed agili componenti e questo ha condotto all’uso esteso della lega AZ91D. Il Sony DCR-VX1000 VX1000 fu la prima macchina fotografica videovideo digitale ad usare magnesio. Gli obiettivi obiettivi dei progettisti per la DCR-VX1000 VX1000 furono: • •

Riduzione di rumori e vibrazioni; Diminuzione del riscaldamento della macchina; A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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• • •

Adattabilità ad interferenze elettromagnetiche (EMI & EMS); La rigidità e resistenza in un piccolo prodotto; Riciclabilità.

USO DEL MAGNESIO NELLA DIFESA Prodotti di lega di magnesio sono usati per componenti militari in una serie larga di forme, incluso, getti, polveri e prodotti fucinati. Getti strutturali sono stati utilizzati in attrezzature dove la sua bassa densità ha avuto un vantaggio significativo per il peso. Getti di varie taglie sono molto usati in questo settore, dalla grande getto in sabbia utilizzato per componenti in veicoli armati, ai getti più piccoli in sabbia per attrezzature radar attrezzature portabili in genere.

Per i getti nell'industria di difesa ci si avvale in modo esteso della lega ZE41. Canne per fucili vengono estesamente prodotte con leghe di magnesio estruso, per facilitare il fuoco di un proiettile da un mm standard a 100 a 120 mm. Le leghe preferite per questo prodotto sono AZ80, AZ61 ed AZM. Il magnesio è molto utilizzato in polvere nell'industria militare, in artiglieria, poichè produce bruciando una notevole luminescenza e calore. Utilizzato quindi per luci di richiamo o in pirotecnica. Utilizzato anche nello sviare missili ad inseguimento infrarosso. Utilizzato dai paracadutisti illuminare il terreno ed gli obiettivi.

USO DEL MAGNESIO NELLA PRODUZIONE ELETTRICA I reattori nucleari contengono elementi di combustibile che consistono in sbarre di uranio contenuto all'interno di cilindri di magnesio. Una reazione a catena controllata coinvolge naturalmente atomi di U235 che subiscono spontanea divisione, generando neutroni che a loro volta provocano la divisione di altri atomi di U235. Un flusso di gas di diossido di carbonio attraverso dei canali, estrae calore dagli elementi in combustione e lo passa per la generazione di vapore. Naturalmente con l’uranio, come un combustibile, è essenziale, per selezionare un materiale di contenimento, che non assorba neutroni.

La scelta del magnesio sugli altri materiali fu basata sui vantaggi seguenti: • • • • • • •

Poca tendenza ad assorbire neutroni; Il magnesio non lega con l’uranio; Buona resistenza al diossido di carbonio a temperature di esercizio tra i 450°C - 500°C; Buona conducibilità termica; Buona duttilità; Caratteristiche di lavorazione alle macchine utensili eccellenti; Leggero e quindi facile da maneggiare.

USO DEL MAGNESIO NELLO SPAZIO Per giungere all'atmosfera rarefatta dello spazio, l'uso di materiali leggeri è essenziale a causa delle grandi quantità di energia e costi estremamente alti di trasportare attrezzature fuori dell’atmosfera terrestre. Le leghe di magnesio sono i metalli strutturali più leggeri a disposizione e sono state utilizzate nella costruzione di componenti di satelliti fin dal primo programma spaziale. Le leghe di magnesio per componenti satellitari sono usate principalmente nella forma fucinata con AZ31, AZM ed AZ61.

MAGNESIO UTILIZZATO PER LA FOTOGRAFIA Il magnesio fotografico è usato per una varietà di prodotti, particolarmente nell'industria stampante. Un rivestimento fotosensibile applicato ad una pellicola di magnesio speciale sul piatto permette all'utente di incidere chimicamente un'immagine nel piatto di magnesio mettendo in mostra un negativo cinematografico.

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MAGNESIO UTILIZZATO COME ANTI-CORROSIVO E NELLE BATTERIE - Il magnesio ha una posizione alta nella serie elettrochimica ed è perciò usato, per esempio, nel campo della protezione catodica e nelle batterie ad acqua marittime. Anodi di magnesio sono usati come catodi per proteggere strutture di acciaio dalla corrosione. Superfici di metallo si corrodono quando immerse in mezzi conduttivi come acqua, suolo, sabbia e fango. Si creano celle galvaniche ed un flusso di correnti si sposta dalle aree più reattive (l'anodo) ad aree meno reattive (il catodo). Il magnesio è perciò una buona scelta come anodo sacrificale. Quindi collegando un anodo di magnesio, l'attività corrosiva si trasferisce dalla struttura all’anodo, proteggendola, dando luogo al consumo dell’anodo su un periodo determinato di tempo. Anodi di magnesio sono appropriati per protezione di condutture di benzina, serbatoi di deposito industriali, serbatoi di acqua ecc.

- Una serie di leghe di magnesio è stata sviluppata per la produzione di elettrodi in celle che sfruttano come elettrolita acqua marittima. La cella crea una tensione a circuito aperta approssimativamente di 1,6 volt. Queste batterie possono essere usate per luci di emergenza. Le leghe utilizzate sono quelle più commerciali la AZ31 e la AZ61. Le batterie al magnesio sono costituite da un anodo a base di magnesio metallico, un catodo a base di grafite, un elettrolita polimerico a base di ioni magnesio, degli spaziatori con opportune caratteristiche dielettriche e dei collettori metallici di elevata conducibilità per le connessioni elettriche della batteria.

La nuova tecnologia delle batterie al magnesio promette di: •

• • •

Risolvere gran parte dei problemi di reversibilità e di reattività tipica dei sistemi a base di litio che ne impediscono il loro utilizzo pratico, soprattutto nel caso di sistemi ad alta capacità, necessari per la trazione elettrica; Ridurre l’impatto ambientale, essendo interamente composte da materiali biocompatibili; Abbassare i costi di produzione, dato l’esiguo costo del magnesio e degli altri materiali usati per la realizzazione; Consentire la realizzazione di batterie contenute in elementi strutturali dei veicoli e delle apparecchiature essendo composte unicamente da componenti solidi di facile lavorabilità.

UTILIZZO DEL MAGNESIO NELLA CHIMICA Il magnesio è usato come agente riducente nella chimica organica e come catalizzatore nella produzione di polietilene.

Questo utilizzo richiede polvere pura di magnesio.

MAGNESIO NELL'ACCIAIO DESOLFORATO Durante il corso degli ultimi 20 anni, il magnesio è stato utilizzato come materiale per la desolforazione del bagno caldo di acciaio nella sua produzione. Nella maggioranza dei casi, lo zolfo è un elemento indesiderabile nell’acciaio ed è tenuto al livello più basso compatibile col costo di produzione.

Il magnesio ha un'affinità chimica alta per lo zolfo e diversamente da altri reagenti di desolforazione, si dissolve bene nel ferro-carbonio col risultato che la sua reazione con zolfo è omogenea. Questo determina la condizione più favorevole per l'interazione di magnesio con lo zolfo. Oggi, i benefici realizzabili nell’usare reagenti di magnesio include: • • • • • •

Il reagente che a parità di costo opera meglio nella condizione ideale.

Non pericoloso per l’ambiente.

Bassi volumi di materiale per operare.

Generazione di poca scoria, che è inerte.

Basse perdite di ferro nella scoria.

Livello finale di zolfo che può scendere al disotto dello 0.002%.

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MAGNESIO COME ELEMENTO DI LEGA NELL'ALLUMINIO Approssimativamente 15 milioni di tonnellate di leghe di alluminio usano magnesio puro come elemento di lega. 80% della produzione del mondo di leghe di alluminio per forgiatura e 60% della produzione del mondo di leghe da getto usano magnesio come legante. Per la prima categoria, 0.1% - 4.4% di magnesio migliorano la formabilità e la saldabilità delle leghe di alluminio. Per la seconda categoria, 0.3% - 1.5% di magnesio migliora la resistenza alla corrosione e alla trazione e migliora le lavorazioni a caldo dei trattamenti seguenti.

Il magnesio che contiene leghe di alluminio è usato in 3 industrie principali: Per il 50% nella produzione di leghe di alluminio per il settore dei contenitori, con un consumo approssimato di 70.000 tonnellate l’anno. L'uso principale in questo settore è per la produzione di lattine da bibita, cibo inscatola ecc.

L'industria di automobili consuma 35% o 50.000 tonnellate del magnesio utilizzato dall'industria dell’alluminio. Leghe da fucinatura che contengono magnesio sono usate primariamente nella produzione di lamiere per automobili, mentre leghe da getto contenente magnesio sono usate nella produzione di teste di cilindro, pistoni e monoblocchi.

Profili strutturali estrusi per il rimanente 15% della richiesta per magnesio nell'alluminio, circa 20.000 tonnellate.

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FORME ALLOTROPICHE

LEGHE DI TITANIO L'aggiunta di elementi di lega al titanio influenza la temperatura della tra trasformazione sformazione α→β.. È pratica comune dividere gli elementi di lega in stabilizzanti stabilizzanti della fase α e di quella β. Ciò significa che, se si aggiunge al titanio uno stabilizzante della prima, la temperatura della trasformazione α→β aumenta; menta; il contrario, avviene per uno stabilizzante della seconda. Ad esempio, l'alluminio è uno stabilizzante della fase α,, come si può notare dal diagramma di stato titanio-alluminio, titanio alluminio, (Ti (Ti-Al).

Al). Analogamente si comportano l'azoto e l'ossigeno. Importanti stabilizzanti della fase β sono il cromo, il niobio, il ferro, il molibdeno, molibdeno, il rame, il tantalio, il vanadio, il manganese. Il diagramma diagramm di stato titanio-vanadio vanadio (Ti-V), (Ti V), analogo a quello titaniotitanio molibdeno, mostra mostra un campo di completa solubilità allo stato solido con formazione della fase β; il campo α è infatti molto ristretto. La sua massima estensione corrisponde sponde al 3,5% di vanadio (o all'1,8% di molibdeno). Lo stagno e lo zirconio non sono sostanzialmente né αstabilizzanti, né β-stabilizzanti. stabilizzanti.

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E' evidente da quanto sopra detto che la struttura di una lega di titanio può essere costituita dalla sola fase α dalle due fasi α+β o dalla sola fase β in relazione lazione ai tenori relativi degli elementi di lega α-stabilizzanti stabilizzanti o βstabilizzanti ti presenti e al trattamento termico. Le proprietà sono a loro volta direttamente legate alla struttura; così, le leghe monofasiche sono saldabili e duttili, li, quelle bifasiche sono ancora saldabili ma molto meno duttili. Le leghe bifasiche bifasiche sono meccanicamente più resistenti di quelle monofasiche, soprattutto soprattut perché il reticolo c.c.c.(cubico a corpo centrato) della fase β è più resistente di quello e.c.(esagonale compatta) della fase α.. Le leghe bifasiche α+β si possono rinforzare mediante trattamento termico, in quanto la struttura può essere modificata con un ciclo termico comprendente comprendente la tempra e l'invecchiamento.

EFFETTO ELEMENTI ALLIGANTI ALL

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SOLUZIONI SOLIDE E PRINCIPALI EFFETTI DEGLI ELEMENTI DI LEGA

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CLASSIFICAZIONE DEL TITANIO E SUE LEGHE

OSS: CREEP = Quando i materiali (metallici o polimerici) sono sottoposti ad uno sforzo perdurante nel tempo ad una temperatura superiore a circa ½ della loro temperatura di fusione espressa in K (gradi Kelvin), essi sono soggetti a A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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fenomeni di deformazione plastica progressiva nel tempo che li può portare a rottura; a tale fenomeno viene dato il nome di scorrimento viscoso, con termine inglese, creep.

PROPRIETÀ MECCANICHE DI RIFERIMENTO ED UTILIZZO UT ILIZZO DELLE 4 CLASSI CLASS

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TITANIO COMMERCIALMENTE COMMERCIALME NTE PURO CP

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LEGHE ALFA

Applicazioni della lega Ti-5Al-2,5Sn sono; per tubazioni di scarico di motori di aeroplano, componenti in lamierino lavoranti fino a circa 480°C, serbatoi per combustibile di missili e di parti strutturali operanti per un breve periodo fino a 600°C.

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LEGHE QUASI ALFA

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LEGHE ALFA-BETA ALFA

Queste leghe contengono elementi di lega β-stabilizzanti stabilizzanti in tenori tali da assicurare sicurare alla temperatura ambiente la presenza di una certa quantità della fase β metastabile accanto alla fase α stabile. stabile La fase α,, rinforzata dagli elementi β-stabilizzanti, stabilizzanti, è più resistente di quella α; α; conseguentemente la lega α+β è più resistente, specialmente a caldo.

Le leghe α+β possono essere ulteriormente rinforzate da una tempra seguita da un invecchiamento a temperatura moderatamente elevata. Contrariamente all'usuale procedimento, nella tempra si evita di entrare nel campo β e di formare quindi la sola soluzione solida omogenea β.. Se infatti si formasse questa soluzione, la lega temprata sarebbe costituita da grani grossolani di β sovrassatura; l'invecchiamento a sua volta farebbe precipitare precipitare la fase α prevalentemente lungo il bordo dei grossolani grani β. β. Con ciò si ridurrebbe drasticamente la duttilità della lega invecchiata, senza accrescerne accrescerne eccessivamen eccessivamente te le proprietà resistenziali.

Si preferisce eseguire la tempra a partire dal campo α+β e condurre l'invec l'invecchiamento chiamento a temperatura alta, ma inferiore, in modo da far precipitare particelle particelle coerenti di fase α dalla fase β metastabile originando così una struttura con una resistenza meccanica superiore anche del 35% di quella α+β β grossolana lana iniziale. Così la struttura martensitica si ritrova nella lega Ti-6Al-4V Ti 4V temprata in acqua da 1070°C.

La maggioranza delle leghe α++β è saldabile; saldabile; ma con qualche diminuzione della duttilità del giunto. giunto Tipiche leghe di questa classe sono la Ti-6Al-4V per palette e dischi schi del compressore delle turbine a gas e la raccorderia forgiata di telai di aeroplano; aeroplano; la lega Ti-8Mn 8Mn per fusoliera di d aereo ed elementi strutturali priprimari lavoranti nell'intervallo di temperatura tra 90 e 320°C. 320°C

Struttura ottenuta partendo dal campo Alfa+Beta

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Struttura ottenuta partendo dal campo Alfa+Beta sotto MSS (Inizio formazione Martensite)

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LEGHE BETA Le leghe hanno a temperatura ambiente un reticolo c.c.c. ed una microstruttura allo stato ricotto di fase β (metastabile). Questa microstruttura è ottenuta per la presenza di alti tenori di elementi β-stabilizzanti come il vanadio ed il cromo. A differenza delle leghe α, quelle β possono essere indurite con un opportuno trattamento termico di invecchiamento che, se condotto ad alta temperatura, determina la precipitazione di finissime particelle come il composto TiCr2. È quanto si ha nella lega Ti-13V-11Cr-3Al dopo solubilizzazione da 790°C ed invecchiamento a 500°C per 48h. Si raggiungono carichi unitari di resistenza di 1500 MPa (del 50% più elevati della lega allo stato ricotto) con allungamenti del 5%.

Le leghe β sono state impiegate per componenti di aereo richiedenti alta resistenza a moderata temperatura ed altri componenti di elevata resistenza.

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CARATTERISTICHE MECCANICHE LEGHE BETA

STRUTTURA OTTENUTA PARTENDO DAL CAMPO BETA

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STRUTTURE OTTENIBILI CON TRATTAMENTO D’INVECCHIAMENTO

In pratica; il meccanismo è quello di riscaldare la lega, in un range che va da 750 a oltre i 1000°C, raffreddarla velocemente (tempra), in modo da avere a temperatura ambiente la fase β-metastabile, e la fase α limitata ad alcune isole. Con il successivo riscaldamento tra i 400 e 500°C dopo invecchiamento di alcune ore si ottiene la precipitazione di finissime particelle α dalla fase β, creando una struttura più resistente.

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PROPRIETÀ DEL TITANIO E SUE LEGHE

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10. TITANIO E SUE LEGHE

Le leghe seguono un modello simile, anche se la loro conducibilità termica tende ad aumentare maggiormente a temperatura elevata; la maggior parte delle leghe mostra un incremento del 60 - 80% fra temperatura ambiente e 500°C. Altre proprietà seguono più da da vicino le tendenze del titanio CP.

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10. TITANIO E SUE LEGHE

IL TITANIO NELLE LAVORAZIONI LAV ORAZIONI ASSORBIMENTO OSSIGENO OSSIGEN

SALDATURA

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LAVORABILITÀ ALLE MACCHINE UTENSILI

APPLICAZIONI DEL TITANIO E SUE LEGHE

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

■ LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI 11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI Il perché dei processi non convenzionali deve ricercarsi in due motivazioni sostanziali: •

•

Attraverso i secoli utensili e forme di energia (necessarie per utilizzare gli utensili) si sono evolute con l’obiettivo di rispondere alla crescente complessità ed alle esigenze di un prodotto.

Ogni volta che l’uomo ha fatto propria una NUOVA FONTE DI ENERGIA, o ha scoperto operto NUOVI MATERIALI, l’umanità ha fatto un passo in avanti nella qualità della vita, l’efficienza e la capacità di produzione sono aumentate.

Nello stesso tempo, appena vecchi problemi venivano venivano risolti, nuovi obiettivi o nuovi problemi si presentavano, il mondo o della produzione attuale per esempio esempio si pone problemi del tipo:

Come ottenere un foro di 2 mm di diametro e 600 mm di profondità, rispettando tol tolleranze leranze dimensionali e di forma Esiste un processo di saldatura che è in grado di eliminare danneggiamenti danneggiamenti termici nella zona termicamente alterata alterata.

Sin dal 1940 è in atto una rivoluzione nel settore della produzione che ancora una volta ha come obiettivo quello di lavorare oggetti di forma complessa o realizzati in materiali materiali con bassa lavorabilità. Come nel passato, questa rivoluzione si concentra sulla scoperta di Nuovi materiali e Nuove forme di energia. energia Il risultato è stata l’introduzione nel mondo industriale di nuovi processi di lavorazione utilizzati per ASPORTARE, FORMARE, UNIRE i materiali. Questi Questi processi sono conosciuti come: LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI. CONVENZIONALI. Queste si differenziano in base alle forme di energia utilizzate:

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

Negli ultimi 50 anni più di 20 differenti Lavorazioni non Convenzionali sono state scoperte ed implementate con successo nella produzione. La ragione di questo sviluppo è la stessa che giustifica il proliferare delle tecnologie convenzionali: OGNI PROCESSO HA LE PROPRIE CARATTERISTICHE ED I PROPRI LIMITI. NON ESISTE ATTUALMENTE UN PROCESSO CHE PUO’ESSRE UTILIZZATO IN TUTTE LE SITUAZIONI. Diverse sono le motivazioni che vedono l’introduzione delle Lavorazioni non Convenzionali in produzione. Tra queste si evidenzia:

aumentare la produttività ridurre il numero di lavorazioni complessive da effettuare su di un prodotto realizzare in modo più veloce delle operazioni ridurre il numero degli scarti, incrementando la ripetibilità diminuire il danneggiamento durante la lavorazione di materiali fragili ridurre il danneggiamento delle proprietà del materiale in lavorazione rispondere ad esigenze che i processi convenzionali non possono fornire.

Come già sottolineato anche le lavorazioni non convenzionali comportano dei limiti. Con riferimento per esempio alle lavorazioni convenzionali per asportazione di truciolo o per abrasione, ci sono situazioni in cui questi processi non sono soddisfacenti da un punto di vista economico e per altre ragioni come: 1.

2.

3.

Produzione di scarti di materiale Necessitano di più energia, capitali e manodopera rispetto ai processi primari Se non eseguiti correttamente possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e sulle proprietà del prodotto

Mentre le Lavorazioni Non Convenzionali risultano migliori nei seguenti casi 1.

2.

3.

4.

5.

La DUREZZA e la resistenza del materiale è molto alta, oppure il materiale è troppo fragile Il MATERIALE E’ TROPPO FLESSIBILE o deformabile per sopportare le forze di taglio oppure il componente E’DIFFICILE DA AFFERRARE CON I DISPOSITIVI DI FISSAGGIO La FORMA DEL COMPONENTE E’ COMPLICATA, per esempio con delle scanalature interne e non passanti in un foro, Le DIMENSIONI della lavorazione da realizzare pone dei limiti, come per esempio i fori di piccolo diametro (fori di un iniettore di combustibile) Sono possibili FINITURE SUPERFICIALI e tolleranze migliori di quelle ottenibili con altri processi.

Come le lavorazioni convenzionali, quelle non convenzionali sono caratterizzate da:

TIPO DI UTENSILE con cui vengono realizzati i processi TIPO DI SORGENTE ENERGETICA che è utilizzata nel processo. Sono utilizzate le seguenti sorgenti di energia: o MECCANICA o CHIMICA o ELETTRICA o TERMICA In genere, le proprietà meccaniche del materiale del componente in lavorazione, non sono significative, perché QUESTI PROCESSI SONO BASATI SU MECCANISMI CHE NON METTONO IN GIOCO LA RESISTENZA, LA DUREZZA, LA DUTTILITA’ E LA TENACITA’ DEL MATERIALE Utensili e sorgenti di energia utilizzati nelle lavorazioni non convenzionali sono in genere indicati per materiali duri e di forma complessa. Inoltre non producono forze (possono utilizzarsi per componenti flessibili), temperature significative o tensioni residue L’EFFETTO DI QUESTI PROCESSI SULLA INTEGRITA’ SUPERFICIALE DEVE ESSERE STUDIATA PER UNA CORRETTA PROGETTAZIONE DEL PROCESSO A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

Una prima classificazione delle Lavorazioni Non Convenzionali potrebbe essere riferita alla variazione della massa del pezzo in lavorazione prima e dopo la lavorazione stessa. Questa viene riassunta nella tabella seguente facendo riferimento anche alle lavorazioni convenzionali.

In questa sta sede tratteremo l’Asportazione con processi non convenzionali quali: • • • • • •

Laser Plasma Waterjet - Abrasive Waterjet Ultrasuoni Elettroerosione Elettrochimica

Volendo classificare in modo più preciso tali processi non convenzionali dovremmo riferirci all all’energia rgia che viene impiegata, ossia: Meccanica, Meccanica Chimica, Chimica Elettrochimica e Termica.

Termica Nella seguente struttura gerarchica, di seguito descritta, è possibile riassumere tutti i processi non convenzionali per asportazione di trucciolo.

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

1.

2.

3.

4.

Processi basati su energia Meccanica Getto abrasivo, getto d’acqua, getto d’acqua d’acqua abrasivo (AJM), ( ), flusso abrasivo Asportazione per ultrasuoni, ultrasuoni, Saldatura per ultrasuoni (USM) ( Formatura ad elevata velocità di deformazioni Processi basati su energia Elettrochimica (ECM) Improntatura, foratura Rettifica, Fresatura, Tornitura Processi basati su energia Chimica (CHM) Fresatura Tranciatura Tranciatur Processi basati su energia Termica Lavorazioni per elettro-erosione elettro EDM (fresatura, foratura, taglio) Lavorazioni al fascio elettronico EBM (asportazione, (asportazione, taglio, saldatura, trattamenti termici) Lavorazioni al fascio Laser LBM (asportazione, taglio, saldatura, trattamenti termici) Lavorazioni ad arco di plasma (PAM (PAM)

Nella seguenti tabelle riassuntive sono indicate le applicazioni delle summenzionate lavorazioni in funzione del materiale da lavorare e l’effetto l’effetto ottenuto. ottenuto

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

Di seguito vengono paragonate le finiture superficiali superficial e le tolleranze dimensionali. dimensionali

Mentre il diagramma sottostante relaziona il tasso di asportazione (volu volume orario)) con l’l’efficienza efficienza in termini di potenza richiesta al processo per essere eseguito.

Di seguito verranno presentati separatamente le strutture gerarchiche dei processi partendo dal tipo di energia utilizzata per definire in cascata: meccanismo/azione meccanismo/azione, sorgente di energia, energia, mezzo di trasferimento dell’energia e quindi il nome del processo. processo A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

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11. INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI

Sulla base degli attributi descritti, le Lavorazioni non Convenzionali hanno avuto una costante crescita sin dalla loro introduzione.

Un aumento di questa crescita è auspicabile e prevedibile per le seguenti ragioni:

Hanno capacità non limitate rispetto ai processi convenzionali, eccetto per i TASSI DI ASPORTAZIONE del materiale. Con l’aumentare dei tassi di asportazione, i tempi ed i costi di lavorazione diminuiscono. Il mondo industriale e della ricerca sta facendo grandi sforzi per aumentare il tasso di asportazione di questi processi La maggior parte delle Lavorazioni non Convenzionali è completamente controllabile dal computer (controllo dei parametri di processo) e quindi presenta maggiore AFFIDABILITA’e RIPETIBILITA’ Possibilità di CONTROLLO ADATTATIVO attraverso l’utilizzo di sistemi visivi o altre tecniche di ispezione durante la lavorazione.

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM) IL PROCESSO Il processo di cui parleremo può essere sintetizzato nei seguenti punti: • • • •

• •

Il materiale è rimosso per l’azione di un flusso focalizzato di gas e di abrasivo.

Il gas agisce da propellente su particelle abrasive che raggiungono velocità di 300 m/s.

L’azione erosiva è utilizzata per effettuare lavorazioni di taglio, incisione, pulitura, sbavatura, lucidatura e foratura.

Il meccanismo è quello della asportazione di truciolo; è particolarmente efficiente su materiali duri e fragili (vetro, silicio, tungsteno e ceramiche). Non sono lavorabili con efficienza materiali tenaci come gomme e plastiche.

Assenza di vibrazioni per le piccole forze in gioco (particelle abrasive con massa piccola). Ne deriva la possibilità di produrre dettagli fini e complicati su diversi componenti fragili Il calore che si sviluppa è asportato dal gas propellente.

IL PRINCIPIO FISICO • • •

•

Piccole particelle abrasive, sono accelerate in un getto di gas Il flusso (gas e particelle) è direzionato verso il fuoco della lavorazione (in genere posizionato a meno di 1mm dalla punta dell’ugello) All’impatto delle particelle sulla superficie, esse causano piccole fratture del materiale in lavorazione ed il gas del getto rimuove particelle abrasive ed il truciolo prodotto.

Una stima del tasso di asportazione è:

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L’ATTREZZATURA

IL SISTEMA DI PROPULSIONE DEL GAS ED IL SISTEMA DI DOSAGGIO A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

Il sistema di propulsione del gas deve permettere un gas pulito e secco. Si possono utilizzare due soluzioni: 1.

2.

Compressore d’aria per cui si devono prevedere filtri atti ad evitare la contaminazione da olio o acqua.

Bombole di gas (N2, CO2) I costi sono contenuti per il basso consumo (9.5 l/h) Il gas è pulito Si deve evitare l’utilizzo di O2 per il pericolo di incendi.

Il sistema di dosaggio deve permettere l’introduzione dell’abrasivo nel flusso di gas in modo uniforme e regolabile. In genere è permesso da un sistema a vibrazione; la portata in questo caso è regolata dall’ampiezza delle vibrazioni.

IL SISTEMA DI GUIDA E DI RACCOLTA DELL’ABRASIVO Il sistema di guida permette di direzionare il getto di gas e abrasivo sul pezzo. E’in genere movimentato a mano e monta all’estremità, l’ugello. Sulla superficie del pezzo si possono posizionare delle maschere.

Il sistema di raccolta dell’abrasivo è necessario per guidare le particelle in una camera di esaurimento, mantenendo la visibilità e l’isolamento, specialmente per abrasivi o materiali asportati tossici.

L’UGELLO E LE MASCHERE L’ugello è di materiale:

In WC. Disponibile con fori circolari o quadrati; costo di circa 10 €/ugello. Ha una vita media di circa 30 h In zaffiro. Disponibile con fori circolari; costo di circa 30 ÷80 €/ugello. Ha una vita media di 300 h.

Diametri medi della sezione circolare di 0.12÷1.25mm e dimensioni della sezione rettangolari 0.07 ÷0.17mm x 0.5 ÷3.8mm.

La vita media è funzione dell’operazione.

Operazioni di maggiore precisione come il taglio, richiedono frequenti cambi dell’ugello rispetto a quelle di etching o cleaning in quanto l’aumento dell’usura porta ad una diffusione del flusso (overspray).

Questo effetto e meno sentito per ugelli rettangolari.

Le maschere permettono di controllare l’overspray o di realizzare intricati dettagli senza necessità di muovere l’ugello.

Sono in gomma (facili da fabbricare ma consentono scarsa definizione) o in metallo (max definizione ma sensibili all’erosione).

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12. LAVORAZIONI A GETTO GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

GLI ABRASIVI La scelta è legata al tipo di applicazione da realizzare:

Al2O3 per pulire, tagliare, sbavare; SiC per materiali duri.

La opacizzazione di superfici è realizzata ealizzata con perline di vetro.

Vetro frantumato (spigoli vivi) realizzano puliture o martellature più pesanti.

Applicazioni più leggere con Na2CO3 (problemi perché igroscopico). Le dimensioni del diametro delle particelle di abrasivo è ~10μm μm÷50μm Dimensioni maggiori maggiori per taglio o martellatura Dimensioni minori per pulitura.

Non sono riutilizzabili perché il truciolo impasta l’ugello. l’ugello. Eliminarlo non costa molto: Costo abrasivo 3 ÷20 €/kg Consumo abrasivo ~300 g/h g/h.

I PARAMETRI DI PROCESSO PROCE

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

1. DISTANZA UGELLO-SUPERFICIE UGELLO SUPERFICIE La distanza dell’ugello dalla superficie (SOD (SOD) influenza la larghezza di taglio e la conicità del kerf. kerf L’angolo di divergenza del getto è di circa 7°.

Le operazioni di taglio sono in genere realizzate con l’ugello a circa 0.8mm dalla superficie del pezzo, dove si ha un kerf con una bassa conicità. conicità Aumentando la distanza da 5 a 12.5mm, il getto getto abrasivo tende ad allargarsi ed è p più indicato per operazioni di pulitura o martellatura. martellatura. Operazioni più leggere come la smerigliatura del vetro, sono realizzate a distanze tra 25 e 75mm..

MODELLO PER IL CALCOLO CALCO DEL PROFILO DELLA SCANALATURA SC ANALATURA Il profilo della zona lavorata è caratterizzato da un diametro diametro in ingresso, da un raggio di raccordo in ingresso, da una profondità massima e da un raggio di raccordo nella zona centrale. Questi parametri sono fortemente dipendenti dalla distribuzi parametri distribuzioni oni di massa, velocità e densità delle particelle nel getto. getto

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

Il tasso di asportazione maggiore si ha ad una distanza dell’ugello compresa tra 5mm e 15mm. Le lavorazioni di taglio sono perciò possibili a spese del tasso di asportazione

2. PORTATA ABRASIVO La portata di abrasivo Q influenza il tasso di asportazione:

Una Q maggiore implica tassi di asportazione maggiori perché aumentano le particelle di abrasivo Oltre un certo valore, l’aumento di particelle riduce la velocità e quindi giustifica il calo successivo del tasso di asportazione.

3. PRESSIONE DEL GAS La pressione non ha effetti sensibili sul tasso di asportazione, ha invece effetti sulla vita dell’ugello; si evitano pertanto pressioni superiori a 560÷630 kPa.

4. TIPO DI ABRASIVO Un aumento delle dimensioni dell’abrasivo comporta:

tassi di asportazione maggiori un drastico aumento del MRR della zona centrale del getto

LE CAPACITÀ DEL PROCESSO • • • • • •

Tassi di asportazione bassi. In genere di circa 0.015 cm /min (ipotizzando uno spessore di 0.5 mm ed un kerf di 0.45 mm, questo tasso porta ad una velocità di taglio vt= 76 mm/min).

L’abilità di tagli intricati in materiali duri e fragili aumenta con il diminuire del tasso di asportazione ÷ 0.25mm Con ugelli rettangolari, si possono realizzare scanalature di 0.12mm Tolleranze di lavorazione 0.05mm ÷ 0.12mm. I valori più piccoli ottenuti con tecniche appropriate.

Il minimo raggio ottenibile nei raccordi è 0.2mm.

Finiture superficiali 10m÷50m. I valori più piccoli ottenuti con abrasivi di minore dimensione.

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

•

E’possibile il taglio di acciai e materiali duri e fragili. Lamiere di Acciaio di 1.5mm e lastre di vetro di 6.3mm sono stati tagliati ma con bassi tassi di asportazione e con una conicità del kerf di 0.12mm/mm. La conicità può essere eliminata su uno dei profili inclinando l’ugello

APPLICAZIONI L’ AJM è in grado di eseguire le seguenti lavorazioni impossibili da realizzare con processi convenzionali:

Praticare un foro di 0.2mm, senza sbavature, della grandezza di un ago ipodermico.

Praticate uno smusso di 0.08mm dal bordo di un wafer di arsenato di gallio.

Fresare un’asta sospesa di 0,13mm in fragili cristalli di quarzo wafer senza microfratture.

Cubetti di arsenide di gallio, silicio o substrati ceramici senza scheggiare o fratturare i margini.

Micro-smerigliatura di superfici critiche e diametri interni/esterni senza alterare la loro integrità.

Pulisce e rivela graniglia, la veste CBN e molatura delle ruote di diamante durante i cicli di produzione.

Riduce la rottura delle ruote di molatura mantenendo una superficie costantemente ruvida.

Prepara precisamente i calchi dentali.

Incide solchi di 0.25mm nel vetro, ceramica o metallo.

Rimuove l’ossidazione da capolavori inestimabili senza alterare la superficie del dipinto.

Fra i principali esempi di lavorazioni si contemplano:

Di seguito si elencano le principali applicazioni indicando i settori di appartenenza.

•

•

LAVORAZIONI METALLICHE: o Sbavare le aree critiche di parti lavorate. o Forare/tagliare sezioni sottili o metalli temprati o Applicare nomi commerciali, marchi di fabbrica sulle parti. o Rimuovere il cromo o strati anodizzati. o Rimuovere rigature della lavorazione o difetti. o Rimuovere corrosione o contaminanti. o Preparare le superfici per l’assemblaggio.

SETTORE MEDICO: o Rimozione delle scorie laser da componenti Nitinol. o Sbavatura, foratura e modifica superficiale dei calchi, impiantabili e IV componenti.

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12. LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM)

•

•

•

•

•

o Pulitura e sbavatura di strumenti chirurgici. o Rimozione di strati dai cateteri e guide metalliche filiformi.

RETTIFICA: o Esporre la graniglia sulle resine CBN unite alle mole. o Pulire residui dalle mole diamantate. o Preparare mole di ogni dimensione e forma. o Pulire/preparare durante i cicli di rettifica. o Processo automatico che non necessita di alcun operatore. o Induce la pulitura controllando l’amperaggio. o Riduce il calore, minimizza le parti eccessivamente surriscaldate.

ELETTRONICA: o Smontaggio preciso, cablaggio critico senza danneggiamento. o Ripara resistori e condensatori. o Crea percorsi conduttivi nei micromoduli. o Prepara lastre ceramiche elementari. o Lavorazione di semiconduttori e sottostrati. o Lavorazione di fragili quarzi e parti cristalline.

VETRO: o Tagliare fibre ottiche senza alterare la lunghezza d’onda. o Tagliare, forare e smerigliare con precisione lenti ottiche. o Tagliare sezioni di vetro estremamente sottili. o Tagliare modelli intricati e curvi. o Tagliare, incidere aree interne normalmente inaccessibili. o Pulire/preparare i grani abrasivi delle mole.

SBAVATURA: o Per aree critiche di parti con alta precisione, per il diametro sia interno che esterno, per localizzare il materiale da rimuovere o eccedente senza influire sulle aree adiacenti.

LAVORAZIONI PLASTICHE: o Adatta le superfici all’interno della forma. o Rimuove l’effetto riflettente dalle operazioni di rifinitura e dai getti.

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM) IL PROCESSO • • • • • • •

Permette il taglio di materiali non metallici (legno, carta, cuoio). Utilizzato anche per sbavare e togliere la guaina dai fili.

Utilizza l’azione abrasiva di un getto d’acqua ad alta velocità (Prime applicazioni nel 1960).

Processo molto veloce. Permette tagli di qualità superiore a quelli ottenuti con tecniche convenzionali.

Assenza di usura o rotture utensili.

Assenza di polveri volatili.

Costo complessivo dell’unità WJM: 60k€ ÷ 100k€ È realizzato con un getto d’acqua collimato, uscente da un ugello speciale, alla velocità di 900m/s. La distanza ugello-pezzo è ~25mm. Per distanze superiori il fascio diverge per l’interazione con l’aria. L’azione di taglio è comunque garantita sino a 250mm.

IL PRINCIPIO FISICO DINAMICA DEL GETTO

Un getto d’acqua libero in aria presenta una zona conica di liquido, circondata da una fascia nella quale si mescolano liquido ed aria.

Nella ZONA 1 dove la pressione dinamica dell’acqua è costante e pari al valore di uscita dall’ugello; sono costanti anche densità e velocità. L’ampiezza L1 di tale zona, funzione di Re, tipo di moto, finitura superficiale ugello, è circa 40 ÷160 volte il diametro dell’ugello.

La ZONA 2 (di transizione) dove pressione, densità e velocità diminuiscono. L’aria è intrappolata all’interno del getto. La lunghezza della zona di transizione è 90 ÷600 volte il diametro dell’ugello.

Nella ZONA 3 il getto è un insieme di aria e gocce di liquido.

Quando il getto ad alta velocità colpisce una superficie solida, può generare diversi tipi di frattura, in funzione della pressione dinamica, della resistenza del materiale e da particolari caratteristiche di questo ultimo come, la dimensione del grano, la duttilità, la permeabilità, la presenza di fenditure o di piani di minore resistenza nel caso di materiali fragili.

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

MECCANISMI DI ASPORTAZIONE

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

L’ATTREZZATURA L’attrezzatura ttrezzatura per il taglio con getto d’acqua d’acq è parte principale anche di quella per il taglio con getto d’acqua abrasivo

CIRCUITI ACQUA/OLIO

SISTEMI DI GENERAZIONE GENERAZIO NE DELLA PRESSIONE

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

L’INTENSIFICATORE

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

TUBI TRASPORTO ACQUA IN PRESSIONE Diverse valvole On-Off On Off sono previste sull’intero circuito di alta pressione e possono essere azionate in moto automatico o manuale. Il circuito di alta pressione è inoltre realizzato con tubi rigidi per l’impossibilità attuale dei tubi flessibili di resistere resist oltre 200MPa.

L’UGELLO

Inizialmente le unità WJM utilizzavano acqua con polimeri (Teflon) per ridurre l’attrito con l’ugello e conferire proprietà coesiva al getto Attualmente si preferisce curare la progettazione dell’ugello per ottenere un getto collimato.

Il diametro dell’ugello è 0.07mm ÷0.5mm, ÷0.5mm, raramente maggiore di 1mm perché grandi diametri implicano sistemi di pompaggio capaci capaci di garantire alte portate.

Il materiale è zaffiro sintetico, sintetico, facilmente lavorabile lavorabile e resistente all’acqua.

L’inserto in zaffiro costa 5€÷50€ €÷50€ e può essere ssere sostituito in 2min ÷10mm. ÷10mm La vita media dell’inserto è ~250h ÷ 500h, 500h, specialmente quando l’acqua è deionizzata, e vengono usati filtri che trattengono le particelle di 1m.

Uno studio ha evidenziato che i migliori migl risultati si ottengono con la deionizzazione (200ore) rispetto al trattamento per osmosi inversa,, che consiste nel passaggio dell’acqua attraverso una membrana molto fine ne che filtra l’acqua a livello molecolare (190ore), ed al trattamento per addolcimento ento, in cui ui l’acqua passa attraverso un letto di resina con l’obiettivo di sostituire i sali di Ca con n quelli di sodio Na (78ore). I risultati devono confrontarsi con quelli dell’acqua non trattata (34ore).

Obiettivo dell’ugello è trasformare la variazione variazione di pressione dell’acqua (da quella di lavoro alla pressione atmosferica) in energia cinetica e quindi in velocità del getto, sulla base del principio di Bernulli. Un tipico profilo dell’ugello che permette di effettuare questo in modo economico e rispettando rispettando la meccanica del fluido, è quello conico con una sezione di uscita cilindrica.

L’aumento della velocità non è l’unico obiettivo; è infatti necessario mantenere coerente il flusso quanto più a lungo possibile.

L’angolo della parte conica dell’ugello e la lunghezza del tratto cilindrico influenzano la lunghezza di coerenza del getto

Le conicità ottimali dell’ugello si hanno a circa 13°; si ottengono lunghezze del getto pari a circa 100 volte il diametro dell’ugello.

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

L’influenza della parte cilindrica di uscita dell’ugello è marcata; i migliori risultati si hanno per lunghezze di tale sezione pari a 3 –5 volte il diametro dell’ugello.

Un raccordo accordo nella zona di ingresso dell’ugello llo aiutano le sue performance in termini di lunghezza del getto

L’assemblaggio completo dell’ugello costa 500€÷1000€ ed esistono sistono anche inserti in diamante che costano anche più di 200€ 200 e possono essere sostituiti in 2min ÷10mm. ÷ La geometria dell’orifizio dell’inserto è molto critica; questa geometria geome è più difficile da lavorare con l’inserto in diamante. diamante

SILENZIATORE Dopo che il getto ha penetrato penetrato il pezzo a circa 600m/s÷1000m/s, entra in un silenziatore che 600m/s÷1000m/s, minimizza il rumore generato (il livello di rumore può raggiungere i 130dBa), 130dBa e aumenta la sicurezza dell’operazione.

Il silenziatore è un tubo di 300mm ÷600 mm che permette di smorzare l’energia del getto.

In silenziatori di dimensioni minori si usano,

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

all’interno del tubo, inserti smorzanti.

I PARAMETRI DI PROCESSO

LE CAPACITÀ DEL PROCESSO

Il metodo di rimozione è basato sull’erosione; questo comporta che il materiale deve essere poroso, fibroso, granulare o tenero.

Non sono necessari inviti di foratura iniziale per iniziare il processo (abilità di taglio omnidirezionale) Bordo di taglio di buona qualità: la finitura degli spigoli di taglio è buona e priva di bave e di danneggiamenti termici Con water jet continui sono tagliati in genere alimenti, spugna, carta, legno, pellame e A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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13. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM)

tessuti. Waterjet pulsanti sono utilizzati nella idrodemolizione (edilizia o cantieristica navale)

APPLICAZIONI

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM) IL PROCESSO Combina i principi delle lavorazioni WJM e AJM. L’azione abrasiva è realizzata con un getto d’acqua contenente abrasivi, capace di tagliare e forare materiali duri. Viene anche utilizzato per puliture.

Nel 1960 l’industria petrolifera utilizzò per la prima volta un getto di fango abrasivo nella perforazione di pozzi. I numerosi problemi nelle attrezzature necessarie bloccarono lo sviluppo del metodo, in questo settore.

Più recentemente l’abrasione violenta in umido è stata utilizzata per pulire e disincrostare in sostituzione di quella con getto di sabbia.

Nel 1980 ci sono state le prime applicazione nel taglio anche dell’acciaio.

Il processo utilizza un WJM ad una pressione di 400MPa ed una velocità di ~915 m/s. Un flusso di abrasivo viene introdotto nel WJ per acquistare una quantità di moto utile per tagliare diversi materiali (metalli, vetro, ceramica, rocce).

Velocità di taglio e spessore max dipendono dal materiale in lavorazione.

TIPOLOGIA DI MACCHINE Esistono diverse tipologie di macchine Piccole / Medie / Grandi /personalizzate, per applicazione di precisione / Ad alta produttività e 2D / 3D.

Piccole: Hanno dimensioni minori di 600mm x 1200mm.

Vantaggi: basso costo di investimento (80k€), setup ed installazione più semplice, maggiore precisione.

Svantaggi: piccola area di lavoro.

Medie: Hanno dimensioni comprese tra 1200mm x 1200mm e 1200mm x2400mm.

Vantaggi: rispetto alle macchine di piccola dimensione, quelli legati alla disponibilità di una più grande area di lavoro; possono lavorare con ugelli multipli, aumentando la produttività; setup ed installazione più semplice rispetto alle macchine di grandi dimensioni.

Svantaggi: costose (100k€÷200k€); spesso è più utile per aumentare la produttività disporre di più macchine di piccola dimensione.

Grandi: hanno dimensioni che possono raggiungere 3500mm x 7000mm.

Vantaggi: quelli legati alla disponibilità di una più grande area di lavoro; in genere lavorano con ugelli multipli.

Svantaggi: minore flessibilità; alto costo di investimento (200k€ ÷400k€); più difficile lo scarico/carico del materiale; in genere meno precise.

Personalizzate: taglio di cibo, tappeti di automobili sulla linea di produzione e per applicazioni minerarie.

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

Per applicazione di precisione / Ad alta produttività 2D / 3D

L’ATTREZZATURA SISTEMA DI POMPAGGIO La pressione di lavoro raggiunge anche valori di 415MPa, e richiede potenze di 56kW. E’comunque possibile ottenere tagli efficienti anche con pressioni di 200MPa. Per il trasporto dell’acqua dalla pompa all’ugello: sono commercialmente disponibili tubi flessibili, per getti sino a 240MPa, o rigidi per pressioni superiori. Il sistema gode della maturità acquisita nel settore delle macchine volumetriche.

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

ALIMENTAZIONE ABRASIVO ABRASI

Deve guidare un flusso controllato di particelle particelle abrasive nel getto d’acqua.

I sistemi attuali alimentano con un flusso di abrasivo secco, ma c’è difficoltà di movimento ovimento e dosaggio del flusso.

Si stanno studiando sistemi che alimentano con un flusso di abrasivo umido, che permette alimentazione anche da lunghe distanze In questo caso comunque si riduce l’efficienza del getto, perché parte dell’energia viene dissipata nel trasporto del liquido Il supporto hardware per l’alimentazione dell’abrasivo può costare 500 500€÷20000€ Il sistema getto acqua abrasivo si compone delle seguenti due pa parti: 1.

Getto d’acqua: d’acqua

È simile a quello utilizzato nelle lavorazioni a getto d’acqua; si raggiungono velocità anche di 915m/s, 915m/s, quando il diametro dell’ugello è ridotto a 0.07mm ÷0.60mm. ÷0.60mm 2.

Ugello per getto di abrasivo: abrasivo

Ad esempio un ugello ugello in zaffiro con d = 0.07mm 0.0 mm ÷0.6mm. Deve permettere una miscelazione efficiente per minimizzare l’usura. Può essere anche in WC o BC.

UGELLO A seconda della posizione dell’orifizio dell’orifizio del getto to d’acqua si hanno ugelli con: 1.

2.

Getto d’acqua coassiale con l’ugello Facilmente lavorabile Non permette efficienti miscelazioni, mentre l’usura è alta.

Interrompendo il flusso, il sistema diventa a getto d’acqua Getto d’acqua non coassiale con l’ugello miscelazione ottima e massima durata E’costoso per le difficoltà di lavorazione.

La soluzione più utilizzata è quella con getto d’acqua coassiale (ad uno o più ingressi laterali di abrasivo); la non efficiente iciente miscelazione, che porta ad una maggiore concentrazione di abrasivo abrasivo all’esterno, costituisce un vantaggio dal punto di vista della capacità di taglio.

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

L’introduzione dell’abrasivo nel getto causa un allargamento del getto, una diminuzione della velocità ed un aumento della turbolenza.

Con l’aumento della pressione della pompa, il profilo delle velocità del getto d’acqua abrasivo diventa più uniforme e diminuisce la dipendenza della velocità media dal diametro del tubo di focalizzazione.

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

Il getto consiste delle seguenti fasi: grani di abrasivo, acqua, aria.

La percentuale di ciascuna fase cambia sia in direzione radiale che assiale La distribuzione radiale permette di definire tre zone: (1) quella centrale, di forma circolare, con diametro inferiore a quello del getto d’acqua; (2) quella interna, di forma anulare, con diametro compreso tra il diametro del getto e quello del tubo di focalizzazione; (3) quella esterna, di forma anulare, con diametro maggiore del diametro del tubo di focalizzazione.

Un aumento della portata dell’abrasivo o della pressione della pompa portano entrambi ad un aumento della quantità di abrasivo presente nella zona centrale.

Il costo del sistema per il getto abrasivo è 800€÷2000€ Il costo di taglio deve tener conto del consumo dell’abrasivo e dell’usura del tubo di focalizzazione o di miscelazione L’ugello per il getto d’acqua costa 15€÷50€ Il tubo di focalizzazione costa 100€÷300€ La durata di un tubo di focalizzazione è 50h ÷100h L’ugello per il getto d’acqua ha una durata 3 ÷5 volte maggiore di quella del tubo di focalizzazione.

SILENZIATORI E SISTEMI DI PROTEZIONE

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

SUPPORTO

I PARAMETRI DI PROCESSO PROCE

PARAMETRI CARATTERISTICI DELL’ABRASIVO DELL ’ABRASIVO 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Diametro medio delle particelle Distribuzione del diametro delle particelle Distribuzione Forma delle particelle Durezza del materiale Portata Capacità di riciclo: riciclo è possibile un riciclo solo per particolari combinazioni abrasivo-pezzo abrasivo pezzo!

TIPO ABRASIVO BRASIVO La durezza dell’abrasivo è legata al tipo dii abrasivo utilizzato; tra gli abrasivi più comuni: granato (ossido (ossido di alluminio), silice,, SiC. Per durezze maggiori del materiale in lavorazione è necessaria una maggiore durezza dell’abrasivo. dell’abrasivo

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM)

Il granato è il principale abrasivo utilizzato nelle AWJM. È commercialmente disponibile in diverse confezioni. In figura è evidenziata una roccia con all’interno dei cristalli di granato, così come appare dopo l’estrazione dalla miniera. Il granato è frantumato e separato dal resto della roccia. La frantumazione realizza spigoli taglienti nel cristallo, che aumentano la capacità di taglio. Questo è probabilmente il motivo del maggior costo di un buon granato abrasivo rispetto a quello con spigoli raccordati.

DIMENSIONE ABRASIVO La dimensione dei grani di abrasivo è funzione del materiale e dell’ugello.

Per materiali in lavorazione di maggiore durezza sono necessari abrasivi con dimensioni del grano maggiore.

Inizialmente la capacità di taglio aumenta con il diametro medio delle particelle di abrasivo; dopo un diametro ottimale, si ha una diminuzione della capacità di taglio.

PORTATA DELL’ABRASIVO La capacità di taglio è legata al binomio velocità particelle frequenza d’impatto.

L’influenza sulla profondità di taglio, è una relazione di proporzionalità lineare fino ad un certo punto. Al di là di tale punto (portata critica), con l’aumento della portata di abrasivo le particelle diminuiscono la velocità più velocemente di quanto cresce il numero di particelle che impatta la superficie. Si ha perciò una diminuzione della capacità di taglio.

La portata di abrasivo è in genere compresa tra 0.25Kg/min ed 0.5Kg/min, in funzione della pompa/ugello utilizzato.

Una portata di abrasivo ottimale si individua anche analizzando il tasso di taglio.

Portata di abrasivo e diametro delle particelle influenzano la profondità di taglio. Questa aumenta con il diametro delle particelle tranne che per i valori estremi della portata.

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La portata di abrasivo ottimale è legata anche ad altri parametri come: la pressione del getto d’acqua; il diametro focale, la lunghezza focale, la portata del getto d’acqua e il diametro dell’abrasivo.

Il costo dell’abrasivo è compreso tra 0.4€/kg e 1€/kg, cui corrisponde un consumo di abrasivo compreso tra 6€/h e 15€/h.

PARAMETRI DI MISCELAZIONE 1.

Diametro focale (il diametro del tubo di miscelazione) determina la velocità di taglio, la precisione del taglio che è possibile realizzare, la larghezza del kerf Influenza la velocità di usura di tale tubo, Una diminuzione del diametro del tubo comporta: Leggero aumento della velocità di taglio Leggera diminuzione della durata dell’ugello aumento della precisione diminuzione della larghezza del kerf

2.

Lunghezza focale (la lunghezza del tubo di miscelazione) che influenza l’abilità dell’ugello di focalizzare il getto. In genere tubi di grande lunghezza hanno una maggiore capacità di focalizzazione. Questo comporta una minore conicità del getto e quindi una riduzione della conicità del kerf.

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DIAMETRO FOCALE La ragione per cui si ha una diminuzione della della tasso di materiale asportato con l’aumento del diametro focale è la diminuzione nuzione della densità del getto abrasivo, per effetto della maggiore aspirazione aspirazione di aria e della minore velocità.

Un valore ottimale del diametro focale è 3 – 4 volte il diametro dell’orifizio. dell’orifizio

LUNGHEZZA FOCALE

L’aumento della lunghezza del tubo permette di accelerare le particelle di abrasivo ad una velocità massima. ssima.

Con l’aumento della lunghezza aumenta però anche la superficie interna del tubo, che è sorgente di attrito e quindi responsabile del rallentamento del getto.

La lunghezza focale è in genere 25 –50 50 volte il diametro focale.

PARAMETRI IDRAULICI 1.

2.

Pressione Press ione del getto d’acqua Si individua una pressione di soglia al di sotto della quale non si ha l’asportazione di materiale Tale valore di pressione è generalmente contenuto tra 172 e 275 MPa Diametro dell’ugello del getto d’acqua A parità di pressione del getto d’acqua, un aumento del diametro porta un aumento della portata e quindi della potenza del getto La portata risulta comunque inferiore a 11.4 L/min.

PRESSIONE DELL’ACQUA

La pressione di soglia (PC) è funzione del materiale in lavorazione. Per gli acciai ac PC è di 21MPa ÷ 28MPa Esiste per ogni materiale un range di variabilità. Per gli acciai il range è di circa 7 MPa Definita la densità dell’acqua, la velocità minima del getto d’acqua per realizzare l’azione di taglio è:

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In un certo range di pressioni, al di sopra della pressione di soglia, è possibile ipotizzare C2=1 La costante C dipende da alcuni parametri di processo, come la velocità di taglio e la portata di abrasivo. abrasivo

Spessore di taglio in funzione della pressione pressione dell’acqua per materiali materiali con comportamento duttile e fragile. In entrambi trambi i casi si evidenzia una pressione di soglia. soglia

Oltre che dal materiale, la pressione di di soglia dipende anche da altri parametri. Di seguito si evidenziano le dipendenza della pressione di soglia dal diametro diametro dell’ugello del getto getto d’acqua, dal diametro focale, dalla velocità di taglio e dalla portata di abrasivo.

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La riduzione della pressione di soglia con l’aumento l’aumento della portata è legata all’aumento della frequenza frequenza di impatto delle particelle.

L’aumento della pressione di soglia con l’aumento l’aumento della velocità di taglio è legata alla riduzione del tempo di interazione.

DIAMETRO DELL’ORIFIZIO DEL GETTO GE TTO D’ACQUA L’orifizio separa la zona del condotto di acqua ad alta pressione sione da quella dell’ugello. L’orifizio L’ fizio è dimensionato in modo da mantenere la pressione sotto di esso, mentre permette all’acqua cqua di fluire ad alta velocità nella ella camera di miscelazione di venturi. nturi. Più grande è il diametro dell’orifizio, più grande è il flusso dell’acqua e quindi più grande è la potenza della pompa necessaria per mantenere la stessa pressione. pressione L’aumento della potenza del getto porta un aumento della profondità di taglio.

L’aumento non è proporzionale perché con l’aumento della portata (fig. a lato) lato) non corrisponde un aumento proporzionale della velocità delle particelle abrasive abrasive.

PARAMETRI DI TAGLIO

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VELOCITÀ DI TAGLIO Una diminuzione della velocità di taglio vt porta ad un aumento della profondità di taglio.

Esiste una vt critica al di sotto della quale non si ha aumento di profondità di taglio.

La velocità di taglio dipende da quanta acqua e abrasivo è immessa nel getto ed anche dalla durezza e dallo spessore del materiale dal tagliare;influenza notevolmente la velocità anche la forma del pezzo. I valori di seguito riportati, in m/min, sono riferiti a tagli rettilinei di piastre di 12.5mm di spessore.

FATTORI CHE INFLUENZANO LA VELOCITÀ DI TAGLIO Ora andremo a caratterizzare i seguenti fattori che influiscono sulla velocità di taglio, ossia: a) Il materiale da tagliare b) la geometria di taglio c) La qualità della superficie

IL MATERIALE DA TAGLIARE Spessore: Più grande è lo spessore più lento è il taglio. Come riferimento, un componente in acciaio di 3mm di spessore che è tagliato in 1min, è tagliato in 30min se lo spessore è di 50mm, ed in 20h quando lo spessore sale a 250mm.

Durezza: In genere i materiali più duri si tagliano più lentamente di quelli più teneri. Ci sono comunque eccezioni da mettere in evidenza: Il granito per esempio, materiale duro, è tagliato in modo significativamente più veloce del rame che è piuttosto duttile. Questo per la fragilità del granito che comporta una più facile separazione lungo il bordo di taglio. Si evidenzia inoltre la poca differenza nel taglio di acciai molto duri come quelli temprati per utensili, ed acciai dolci. Solitamente la velocità di taglio viene determinata in base alle relazioni empiriche riportate di seguito.

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Oltre alla profondità di taglio è importante mportante analizzare, dal punto di vista del processo, anche il tasso di taglio. taglio Nella porzione a sinistra del diagramma si evidenzia un cambiamento di pendenza, indicativo di un cambiamento del comportamento di taglio.

LA A GEOMETRIA DI TAGLIO TAGLI Il getto abrasivo abrasivo è un utensile non rigido. rigido. Esso non rimane in linea con l’asse dell’ugello durante la lavorazione; nel nel taglio rettilineo per esempio esso tende ad arretrare proporzionalmente alla velocità di taglio ed allo spessore di taglio, così così come schematizzato schematizzato in figura.

Questo comportamento è critico in prossimità di spigoli; quando quando il getto si avvicina ad uno spigolo, è necessario perciò rallentare rallentare la velocità di taglio in modo che il getto ritorni ad esse essere re perpendicolare al materiale.

I moderni controlli compensano compensano questo comportamento in modo automatico automatico.

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14. LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MAC MACHINING HINING -AWJM)

LA QUALITÀ DELLA SUPERFICIE Per garantire precisione dimensionale e finitura superficiale occorre adottare minori velocità dii taglio.

I 5 profili in figura, sono stati realizzati con lo stesso tempo di lavorazione. lavorazione

DISTANZA PEZZO/UTENSILE TENSILE Un aumento della distanza comporta una diminuzione dalla profondità di taglio. Al di sotto di un cero valore, una ulteriore riduzione porta ad una leggera diminuzione della profondità.

Alcune ricerche icerche suggeriscono di lavorare a 2mm.. Per alcuni materiali, fissato un valore ottimale, sono possibili variazioni anche grandi (±12.7mm).

Per distanze maggiori di 80 mm il getto permette di ottenere soltanto la pulitura pulitura della superficie.

NUMERO DI PASSATE È preferibile il taglio in un’unica passata. Nelle passate successive è necessario considerare un effetto di smorzamento dovuto ad attriti sulle pareti della scanalatura.

Con l’aumento della velocità di taglio è necessario ottenere un numero maggiore maggio di passate per ottenere la stessa profondità

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ANGOLO DI IMPATTO Sia per i materiali duttili che fragili, esiste un angolo angolo ottimale. Per i materiali analizzati nelle figure, tale angolo è di circa 80°. Ogni nuovo materiale richiede comunque una sperimentazione sperimentazione mirata. mirata

LA CAPACITÀ DEL PROCESSO PROC I MATERIALI Dalla tabella successiva si evince che i getti abrasivi possono tagliare una grande varietà di materiali.

IL KERF 1.

2.

Le dimensioni del Kerf sono funzioni del materiale: 1.5 ÷2.3 mm La conicità del kerf è la differenza tra il profilo superiore ed inferiore. inferiore. Le principali cause sono: La distanza dell’ugello dal materiale. Minore è questa distanza, minore è la conicità.

La durezza del Materiale. In genere i materiali più duri evidenziano meno conicità e di tipo a V, mentre materiali material meno duri una conicità inversa A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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La velocità di taglio. Elevate velocità portano a forme a V perché non danno tempo per la completa rimozione del materiale, mentre velocità troppo basse portano ad una conicità inversa.

Qualità del getto. Getti più focalizzati minimizzano la conicità.

Qualità dell’abrasivo. Abrasivi di qualità minimizzano la conicità.

Spessore del materiale. Metalli con spessori nel range tra 12.5mm e 25mm evidenziano meno conicità rispetto a tagli fuori da questo range.

Nei tagli di grandi spessori si possono evidenziare conicità a V, conicità inverse, o conicità a botte.

Nella figura accanto il kerf ottenuto nel taglio di una piastra di acciaio dolce di 12.5mm di spessore ad una velocità di taglio di 0.152mm/min; dopo il taglio è stata verificata l’assenza di particelle sugli spigoli di taglio dell’acciaio.

SPESSORE DI TAGLIO In pratica spessori di acciaio di 50mm ÷ 75mm sono il limite per la AWJM. A questi spessori la lavorazione non è però conveniente rispetto ad altre tecniche di taglio.

Anche se i tempi di taglio sono elevati, la lavorazione diventa competitiva per spessori anche maggiori di 75mm, quando si lavorano materiali difficili come il titanio.

RUGOSITÀ DEL KERF

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APPLICAZIONI La lavorazione AWJ offre i seguenti vantaggi:

Può essere applicato a qualsiasi materiale Sistema facilmente automatizzabile e permette la realizzazione di profili complessi Geometria del solco e finitura delle pareti dipendono dalla scelta dei parametri tecnologici Non si hanno distorsioni ed effetti termici Il taglio è molto accurato Non si hanno modifiche strutturali anche in materiali spessi Forze di taglio ridotte, non sono indispensabili attrezzaggi particolari.

Dai vantaggi appena elencati si evince chiaramente che il processo trova svariate applicazioni tra cui:

Lavorazioni di precisione (come la marchiatura) sui metalli.

lavorazione artistica dei lapidei

Applicazioni varie si gomma, tessuti o cibi

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIO ASPO RTAZIO N E CON ULTRASUONI (ULTRASONIC (UL TRASONIC MACHINING)

Verranno studiati i seguenti aspetti:

ILL PROCESSO L’utensile vibra nella direzione del suo asse con escursioni di alcuni µm. µm. La rimozione del materiale avviene per abrasione con un fango che erode la superficie per azione di una forza > 150.000 volte il peso del grano. Le forze complessive sono però < 4.5 kg. kg. Durante la rimozione del materiale, il gap utensile-pezzo utensile pezzo è mantenut mantenuto o costante dal moto di registrazione automatico, realizzato da alcuni motori. Il processo di asportazione è relativamente lento, ma diviene economicamente competitivo per l’abilità di: 1.. Ottenere in una singola passata cavità e forme complicate 2.. Realizzare Realizzare più fori in una singola passata 3.. Lavorare materiali duri, fragili, conduttori, isolanti, senza rischi di rottura.

E’ utilizzato per fori e cavità in materiali duri e fragili (>40HRC), usando : a.. Utensili di forma b.. Movimenti meccanici ad alta frequenza freq c. Fanghi abrasivi Non ci sono modificazioni metallurgiche o chimiche nel pezzo. Può essere applicato a materiali conduttori o isolanti. Una energia elettrica a bassa frequenza viene convertita inizialmente in un segnale elettrico ad alta frequenza, poi un trasduttore (transducer (transducer nose) nose trasforma il segnale elettrico in un movimento lineare ad alta frequenza (ultrasonic (ultrasonic vibration), vibration), trasmesso all’utensile da un portautensile.

4.. Realizzare lavori in sicurezza. a. Non può tagliare materiali duttili ; a.

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

b.. lavora a bassi voltaggi, assenza di sorgenti termiche, assenza di processi di taglio, assenza di movimenti b meccanici pericolosi, assenza di reagenti chimici.

Il progetto di utensile e portautensile deve curare la distribuzione delle masse in modo da raggiungere la condizione di risonanza all’interno del range di frequenze della macchina. Si definisce come condizione di risonanza risonanza,, la frequenza di vibrazione coincidente con quella naturale del sistema utensile-portautensile utensile portautensile che provoca la ma massima ssima ampiezza di vibrazione e perciò la massima asportazione. L’utensile riproduce in positivo la forma da realizzare. Nel gap pezzopezzoutensile viene immesso del fango abrasivo (abrasive (abrasive slurry), slurry), contenente acqua ed abrasivo. L’impatto delle particelle (a milioni) ilioni) produce un cratere.

ATTREZZATURA

Nel dettaglio vedremo i principali dispositivi:

SORGENTE DI POTENZA E’ un generatore di onde sinusoidali di alta potenza. Permette la conversione di una potenza elettrica a bassa frequenza (60 Hz). In una ad alta frequenza (20 kHz). E’ possibile la regolazione della potenza e della frequenza del segnale generato.

TRASDUTTORE L’ampiezza delle vibrazioni è limitata dalla resistenza del materiale usato In questa applicazione converte energia elettrica in un movimento meccanico. Si dividono in : 1.. Trasduttori piezoelettrici 2.. Trasduttori magnetostrittivi

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

TRASDUTTORI PIEZOELETTRICI PIEZOELETTR Potenze sino a 900 W. W. Alcuni materiali (il quarzo) quando sono compressi, sono in grado di generare una piccola corrente elettrica o equivalentemente di avere un piccolo allungamento quando viene applicata una corrente elettrica. Con la rimozione rimozione della corrente, il materiale torna alle dimensioni originali. Le dimensioni del cristallo si alterano in maniera direttamente proporzionale al campo elettrostatico indotto con il voltaggio applicato I trasduttori piezoelettrici hanno un’alta efficienza efficienza di conversione (superiore al 96%) che elimina la necessità di raffreddamento Influenzano il comportamento del trasduttore diversi fattori: 1) Il materiale Parametri di progetto meccanici, come la superficie radiante, 2) la capacità di smorzamento, l’housing, l’ho 3) Le condizioni di carico elettrico

TRASDUTTORI MAGNETOSTRITTIVI MAGNETOS TRITTIVI Potenze anche di 2400 W. W. E’ un pacchetto di lamiere di materiale ferromagnetico, in genere di Ni o sue leghe, che è in grado di allungarsi sotto l’azione di un forte campo magnetico. Un solenoide avvolge il pacchetto di lamiere del trasduttore. Sotto l’azione di una corrente alternata alternata di elevata frequenza (25kHz), il materiale ferromagnetico ha una rapida variazione dimensionale L’efficienza L’efficienza di conversione è 20% ÷30%, perciò necessita di raffreddamento raffreddamento.

PORTAUTENSILE Svolge funzioni di: 1.. Attacco di collegamento tra trasduttore trasduttore e utensile 2.. Trasferimento dell’energia 3.. In alcune applicazioni amplifica le oscillazioni.

Deve essere smontabile,, perciò si preferisce brasarlo all’utensile, deve avere buone proprietà acustiche e resistenza a fatica. E’ collegato al trasduttore attraverso ampie filettature sovradimensionate nella parte interna (femmina) e sottodimensionate sulla vite per evitare la saldatura. Sull’interfaccia col trasduttore vengono impiegate rondelle di Cu per ammortizzare il collegamento, ed evitare la saldatura. saldatura. Ogni collegamento meccanico riduce la potenza e aumenta la probabilità di rotture per fatica. I materiali usati sono : Monel (Cu-Ni): (Cu o Buone proprietà acustiche o Può essere brasato Titanio: o Ottime proprietà acustiche o Non può essere brasato, quindi quindi viene collegato collegato meccanicamente Acciaio Inox: o Economico o Proprietà acustiche inferiori ai primi o sensibile alla fatica I portautensili sono disponibili in due configurazioni: 1. Senza amplificazione

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2. Con amplificazione Varia la sezione e l’ampiezza dell’oscillazione incrementa anche del 600%; l’incremento è legato alle sollecitazioni di stretching. Lo svantaggio di un portautensili con amplificatore è : a) costi di fabbricazione elevati b) riduzione della della finitura superficiale (tende a sgrossare) c) maggiore regolazione per mantenere la condizione di risonanza.

UTENSILE Per limitare l’usura deve essere in materiale relativamente duttile (acciaio inox, ottone, acciai dolci). In funzione della durezza dell’utensile: 1 ≤ (usura (usura pezzo/usura utensile) ≤ 100 Gli utensili per forare vengono in genere ottenuti da materiali facilmente reperibili (corde musicali, tubi di acciaio inox, aghi per siringhe). Utensili per cavità devono essere realizzati con i normali processi di produzione produzione . Ogni difetto dell’utensile è riprodotto sul pezzo. Durante il processo si ha un “overcut “overcut” o “oversize oversize”, ”, perciò l’utensile deve avere geometrie più piccole delle cavità che deve realizzare. In operazioni di foratura per esempio, il valore di overcut deve ve essere di almeno il doppio della dimensione massima dell’abrasivo dell’abrasivo.

ABRASIVI Sono scelti in base alla durezza, alla vita utile (durata (durata), al costo ed alla dimensione della particella. La durezza deve essere maggiore di quella del pezzo in lavorazione; in in questo modo aumenta anche la durata dell’abrasivo. Vengono utilizzati, elencati in ordine di durezza: 1. BC 2. Si C 3. Al2 O3

La combinazione di alti tassi di asportazione e maggiori durate giustificano il costo più alto del BC. La dimensione delle particelle influenza il tasso di asportazione e la finitura superficiale Dimensioni maggiori delle particelle implicano tassi di asportazione asportazione maggiori e finiture minori. La dimensione è compresa tra 200 ÷ 800grit, usando le particelle da 200grit per sgrossatura e quelle da 800grit per finitura. L’abrasivo e la dimensione maggiormente utilizzata sono: BC di 320grit.

SISTEMI DI ALIMENTAZIONE ALIMENTAZ IONE DELL’ABRASIVO Il fango è costituito da un mezzo di trasporto e dall’abrasivo. Il mezzo di trasporto deve possedere bassa viscosità, buone proprietà bagnanti e preferibilmente alta conduttività termica e calore specifico, per un efficiente A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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raffreddamento. L’acqua risponde bene a queste caratteristiche. La quantità di acqua nel fango è del 30 ÷ 60 %; In raffreddamento. genere si usa il 50%; le miscele più ricche di acqua si usano per fori profondi e cavità intricate. Il fango è in genere immesso nella zona di lavoro con con un getto (alimentazione forzata), per aspirazione attraverso la sezione dell’utensile o con entrambe le soluzioni. L’alimentazione forzata incrementa di 5 volte il tasso di asportazione MRR senza la necessità di incrementare la dimensione del grano o la la potenza della macchina. Quando confrontata con l’alimentazione in depressione, comporta valori più grandi di 2 ÷3 volte. Il fango agisce da raffreddatore del istema portautensile/utensile e del pezzo; fornisce abrasiva nuovo nella zona di taglio e rimuove rimuove I prodotti della lavorazione.

Il fango permette inoltre un buon accoppiamento acustico tra utensile,

l’abrasivo ed il pezzo, garantendo un efficiente trasferimento di energia. I tubi di alimentazione dell’abrasivo sono connessi al portautensile in punti nodali, per evitare vibrazioni La portata di acqua alla pompa è di 25 l/min. Per le macchine ad elevata potenza si usa un sistema di Alimentazione mista. mista

IL MECCANISMO ECCANISMO DI ASPORTAZIONE ASPORTA ZIONE Questi meccanismi comprendono: L’abrasione meccanica per schiacciamento diretto delle particelle di abrasivo contro la superficie del pezzo. La micro-asportazone micro asportazone per l’impatto libero delle particelle di abrasivo.

L’erosione per cavitazione ad opera del fango abrasivo. L’azione chimica associata al fluido utilizzato. Gli effetti effetti singoli o combinati di questi meccanismi permettono la rimozione del materiale per scorrimento (deformazione plastica) e frattura (nei materiali duri o induriti). Nei materiali porosi, come la grafite, l’erosione per cavitazione da un contribuito importante, importante, al contrario di quello che succede negli acciai temprati o nei materiali ceramici.

I parametri di processo Dalla seguente tabella distinguiamo: DIRETTI Potenza

Ampiezza di oscillazione

Forma e materiale dell’utensile

Materiale del pezzo

Dimensione dell’abrasivo

Frequenza di oscillazione

Carico statico

INDIRETTI

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

Tasso di asportazione (MRR)

Usura dell’utensile

Finitura superficiale

Precisione dimensionale

POTENZA Permette di dimensionare: • •

Le masse del portautensile e dell’utensile, La superficie frontale di taglio (è proporzionale alla Potenza)

INDIPENDENTI DI AMPIEZZA D’OSCILLAZIONE D’OSCILLAZI ONE Ζ Determina

DIMENSIONE ABRASIVO E’ legata all’ampiezza di oscillazione. oscillazione. Con l’aumento della dimensione dell’abrasivo si ha prima un aumento proporzionale del tasso di asportazione e quindi una successiva diminuzione per la maggiore difficoltà dei grani di raggiungere la zona di lavoro. La dimensione dei grani di abrasivo che massimizza il tasso di asportazione è confrontabile con il valore dell’ampiezza dell’ampiezza di oscillazione. oscillazione

FREQUENZA La frequenza dipende dalla combinazione: utensile – portautensile, portautensile per er ogni combinazione utensileutensileportautensile, esiste una sola frequenza (quella di risonanza) che ha il massimo tasso di asportazione asportazione.. Più alta è la frequenza di risonanza, maggiore è il tasso di asportazione. asportazione Durante il processo è necessaria u una na regolazione per A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

mantenere la frequenza di risonanza, soprattutto quando si ha usura dell’utensile. dell’utensile Alcuni autori hanno suggerito MRR proporzionale a f2, sino ad una frequenza f di 400Hz. A più alte frequenze, sino a 5kHz, è stata trovata una relazione lineare fra frequenza e tasso di asportazione (MRR proporzionale a f). Sopra un determinato valore di soglia, il tasso di asportazione decade rapidamente con la seguente seguente legge: MRR proporzionale a f 1/2.

IL CARICO STATICO L’utensile è normalmente tenuto contro il pezzo da un carico statico ottenuto con un peso, una molla o con un sistema di avanzamento pneumatico/idraulico o elettrico. Il sistema dovrebbe mantenere una forza di lavoro uniforme durante la lavorazione ed essere sufficientemente sensibile per superare la resistenza dovuta. Penetrazione per minuto, in all’azione di taglio. Esiste un valore ottimale che ottimizza il Carico statico, statico, lb valore di MRR. Una forza troppo bassa non permette di ottenere il massimo MRR, mentre troppo alta può causare lo schiacciamento tra l’utensile e l’abrasivo e quindi usura dell’utensile. Il valore del carico statico è in genere compreso tra 0.1N ÷ 30N. 3 La forza è particolarmente critica nella foratura profonda di fori di diametro inferiore a 0.5mm, dal momento che per carichi troppo elevati si può avere la piegatura dell’utensile.

TENACITÀ ENACITÀ A FRATTURA Influenzano nfluenzano la lavorabilità, lavorabilità un u parametro significativo significativo è la tenacità a frattura. Nella USM è preferibile lavorare materiali fragili; in questo caso infatti il materiale è principalmente rimosso per frattura fragile, mentre in materiali non fragili la rimozione avviene principalmente per scorrimento plastico. pla . In questo caso inoltre l’abrasivo tende ad incastrarsi nel pezzo. Alti tassi di asportazione si hanno nei materiali con valori bassi della tenacità a frattura. Proprietà come la durezza e la tenacità,, influenzano anche l’usura dell’utensile. Usure maggiori si sono evidenziate per materiali più tenaci, un aumento del tassi di asportazione si è registrato con con l’incremento del rapporto tra durezza e modulo di elasticità dell’utensile. dell’utensile Quando la durezza dell’utensile aumenta per incrudimento, si riduce la penetrazione dei grani nell’utensile ed aumenta il valore di MRR. MRR

FORMA DELL’UTENSILE Il valore di MRR è influenzato anche dalla forma dell’utensile e dal fattore di forma = rapporto tra il perimetro della superficie frontale dell’utensile e l’area ’area di tale superficie. superficie. La forma definisce la resistenza alla circolazione del fango: un utensile con una stretta rettangolare comporta valori di MRR più levati di quella a Pressione, N/m2 sezione quadrata della stessa area. E’ stato evidenziato che a parità parità di superficie frontale c’è un aumento di MRR negli utensili che hanno superficie frontale di maggiore perimetro; questo per la A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

maggiore capacità di distribuire il fango abrasivo su tutta la zona lavorata.

PARAMETRI DI PROCESSO PROCESS O CHE INFLUENZANO INFLUENZA L’USURA DELL’UTENSILE La durezza del materiale dell’utensile influenza oltre che MRR anche il valore dell’usura dell’utensile. Sono state proposte le seguenti priorità di scelta:

L’usura dell’utensile è un importante variabile in USM, influenzando sia il valore di MRR che l’accuratezza della lavorazione. In corrispondenza del carico statico che massimizza il valore del MRR, si ha anche la massima usura dell’utensile; è preferibile lavorare a valori del carico statico inferiori Un aumento della dimensione dei grani grani abrasivi porta ad un aumento dell’usura utensile; stessa influenza per la durezza dei grani. A parità di sezione frontale dell’utensile si è registrata per esempio un’usura dell’utensile maggiore con abrasivi più duri come BC, rispetto a SiC .

•

L’usura usura longitudinale diminuisce in materiali per utensili con alti valori del prodotto durezza H per resistenza all’impatto Ki del materiale dell’utensile, l’usura laterale è influenzata dalla durezza del materiale dell’utensile

•

In foratura, foratura l’usura usura totale dell’utensile ell’utensile aumenta linearmente con l’aumento del tempo di taglio (profondità (profondità del foro). foro). La figura evidenzia l’aumento dell’usura anche con l’aumento della dimensione del grano abrasivo

PARAMETRI CHE INFLUENZANO INFLUE NZANO LA QUALITÀ DELLA DEL LA LAVORAZIONE La dimensione dei grani abrasivi è determinante sulla precisione dimensionale e sulla finitura superficiale. superficiale. Una diminuzione della dimensione del grano porta ad una diminuzione della rugosità Ra della superficie. Nei materiali ceramici è stata evidenziata un leggero aumento della finitura superficiali per le ceramiche più dure, che possono raggiungere valori di Ra pari a 0.4 µm. Nella grafite si sono evidenziate Ra maggiori a causa della cavitazione e dei prodotti dell’asportazione della grafite che contam contaminano inano il fango e bloccano la lavorazione. lavorazione Un aumento dell’ampiezza dell’ampiezza delle oscillazioni dell’utensile o l’utilizzo di grani di dimensione maggiore se da un lato aumenta il valore di MRR, dall’altro produce valori di Ra maggiori delle superfici lavorate. Si sono evidenziate le seguenti relazioni:

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

L’utilizzo di fanghi a base di olio in sostituzione dell’acqua sono più indicati per operazioni di finitura superficiale; in questo caso è perciò conveniente realizzare la lavorazione in più stadi. Una precisione dimensionale dell’ordine di ± 5 µm può essere ere ottenuta nella maggior parte dei materiali lavorati. La precisione dimensionale e la finitura superficiale della superficie frontale dei fori è in genere migliore di quella della superficie laterale.

Diversi metodi sono stati studiati per aumentare la finitura superficiale delle pareti delle cavità . Difficoltà ci sono anche nel mantenere piana la superficie frontale del foro a causa della non omogenea distribuzione del fango abrasivo con conseguente riduzione dell’azione di asportazione in prossimità del centro dell’utensile. La produzione di fori precisi con USM deve prendere in considerazione sia la tolleranza dimensionale (oversize oversize)) che la tolleranze geometriche di forma (out--of-roundness roundness and conicity). conicity). Il parametro oversize è maggiore in entrata, aumentando rapidamente con la profondità del foro sino ad un valore che corrisponde approssimativamente alla massima dimensione del grano abrasivo utilizzato Un aumento del rapporto lunghezza/diametro iametro del foro aumenta le vibrazioni laterali, laterali, aumentando il valore di oversize oversize. Un aumento del carico statico, permette di ridurre la dimensione del grano ed elimina le vibrazioni laterali; si ha perciò una riduzione della finitura superficiale e dei parametri oversize, oversize Out-of of-roundness,, mm conicity e out-of-roundness roundness dei fori prodotti. prodotti.

Materiali in lavorazione con valori elevati del rapporto H/E (durezza/modulo durezza/modulo di elasticità elasticità)) sono più suscettibili ad avere elevati out-of-roundness out roundness, ill valore di oversize di fori rettangolari è stato trovato maggiore rispetto a quello dei fori circolari. Atri fattori che influenzano la dimensione o la precisione della forma sono quelli legati alla precisione degli elementi acustici e dell’utensile della USM. La conicità può per esempio essere ridotta utilizz utilizzando: ando: carburi di tungsteno e acciai inossidabili come materiali per utensili, un sistema di guida del fango interno, Out Out-of of-roundness, roundness, mm utensili con conicità inversa, abrasivi di grano fine. fine

CAPACITA’ DEL PROCESSO Processo indicato per materiali duri e fragili: per durezze < 40HRC i tempi di lavoro diventano estremamente lunghi. E’ ottimo per durezze del materiale in lavorazione > 60HRC: 60HRC: carburi, ceramiche, vetro. Nelle forature : 1. Diametro minimo: minimo: 0.076mm con tolleranze tolleranze di ± 0.025mm Con particolare cura del fango e delle dimensioni delle particelle anche tolleranze di ± 0.007mm.

2. Profondità di penetrazione: penetrazione: 50mm Anche 150 mm con aspect ratio di 40:1, curando il fango Quando la profondità è > 12.7mm il tasso di asportazione si riduce per la difficoltà di flusso del fango il tasso di asportazione è di: 0.025 ÷ 25mm/min.

Nella finitura superficiale è rilevante la dimensioni delle particelle : 800-grit: 800 grit: 0.25µm 240-grit: 240 grit: 0.75µm 0.75µm.

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15. LAVORAZIONI AVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

USM non genera significativi riscaldamenti riscaldamenti tali da portare a danneggiamento termico della superficie lavorata o a tensioni residue. Le proprietà del materiale lavorato non vengono influenzate: • •

Lo stato di compressione superficiale migliora la resistenza a fatica; Assenza di tessitura superficiale; superfi

APPLICAZIONI Foratura su un substrato di allumina di 0.64mm di spessore per applicazioni in elettronica. 930 fori di 0.64mm di diametro e 30 fori di 1.53mm di diametro sono lavorati in 8.5min (0.5s/foro); Utensile: ago in acciaio inox, abrasivo: BC, 320grit Applicazione simile, simile la foratura di 2176fori quadrati di 0.79mm di lato di una piastra di grafite di 1.01mm in un tempo di 10min; questo equivale ad una velocità di 3.6fori/sec.

1.

2.

3.

step: Lavorazione dell’attacco delle palette in Si3N4 ; step: Lavorazione di sgrossatura delle palette palette con direzione di avanzamento dell’utensile dell’utensile a 90° rispetto al precedente; step: Taglio con ruota diamantata Il processo è alternativo alla tecnica di profilatura con mola diamantata. diamantata

Foratura oratura su un substrato di allumina di 0.64mm di spessore per applicazioni in elettronica. 930 fori di 0.64mm di diametro e 30fori di 1.53mm di diametro sono lavorati in 8.5min (0.5s/foro); Utensile: ago in acciaio inox, abrasivo: BC, 320grit Applicazione simile, la foratura di 2176fori quadrati quadrati di 0.79mm di lato di una piastra di grafite di 1.01mm in un tempo di 10min; questo equivale ad una velocità di 3.6fori/sec.

3.6fori/sec

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

PROCESSO RUM (ROTARY ULTRASONIC MACHINING) MACHINING ) In USM, USM, il fango deve essere alimentato e rimosso dal gap tra l’utensile ed ilil pezzo in lavorazione per questo il tasso di asportazione si riduce notevolmente sino ad interrompersi con l’aumento della penetrazione. Il fango può anche usurare le pareti dei fori lavorati, mentre risale verso la superficie. Questo limita l’accuratezza l’accuratezza,, particolarmente per piccoli fori. Il fango abrasivo è in grado di asportare materiale anche dall’utensile, causando usura e quindi contribuendo a ridurre la precisione della lavorazione. Una variante allo schema della lavorazione USM è realizzata con il processo Rotary Ultrasoinic Machining (RUM RUM). ). Il processo RUM è un processo ibrido che combina il meccanismo di rimozione del materiale della rettifica con mole diamantate con quello della lavorazione con ultrasuoni, si ha un valore più grande di MRR di quello q ottenuto con la rettifica o con la USM. Esperimenti su materiali ceramici hanno evidenziato valori di MRR nella RUM maggiori di 6 ÷ 10 volte maggiori rispetto alla rettifica convenzionale e circa 10 volte rispetto alla SM. In questo processo non si usa fango abrasivo ma soltanto acqua. acqua Nella RUM, un utensile cilindrico e diamantato, è messo in vibrazione con frequenza ultrasonica. Simultaneamente l’utensile ruota, sino ad una velocità di rotazione di 8000giri/min, ed è fatto avanzare ad una pressione costante lungo la direzione dell’asse dell’utensile Un fluido privo di abrasivo è pompato attraverso l’utensile per lavare i prodotti della lavorazione, prevenire lo schiacciamento dell’utensile e raffreddare la zona di lavoro e l’utensile. l’utensile

CONFRONTO RUM – USM

Utensile: In materiale tenace nella USM, mentre in materiali duro e diamantato nella RUM Con sola oscillazione assiale nella USM; con oscillazione assiale e rotazione nella RUM Ampiezza oscillazione: Minore in RUM (0.025mm); maggiori valori sono responsabili di minori durate dell’utensile dell’utensile; Fango: Fango: Abrasivo nella nella USM e non abrasivo nella RUM; Tassi di asportazione: nella lavorazione di ceramiche e vetri Valori maggiori nella RUM rispetto a quello ottenuto con la USM. Esperimenti su materiali ceramici ceramici hanno evidenziato valori di MRR nella RUM maggiori di 6 ÷ 10 volte maggiori rispetto alla rettifica convenzionale e circa 10 volte rispetto alla USM. Il processo RUM fu proposto nel 1964 da P. Legge in 1964. Nella prima soluzione non c’era fango abrasivo abrasivo ed il pezzo era dotato di moto rotatorio per cui era possibile realizzare solo piccoli fori La successiva realizzazione del moto di rotazione sull’utensile e lo sviluppo di utensili di forma a permesso di utilizzare il processo in operazioni di fresatura, realizzazione di scanalature, di filettature e di rettifiche di superfici esterne ed interne Rispetto alla fresatura, USM, la RUM permette una migliore finitura superficiale. In foratura la precisione dimensionale è migliorata, soprattutto nella lavorazioni con più elevato aspetto di forma (in (in RUM è possibile realizzare fori di 0.5mm ÷ 40mm di diametro con 305mm di profondità, raggiungendo aspetto di forma di 200:1 200:1). Utilizzando l’abrasivo direttamente legato all’utensile e combinando simultaneamente la rotazione e la vibrazione, RUM realizza lavorazioni veloci e di alta qualità per una grande varietà di vetri e ceramiche. ceramiche

ATTREZZATURA DELLA RUM R Nella RUM il mandrino di rotazione è accoppiato al trasduttore ultrasonico Il funzionamento del trasduttore è simile alla USM Oltre ai parametri che gestiscono le vibrazioni dell’utensile, il CNC permette di controllare la velocità di rotazione del mandrino che può raggiungere 8000rpm.

8000rpm Le applicazioni utilizzano anche utensili di forma (per esempio con superficie conica) in sostituzione di quelli cilindrici. Lavorazioni di ceramiche e vetri usano utensili diamantati o

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15. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING)

elettro-rivestiti rivestiti con materiali duri. Le soluzione con utensili diamantati è quella che permette la maggiore durata dell’utensile; quella con utensili rivestiti rivestiti è invece la più economica. La scelta è legata all’applicazione in esame. esame

APPLICAZIONI ATTUALI E’ attualmente difficile evidenziare le applicazioni del processo per la riservatezza dei dati sul lavoro realizzato.

In foratura l’abilità di realizzare centinaia di fori di 0.5mm di diametro con profondità di 10mm in materiali come silice, quarzo, zaffiro zaffiro e allumina offre al mercato dei semiconduttori soluzioni molto interessanti interessanti. Le caratteristiche del processo permettono di lavorare barre di quarzo, vetro, zaffiro e rubino lunghe sino a 250mm e con cilindricità contenuta in 25µm. La stessa tecnica permette permette di produrre anche fori profondi negli stessi materiali ed in genere in materiali ceramici mantenendo strette tolleranze e parallelismo tra i fori. fori Utilizzando l’abrasivo direttamente legato all’utensile e combinando simultaneamente la rotazione e la vibrazione, vibrazione, RUM realizza lavorazioni veloci e di alta qualità per una grande varietà di vetri e ceramiche

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

16. SALDATURA PER ULTRASUONI ULTRAS UONI (ULTRASONIC WELDING) WEL Vedremo nel dettaglio:

IL PROCESSO E’ utilizzato in campo industriale nella saldatura di plastiche e di metalli, in settori come quello aeronautico, automobilistico ed elettronico, in competizione con saldature a resistenza, incollaggio, brasatura, fissaggio meccanico.

L’energia necessaria per l’unione del materiale è fornita nella forma di vibrazione meccanica meccanica.. L’utensile di saldatura (sonotrode) è portato in contatto con la superficie della parte da saldare ed è messo in vibrazione, mentre le parti da saldare rimangono statiche. Nella saldatura saldatura delle plastiche l’azione statica e dinamica delle forze, causa la fusione delle parti senza la necessità di materiale d’apporto. d’apporto. La saldatura dei metalli è invece una saldatura allo stato solido (non si ha fusione dei materiali da saldare) e permette l’unione rapida (tempo del ciclo estremamente ridotto) di lembi di materiali simili o dissimili. La generazione delle vibrazioni meccaniche è ottenuta come nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, con ultrasuoni. Il trasferimento delle vibrazioni dal trasduttore al giunto è ottenuto con accoppiamento meccanico.

IL PRINCIPIO FISICO L’unione è ottenuta per l’applicazione localizzata di energia meccanica sul sonotrode in direzione parallela all’interfaccia da saldare, mentre una forza statica di compressione compressione normale garantisce il contatto. Il sonotrode e l’incudine (gli utensili di saldatura) in genere hanno la superficie con rugosità elevata o con una tessitura per evitare durante la saldatura lo slittamento delle superfici in contatto con le parti da saldare. Al contrario della forza statica, le vibrazioni meccaniche sono applicate solo su una delle due parti. La forza di compressione produce sul giunto una sollecitazione simmetrica rispetto al punto di applicazione. Quando viene applicata la vibr vibrazione, azione, la forza laterale fa traslare il punto di applicazione, e la distribuzione delle tensioni si sposta ai lati opposti della condizione iniziale, durante un ciclo. Questo cambio avviene migliaia di volte al secondo, con i seguenti effetti: 1. Gli ossidi superficiali del materiale vengono distrutti 2. Le irregolarità superficiali sono addolcite per deformazione plastica 3. Si verifica un legame interatomico per diffusione atomica 4. La temperatura è del 35 ÷ 50% la temperatura di fusione T f e favorisce la diffusione.

5. Nella sezione, il materiale subisce: 5.a. Una trasformazione di fase 5.b.. Una ricristallizzazione A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

5.c. Una diffusione accompagnata da altri fenomeni metallurgici 5.d. Se l’ampiezza delle oscillazioni ed il tempo di saldatura sono ben dimensionati, non si ha alcuna fusione!!! Non sono necessari flussi di gas di protezione, non ci sono pericoli di porosità o di assorbimento di gas

La saldatura con ultrasuoni dei metalli metall non è caratterizzata da una adesione o incollaggio superficiale. E’ stato verificato che la giunzione è robusta, robusta omogenea e duratura. duratura. Se un foglio di alluminio è saldato ad uno di rame, è stato verificato che dopo un certo tempo di saldatura, atomi di rame appaiono al lato opposto del foglio di alluminio, così come atomi di alluminio si ritrovano sul lato opposto del foglio di rame. Il processo avviene in frazioni di secondo. secondo. La massima temperatura che si realizza è funzione dei parametri di processo realizzabili con l’attrezzatura di saldatura.

Un aumento dell’energia di saldatura porta ad un aumento di tale temperatura. Un aumento del della la forza di afferraggio porta ad un rapido aumento della temperatura sul giunto di saldatura, ma allo stesso tempo limita la temperatura massima. In pratica il profilo di temperatura durante il periodo di saldatura, può perciò essere influenzato dai parametri tri di lavorazione. lavorazione La temperatura del layer superficiale del materiale è inoltre funzione delle proprietà termotermofisiche di tale materiale. La regola di base è che la temperatura raggiunta è più elevata nei materiali a bassa conduttività termica, come l’acciaio, l’ac e minore nei materiali ad elevata conduttività come rame ed alluminio. alluminio

ATTREZZATURA E’ definita dai seguenti elementi: 1.

2.

3.

4.

Sorgente di Potenza; Trasduttore; rasduttore; Sistema istema di accoppiamento; Sistema di afferraggio.

1. Sorgente di potenza: potenza Trasforma l’energia elettrica elettrica a 50 ÷ 60 Hz in una ad alta frequenza a 10 ÷ 75 kHz, le basse frequenze sono utilizzate per applicazioni non impegnative che richiedono basse potenze (saldature di fili con pochi watt) Le applicazioni più impegnative (saldatura di lamiere e piastre) piastre) richiedono livelli di potenze anche di 16kW mediamente le potenze realizzate sono di 1000 ÷ 1500 W 2. Trasduttore Magnetostrittivo: Magnetostrittivo in Ni con deformazioni di circa 0.005 mm, utilizzato in applicazioni di bassa potenza.

Ha una bassa efficienza di conversione conversione Piezoelettrico, realizzato con dischi sovrapposti di materiale ceramico, utilizzato in applicazioni di elevata potenza, ma più fragile.

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

3. Sistema di accoppiamento: accoppiamento Trasmette le vibrazioni ad alta frequenza dal trasduttore al pezzo; sono ingegnerizzate ingegnerizzate due soluzioni : a. Sistema a cuneo e ad asta, dove un trasduttore trasmette le vibrazioni ad un cuneo profilato con forma opportuna. b. Sistema guidato lateralmente, dove la punta di saldatura è direttamente collegata collegata al trasduttore tramite un portautensile.

4. Sistema di afferraggio: afferraggio: Permette di realizzare la forza statica di afferraggio che tiene accostati i lembi da saldare. La forza aumenta (insieme con la potenza) per materiali teneri o superfici da saldare ampie (si usano sistemi a molle per per potenze basse, pneumatici per potenze medie ed idraulici per le potenze più elevate). La forza di afferraggio può variare da pochi grammi (saldature di fili) a migliaia di kg (saldature di lamiere). Forze insufficienti possono portare all’incollaggio dell’utensile; dell’utensile; forze eccessive ad una maggiore disponibilità di potenza.

SISTEMA A CUNEO E AD ASTA E’ applicabile solo per saldature a punti. punti. Quando un trasduttore vibra, nodi (un nodo è un punto di max spostamento ) ed antinodi (un antinodo è un punto di minimo spostamento) si generano lungo la lunghezza dell’asta. La lunghezza dell’asta è scelta in modo tale che per una particolare frequenza un nodo coincida con la punta di saldatura. Per potenze maggiori vengono collegati più trasduttori all’asta nei diversi versi punti nodali dell’asta I materiali dell’asta e del cuneo, devono avere buona resistenza a fatica (titanio (titanio, monel a acciaio inossidabile). inossidabile). La punta dell’utensile permette di applicare una componente della forza di afferraggio, l’altra componente è realizzata alizzata tramite l’incudine La funzione dell’incudine è quella di mantenere fermo uno dei due componenti da saldare, in opposizione alle forze laterali che si sviluppano durante le vibrazioni. La forma dell’incudine non è importante ma deve garantire sufficiente sufficiente rigidezza. E’ per questo che se una delle due parti da saldare è una struttura rigida, non si ha necessità dell’incudine; in questo caso la punta di saldatura è appoggiata all’altra delle parti da saldare. saldare

SISTEMA GUIDATO LATERALMENTE LATE RALMENTE La forza di afferraggio è realizzata dallo stesso sistema di collegamento. Può essere utilizzato per saldature per punti o continue. Il sistema di collegamento trasduttoretrasduttore punta di saldatura è a forma tronco-conica tronco conica che consente di amplificare l’ampiezza della oscillazione nella zona di minima sezione. Il dispositivo permette perciò di trasformare l’ampiezza delle oscillazioni meccaniche meccaniche fornite dal trasduttore. Per le basse forze di afferraggio e la possibilità di avere maggiore ampiezza delle oscillazioni, questo sistema è relativo ad applicazioni di piccolo spessore. spessore

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

UTENSILE E’ in acciaio per utensili o lega di nickel, nickel, sono in genere genere profilate per prevenire l’incollaggio con la superficie del pezzo. Nella saldatura di lamiere con spessore della lamiera a contatto con l’utensile pari ad s, il profilo è circolare con raggio di circa 50·s ÷100·s. Nelle saldature di fili, la punta è con con scanalatura per favorire un contatto più uniforme. Nel processo, la punta è soggetta ad usura. In genere dopo 100.000 punti di saldatura è necessaria una nuova finitura (il costo di una punta è di circa 1€ 1€ per ogni 10.000 punti di saldatura). Nelle saldature saldature laterali l’utensile è cilindrico con raggio di 25 ÷ 150 mm, mentre anche l’incudine può essere progettata con profilo circolare. Questo permette di realizzare saldature per punti, ma anche saldature continue.

Inoltre, se il pezzo è in movimento e la punta punta di saldatura è ferma, anche l’incudine dovrà avere profilo circolare. Nella saldatura dei fili, incudine e punta sono scanalati.

I PARAMETRI DI PROCESSO PROCESS Vengono ricavati in base all’esperienza. Una volta definiti, la saldatura è altamente riproducibil riproducibile e per cui può essere controllata con sistemi computerizzati. Sono legati allo spessore del materiale, temperatura ambiente, geometria e condizioni superficiali del giunto, proprietà del materiale. In funzione di queste variabili, i parametri di processo chee devono essere aggiustati sono: 1. Potenza 2. Forza di serraggio 3. Tempo di saldatura 4. Frequenza

1.Potenza.. Varia da pochi watt nella saldatura di fili, a 16 kW nella saldatura di sezioni ampie. Saldature continue sono in genere realizzate con potenze comprese tra 100W e 500W. 500W Un aumento della potenza porta in genere a maggiori spessori saldati e a parità di spessore, ad una riduzione del tempo di saldatura. Un modo accurato per misurare la quantità di potenza utilizzata, è quello di monitorare l’energia di saldatura (prodotto della potenza per il tempo di saldatura).

2. Forza di serraggio:

3.Tempo di saldatura. Un ciclo di saldatura è di 0.05s ÷1s, una durata maggiore è un indice di:

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

a.. Potenza insufficiente b.. Possibilità di incollaggio utensile c. Riscaldamento del pezzo d. Danneggiamento delle superfici 4.Frequenza: Deve essere tenuta entro 1-2% 1 2% della risonanza.

Perciò conviene usare un livello di potenza il più elevato possibile e minimizzare il ciclo di saldatura. Nella saldatura continua tinua il tempo è regolato dalla velocità di traslazione. Per esempio, lamierini di alluminio di spessore di 0.025 mm possono saldarsi ad una velocità di 4.5 m/min, mentre di spessore di 0.152 mm ad una velocità di 0.46 m/min.

CAPACITÀ DI PROCESSO Lo spessore spessore di saldatura è limitato dallo spessore della lamiera superiore (a contatto con l’utensile) e dalla potenza del sistema, i massimi spessori di saldatura per : a. l’alluminio sono di 2.54 mm mentre per b. materiali refrattari lo spessore scende a 0.138 – 1.02 mm.

Lo spessore minimo saldabile è di 0.005 mm. mm. Sono possibili saldature di più fogli mentre la saldatura di fili di 0.025 ÷ 0.76 mm di diametro, rientra nelle capacità USW In genere, non ci sono problemi problemi nella saldatura di materiali rivestiti.

Contaminazioni superficiali portano però ad una maggiore energia di saldatura, mentre in alcuni casi si è verificato un indebolimento del giunto per alcuni metalli rivestiti anodicamente. Nelle saldature per punti, punti, possibilità di fratturare i punti precedentemente saldati Maggiore duttilità delle saldature USW rispetto a quelle a resistenza. Deformazione della superficie a contatto con l’utensile o l’incudine, con valori anche del 20% dello spessore del materiale. materiale. Dal momento che non è un processo termico, è possibile realizzare un giunto con diverse combinazioni di materiale.

COMPATIBILITA’ METALLI METAL LI DA SALDARE A fine saldatura si rilevano deformazioni della superficie a contatto con l’utensile o l’incudine, di entità pari anche al 20% dello spessore del materiale. Dal momento che non è un processo termico, è possibile realizzare un giunto con diverse combinazioni di materiale, i materiali e loro leghe più facili da saldare sono l’alluminio, il rame, l’oro, l’argento, l’argento, il platino ed il ferro. I materiali e loro leghe più facili da saldare sono l’alluminio, il rame, l’oro, l’argento, il platino ed il ferro. Materiali refrattari e ad alta resistenza come molibdeno, tungsteno, zirconio, titanio e nickel, presentano delle delle difficoltà. Gli spessori sono ridotti a fogli ed è elevata l’usura dell’utensile. Problemi maggiori si hanno in materiali come stagno, piombo e zinco, che hanno una bassa viscosità. viscosità

APPLICAZIONI Le maggiori applicazioni sono in campo elettronico, elettronico elettrico elet e militare, militare, è un processo competitivo con le brasature nella saldatura dei fili. In campo militare permette di saldare detonatori in quanto ha un basso input termico. La possibilità di saldare attraverso film resistenti alla corrosione vengono utilizzate utilizzate nell’industria aeronautica in saldature di resistenza con macchine USM di grande capacità. Altre applicazioni comprendono la saldatura dei tubi A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING) WEL

di rame nei collettori dell’acqua calda dei pannelli solari e la saldatura dei fogli di alluminio prima del ciclo di laminazione od in caso di rottura. rottura

SALDATURA DELLE PLASTICHE La qualità del giunto è molto uniforme perchè il trasferimento di energia ed il calore rilasciato si mantiene costante ed è limitato nella zona di giunzione. Con l’obiettivo di ottimizzare i risultati, le aree di giunzione sono preparate per renderle indicate per la saldatura con ultrasuoni. Oltre alla saldatura, gli ultrasuoni possono essere utilizzati per rivettare componenti o per inserire inserti metallici nella plastica.

IL PRINCIPIO FISICO Quando si effettua la saldatura termoplastica, termoplastica l’aumento di temperatura nella area di giunzione è prodotto dall’assorbimento di vibrazioni meccaniche, dalla riflessione delle vibrazioni nella stessa zona e dall’attrito fra le due superfici. Le vibrazioni sono introdotte verticalmente. Nell’area di giunzione, si sviluppa un calore d’attrito che plasticizza plasticizza il materiale ed una successiva forgiatura tra le due parti permette la saldatura in un periodo di tempo molto piccolo.

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

La maggior parte dei materiali utilizzati nello stampaggio per iniezione, possono essere saldati per ultrasuoni senza l’utilizzo di solventi, calore o adesivi. La saldabilità di questi materiali dipende dalla loro temperatura di fusione Tm o di transizione vetrosa Tg, dal modulo di elasticità, elasticità, dalla resistenza all’impatto, all’impatto da coefficiente di attrito e dalla conduttività termica In genere più rigida è la plastica, più facile è la sua saldatura. termica.

Materiali con basso modulo di elasticità come il polietilene possono saldarsi se si permette di posizionare l’utensile (horn) il più vicino possibile alla zona di saldatura. Nella rivettatura è in genere valido l’opposto. Meno rigida è la plastica più facile è rivettarla. Buoni risultati possono ottenersi comunque definendo di volta i parametri di forza e di ampiezza di oscillazione. Il successo della saldatura, rivettatura ed inglobamento di inserti metallici nella plastica dipende dall’ampiezza della oscillazione dell’utensile.

INFLUENZA DELL’AMPLIFICATORE DELL’AMPLI FICATORE In genere la corretta ampiezza dell’oscillazione è definita utilizzando diversi amplificatori (booster) in modo da produrre il desiderato grado di fusione o di flusso nella plastiche. Determinano l’ampiezza ottimale dell’oscillazione, le caratteristiche della plastica, la forma del componente ed il tipo di applicazione che si deve realizzare. Ogni combinazione ottimizzata ottimizzata utensile - amplificatore è specifica della applicazione analizzata.

AMPIEZZE E INDICATORI INDICATOR I DI STABILITÀ I valori in tabella sono punti di partenza in fase di progetto e spesso una taratura più precisa è richiesta in fase di esercizio. E’ possibile prevedere la saldabilità di due materiali differenti utilizzando le seguenti linee guida: Temperature di fusione simili. Le temperature Tg or Tm, in funzione del tipo di materiale (amorfo o cristallino) dovrebbero variare di circa 20° ; Flusso Flusso simile del materiale fuso. L’indice di flusso per I due materiali dovrebbe non dovrebbe differire del 10%; Energie di superficie simile. Anche in questo casa l’energia di superficie dei due materiali non dovrebbe differire del 10%.

10%.

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

COMPATIBILITÀ NELLA NELL A SFALDATURA CON ULTRASUONI ULT RASUONI DI PLASTICHE

PROGETTAZIONE DEL GIUNTO GI Le Curve temperature: temperature tempo per un comune giunto di testa ed un giunto ideale sagomato per direzionare l’energia.

Questo giunto modificato permette una saldatura rapida ottenendo la massima resistenza. Il materiale all’interno della zona sagomata diventa il sigillante che distribuito distribuito su tutta l’area del giunto. Le parti dovrebbero essere dimensionate per permettere la dissipazione del materiale della zona sagomata su tutta l’area del giunto. In figura esempi di giunti semplici e complessi, modificati con zone sagomate per direzionare l’energia.

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

APPLICAZIONI DEGLI INSERTI I Per l’inserimento di un inserto metallico in una plastica, il foro è stampato preliminarmente nella plastica con un diametro leggermente inferiore del diametro dell’inserto. Il foro realizza un certo grado di interferenza e guida l’inserto in posizione durante l’inserimento per il bloccaggio finale dell’assemblaggio, l’inserto metallico è generalmente zigrinato, profilato con sottosquadri o con forma tale da resistere i carichi imposti in esercizio. Le vibrazioni ultrasoniche viaggiano attraverso l’inserto e raggiungono l’interfaccia metallo plastica sull’interfaccia l’energia sonica è rilasciata in calore.

ESEMPI MPI DI INSERTI L’intensità del calore creato dalle vibrazioni tra la plastica ed il metallo è sufficiente per fondere localmente la plastica, permettendo all’inserto di essere guidato in posizione . Il tempo di esposizione alle vibrazioni è in genere inferiore iore al secondo, ma in questo tempo, la plastica avvolge la zona zigrinata, fluisce nei sottosquadri o filetti incapsulando l’inserto. Nelle configurazioni tipiche l’inserto è dotato di dispositivi di collegamento, per esempio fori filettati per consentire l’assemblaggio con altri sistemi. In esercizio la zona di collegamento dovrà perciò sopportare sollecitazioni di taglio e assiali. La progettazione inserto/foro varia in funzione dell’applicazione; in genere comunque si deve prevedere un sufficiente volume volume di plastica che deve riempire i vuoti appositamente lasciati nell’inserto. Un leggero eccesso di materiale è in genere tollerato, mentre un interferenza insufficiente è sintomo di una minore resistenza finale del giunto.

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16. SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING)

RIVETTATURA Come per la saldatura e l’incapsulamento di inserti con ultrasuoni, la rivetta tura applica lo stesso principio di creare un riscaldamento localizzato per effetto di una vibrazione ad alta frequenza. Molte applicazioni vedono l’assemblaggio di componenti in in metallo ed in plastica. Nella rivettatura il perno in plastica attraversa il foro realizzato nella lamina metallica; la rivettatura richiede che l’energia ultrasonica sia rilasciata solo sulla superficie del perno.

L’area di contatto tra utensile e perno deve perciò essere contenuta il più possibile; per questo motivo l’utensile è profilato, anche per rispondere alle specifiche richieste all’applicazione. Le vibrazioni ultrasoniche portano alla fusione del perno e la successiva pressione crea una testa di bloccaggio sopra il metallo. Al contrario della saldatura, la rivettatura richiede che vengano generate sull’interfaccia utensile-perno, utensile perno, vibrazioni fuori fase. Un leggera pressione di contatto iniziale è perciò una necessità per l’attività di vibrazione fuori fase all’interno della limitata area di contatto.

E’ la progressiva fusione fusione della plastica sotto la continua, ma leggera pressione che forma la testa. Aggiustamenti del sistema di controllo possono essere richiesti per ridurre la pressione al livello desiderato. Ci sono due tipologie di teste che soddisfano le richieste della della maggior parte delle applicazioni. La prima ha diametro e altezza pari rispettivamente a circa il doppio e metà del diametro originale del perno. La seconda ha diametro e altezza pari rispettivamente a circa 1.5 e 0.25 del diametro originale del perno.

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM) IL PROCESSO •

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Ha come obiettivi la finitura superficiale, la sbavatura, la pulizia delle superfici, la rimozione di strati sottili di materiale che abbiano subito un processo di microfusione superficiale, l’arrotondamento degli spigoli.

Il processo comporta la rimozione di piccole quantità di materiale per mezzo di una pasta abrasiva, che viene forzata a fluire nelle zone ove si desidera operare la lavorazione.

La pasta opera sotto l’azione di un pistone idraulico che la estrude, a pressioni comprese tra 0.69MPa e 22MPa, attraverso o sopra il pezzo in lavorazione tenuto fermo da apposita attrezzatura di fissaggio.

La lavorazione può realizzarsi anche attraverso più cicli alternativi della pasta.

La massima asportazione di materiale si ha nei punti di massima velocità del flusso abrasivo, ove si ha la minima sezione di passaggio.

Il risultato è un’azione multi-tagliente molto simile a quella di una mola in un’operazione di rettifica ma che si differenzia da questa per la deformabilità del supporto dei grani abrasivi (la base).

L’azione del flusso abrasivo si esprime sia contro le pareti dei condotti attraverso cui fluisce, che verso gli eventuali spigoli che il flusso stesso può incontrare nel suo cammino, operando un’azione di finitura superficiale nel primo caso e di arrotondamento degli spigoli nel secondo.

IL MEZZO ABRASIVO È costituito da una base polimerica siliconica allo stato pastoso alla quale viene aggiunta una certa quantità di granuli abrasivi.

Il tipo, la granulometria ed il rapporto in peso rispetto alla base dei granuli sono scelti in base agli obiettivi della lavorazione.

La base polimerica è un fluido non-newtoniano; presenta perciò viscosità variabile al variare della velocità di deformazione.

Alcuni tipi di basi hanno una curva di viscosità fortemente crescente con la velocità di deformazione al punto da evidenziare un comportamento elastico o addirittura fragile, quando sottoposta a deformazioni rapide.

Sono disponibili comunque altri tipi di base con comportamento differente da quello evidenziato precedentemente. In figura per esempio è riportato il comportamento reologico di una base che manifesta viscosità decrescente con l’aumento della velocità di deformazione.

Un parametro molto importante da considerare nella lavorazione è il comportamento reologico del mezzo abrasivo ed in particolare la curva di viscosità.

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

La curva di viscosità determina la rigidezza ed influenza fortemente il campo di velocità che si ottiene durante il suo movimento: un’elevata rigidezza produce un campo di velocità uniforme in ogni punto della sezione ed un’elevata asportazione di materiale dalle pareti di passaggio, mentre una bassa rigidezza implica un campo di velocità variabile ed una maggiore capacità della pasta a seguire la geometria degli spigoli d'imbocco producendo l’abrasione e l’arrotondamento di questi ultimi.

Altrettanta importanza possiede la parte granulare del mezzo abrasivo, costituita da materiali normalmente usati nelle operazioni di rettifica; in ordine crescente di durezza e quindi di capacità abrasiva, ma anche di prezzo, si evidenziano l’Ossido d'Alluminio, il Carburo di Silicio, il Carburo di Boro, il Diamante sintetico.

La granulometria dell’abrasivo viene scelta in base alla finitura superficiale ed alla velocità di asportazione che si vuole ottenere nel processo, compatibilmente con le dimensioni dei passaggi che il flusso attraversa.

La granulometria inoltre influenza la viscosità della pasta abrasiva, poiché sia miscelando i granuli in differenti misure che adottando una granulometria più fine, si ottiene una diminuzione della viscosità del mezzo e quindi un aumento della sua rigidità.

Pressione di lavoro, luci di passaggio e viscosità della pasta sono tra loro correlate.

L’ATTREZZATURA LA MACCHINA Tipicamente la macchina è costituita da due cilindri verticali opposti, contenenti il mezzo abrasivo, tra i quali viene posto il pezzo da lavorare, tenuto in posizione e serrato idraulicamente avvicinando i due cilindri.

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

Questi lavorano alternativamente facendo fluire l’abrasivo attraverso il pezzo, avanti ed indietro fino al completamento della lavorazione.

Il pezzo costituisce una restrizione al flusso dell’abrasivo quando questo vi passa attraverso o intorno (dipende da dove è effettuata la lavorazione) creando quelle condizioni necessarie all’esecuzione della lavorazione.

Per effettuare la lavorazione è necessario spingere ad elevate pressioni il mezzo abrasivo attraverso i condotti presenti nel pezzo da lavorare oppure creati con l’ausilio di attrezzature di fissaggio (per esempio se si vogliono lavorare superfici esterne).

Di seguito sono mostrati alcuni modi di canalizzare il flusso abrasivo in diverse ingegnerizzazioni del processo di lavorazione.

La pressione di estrusione varia da 0.69 MPa fino a 22 MPa. La portata dipende dalle perdite di carico che il flusso incontra nell’attraversare il pezzo, dalla rigidezza del fluido e dalla pressione di estrusione.

Nelle produzioni in serie la macchina è dotata di pallets per lo scaricamento ed il caricamento dei pezzi così mentre un pallet di pezzi lavorati esce dalla macchina, uno già caricato dall’operatore va in lavorazione, per incrementare la produzione ed abbassare i tempi passivi della macchina.

Un altro dispositivo spesso presente nella macchina è il raffreddatore termostatico per il mezzo abrasivo, visto che la temperatura influenza la viscosità e quindi tutto quello che da questo deriva.

Braccio robotizzato per iniettare la pasta abrasiva in modo da aumentare la produttività del processo.

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

LE ATTREZZATURE AUSILIARIE Le attrezzature mantengono il pezzo nella giusta posizione e dirigono il mezzo abrasivo in quelle zone che devono essere lavorate.

Per quei pezzi che presentano un restringimento costituito da una cavità passante, la lavorazione avviene automaticamente dopo averli posizionati tra i due cilindri, mentre per quei pezzi che non presentano delle cavità passanti o per i quali si vogliano lavorare superfici esterne, è necessario creare dei canali di passaggio con delle attrezzature ausiliarie, in modo da dirigere la pasta tra la superficie esterna del pezzo e quella interna dell’attrezzatura di fissaggio (ruote dentate, giranti di turbine,…).

Particolare importanza rivestono le attrezzature di fissaggio, quando si vuole incrementare la produzione, poiché si possono lavorare simultaneamente più pezzi riuniti in un lotto di poche unità mentre si provvede allo scaricamento ed al caricamento dell’attrezzatura che ha appena lasciato la macchina e che verrà successivamente posizionata in lavorazione.

I PARAMETRI DI PROCESSO I parametri di processo significativi da cui dipende il risultato ottenuto e che quindi vanno accuratamente controllati sono: 1.

2.

3.

4.

5.

6.

Numero di cicli di lavoro (la quantità di pasta che viene fatta passare); Pressione di lavoro; Tipo e composizione della parte granulare; Rigidezza del mezzo abrasivo; Configurazione della geometria dei condotti attraverso i quali passa il mezzo abrasivo; Temperatura del mezzo abrasivo.

Si evidenzia una delle caratteristiche della AFM e cioè l’ampio numero di parametri che influenzano il processo e la facilità con cui è possibile controllarli; nello stesso tempo si evidenzia comunque la dipendenza dalla geometria dei condotti del pezzo in lavorazione, dipendenza che non permette di utilizzare i dati provenienti dalla letteratura senza una opportuna sperimentazione relativa alla configurazione di lavoro in esame.

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

LE CAPACITÀ APACITÀ DEL PROCESSO Quando la finitura superficiale iniziale è di almeno 0.70.7-7 μm, m, la lavorazione a flusso abrasivo permette di diminuire anche di dieci volte la rugosità di una superficie; AFM è infatti capace di asportare materiale producendo producendo lavorazioni di finitura, finitura, ma non è in grado di correggere macro irregolarità come incisioni ed in genere errori di forma (assenza di planarità, circolarità). Come indicazione generale si può dire che:

la maggior parte della rimozione del materiale avviene avviene nei punti dove si ha la maggiore restrizione delle luci di passaggio della pasta; i tempi di lavoro sono generalmente compresi tra 1 e 5 minuti; la rimozione di materiale avviene uniformemente sulla superficie; si possono raggiungersi tassi di produzione produzione anche di 1000 pezzi per ora ingegnerizzando opportunamente il sistema di attrezzaggio della macchina

I tassi di asportazione sono comunque ridotti.

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APPLICAZIONI

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

UN CASO INDUSTRIALE

GEOMETRIA DEI CONDOTTI CONDOT TI E LAVORAZIONE

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

MISURA DELLA CAPACITÀ ABRASIVA DELLA PASTA

MISURA DELLA CAPACITÀ RACCORDANTE DELLA PASTA ABRASIVA

VALUTAZIONE PUNTI CRITICI DI LAVORAZIONE Dallo studio del pezzo sono state individuate le zone dei condotti che risultano favorite dal flusso abrasivo.

Alcune zone non risultano favorite dal flusso abrasivo e quindi occorre adottare una delle seguenti soluzioni:

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17. LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM)

CAPACITÀ ABRASIVA E DI RACCORDO Nel seguente grafico possiamo valutare la capacità abrasiva e quella di raccordo in funzione del tempo di lavorazione.

INFLUENZA DEL NUMERO DI CICLI Dai diagrammi che seguono è possibile valutare l’influenza del numero di giri sulla capacità di raccordare della pasta abrasiva. In particolare si nota la diminuzione dell’efficacia del processo con il progredire della lavorazione.

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE ASPO RTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL (CH EMICAL MACHINING CHM CHM) Vedremo nel dettaglio:

IL PROCESSO La pratica di utilizzare reattivi chimici per rimuovere in modo selettivo materiale da un metallo risale al 2500 Avanti Cristo (questa pratica era più un arte che una applicazione industriale); acidi organici erano utilizzati a scopi corrosivi dagli egiziani per decolorare gioielli. Un primo limitato utilizzo nel Manufacturing, risale al 1940 in cui un processo definito come “Fresatura Chimica” venne utilizzato per la fabbricazione di pannelli di aerei.

Nel 1940 la lavorazione chimica venne utilizzata anche per l’attacco selettivo del rame nella produzione dei dei circuiti stampati. Nel 1950 l’attacco selettivo di un reagente venne utilizzato per la tranciatura della lamiera. Il processo CHM utilizza acidi o soluzioni alcaline per dissolvere i metalli in maniera selettiva e controllata; la selettività è in genere realizzata proteggendo la superficie del pezzo che non si vuole attaccare, con una maschera resistente ai reagenti. Il processo è usato per: 1) La produzione di configurazioni complesse in lamiere sottili, 2) La lavorazione di componenti delicati che potrebbero essere danneggiati a causa delle forze di taglio.

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

In alcune applicazioni è un metodo economico per rimuovere grosse quantità di materiale dalla superficie del componente. Permette di: a) Produrre dettagli ciechi tipo cave, scanalature; b) Produrre dettagli che che penetrano il materiale completamente (fori, slot); c) Rimuovere materiali dalla superficie per ridurre il peso del manufatto.

LA FRESATURA CHIMICA Nella fresatura chimica i principali utilizzi sono: 1) La realizzazione di ampie cavità poco profonde (minori (minori di 12mm) 12mm) su piastre, pezzi forgiati o getti per ridurne il peso ; 2) La fabbricazione di circuiti stampati in elettronica; 3) L’attacco selettivo di vetri .

Distinguiamo due tipologie di lavorazione chimica: a) Lavorazione per immersione; b) Fresatura foto – chimica chimica (PCM).

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

LAVORAZIONE PER IMMERSIONE IMME RSIONE Il pezzo è immerso in un bagno (acido o alcalino in funzione del metallo da lavorare). La rimozione del materiale è controllata dal tempo di esposizione e dalla temperatura di lavoro, la velocità di asportazione del materiale è lenta (0.025mm/min ÷ 0.1mm/min).

FRESATURA FOTO-CHIMICA FOTO CHIMICA (PCM) E’ usata principalmente per lamiere e piastre e rispetto alla fresatura per immersione permette di produrre cavità di minore spessore. Utilizza maschere sensibili alla luce ultravioletta. ultravioletta. L’attacco è realizzato spruzzando i reagenti sulla superficie lavorata.

STEPS DELLA LAVORAZIONE Sono i seguenti: 1) 2) 3) 4) 5)

Preparazione : prepulitura Applicazione delle maschere Attacco chimico Rimozione delle maschere Finitura ispezione 1) Preparazione: Prepulitura: E’necessaria per assicurare l’adesione della maschera alla superficie. Un corretta preparazione evita dispersioni del reagente nelle zone da proteggere. In funzione del tipo di materiale della maschera, la profondità di taglio ed ed il pezzo in lavorazione, la pulitura può essere effettuata con solventi o con attacchi chimici. L’operazione di pulitura è difficile in materiali porosi.

2) Applicazione delle maschere: Deposizione sulla superficie del materiale resistente all’attacco chimico, quando deve essere realizzato un attacco selettivo.

Nella progettazione della maschera è necessario considerare la presenza di un sottosquadro che si viene a creare nella successiva fase di attacco.

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

La dimensione del sottosquadro è funzione di diversi fattori come: 1) la profondità di taglio, 2) il tipo di reagente ed il materiale in lavorazione. lavorazione. Il sottosquadro viene viene quantificato con il parametro Etch factor = (Sottosquadro)/(profondità di taglio) Completa la fase l’ispezione per controllare eventuali zone con mancanza di adesione. adesione

3) Attacco chimico: Esposizione al reagente per immersione in una vasca o con “spray”: E’ necessario garantire un ricambio continuo di reagente per evitare attacchi non uniformi (agitazione del bagno) Agitazione eccessiva può creare cavitazione o stagnazioni che portano a scanalatura E’ necessario rigenerare il reagente durante il processo introducendo nuovo reagente e periodicamente effettuare effettuare un completo ricambio La profondità di taglio viene controllata in base al tempo di immersione del materiale nel reagente Il manufatto viene generalmente inclinato per evitare che le bolle che si generano durante il processo possano venire intrappolate, intrappolate, isolando la superficie dall’attacco 4) Rimozione delle maschere: Ci sono due possibili tecniche: • Tecniche meccaniche per maschere spesse e da Riutilizzare, • Tecniche chimiche per maschere sottili o per parti sottili che possono danneggiarsi.

5) Finitura: Viene ispezione a vista.

PARAMETRI DI PROCESSO Includono la composizione e la temperatura del reagente, il metodo di circolazione del reagente, il tipo di maschera ed il metodo di applicazione delle maschere. Possono applicarsi tre tecniche di protezione con maschere delle superfici: 1. “cut and peel” 2. “photoresist” 3. “screen-printed” printed”

1. Cut and Peel: Peel: Sono maschere in materiale spesso (neoprene, vinile) che viene applicato con spray o per pitturazione (in spessori di 0.0250.025 0.13 mm)e viene successivamente asportato nelle zone di attacco selettivo per mezzo di incisione (utilizzando profili di riferimento riferimento come guida). La fase di incisione è manuale e quindi la precisione non scende sotto 0.13-0.75 0.13 mm.

Lo spessore della maschera garantisce una lunga esposizione e quindi profondità di passata maggiori (anche di 13 mm). Questo approccio permette lo step etching (corrosione per passaggi successivi..). Il metodo è indicato per componenti larghi che richiedono profondità di taglio maggiori di 1.5 mm. Applicazioni nell’industria nell’industria aeronautica e chimica.

2. Screen Preenting: Preenting: Su una fine griglia di seta o di acciaio acciaio inossidabile la superficie da attaccare è protetta per bloccare il passaggio del materiale che definisce la maschera, durante la fase di di deposizione di tale materiale. Lo schermo viene adagiato sulla superficie di lavoro, viene successivamente applicato il rivestimento e pressato con un rullo. lo. Essiccamento della maschera, realizza realizza alti volumi di produzione ma precisioni non eccessive (±0.05mm ÷ ±0.18 mm). Per il piccolo spessore della maschera (minore di 0.05 mm), la profondità di passata è minore di 1.5 mm. La A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

dimensione dello schermo è limitata a superfici minori di 1.2mm x 1.2mm. E’ possibile applicarla su superfici piane o con leggera curvatura. curvatura 3. Photoresist: Photoresist Permette di riprodurre geometrie intricate utilizzando una resina sensibile alla luce. In tranciatura è utilizzata la tecnica del tabbing. tabbing. Applicabile nella tranciatura di lamiere di spessore inferiore a 1.5mm e riesce a definire dettagli anche minori di 1mm x 1mm.

1mm. Richiede alti volumi di produzione e garantisce tolleranze del ±10% dello spessore.

Il trasferimento dell’immagine del photomaster, photomaster, sulla resina photo-resist photo resist viene applicata sul pezzo, mediante semplice stampa. Un alternativa della produzione del photomaster photomaster da un disegno, utilizza tecniche laser (laser ad argon, λ=488nm, di 5 mW). L’accuratezza è di ±0.025mm e la ripetibilità di ±0.0005mm. Master di 0.5m x 0.5m possoni essere realizzate in 5min circa. Un metodo alternativo utilizza direttamente il disegno disegno CAD per la polimerizzazione della resina mediante Laser ad Argon di 3W.

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

I REAGENTI In tabella sono evidenziati alcuni reagenti comunemente utilizzati, i tassi di asportazione ed il valore del Etch Factor, Factor nella successiva tabella sono riportate le reazioni chimiche:

MATERIALI

REAGENTI NaOH

REAZIONI CHIMICHE 2 Al + 2 NaOH+2 OH↔2NaAlO OH↔2NaAlO2 +3H2 2NaAlO2 + 2OH2↔ Al(OH)3 + NaOH

Alluminio

HCl

2 Al + 6 HCl↔2AlCl HCl↔2AlCl3 + 3H+ 2AlCl3 + 3H2O ↔ 3 HCl + Al(OH)3

HCl+NaHCO3 HF

Titanio

Al + 3 HCl + HNO3 ↔ AlCl3 +NO +2 H2O 6HF + Ti ↔ H2TiF6 +2 H2O

HF + HNO3

6HF + Ti + 4HNO3 ↔ H2TiF6 + 4 NO + 4 H2O

HF + CrO3

3 Ti +30HF +4 CrO3 ↔ 3 H2TiF6 + 4CrF3 + 12 H2O HCl + HNO3 ↔ NOCl + H20 +Cl2

HCl + HNO3

H2O + Cl2 ↔ HClO + HCl

Acciai

2Fe + 3HClO +3HCL ↔ 2FeCl2 + 3H2O

(ferro, cromo, nikel, cobalto)

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Fe + 3 NOCl ↔ FeCl2 + 3NO

FeCl3

Fe +2FeCl3 ↔ 3FeCl2

HNO3

3Fe + 8H++2NO-3 ↔ 3Fe2++2NO + 4H20

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18. LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM)

LE APPLICAZIONI La fresatura chimica è utilizzata nella lavorazione di grandi componenti, come per esempio le casse per turbine di aviogetto in figura, e componenti di aerei e missili nell’industria aeronautica e spaziale, con l’obiettivo di aumentare il rapporto resistenza/peso. Una variante del processo permette di realizzare anche profili conici conici. Altra applicazione è la tranciatura chimica che permette alta definizione di dettaglio su spessori sottili, grazie alle caratteristiche delle maschere photoresist.

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ESPO RTAZIONE ELETTROCHIMICA ELETTROCHIM ICA (ELETROCHEMICAL MACHINING) Vedremo nel dettaglio:

IL PROCESSO La lavorazione elettrochimica (ECM) è basata sul processo di dissoluzione anodica controllata del pezzo in lavorazione. La rimozione del materiale (deplating) avviene per elettrolisi, secondo un processo opposto alla deposizione (plating).. L’elettrolisi è un processo chimico che avviene quando una corrente elettrica continua passa tra due elettrodi immersi in una soluzione liquida. I primi primi studi sulla deposizione furono condotti da Faraday (1900). Nel plating il materiale è asportato dall’anodo e si deposita sul catodo. Il processo ECM fu ideato da Williams (1960). Nel deplating, il pezzo in lavorazione è l’anodo, l’anodo, l’utensile è invece il catodo. Il catodo e l’anodo sono immersi in una cella elettrolitica, dove la soluzione liquida rappresenta l’elettrolita. Sulla superficie anodica, il metallo è dissolto in ioni dalle reazioni di deplating e perciò la forma dell’utensile è copiata nel pezzo.

•

Durante la lavorazione, lavorazione, l’elettrolita è forzato attraverso il gap che si forma tra elettrodo e utensile per evitare la placcatura dell’utensile e rimuovere i prodotti delle reazioni elettrochimiche (idrossidi del metallo, calore e bolle di gas). In generale l’utensile è fatto avanzare per mantenere mantenere costante il gap.

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMIC (ELETROCHEMICAL AL MACHINING)

Per ottenere elevati tassi di asportazione del metallo e garantire accuratezza nella duplicazione della forma dell’utensile, il processo è realizzato ad elevate densità di corrente (dell’ordine di 10A/cm2 ÷ 100A/cm2), ad un relativamente vamente basso voltaggio (in genere 8V ÷ 30 V), mentre è garantito un gap piccolo (dell’ordine di 0.1mm) ed una velocità di alimentazione dell’utensile (compresa tra 0.1mm/min e 20mm/min). Il materiale dissolto, il gas ed il calore sono rimossi dal gap con il flusso al alta velocità dell’elettrolita (dell’ordine di 5m/s ÷ 50m/s). Il processo ECM non è basato su forze meccaniche; meccaniche; è perciò possibile lavorare qualsiasi materiale elettricamente conduttivo, indipendentemente dalle sue proprietà meccaniche (durezza, (durezza, tenacità). L’uso del processo ECM offre vantaggi nella lavorazione di superfici complesse su materiali che sono difficilmente lavorabili con i mezzi convenzionali. Non c’è inoltre alcuna necessità di realizzare l’utensile in materiale più duro di quello del pezzo, così come se opportunamente condotta la ECM non porta ad usura dell’utensile. Dal momento che non c’è alcun contatto tra utensile e pezzo, il processo ECM è un metodo di lavorazione che permette di ottenere componenti con pareti sottili sottili,, in materiali materiali caratterizzati anche da elevata deformabilità o fragilità. fragilità

•

Tra gli svantaggi, svantaggi, la difficoltà di realizzare con accuratezza superfici complesse perché ci sono difficoltà per confinare il processo ECM in modo preciso sulla superficie che deve essere lavorata. l Per superare questo problema sono stati sviluppati programmi che permettono di simulare il processo di dissoluzione anodica e quindi di trovare la più opportuna forma dell’utensile. Altri svantaggi sono legati al costo dell’attrezzatura, equivalente se non superiore a quella delle equivalente macchine di asportazione convenzionale, per la necessità di protezione da parte dell’elettrolita.

Sono state ingegnerizzate diverse varianti al processo ECM. Parti complesse possono essere ottenute dando anche moti di traslazione tra all’utensile.

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IL PRINCIPIO FISICO Quando una differenza di potenziale è applicata agli elettrodi immersi nella soluzione elettrolitica, diverse possibili equazioni avvengono sul catodo e sull’anodo, in funzione del materiale del pezzo e del tipo dell’elettrolita.

Nell’ipotesi di un pezzo in acciaio e di utilizzare NaC come elettrolita si ha:

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19. LAVORAZIONE AZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

LE REAZIONI ELETTROCHIMICHE ELETTROC HIMICHE Osservando l’equazione definitiva: Si evidenzia che: •

• •

[2Fe + 4H2O + O2]: Il NaCl non compare nella reazione perché non viene consumato durante il processo. Per mantenere costante la concentrazione dell’elettrolita è necessario aggiungere acqua durante la lavorazione; [2Fe(OH)3 ]: Ha l’aspetto di un fango rosso-bruno rosso bruno che deve essere rimosso continuamente per garantire condizioni condizioni di lavorazioni costanti; [H 2]: Deve essere decontaminato per ventilazione per evitare il pericolo di esplosione.

PARAMETRI ARAMETRI DI PROCESSO La scelta dei parametri di processo evita:

l’usura dell’utensile la deposizione localizzata

Il costo delle attrezzature è elevato, perciò si preferisce la produzione di massa e la lavorazione di materiali conduttori difficili. difficili Vale lo schema:

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QUANTITÀ DI MATERIALE MATERIAL E ASPORTATO Il processo ECM è automatizzabile, preciso e altamente ripetibile; prova di questo che la definizione di una unità di misura, il Coulomb, è basata sul fenomeno della placcatura elettrochimica: 1Coulomb = Quantità di energia elettrica necessaria per depositare depositare 0.001118 g di Argento La quantità di materiale asportato durante il processo ECM è proporzionale alla quantità di corrente ed è regolata dalla legge di Faraday: Secondo la legge di Faraday, la massa di metallo rimossa Δm (cioè (cioè la massa di ioni metallici) metallici) corrispondente ad una corrente di dissoluzione ΔId nel tempo Δt (cioè (cioè alla carica elettrica ΔId ·Δt ) è data da:

k è l’equivalente elettrochimico del materiale in lavorazione, ovvero la massa di ioni trasportati per unità di carica elettrica (1Coulomb = 1A·s).

1A·s) Per esempio il ferro ha peso atomico pari a 55.85 g/mole. Quando è nella forma bivalente (n=2), esso ha equivalente elettrochimico pari a k=29·10-5 g/C, mentre k=19·10-5g/C, quando è nella forma trivalente. trivalente.

In una lega di i elementi ciascuno cuno con concentrazione ci, che dissolvono indipendentemente e simultaneamente rispetto agli altri, l’equivalente elettrochimico è:

Il rapporto tra la corrente di dissoluzione ΔId che è responsabile della dissoluzione del metallo e la corrente totale ΔII è definita l’efficienza di dissoluzione anodica η:

La legge di Faraday è indipendente dalla natura dell’elettrolita. E’ possibile definire il volume specifico Vsp di materiale asportato per mezzo della relazione qui riportata:

VELOCITÀ DI DISSOLUZIONE DISSOLUZ NE ANODICA Esprimendo la massa dissolta in funzione dello spessore del layer di materiale rimosso Δh e della superficie ΔS e con Vn e la velocità di dissoluzione anodica e con Is la densità di corrente, corrente otteniamo le seguenti relazioni:

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

IL COEFFICIENTE COEFFICIENT DI LAVORABILITÀ ELETTROCHIMICA ELET TROCHIMICA (Kv) Il coefficiente di lavorabilità elettrochimica, oltre che dal materiale dipende dall’elettrolità e dalla densità di corrente, alla lla variazione di KV corrisponde una variazione di Vn .Per alcuni elettroliti, come NaNO3 , esiste un valore di soglia i*, per cui si ha Vn bassi. Questo è utile per controllare l’accuratezza della superficie lavorata lavorata. Rispetto al NaNO3 , NaCl è poco sensibile alla densità di corrente ed alla temperatura ed ha maggiori tassi di asportazione NaCl è perciò più indicato per avere elevati tassi di asportazione, mentre NaNO3 quando si desidera controllare meglio la finitura superficiale.

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEM (ELETROCHEMICAL ICAL MACHINING)

IL TASSO DI MATERIALE MATERIAL E ASPORTATO (MRR MRR) ED IL COSTO DELLA LAVORAZIONE LA VORAZIONE Il tasso di materiale asportato MRR è la la quantità di materiale asportata nell’unità di tempo, ed è proporzionale alla corrente I fornita dal generatore:

Il consumo di energia specifica è definito come l’energia necessaria per rimuovere un’unità un’unità di volume di materiale.

E’proporzionale proporzionale alla differenza differenza di potenziale U realizzata dal generatore elettrico:

LA FORMA DEL’UTENSILE DEL’UTENSIL E E LA SUPERFICIE LAVORATA LA VORATA Conosciuta onosciuta l’equazione della superficie dell’anodo F(x,y,z,t)=0, si può dimostrare che l’equazione generale della superficie del catodo è :

Le equazioni che descrivono la velocità di dissoluzione anodica Vn V e la densità di corrente in , sono utilizzate per determinare il profilo S dell’anodo dato un determinato profilo dell’utensile o equivalentemente il profilo dell’utensile quando è desiderato desiderato un determinato profilo del pezzo (in fase di progettazione) .

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

L’approccio per progettare la superficie dell’utensile può semplificarsi nell’ipotesi di linearizzare la distribuzione del potenziale nel gap. gap. In prossimità di un punto A della superficie del pezzo si assume che il campo elettrico è localmente mono-dimensionale mono dimensionale (lo stesso di quello che esiste nel gap tra due piani paralleli). Nell’ipotesi di pezzi con piccolo angolo di curvatura cioè con R/G<0.1 o a<75°, la linea di corrente è approssimata approssimata ad uno dei segmenti AC’ o AC’’ (ottenuti mandando da A, la perpendicolare alla superficie dell’utensile o del pezzo). pezzo)

Il valore di G può essere scelto in funzione della massima corrente che può essere fornita dal generatore di potenza.

La conduttività nduttività elettrica può ipotizzarsi come valore corrispondente alla media delle temperature dell’elettrolita ottenute durante la lavorazione. lavorazione

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19. LAVORAZIONE ORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

PARAMETRI DI PROCESSO PROCESS O E RANGE DI LAVORO

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

L’ATTREZZATURA

MACCHINE PER EMC Si distinguono in: 1. Orizzontali tali 2. Verticali 3. Combinate •

•

Sistema di sicurezza contro i cortocircuiti: Utilizzando una densità di corrente elevata, un cortocircuito provoca usura dell’utensile e del pezzo nella zona di contatto. Il danno è proporzionale a (I, V, tempo). L’unica cosa che è possibilecontrollare è il tempo. I dispositivi utilizzati permettono per esempio di disconnettere la potenza dopo un tempo di soli 10÷2 µs.

Dimensioni delle superfici lavorate elevate, implicano forze elevatissime: per esempio pressioni dell’elettrolita nel gap di 1.4 MPa su un foglio A4 (210 x 2297mm ), generano forze di di circa 8700 ÷9000 kg. Tali forze, se la meccanica non è delle migliori, possono variare anche di molto il gap (nell’ordine dei 0.25 mm), con conseguenti difetti. L’elettrolita è corrosivo e perciò si usano: acciaio inox e plastica unità di guida e motori sigillati, mossa da viti a ricircolazione di sfere Il costo dell’attrezzatura è di circa 100k€ 100k€ ÷ 400k€.

400k€

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

ELETTROLITA Elettrolita haa le seguenti funzioni:

Portatore di corrente Rimozione dei prodotti della reazione elettrochimica Smaltimento del calore

Si possono classificare in due categorie: categorie: a.

b.

Producono fanghi: NaCl e NaNO3, la la scelta è legata ai materiali dell’utensile e del pezzo, pezzo molto olto usato è il NaCl : Pregi: basso costo conduttività stabile su di un vasto range di pH Difetti: molto corrosivo fanghi in abbondanza non può essere usato nella produzione di WC o Mo Un alternativa al NaCl è il NaNO : Pregi : Corrosività ridotta Indicato per Al e Cu Difetti: Può portare a passivazione del pezzo Bassa velocità di dissoluzione dissoluzione Non producono fanghi: H2 SO4 NaOH Le concentrazioni in volume devono essere controllate per evitare la deposizione.

Sono indicati per alcuni materiali come il Mo

La temperatura è fondamentale: infatti la conduttività del NaCl aumenta del 100% quando la temperatura passa da 24°C a 71°C..

Problema dei fanghi: fanghi

Si producono circa 100cm ÷150cm di fanghi ogni cm di materiale rimosso.

Un elettrolita non deve avere più del 25% in peso di fanghi; essi si presentano sotto forma di particelle anche di 1µm.

1µm E’ meno meno costoso purificare che sostituire integralmente l’elettrolita; vengono utilizzati i seguenti metodi: Uso di filtri Decantazione in ampie vasche Centrifugazione

UTENSILE Utensile Il flusso dell’elettrolita può essere diretto o inverso (riduzione delle possibilità di cortocircuiti) e con contropressione variabile: variabile:

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCH (ELETROCHEMICAL EMICAL MACHINING)

Il materiale deve avere le seguenti proprietà: proprietà

Conduttore elettrico, Conduttore termico Facilmente lavorabile Resistente all’adesione chimica Buona rigidezza

Tra i materiali indicati, si evidenziano il rame, l’ottone, l’acciaio inossidabile. inossidabile Spesso la progettazione è empirica: empirica

Deve essere previsto un overcut di 0.025mm ÷ 0.76mm su tutte le superfici attive Deve evitare aree di stagnazione Deve essere esente da difetti Possono realizzar realizzarsi si dettagli multipli con un unico utensile

CAPACITÀ DI PROCESSO Il confronto tra i tassi di asportazione in volume/tempo non evidenzia notevoli variazioni tra i diversi materiali: materiali

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19. LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING)

Le tolleranze dimensionali sono compresi tra ± 0.012 mm e ± 0.05 mm. mm L’overcut L’overcut è di ˜ 0.12 mm In funzione dell’utensile ell’utensile usato, si può limitare la conicità a 0.001 mm/mm La finitura superficiale varia da 1.5µm in punta all’utensile, a 5µm sulla superficie laterale; con basse densità di corrente è funzione del: • • •

materiale in lavorazione flusso dell’elettrolita densità di corrente

Si possono realizzare fori con Dmin = 0.76mm, 0.76mm, ed aspect ratio di 20:1.

20:1 Assenza di danneggiamenti sul materiale e di stati tensionali; (nelle lavorazioni per asportazione convenzionali questi ultimi ultimi migliorano la resistenza a fatica). Una errata impostazione dei parametri può portare a corrosione intergranulare. intergranulare

APPLICAZIONI

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

20. LAVORAZIONI PER P ER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA ELET TROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPE OPERATION) RATION) Verranno studiate le seguenti tecniche:

Electrochemical Deburring Electrochemical Honing Electrochemical Turning Electrochemical Grinding Electrostream Drilling Shaped Shaped-Tube Electrolytic Machining

ELECTROCHEMICAL DEBURRING DEB URRING Analizzeremo:

Il Processo; Parametri del processo; L’Attrezzatura; Le Applicazioni

IL PROCESSO Realizza una dissoluzione anodica della bava, ma si differenzia dalla ECM per i seguenti punti: (i) minor pressione nell’elettrolita; (ii) minor flusso dell’elettrolita; (iii) minor corrente. corrente Un’altra differenza è che l’utensile non è in movimento (static electrochemical machining). machining) L’elettrolita viene introdotto nel gap tra bava ed utensile il processo di dissoluzione interessa la bava che gradualmente è asportata sino alla scomparsa. scomparsa Vantaggi Vantaggi:

Notevole economia di tempo se confrontata al deburring manuale (tempi di lavorazione anche minore al minuto e processo facilmente automatizzabile).

Processo altamente altamen selettivo Utensile non soggetto ad alcuna usura Basso costo dell’operazione Facilità di manutenzione dell’attrezzatura

PARAMETRI DI PROCESSO PROCESS Il processo è indicato per sbavatura selettiva e non di massa; può inoltre essere utilizzato per bave particolari: non lunghe o larghe come quelle residue di lavorazioni per asportazione di truciolo per evitare cortocircuiti le bave devono essere regolari tra un componente e l’altro, ill processo può essere usato anche per raccordare spigoli. spigoli Amperaggio: 100 ÷ 2000A Voltaggio: 7 ÷ 25 V Pressione dell’elettrolita: 69KPa ÷ 350KPa Portata di elettrolita: 3.7 l/min ÷ 15 l/min (ogni 100A ) Gap:: 0.12 ÷ 1.2 mm (in genere 0.76mm)

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

Finitura superficiale: 0.2 ÷ 1.6µm In generale le bave vengono eliminate in 5s ÷ 50s

ATTREZZATURE Sono stazioni singole o multiple, servite da un’unica sorgente di energia.

Costo approssimativo: approssimativo: 20.000 ÷ 50.000€, 50.000€, con il 30% ÷ 40% del costo associato alla realizzazione dell’utensile

UTENSILI Sono in ottone, ottone rame, acciaio inossidabile. inossidabile Sono rivestiti, tranne che nella zona di lavoro L’orientazione delle bave influenza la progettazione dell’utensile La bava è attaccata alla radice, ill flusso dell’elettrolita deve consentire l’allontanamento di eventuali segmenti di bave, che si distaccano durante il processo, perché potrebbero produrre cortocircuiti..

APPLICAZIONI Si possono realizzare: Deburring e raccordo di parti di difficile accesso.

Componenti che devono essere lavorate in modo selettivo.

Componenti fragili che non possono sopportare carichi.

Deburring di componenti finiti.

Sbavatura e raccordo di intersezione di fori in alberi a gomito. Due componenti sono lavorati contemporaneamente con un tempo ciclo di 30s/componente Sbavatura di numerose intersezione di fori in un componente in acciaio al CromoCromo Nickel. 12 componenti vengono processati contemporaneamente in circa 22s utilizzando una corrente di 380A/componente. ponente. In figura la stazione completamente automatizzata per la sbavatura dei 12 componenti. componenti

ELECTROCHEMICAL HONING Analizzeremo:

Il Processo; Parametri del processo; A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

IL PROCESSO Il materiale è rimosso attraverso una combinazione di dissoluzione anodica odica ed una azione abrasiva. abrasiva. La maggior parte del materiale è rimosso elettricamente (circa 80%), ), perciò il consumo della pietra piet abrasiva è basso. I tassi di asportazione aumentano anche del 100% rispetto ad una lucidatura convenzionale. L’utensile è un corpo cilindrico cavo in acciaio inox, provvisto in almeno tre punti della circonferenza di pietre abrasive abrasive in grado di espandersi verso l’esterno. Le pietre sono identiche a quelle utilizzate nella lucidatura convenzionale, tranne per il fatto che devono essere in grado grado di resistere all’elettrolita. L’espansione delle pietre è realizzata con molle, mentre la loro lunghezza è circa la metà della lunghezza del foro da lavorare. lavorare Le pietre rimuovono gli ossidi superficiali prodotti dall’azione elettrochimica, garantendo nello stesso tempo una eventuale azione elettrochimica non omogenea e non uniforme. uniforme.

Durante la lavorazione le pietre mantengono il contatto con la superficie da lavorare. lavorare All’inizio della lavorazione il gap tra utensile e pezzo è di 0.075mm ÷ 0.127mm. Durante la lavorazione il gap aumenta sino ad arrivare a superare 0.5mm. L’aumento del gap riduce l’azione elettrochimica. elettrochimica L’elettrolita entra dall’interno dell’utensile ed esce nel gap da fori appositamente realizzati. Non è possibile lavorare fori fori ciechi. Il movimento meccanico dell’utensile (rotazione (rotazione e traslazione alternata) alternata) è simile a quello del processo convenzionale. convenzionale

PARAMETRI DI PROCESSO ROCESSO L’elettrolita elettrolita e simile a quello delle comuni ECM (NaCl, (NaCl, NaNO3 ); il controllo di pH, composizione e fanghi è meno critico. L’elettrolita L’elettrolit (in genere le macchine hanno una capacità di 190L ÷ 380L) è riutilizzato dopo filtraggio. filtraggio Corrente: 6000° 6000 (fino a 20000 A); A Densità di corrente: 12A/cm2 ÷ 47A/cm2 , in genere 18A/cm2 ; Tensione: 6V ÷ 30 V ; Pressione dell’elettrolita: 0.5MPa ÷ 1MPa ; Finitura superficiale: 0.05µm (non sono lasciati graffi né tensioni residue) si raggiungono 0.12µm 0.12µm; Tolleranze dimensionali: ±0.007 ÷ ±0.012mm

Una passata finale con una sola asportazione meccanica genera una tolleranza dimensionale di ±0.002 mm Il tasso di asportazione può essere il 100% maggiore di quello con la tecnica convenzionale, mentre la durata delle pietre aumenta Le macchine permetto di lavorare lavorare fori di diametro di 9.5mm ÷ 150 mm con una profondità sino a 600mm Riduzione di tempo rispetto ad una lucidatura lucidatura convenzionale. Un foro di 19mm in un acciaio cementato di 62HRC è lavorato in 4s, mentre sono necessari 18s nella lucidatura convenzionale, che registra inoltre un aumento del consumo delle pietre del 300%.

300% Se la potenza lo consente, gli utensili hanno in genere la stessa forma del pezzo da realizzare. Intensità di corrente in gioco di circa 20.000 A. Si possono tornire dischi molto sottili (anche di 0.12mm) per l’assenza di distorsioni ed indipendentemente dalla durezza. durezza Le tolleranze sono di ±0.007 ÷ ±0.012mm. ±0.012mm La finitura superficiale può raggiungere 0.12µm.

0.12µm Sulla base dello stesso principio possono essere realizzate anche altre lavorazioni, come la brocciatura e la fresatura. fresatura

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

ELECTROCHEMICAL GRINDING Analizzeremo:

Il Processo; Parametri del processo; L’Attrezzatura; Le Applicazioni

IL PROCESSO Combina un’azione un’azione meccanica (10%) ( ad una elettrochimica (90%). ). Viene utilizzata per materiali conduttori conduttori duri e fragili, perché garantisce assenza di calore sviluppato, di distorsioni e di tensioni. E’ simile alla rettifica convenzionale, per facilità di estensione ed implementazione. Le differenze da essa sono: la mola è conduttrice è presente un’elettrolita un’elettrolita la mola dura 10 volte di più. più I grani abrasivi fuoriescono dalla superficie conduttrice del legante, perciò il gap è basso.

L’azione elettrolitica inizia quando il gap è riempito. Durante la lavorazione, la mola è collegata al catodo del generatore di potenza a corrente continua, mentre il pezzo all’anodo. Il passaggio di corrente permette le reazioni elettrochimiche e la dissoluzione il materiale in lavorazione. lavorazione A parità di profondità di taglio, l’arco di contatto della rettifica elettrochimica elettrochimica è minore di quella convenzionale, giustificando la maggiore durata della mola mola. Il minore arco di contatto,, è dovuto ad una rimozione del materiale in 3 fasi: 1) Fase interamente elettrochimica, elettrochimica, sul bordo di ingresso dell’elettrolita; dell’elettrolita 2) Fase elettrochimica elettrochimica e meccanica: meccanica: l’abrasivo entra in contatto col materiale in lavorazione; l’azione elettrochimica è dovuta all’elettrolita intrappolato ad elevate pressioni (˜1MPa, con mola in rotazione a 1675m/min), tra i grani; grani; 3) Fase interamente elettrochimica (con leggera era rimozione di eventuali bave). bave) Lo schema tipico di lavorazione evidenzia la presenza di una zona dove c’è la simultanea azione elettrochimica e meccanica;; in questa zona il gap è minore della altezza dei grani abrasivi che fuoriescono dalla mola mola. Con questo uesto schema, è rimosso imosso uno spessore di materiale maggiore della profondità di taglio pianificata a causa della dissoluzione elettrochimica iniziale. In assenza di grani abrasivi nella mola mola,, lo schema di lavorazione diventa quello della fresatura elettrochimica. elettroch Per evidenziare l’azione dei grani abrasivi, spesso la rettifica elettrochimica è denominata AECG. AECG Uno scopo dei grani abrasivi è quello di depassivare la superficie del materiale in lavorazione lavorazione. L’azione dei grani abrasivi dipende dalle condizioni esistenti nel gap (campo A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

elettrico, trasporto dell’elettrolita, effetti idrodinamici sull’anodo). sull’anodo) Un aumento della velocità di avanzamento del pezzo, porta ad una riduzione del gap ed un aumento dell’azione meccanica con conseguente riduzione dell’azione elettrochimica. lettrochimica. Lo spessore di materiale rimosso approssima la profondità di taglio. taglio

ATTREZZATURA Ci sono 5 metodi di rettifica: Piana

Di superficie

Interna

Di forma

Cilindrica

L’attrezzatura è simile a quella convenzionale. convenzionale. Le differenze sono da riscontrarsi nella sorgente di potenza e nell’elettrolita, che non presenta materiali corrosivi nella zona di lavoro. Non esiste alcun sistema di protezione contro i cortocircuiti. cortocircuiti L’accoppiamento elettrico avviene con spazzole o con con mercurio. mercurio Caratteristiche mole Definite da un abrasivo e da un materiale legante Il legante deve essere un conduttore. Per esempio Rame, Ottone, Nichel. Nelle applicazioni di rettifica di forma si utilizza resina impregnata di rame. rame Il più comune abrasivo abrasivo è l’l’ossido ossido di alluminio (60 60 – 80 mesh); ); si utilizza anche particelle di diamante in una matrice di Ni. Ni Un metodo per ravvivare la mola prevede il funzionamento come anodo in modo da evidenziare i grani In alcune applicazioni, le mole possono durare più di di 100 volte rispetto alle mole convenzionali Rispetto alla rettifica convenzionale, non sono richieste macchine estremamente rigide o potenti. potenti

PARAMETRI DI PROCESSO ROCESSO La tensione è regolata sino alla comparsa di piccoli archi elettrici sulla superficie dell dellaa mola. Le basse tensioni minimizzano il pericolo di archi elettrici e riducono la generazione di calore durante la lavorazione lavorazione.

I = 50A ÷3000A Tassi di asportazione e Finitura superficiale

Densità di corrente = f (materiale materiale)) con valori di 77 A/cm2 ÷620 A/cm2

Tensioni pari a 4 V ÷ 115 V (impostata al valore più alto possibile per massimizzare il tasso di asportazione).

ESEMPI DI APPLICAZIONI APPLICAZIO Un’applicazione primaria è la rettifica degli utensili in carburo; carburo; rispetto alla rettifica convenzionale, convenzionale, risparmi di circa 80% e 50% rispettivamente in costo della mola e tempi di rettifica. rettifica In figura un’applicazione di ricostruzione del profilo di ruote dentate per l’industria ferroviaria (spesso vengono rimossi spessori anche di 0.38 mm) mm . La rettifica elettrochimica è particolarmente competitiva nella lavorazione di materiali difficili, difficili, come carburi sinterizzati ed leghe resistenti allo scorrimento viscoso (Inconel, (Inconel, Nimonic), Nimonic leghe di titanio e

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

compositi metallici (PCD-Co, Co, Al-SiC, Al Al-Al Al2O3 ). In figura viene confrontato il risultato di una lavorazione ECG (a sinistra) con quello di un processo di asportazione convenzionale (a destra). Le lavorazioni sono realizzate su una superlega per turbine a gas. gas Il principio della rettifica elettrochimica può essere usato nella lavorazione di profili complessi, con macchine a controllo numerico. Si evidenziano alcune applicazioni realizzate con elettrodi utensili speciali in PCD. PCD

ELECTROSTREAM DRILLING DRILLI Analizzeremo:

Il Processo; L’Attrezzatura; Le Applicazioni; Applicazioni Capacità del processo.

IL PROCESSO ROCESSO Permette l’esecuzione l’esecuzione di centinaia di piccoli fori di raffreddamento in superleghe di Ni e Co; i fori possono anche essere con un alto angolo di incidenza. Uno dei fattori che limita la foratura con la tecnica elettrochimica, è il diametro massimo del foro ottenibile. Questo è legato alla realizzazione dell’utensile che deve essere ottenuto da un tubo. tubo Nella soluzione ESD, laa foratura è ottenuta con un flusso di elettrolita ad alta velocità, caricato elettricamente come catodo. Non è perciò necessario realizzare l’utensile. Il flusso è indirizzato da un ugello non conduttore (in genere in vetro). Si possono ottenere diametri di 0.127 mm. L’elettrolita è un acido diluito (H2SO4 o HCl) per evitare la produzione produzione di fanghi, perciò tutta l’attrezzatura deve resistere agli acidi . Vengono utilizzate due tecniche di foratura: 1.

2.

Foratura con penetrazione: E’ disponibile un sistema di alimentazione dell’utensile (l’ugello non è conduttore). Permette fori profondi profondi e precisi La velocità di abbassamento è costante, ed il gap è regolato dalla corrente di passaggio. Il ciclo inizia con l’alimentazione dell’utensile sul pezzo.

Quando viene raggiunta la profondità desiderata, una sosta permette di rimuovere le creste sul fondo del foro.

Foratura con utensile fermo (foratura con sosta): L’utensile non avanza nel pezzo, ed il foro è ottenuto dalla capacità del flusso di mantenersi coassiale e coerente (è responsabile della forma e del diametro del foro).

Profondità e precisioni precisioni limitate.

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

ATTREZZATURA Gli elementi base sono simili alla ECM con l’unica eccezione dell’utensile e dell’elettrolita. Gli utensili sono so generalmente realizzati in vetro e possono avere nella parte finale dimensioni anche capillari. Oltre a circolare, lare, la forma può essere ovale o a slot. slot. Il diametro esterno dell’utensile deve permettere l’allontanamento dell’elettrolita. dell’elettrolita. Tutti i componenti della macchina devono essere resistenti all’acido. all’acido Il generatore di potenza fornisce una tensione anche 20 volte maggiore di quello della ECM (150V ÷ 850V).

850V) Possibilità di automazione. automazione

CAPACITÀ DEL PROCESSO PROCESS Abilità di effettuare piccoli fori con elevato aspect-ratio aspect ratio in un materiale conduttore senza alterare le sue proprietà. Il diametro dei fori ottenibili è compreso compreso tra 0.127mm e 0.89mm.

0.89mm Il valore del aspect aspect-ratio ratio è di 40:1 per la foratura con penetrazione, e di 10:1 per la foratura con sosta. sosta La profondità dei fori che è possibile realizzare è di 5mm, nella foratura con sosta, ed i 20mm nella foratura con penetrazione. pene . Come valore indicativo, la velocità di foratura è di 1.5mm/min ed è indipendente dal numero di utensili in lavorazione. In alcune applicazioni sono stati progettati utensili con 100 ugelli. ugelli I fori possono essere realizzati anche con un angolo di inclinazione di 15°.

15° La precisione del processo è definita dalla tolleranza sul diametro (±5%), dalla conicità (0.03mm/cm) e dalla rugosità superficiale tra: 0.25µm ÷ 1.6µm.

1.6µm Il processo è inoltre caratterizzato da assenza di bave, tensioni residue e cambiamenti iamenti metallurgici. metallurgici. La geometria dei fori realizzati ha in ingresso una forma a campana, in uscita una forma rettilinea, conica o conica inversa, in funzione del tempo di sosta. La parte centrale del foro è rettilinea rettilinea. velocità di foratura: 1.5mm/min angolo di inclinazione fori: 15° tolleranza sul diametro (±5%) conicità: (0.03mm/cm 0.03mm/cm) rugosità superficiale : 0.25µm ÷ 1.6µm

APPLICAZIONI Produzione di piccoli fori di raffreddamento in componenti di turbina in leghe di cobalto e di nickel H2SO4 per leghe di Titanio, di alluminio e di Nickel.

HCl per acciai, leghe di cobalto. cobalto. In figura 14 fori sono realizzati contemporaneamente nel vano di una turbina a gas. In applicazioni simili sono stati realizzati simultaneamente 96 fori in un tempo di 1.6min/componente.

1.6min/com Su 100000 fori realizzati, la percentuale di scarti è stata del 1.5%

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

SHAPED-TUBE TUBE ELECTROLYTIC MACHINING MA CHINING Analizzeremo:

Il Processo; Parametri del processo; L’Attrezzatura; Capacità del processo.

IL PROCESSO ROCESSO Permette di eseguire piccoli e profondi fori in materiali conduttori elettrici. Il processo fu sviluppato dalla Geneal Electric company, all’inizio degli anni 60’. I fori possono avere anche profondità di 915mm, con aspect-ratio ratio = 300:1. L’elettrolita è a base di acidi, mentre l’elettrodo l’elettrodo è un tubo cavo ricoperto sulle superfici laterali esterna ed interna da un rivestimento protettivo di materiale organico che deve ricoprire l’utensile uniformemente. uniformemente L’utensile utensile è ottenuto da tubi di titanio. titanio Altri materiali utilizzati nell’attrezzatura sono le ceramiche, le plastiche e gli acciai inox. inox Le principali applicazioni riguardano l’industria aeronautica ed in particolare la foratura profonda di materiali di difficile lavorabilità. lavorabilità Un esempio è la foratura di palette di turbina ottenute per fusione. ione. 16 fori di 1.27mm di diametro e 229mm di profondità sono forate contemporaneamente con una velocità di 0.025mm/s, utilizzando come elettrolita H SO al 10%. Il tempo ciclo è di 2.5hr/paletta a cui corrisponde un tempo di 9.4min/foro..

ATTREZZATURA Generatore neratore a bassa tensione: L’elettrolità (in genere H2SO4 al 10%; una riduzione della concentrazione aumenta la vita dell’utensile ma riduce la velocità di foratura) è controllato in pressione, temperatura (37°C ÷ 49°C) e pulizia Sistema di avanzamento per mantenere il gap costante.

PARAMETRI DI PROCESSO ROCESSO La tensione è compresa tra 5V e 15V. In funzione della concentrazione dell’elettrolita, la velocità di foratura è compresa tra 1.5mm/min e 5mm/min.

5mm/min. Un aumento della tensione comporta un aumento della velocità di foratura.

L’aumento della tensione comporta però:

• • •

Ebollizione dell’elettrolita Deposizione sull’utensile Danneggiamento del rivestimento dell’utensile.

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20. LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION)

Per evitare la deposizione, viene generalmente generalmente utilizzata la tecnica dell’inversione della polarità per circa 1% del tempo ciclo.. L’overcut è compreso tra 0.05mm e 0.25mm per lato, lato è funzione della tensione e della pressione dell’elettrolita, che possono variare il diametro nominale del foro anche del 10%. Questo può essere utilizzato per ottenere con un unico utensile, fori di diverso diametro. diametro E’ possibile la foratura multipla; ci sono esempi di lavorazione con più di 100 fori ottenuti simultaneamente. simultaneamente tensione: 5V e 15V velocità di foratura: foratu 1.5mm/min e 5mm/min overcut: 0.05mm e 0.25mm foratura multipla: fino a 100 fori ottenuti simultaneamente

CAPACITÀ DEL PROCESSO PROCESS Il rapporto aspect--ratio è anche di 300:1 (per diametri di 3mm, lunghezze dei fori anche di 900 mm). mm) In genere il rapporto aspect-ratio ratio è di 16:1 e le profondità facilmente raggiungibili sono di 127mm.

127mm La conicità e di 0.015 mm/cm. mm/cm La finitura superficiale è compresa tra: 0.8µm ÷ 3.1µm ed è legata al materiale in lavorazione lavorazione ed ai parametri di processo, i diametri ottenibili ottenibili sono compresi tra 0.64mm e 6.35mm, 6.35mm lee tolleranze sul diametro e sulla rettilineità sono evidenziate in tabella. tabella

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

21. ESPORTAZIONE PORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING) Vedremo nel dettaglio:

IL PROCESSO Una delle tecnologie convenzionali più recenti , chi ha visto i danni creati da un fulmine che colpisce il terreno, ha un’idea delle potenzialità di un arco elettrico. La necessità di controllare l’arco è stata uno dei primi problemi da risolvere. Un funzionamento in regime di arco voltaico determina l’asportazione del materiale del pezzo ma anche dell’utensile. I coniugi Lazarenko furono furono i primi ricercatori che nel 1943 inventarono un servo-sistema servo sistema di controllo che permetteva di mantenere costante l’ampiezza del gap tra utensile e pezzo.

Dopo un lungo periodo di studi, prove di laboratorio e perfezionamenti, l’EDM è oggi il processo no non n convenzionale maggiormente diffuso nell’industria meccanica e nella realizzazione di stampi. L’EDM è un processo termico adatto per lavorare materiali conduttori, conduttori il processo è basato su una serie di scariche elettriche, controllate e non stazionarie che si innescano tra l’elettrodo utensile ed il pezzo in lavorazione (elettrodo pezzo) provocando l’erosione di quest’ultimo durante il processo elettroerosivo, milioni di scariche elettriche forniscono localmente il calore necessario per la formazione di piccoli piccoli crateri sulla superficie colpita.

I prodotti della fusione e successiva evaporazione sono allontanati dalla zona di lavoro con azioni meccaniche e\o eo elettromeccaniche per consentire una condizione stazionaria del fenomeno e permettere pertanto il controllo controllo delle finiture superficiali ottenibili. L’elettrodo utensile definisce con la sua superficie la zona del pezzo che viene erosa; il movimento di alimentazione dell’utensile permette di ottenere cavità o fori nel materiale in lavorazione. Lo schema dell processo è relativamente semplice: pezzo e utensile sono collegati ai poli del generatore elettrico e posizionati in modo tale da mantenere un piccolo gap tra i due elettrodi per tutta la lavorazione. Questo è ottenuto movimentando l’utensile con un moto di alimentazione. I due elettrodi sono immersi in un fluido dielettrico che ha la funzione di isolarli, permettendo ad intervalli stabiliti, l’instaurarsi di una scarica elettrica indipendentemente dalla durezza del materiale del pezzo, il processo permette: permet

Di lavorare leghe e metalli duri, difficilmente lavorabili con metodi convenzionali: acciai temprati, acciai rapidi, stelliti, acciai ad elevata tenacia.

Di ottenere forme molto complesse con elevata precisione, a patto che sia garantita sempre la possibilità possibilità di estrarre l’utensile alla fine dell’operazione

Le lavorazioni basate sul principio della scarica elettrica, possono essere classificate fondamentalmente nelle seguenti tipologie:

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

Elettroerosione a tuffo: il pezzo in lavorazione e l’elettrodo utensile sono immersi nel fluido dielettrico. Tra essi si innesca una serie di scariche elettriche stazionarie che provocano l’erosione del pezzo; viene utilizzata per la produzione di sagomature su tre o più assi. Oltre Ol che del semplice moto di avvicinamento al pezzo (asse z), nelle moderne macchine sono possibili anche movimenti relativi utensile/pezzo nel piano xy. Nell’erosione planetaria per esempio il movimento relativo tra utensile e pezzo è ottenuto attraverso una combinazione di tre movimenti (verticale, eccentrico ed orbitale).

Taglio per elettroerosione: l’elettrodo utensile è costituito da un filo, generalmente di rame purissimo, che scorre verticalmente e avanza nel pezzo da lavorare; tale processo elettroerosivo è utilizzato per produrre dei elettroerosivo profili precisi e complessi; il fluido dielettrico è diverso dal precedente poiché si fa uso di acqua deionizzata. Si evidenzia che l’erosione a filo si è evoluta dopo quella a tuffo, a partire dal 1960 circa: la prima prima macchina a filo della AGIE risale al 1969 e negli ultimi anni il mercato ha molto premiato tale tecnologia

Fresatura per elettroerosione: elettroerosione un elettrodo cilindrico rotante (in genere tubolare per facilitare il lavaggio e permettere alte densità di corrente e quindi alti tassi di asportazione) si sposta seguendo un percorso e penetrando nel pezzo in modo analogo ad una fresa tradizionale. Anche se tutte le macchine a tuffo con 4 assi controllati (tre cartesiani ed uno di rotazione attorno ad un asse cartesiano) possono seguire dei percorsi definiti, la fresatura per elettroerosione diviene efficiente grazie ad un sistema di controllo computerizzato sensibilmente diverso da quelli usati nelle comuni macchine a CNC. Il rapido consumo dell’elettrodo (usura (usura relativa elevata) è compensato dal controllo numerico numerico.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

IL PRINCIPIO FISICO Sono schematizzabili le seguenti fasi: 1.Preparazione .Preparazione della scarica (1; 2; 3) 2.Formazione .Formazione del canale di scarica (4; 5; 6) 3.Lavaggio .Lavaggio (7; 8; 9) Il ciclo EDM, del tipo ON/OFF, si ripete con frequenza anche di 250kHz. Nelle macchine ad un canale, non si può avere contemporaneamente più di una scarica. scarica

1. L’utensile (per esempio in grafite) è avvicinato al pezzo; entrambi sono gli elettrodi del ci circuito rcuito elettrico.

Tra utensile e pezzo c’è un olio isolante (il fluido dielettrico). Anche se il dielettrico è un un buon isolante, un sufficiente potenziale elettrico può causare la rottura dell’isolamento con generazione di ioni ed il passaggio di una corrente corrente elettrica tra utensile e pezzo. La rottura del dielettrico è resa più semplice quanto nel fluido sono sospese particelle (di grafite e metalliche) che aiutano la ionizzazione ionizzazione del dielettrico. Il campo elettrico è più intenso nel punto dove è minore la distanza tra utensile e pezzo, così come evidenziato in figura. Lo stadio iniziale della formazione della scarica (ciclo di ON) è perciò caratterizzata da un aumento del potenziale otenziale (la tensione), mentre la corrente è ancora nulla. nulla 2. Con l’aumento del numero numero di particelle caricate elettricamente (gli ioni), le proprietà isolanti del dielettrico diminuiscono; questo avviene nella zona dove il campo elettrico è più intenso. La tensione tensione è al valore massimo, mentre la corrente è ancora nulla .

3. Nel momento in cui il dielettrico perde le sue capacità isolanti, un passaggio di cariche si ha lungo uno stretto canale tra utensile e pezzo. La tensione diminuisce, mentre la corrente inizia a crescere .

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

4. Il calore aumenta rapidamente con l’aumentare del passaggio di cariche. Il calore vaporizza parte del dielettrico, del materiale del pezzo e dell’utensile. Si inizia a formare un canali di scarica. La corrente elettrica aumenta. Mentre la tensione tensione diminuisce diminuisce.

5. La bolla di vapore in formazione si espande verso l’esterno. La sua espansione è però limitata dagli ioni che sono attratti nel canale di scarica dove si è concentrato il campo elettro-magnetico. elettro magnetico. Corrente e tensione continuano rispettivamente ad aumentare e a diminuire. diminuire

6. In prossimità della fine della fase di ON del ciclo, corrente e tensione si stabilizzano, mentre calore e pressione all’interno della bolla di vapore hanno raggiunto il valore massimo. Sulla superficie di pezzo parte di materiale ale è stato rimosso, mentre altro è allo stato fuso ed è tenuto in posizione dalla pressione del vapore. Il canale di scarica è ora un plasma surriscaldato di vapori metallici, dielettrico e carbonio.

7. All’inizio della fase di OFF del ciclo, corrente e tensione cadono a zero. La temperatura diminuisce rapidamente, la bolla di vapore collassa (implosione), causando l’espulsione del metallo fuso dalla superficie del pezzo.

8. Dielettrico fresco è richiamato velocemente nella zona, lavando i prodotti della scarica e raffreddando la superficie del pezzo. Il metallo fuso non espulso nell’implosione, solidifica rapidamente formando il layer molto duro .

9. Il metallo espulso nell’implosione, forma piccole sfere che si disperdono nel dielettrico insieme con le particelle di grafite dell’utensile. Il vapore si disperde parte in superficie e parte in forma di sfere cave (cenosfere). Una Una durata non sufficiente della fase di OFF del ciclo, non permette un adeguato lavaggio di queste particelle, portando ad unaa instabilità nella successiva scarica e condizioni di corto circuito che danneggiano utensile e pezzo pezzo.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

QUALITÀ DELLA SUPERFICIE SUPERF ICIE E DELLE PARTICELLE PARTICE RIMOSSE L’erosione erosione che inevitabilmente si ha sull’elettrodo sull’elettrodo viene definita usura,, mentre per il pezzo si parla di asportazione. asportazione. Quando l’impulso è breve migrano più particelle negative che positive: sull’elettrodo positivo viene conseguentemente generato più calore. calore Quando invece la durata dell’impulso aumenta, aumenta, a parità di velocità di impatto, gli ioni positivi itivi sono in grado di generare una quantità di calore maggiore sul catodo, a causa della maggiore massa rispetto a quella degli elettroni;; in queste condizioni l’effetto erosivo più elevato si ha sull’elettrodo negativo. L’ erosione asimmetrica dei due elettrodi ettrodi è legata oltre che alla polarità ed alla durata della scarica, anche alla temperatura di fusione dei materiali ed alla intensità delle scariche. Si possono ottenere asimmetrie notevoli, dell’ordine del 99.5% di asportazione e 0.5% di usura dell’elettrodo, dell’elettrodo, grazie ad una opportuna scelta dei parametri operativi di scarica (durata, intensità e polarità) polarità) facendo in modo che la temperatura del pezzo in lavorazione non salga mai eccessivamente.

•

I generatori di nuova concezione sono in grado di generare impulsi di alta frequenza con riduzione della tensione media tra elettrodo e pezzo, con l’obiettivo di rendere asimmetrica l’erosione.

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ANALISI DELL’IMPULSO IN EDM Misure di performance come il valore di MRR, l’usura dell’utensile e la finitura superficiale a parità di energia, dipendono dalla forma dell’impulso di corrente. In funzione della situazione nel gap che separa il pezzo e l’utensile, si possono evidenziare 4 tipologie di impulso elettrico:

Impulso a vuoto (gap troppo grande) CortocircuitoScarica di scintille Archi Voltaici

Questa classificazione è in genere definita sulla base della tensione di scarica o della corrente di scarica. L’effetto sul materiale asportato sportato e sull’usura dell’utensile può essere significativamente differente. differente La tensione a vuoto ui è la tensione a circuito aperto; i parametri elettrici di scarica sono invece rappresentati dalla tensione media di scarica ue e dalla corrente media di scarica ie. Il valore massimo della corrente cor in un impulso è la corrente di esercizio ii . Nella scala dei tempi è utile evidenziare i seguenti parametri e relazioni:

Frequenza di impulso fp : numero di impulsi innescati nell’unità di tempo. il rapporto tra tra la durata minima dell’impulso ti e la durata minima del ciclo tc definiscono il tasso di pulsazione τ Frequenza di scarica fe : numero di scariche elettriche avvenute nell’unità di tempo Rapporto delle frequenza λ.

Per quanto riguarda i parametri di tensione corrente: corrente

La tensione di lavoro U è la media aritmetica delle ue .

La corrente di lavoro I è la media aritmetica delle ie.

L’energia della scarica We è l’energia trasformata durante una scarica

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

ATTREZZATURA Nei generatori di impulsi statici si ha il controllo ontrollo continuo della tensione esistente tra elettrodo e pezzo; poiché vi è infatti un legame tra tensione e distanza tra pezzo ed elettrodo, il segnale è usato per controllare un servosistema capace di mantenere un gap costante durante tutto il ciclo di lavoro. Per facilitare la selezione dei parametri di processo ottimali in un ampio range di condizioni di erosione, l’alimentatore di potenza deve essere in grado di controllare la tensione di impulso, la durata dell’impulso, la frequenza degli impulsi e la polarità degli elettrodi. Un circuito addizionale che è generalmente previsto nei sistemi EDM è quello di protezione contro i cortocircuiti; esso interviene interrompendo la fornitura di potenza, quando corrente o tensione superano i valori programmati rogrammati o quando si verificano archi voltaici. I generatori di ultima concezione, concezione, usano impulsi brevi ed una tensione media più bassa. Riducendo la durata degli impulsi, ovvero lavorando a frequenze dell’ordine dei MHz, la zona termicamente alterata si riduce e si possono ottenere rugosità inferiore a 0.1µm.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

SISTEMA DEL DIELETTRICO DIELETTR DIELETTRICO IELETTRICO Il sistema del dielettrico è definito dai seguenti elementi • • • •

fluido dielettrico dispositivi per la circolazione del fluido ed il lavaggio della zona di lavoro (pompa (pompa e tubazioni) dispositivi per il controllo e la regolazione delle caratteristiche del fluido (filtri, flussometri)

Le principali funzioni del fluido sono: o o o o o o o o o o

Isolare l’elettrodo ed il pezzo nel gap Tenere contratto il canale di scarica per una maggiore densità densità di energi Lavare i prodotti della scarica, ovvero allontanarli dalla zona di lavoro e quindi consentirne la rimozione attraverso il passaggio nel sistema di filtri Raffreddare le aree riscaldate durante la lavorazione Essere altamente filtrabile Avere una elevata velocità di ionizzazione e deionizzazione Avere una adeguata viscosità Avere un punto di infiammabilità relativamente alto Essere inodore e incolore Avere una scarsissima tendenza all’evaporazione

I fluidi più usati sono gli oli basati su idrocarburi minerali e l’acqua deionizzata. deionizzata. Gli oli hanno densità e viscosità elevata. levata. Questo da un lato porta al vantaggio di tenere concentrato il canale di scarica e quindi l’energia di scarica, mentre dall’altro pone difficoltà al lavaggio dei prodotti prodotti della scarica Tra I dielettrici a base di oli minerali, il kerosene con additivi è uno dei più comuni dielettrici utilizzati in EDM; ha il vantaggio di prevenire la formazione di bolle di gas e lo sviluppo di odori sgradevoli.

Risultati eccellenti si hanno anche con miscele di petrolio e fluidi a base di silicone. Nella valutazione di un dielettrico gli aspetti più pi importanti da analizzare sono:

Flash point: La temperatura a cui i vapori del fluido si infiammano in presenza di una fonte di ignizione (generalmente generalmente > 75°). Questo è un valore semplicistico perché calcolato in condizioni che possono essere diverse da quelle di lavoro; esso comunque è un indicazione e per ragioni di sicurezza dovrebbe essere il più alto possibile. In genere si lavora a temperature temperature inferiori di 15°C al Flash Point.

Resistenza del dielettrico: abilità del fluido nel mantenere un elevata resistività prima della scarica e quindi l’abilità di recuperare tale resistività in un tempo minimo durante l’intervallo tra due impulsi t0 . L’emissione di ioni elettricamente conduttivi con la formazione del canale di scarica dipende dalla conduttività del fluido dielettrico: questa deve essere compresa tra 1S/m e 1000S/m (Siemens/metro). La resistenza del dielettrico: • E’ influenzata dalle bolle bolle di gas e dai contaminanti solidi (particelle di carbonio dovute alla scissione degli idrocarburi del dielettrico, microsfere originatesi dal metallo fuso e vaporizzato).

• Influenza, a parità di tensione di scarica, la dimensione del gap: o Un maggiore isolamento isolamento elettrico (gap gap minori) minori) comporta: (i) lavorazione anche in condizioni di lavaggio povere; (ii) controllo in modo più fine della lavorazione e quindi aumento della precisione dimensionale del pezzo in lavorazione; (iii) diminuzione della velocità di asportazione; A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

Un minore isolamento elettrico (gap gap maggiori) maggiori) comporta: (i) diminuzione di td t ; (ii) aumento della velocità di asportazione; (iii) diminuzione della qualità della lavorazione Viscosità: La viscosità del fluido ostacola la diffusione del vapore e del gas.

• Maggiore è la viscosità del fluido, fluido, più contratto sarà il canale di scarica e quindi maggiore sarà la densità di energia ed il rendimento erosivo. Oli ad alta viscosità possono utilizzarsi nelle operazioni in cui è richiesta una moderata moderata finitura, ma elevati MRR con elevate correnti, come nella realizzazione delle matrici di forgiatura. La viscosità in queste condizioni può essere elevata per il valore più grande del gap e questo previene anche la perdita del fluido per vaporizzazione. vaporizzazione • Minore è la viscosità del fluido e migliore è l’accuratezza e le finiture che possono essere ottenute.

Nelle finiture a specchio o nelle operazioni con strette tolleranze di lavorazione, il gap può ridursi a 5micron. In queste condizioni estreme è molto più semplice effettuare il lavaggio con oli a bassa viscosità.

Colore: un olio dielettrico diventa più scuro con l’utilizzo. E’ logico comunque iniziare con un olio che è il più chiaro possibile per permettere l’osservazione del componente durante la lavorazione. Fluidi non chiari potrebbero contenere contaminanti non desiderati o pericolosi.

Odore: oli con odori forti danno un’indicazione della presenza di zolfo che è non desiderato nel processo EDM. Densità: Più leggero è l’olio, più velocemente le particelle pesanti (truciolo) sedimentano. Questo riduce la contaminazione del gap e la possibilità del regime di archi voltaici. voltaici Filtrabilità: Un fluido per EDM deve avere grande filtrabilità. La filtrabilità è influenzata influenzata da numerosi fattori, i più importanti dei quali sono la viscosità e la suscettibilità del fluido alla degradazione termica e ossidativa. La composizione del fluido EDM, deve essere tale da ridurre al minimo la tendenza all’ossidazione e alla polimerizzazione imerizzazione in modo da evitare la formazione di resine, gomme, che probabilmente si depositerebbero nella zona del gap. gap • I dispositivi per il controllo delle particelle presenti nel dielettrico devono essere in grado a trattenere le particelle di dimensioni dimensioni maggiori di 5µm; queste infatti sono indice dell’inizio del processo ossidativo del fluido e quindi del decadimento del rendimento della macchina.

• Le particelle con dimensioni comprese tra circa 1µm e 3 µm facilitano la ionizzazione e la formazione dell canale di scarica (per questo sono stati messi a punto dielettrici innovativi che prevedono piccole percentuali di polvere semiconduttrice). semiconduttrice) o

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

LAVAGGIO Il pezzo è immerso in una vasca in cui è contenuto il fluido dielettrico. La vasca è collegata tramite tramit una pompa ad un serbatoio e ad un sistema di filtri. La pompa realizza la pressione per il lavaggio dell’area di lavoro e trasporta l’olio mentre il sistema di filtri rimuove e intrappola i prodotti della scarica contenuti nell’olio. In generale sopra la parte più alta del pezzo devono esserci almeno 40 mm di fluido. Una quantità insufficiente di fluido può causare l’emissione di fumi, un inadeguato lavaggio della zona di lavoro e, in casi limite, determinare l’innesco di archi voltaici anomali. Il lavaggio lavaggio riveste una importanza pari a quella dei parametri di regolazione della macchina.

• All’inizio dell’erosione le scariche elettriche avvengono in ritardo; il fluido dielettrico è infatti privo di particelle di erosione. Le particelle originate dalle prime scariche erosive riducono la resistenza dielettrica del fluido; le scariche successive si innescano perciò più più facilmente, migliorando le condizioni di lavoro. Quando in alcune zone del gap la densità di particelle diventa notevole, si ha una eccessiva riduzione della resistenza dielettrica, che facilita la formazione di scariche anomale che possono degenerare in archi voltaici, danneggiando sia l’elettrodo utensile che il pezzo. Questo eccesso di particelle deve essere eliminato con il lavaggio, ovvero dalla facile circolazione del fluido dielettrico nella zona del gap.

Tra gli aspetti importanti che regolano il lavaggio si evidenzia: • • •

la pressione di lavaggio la portata di lavaggio il tipo di lavaggio ovvero il metodo di circolazione del fluido. fluido

Ci sono valori ottimali sia per la pressione che per la portata di lavaggio : Quando deve essere erosa una cavità profonda, la pressione che inizialmente è in grado di assicurare un flusso adeguato del fluido, al procedere dell’erosione non sarà più sufficiente ad assicurare un adeguato lavaggio della zona di lavoro.

• Una portata del fluido dielettrico elevata o insufficiente, insufficiente, può causare una diminuzione della velocità erosiva e un aumento eccessivo dell’usura dell’elettrodo utensile.

•

Le differenti modalità operative portano a scegliere la tipologia di lavaggio più adeguata; le principali sono: (i) In iniezione; (ii) In aspirazione; (iii) Con effetto pompa del pistone.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

In iniezione: i : Invio del fluido dielettrico in pressione, tramite un pozzetto posto quando possibile sotto il pezzo o attraverso l’elettrodo utensile. Nel primo caso il pezzo è prima forato, e poi collegato ai condotti flessibili di alimentazione del fluido; nel secondo caso l’elettrodo utensile è forato e il collegato fluido lo attraversa. Si determina una conicità delle pareti dell’impronta anche con elettrodi a sezione costante, poiché le particelle erose risalgono risalgono favorendo le scariche laterali. Per questo motivo è spesso utilizzato nella lavorazione di matrici per tranciatura. tranciatura

In aspirazione: il fluido è aspirato o dal pozzetto posto sotto l’elettrodo pezzo o dall’elettrodo utensile. A differenza del sistema a iniezione, sono ridotte le scariche laterali, e quindi la conicità. conicità

Lavaggio con effetto pompa del pistone: è ottenuto mediante il movimento di pulsazione dell’elettrodo utensile. Quando l’elettrodo è sollevato il volume del gap aumenta e di conseguenza arriva fluido pulito che si miscela conseguenza con quello di particelle erose; quando invece l’elettrodo ridiscende, le particelle erose vengono allontanate. Il lavaggio con effetto pompa del pistone è utile nei casi in cui devono lavorare cavità profonde, senza circolazione circolazione forzata del fluido fluido.

ELETTRODO Tutti i materiali elettricamente conduttori possono essere impiegati come utensili; la scelta comunque è influenzata dal materiale in lavorazione e dai parametri di lavoro. In generale è preferibile avere material materialii a più alto punto di fusione e con minore resistività. Nelle EDM a tuffo il costo dell’elettrodo può incidere notevolmente sul costo totale di una lavorazione. Tra i materiali utilizzati nella costruzione degli elettrodi utensile:

Grafiti

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Vantaggi

svantaggi

Insensibilità agli sbalzi termici

Sono abrasive: protezione guide macchina utensile

mantengono le loro qualità meccaniche a temperature elevate

Formano polveri durant durante la lavorazione: richiedono aspiratori efficaci e determinano una più rapidaa saturazione dei filtri

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

Materiali non metallici: le grafiti; sono i migliori ma allo stesso tempo i più costosi, sono diventate un materiale molto diffuso.

Deformazione trascurabile

Sono più fragili, per cui nella costruzione degli elettrodi è necessario fare attenzione a non danneggiare spigoli o bordi

Facilmente lavorabili

Materiali metallici: rame elettrolitico, rame al tellurio o al cromo, rame - tungsteno, leghe di alluminio, ottone, tungsteno puro (principalmente sotto forma di filo) e acciaio.

Rame elettrolitico

ha una densità di 8.9g/cm3

Rame al tellurio o al cromo

Rame-tungsteno

ha prestazioni inferiori al rame elettrolitico ed è ottenuto aggiungendo a questo 1-3% di

le percentuali di tungsteno variano dal 50% all’80%: maggiore è la percentuale di tungsteno più difficile diventa la lavorabilità dell’utensile ma diminuisce nello stesso tempo l’usura

tellurio o cromo: l’usura aumenta del 15-20% e il rendimento erosivo cala del 10%.

temperatura di fusione di 1083°C

una resistività elettrica di

La resistività elettrica è compresa tra 0.045Omm2 /m – 0.055Omm2 /m e la densità tra 15g/cm3 e 18g/cm3 .

0,0167Omm2 /m.

Leghe di alluminio

Ottone

Tungsteno

Acciaio

si utilizzano, generalmente, quando si lavorano cavità tridimensionali di grosse dimensioni, per le quali non è richiesto un elevato grado di finitura superficiale.

è un metallo sempre meno utilizzato in considerazione dell’elevata usura specifica.

è principalmente utilizzato per lavorazioni di microfori.

In commercio è disponibile in fili calibrati con tolleranze inferiori a 1µm.

ha rendimento inferiore a quello ottenuto utilizzando rame o grafite. La sua applicazione tipica è nelle lavorazioniacciaio-acciaio, per stampi utilizzati nel settore delle materie plastiche, della pressofusione di leghe leggere, o di matrici per la deformazione plastica dei metalli.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING) MACHINI

Materiali combinati: cuprografiti sono materiali combinati, combinati in n genere grafite in cui la po porosità rosità è riempita con rame rame.

Cupografiti

Vantaggi Più facilmente lavorabili

Svantaggi Quelli delle grafiti ma con un più elevato costo costruttivo.

Meno fragili quindi con minore tendenza alla scheggiatura degli spigoli Adatte alla costruzione di piccoli elettrodi utensili

Elettrodi sinterizzati: Recenti ricerche hanno portato alla realizzazione di elettrodi sinterizzati da una miscela di polveri di ZrB2 -Cu: Cu: tali elettrodi asportano come i tradizionali in Cu o grafite, ma l’usura è minore dato l’alto punto di fusione e la buona conduttività termica ed elettrica. Tali elettrodi possono essere realizzati anche per sinterizzazione selettiva laser (SLS).

Parametri ametri di confronto sono la lavorabilità, lavorabilità i parametri di performance e l’usura usura dell’elettrodo dell’elettrodo.

PARAMETRI DI PROCESSO Viene considerato il seguente schema:

Il processo di elettroerosione elettroerosione può essere regolato attraverso i parametri elettrici e di lavaggio. La più grande influenza sui valori caratteristici dell’erosione è svolta dall’energia della scarica, che può essere variata cambiando il valore della corrente di scarica, nonché della durata di scarica. scarica

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

LA CORRENTE MEDIA DI SCARICA È misurata con con un amperometro durante il processo. E’ un’indicazione dell’efficienza della lavorazione con riferimento al tasso di materiale asportato MRR. A parità di durata dell’impulso e intervallo tra gli impulsi, impulsi, una corrente di scarica maggiore, comporta una velocità di asportazione più grande ma, nello stesso tempo, una notevole usura. velocità Rispetto agli elettrodi in rame, rame, quelli in grafite, hanno una maggiore resistenza all’usura in presenza di amperaggi elevati. elevati

LA CORRENTE MASSIMA È un fattore da controllare per per la sicurezza dell’elettrodo (in genere < 65 A/sq.inc) e quindi:

e la Superficie Frontale Dove Sfw dell’elettrodo in sq.inc. La corrente di picco è comunque un valore conservativo che dipende dal materiale dell’elettrodo. dell’elettrodo. Utensili in grafite possono sopportare valori di corrente maggiori.

Attualmente valori molto elevati di corrente non sono utilizzati in quanto essi spesso portano a danneggiamenti termici sulla superficie del pezzo. pezzo

DURATA DELL’IMPULSO Corrisponde alla alla fase di lavoro del processo (ionizzazione del gap nel tempo di ritardo e passaggio di corrente nella durata della scarica).

Più lunga è la durata della scarica, maggiore è l’energia della scarica ed il cratere risultante sarà più ampio e profondo: profondo o o o

Aumenta la quantità di materiale asportato.

Aumenta la rugosità della superficie lavorata.

A parità di durata tra due impulsi, si riduce il numero di scariche che con elettrodo collegato al polo positivo colpiscono l’utensile. Si riduce l’usura relativa. In I questo caso il processo si comporta in modo opposto alle lavorazioni convenzionali in cui l’utensile si usura maggiormente in finitura rispetto alle operazioni di sgrossatura.

Rappresentando graficamente la velocità di erosione e l’usura dell’elettrodo utensile al variare della durata ell’impulso e dell’energia di scarica si evidenzia: A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCH (ELETRODISCHARGE ARGE MACHINING)

Al crescere della corrente di scarica, scarica, a parità di durata dell’impulso, si registra un aumento iperiperproporzionale del tasso di asportazione per l’aumento dell’energia utilizzabile utilizzabile per l’erosione. Allo stesso modo aumenta l’usura relativa.

Al crescere della durata dell’impulso o della scarica, scarica, MRR aumenta, raggiunge un massimo e quindi diminuisce. Questo può essere giustificato analizzando la dimensione del canale di scar scarica, ica, ipotizzato, cilindrico, durante la scarica. scarica

ove r è in Il raggio di del canale di scarica si espande durante la durata dell’impulso con la seguente relazione (dove micron e t in pSec):

Per diametri del canale di scarica inferiori ad un valore ottimale, si ha un aumento della porzione di energia che è utilizzata per l’asportazione. Per valori del diametro maggiori di quello ottimale, l’aumento delle superfici di scambio porta ad un incremento delle perdite per conduzione ed irraggiamento. Si ha una diminuzione di MRR in fase di sgrossatura di pezzi in acciaio, con utensili in grafite, si scelgono impulsi di durata situati tra la più alta velocità di erosione e l’usura minima dell’elettrodo utensile. utensile L’aumento del canale di scarico comporta inoltre che a parità di energia di scarica, la densità di calore sulla superficie superficie dell’elettrodo diminuisce proporzionalmente al tempo. Il valore della durata dell’impulso vanno dall’ordine dei micro-secondi micro secondi all’ordine dei milli-secondi. milli

INTERVALLO TRA IMPULSI I MPULSI In questa fase avviene la deionizzazione del dielettrico. La velocità della lavorazione è influenzata da questo tempo in quanto un suo aumento riduce il tempo di lavorazione.

L’intervallo tra impulsi governa comunque la stabilità del processo in quanto quanto una durata insufficiente può portare a cicli errati, con retroazioni e avanzamenti del servosistema di regolazione, rallentando quindi la lavorazione. La riduzione dell’intervallo tra impulsi, porta ad un aumento della frequenza di scarica. Si ha:

Un n miglioramento della finitura superficiale Un aumento del tasso di asportazione Una riduzione dell’usura relativa.

La frequenza è in genere compresa tra 180 Hz, in condizioni di sgrossatura (superfici rugose), a circa 300 kHz per le condizioni di finitura finitura (superfici lisce).

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

LA TENSIONE NOMINALE Al crescere della tensione nominale e della tensione di lavoro è raggiunto un massimo di volume asportato e contemporaneamente si registra una caduta dell’usura relativa. Un ulteriore aumento della tensione nominale provoca, oltre ad un aumento del gap SEK , delle scariche con tempi di ritardo eccessivamente lunghi. In questo caso l’energia di scarica si riduce a causa della riduzione della durata di scarica, che a sua volta porta ad una riduzione del tasso di asportazione. Per valori elevati della tensione tension a vuoto, il gap diventa elevato che non si innesca alcuna scarica ed il processo si arresta. arresta

CONTROLLO DEL GAP Il gap frontale e laterale sono determinati e controllati dalle scariche e dalle regolazioni del generatore di impulsi. Al crescere dell’energia di scarica per il prolungamento della durata dell’impulso, aumenta il gap e con questo la rugosità superficiale del pezzo in lavorazione. Se il fluido è inviato a velocità costante, ad ogni variazione del gap fa seguito una variazione dell’afflusso dell’aff del fluido. Ciò influenza negativamente il lavaggio, la velocità di erosione e l’usura dell’elettrodo utensile. In generale il gap varia da 0,012mm a 0,05mm.

INFLUENZA DEL MATERIALE MATERI L’attitudine di un materiale ad essere lavorato è indipendente te dalle caratteristiche meccaniche, mentre sono importanti la composizione chimica ed determinate caratteristiche fisiche.

In generale si è evidenziato una diminuzione del tasso di asportazione al crescere della temperatura di fusione del materiale.

Il fatto che elementi come Ag e Cu abbiano comportamento diverso dal

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

previsto indica che la temperatura di fusione non è l’unico parametro.

Altri parametri da considerare sono il calore specifico, la conducibilità termica, la temperatura di ebollizione, la densità, densità, la resistività elettrica. elettrica

Come materiali per l’elettrodo si possono utilizzare tutti i materiali con elevata conducibilità elettrica elettrica.. L’usura relativa degli elettrodi in rame aumenta al crescere della corrente di scarica. Comportamento inverso con quelli in grafite che perciò è consigliata per operazioni di sgrossatura (da realizzare con elevate correnti e durata di scariche), mentre il rame è interessante per operazioni di finitura. finitura

CAPACITÀ DEL PROCESSO PROCESS L’EDM può lavorare qualunque materiale conduttore, con indipendentemente dalla sua durezza durezza.. Si presta molto bene alla realizzazione di fori e forme irregolari. Il tasso di asportazione nell'elettroerosione è moderato. In funzione dell'energia delle scariche l'asportazione l'asportazione è compresa tra 1mm3/ora-100mm 100mm3/ora. Benché si utilizzino scariche elettriche, il procedimento non presenta alcun pericolo per l'utilizzatore e per l'ambiente l'ambiente. Gli stati con migliore finitura superficiale possono raggiungere un valore di Ra compreso tra 0.18µm e 0.25µm; 0.25µm; l'effetto visiv visivo o è quello della lappatura a specchio. Finiture superficiali standard (facili da ottenere), hanno valori di Ra compresi tra 0.8µm e 3.1µm. Le tolleranze dimensionali sono comprese tra ±0.025mm e ± 0.127mm; 0.127mm; con particolari accorgimenti possono raggiungere ±0.007mm. ±

QUALITÀ DELLA SUPERFICIE SUPERF ICIE LAVORATA

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

TENSIONI RESIDUE NEL LAYER SUPERFICIALE

INFLUENZA DEL DIELETTRICO DIELET TRICO SUL CONTENUTO DI CARBONIO

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

RESISTENZA A FATICA E CONFRONTO CON ALTRE ALTR E LAVORAZIONI

APPLICAZIONI

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

Si riescono ad ottenere fori con aspetto di forma di 30:1 su spessori di 50mm e con accurate tecniche di lavaggio si arriva anche a 100:1 e, siccome non c’è contatto con il pezzo, si ottengono fori inclinati di circo 20°.

L’usura ’usura dell’utensile è compensata ad ogni ciclo con un servosistema. osistema. Ill servosistema alla fine di ogni ciclo valuta l’entità dell’usura ed aumenta della stessa quantità l’avvicinamento dell’elettrodo al pezzo. Nell’esempio in figura l’utensile è avvolto su un rullo, ed alla fine di ogni foratura, una slitta estrae estrae dal foro l’utensile e lo posiziona ad una certa distanza dalla nuova superficie da forare. In particolare si ha: • • • • •

L’avanzamento del filo della corsa di Anti-Short Anti Short.

L’avanzamento del filo sino a contatto con il pezzo, registrato mediante sensori.

La retroazione retroazione del filo della corsa di Anti-Short.

Anti Short.

La lavorazione con l’avanzamento della corsa programmata programmata.

La retroazione del filo alla posizione di Reset.

Reset

EDM – VARIANTI AL PROCESSO

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21. ESPORTAZIONE ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

IMPRONTATURA PER ELETTROEROSIONE TECNICA A PIÙ CANALI Utilizzata quando l’impiego rende necessario un aumento del tasso di asportazione (stampi stampi con superfici dell’ordine dei metri quadrati). quadrati Il volume di materiale eroso per ogni scarica è proporzionale: • •

all’energia della singola scarica (e quindi alla corrente ed alla durata della scarica) al numero di scariche per unità di superficie (proporzionale al rapporto delle frequenze ed al tasso di pulsazione).

Un limite all’energia della scarica lo pone la rugosità rugosità della superficie lavorata avorata. Se si lavora a valori massimi del numero di scariche, un ulteriore aumento è possibile con più canali del generatore (collegati a segmenti di elettrodi isolati tra di loro) che permettono l’innesco di più scariche contemporaneamente raneamente (tante quanto i canali). canali). Non è possibile avere un aumento del tasso di asportazione proporzionale al numero dei canali. Tutti i canali sono infatti montati sullo stesso sistema di avanzamento avanzamento ed un disturbo su un canale influenza influenza il funzionament funzionamento o degli altri canali. canali.

Quanto più piccoli sono il valore della corrente di scarica ed il rapporto delle frequenze, tanto più basso risulta anche l’aumento del tasso di asportazione al crescere del numero dei canali. canali. Nella pratica si limita il numero dei canali ca a 4.

APPLICAZIONI AVANZATE AVANZAT E ADOTTANDO ELETTRODI DI FORMA

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

EROSIONE PLANETARIA Utilizzando un unico elettrodo, amplia il campo di applicazione della EDM ad operazioni che richiedono sgrossatura e finitura e a realizzazioni come quelle con sottosquadri e fori conici. conici E’ imposto un movimento relativo tra pezzo e utensile, ottenendo una combinazione dei tre movimenti: movimenti Orbitale,, eccentrico e orbitale.

TAGLIO PER ELETTROEROSIONE ELETTROER OSIONE L’elettroerosione ’elettroerosione a filo (Wire (Wire-EDM), ), è un processo che trova ill suo maggiore impiego nel taglio di profili 2-3D 2 3D molto complessi su materiali conduttori; per questo motivo la lavorazione è anche conosciuta con l’acronimo EDWC (Electrical Discharge Wire Cutting). Il processo è un’evoluzione dell’elettroerosione a tuffo ed ha fatto la sua prima comparsa alla fine degli anni ’60. L’EDWC differisce dall’EDM convenzionale convenzionale per la presenza del filo che funge da elettrodo utensile; utensile; esso si svolge da un rocchetto, passa attraverso il pezzo, e si riavvolge su un secondo rocchetto. rocchetto. Il movimento del filo era inizialmente guidato da comandi a programma, nel cui caso il movimento nominale era derivato da sagome o campioni. Sistemi di comando di questo tipo sono oggi sostituiti dal controllo numerico, poiché presentavano errori di trasmissione trasmissione delle misure dai campioni al pezzo, generando errori di misura e di forma inaccettabili.. Un’altra particolarità di questi impianti è nell’utilizzo dell’acqua demineralizzata come dielettrico. Il pezzo non è quasi mai completamente immerso nel dielettrico dielettrico e l’acqua è introdotta nel gap da un getto localizzato.

Le scariche elettriche sono le stesse dell’EDM ed il materiale è eroso davanti al filo che scorre senza instaurare contatti con il pezzo. Il funzionamento è analogo a quello della sega a nastro nastro con la differenza che in questo caso esiste un gap fra pezzo ed utensile mantenuto costante da un sistema di controllo computerizzato; in genere il gap è compreso tra 0,025 e 0,050 mm. Con l’EDWC si possono operare tagli su metalli difficili da lavorare con tecnologie convenzionali e senza dover ricorrere ad operazioni di rettifica.

ATTREZZATURA TTREZZATURA Nel processo EDWC si possono distinguere i seguenti sottosistemi:

Generatore Sistema del dielettrico Sistema di azionamento del filo Sistema di posizionamento posizioname

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

•

•

Generatore. Si differenzia da quello di un impianto EDM principalmente per la frequenza degli impulsi e l’intensità di corrente che in questo caso può arrivare fino a 1MHz (nell’EDM è in genere inferiore a 300kHz).

Questo consente di ottenere finiture superficiali molto molto spinte poiché le singole scintille rimuovono un piccolissima quantità di materiale lasciando piccolissimi crateri. L’intensità di corrente è limitata dal ridotto diametro del filo (0.05mm - 0.3mm) e di solito non supera i 20A (nell’EDM l’intensità di ccorrente orrente è compresa tra 0.5A e 400A) Dielettrico. Si usa acqua deionizzata. Si evidenziano le seguenti caratteristiche: Dielettrico. o Nei confronti degli idrocarburi, l’acqua ha conducibilità elettrica più elevata e consente quindi la formazione di un gap più grande; anche per la bassa viscosità, è ridotto il rischio di cortocircuiti ed è migliorato il lavaggio.

Molti sistemi utilizzano una pesante lastra di granito per garantire una maggiore stabilità; recentemente sono stati sviluppati dispositivi automatico che ripristinano ripristinano il filo dopo una sua eventuale rottura. I materiali di costruzione del filo dipendono dal diametro dello stesso. Fili grossi (0,15-0,30 (0,15 0,30 mm) sono di rame o di ottone; fili più sottili (0,03-0,15 (0,03 mm) sono di acciaio al molibdeno. Quando il filo attraversa attraversa il pezzo la scarica avviene maggiormente nella parte anteriore (direzione di avanzamento); dopo un passaggio perciò, il filo non è più utilizzabile a causa della usura non simmetrica e deve essere sostituito. Esso è disponibile in bobine di circa 3,5 kg ed il suo suo consumo si aggira intorno ai 30 gr/h.

•

Sistema di posizionamento: si tratta di una tavola che può muoversi lungo 2 assi comandata da un CNC. In qualche caso è presente un ulteriore sistema di posizionamento del filo multiasse multiasse.. Il sistema CNC ha il compito principale di operare un controllo adattativo tale da mantenere sempre costante il gap. La velocità lineare di taglio è dell’ordine dei 100 mm/h su spessori di 25 mm di acciaio. Per questo motivo il tempo di elaborazione del sistema CNC non è così influente come nelle lavorazioni ad alta velocità.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

PARAMETRI DI PROCESSO PROCESS Nell’EDWC è utilizzato come parametro di rendimento, il tasso di taglio V . Esso è pari al prodotto fra velocità W lineare di taglio v, e l’altezza del pezzo pezzo h:

Per un dato diametro del filo, il tasso di taglio è determinato dall’energia e dalla frequenza di scarica.

• •

Un aumento ell’energia della scarica, a frequenza costante, porta ad un aumento del tasso di taglio per la maggiore quantità di materiale asportato per ogni scarica.

Un aumento della frequenza della scarica, a energia della scarica costante, porta ad un aumento più che proporzionale del tasso di taglio per: (i) l’aumento del numero di scariche nell’unità di tempo e quindi a cui corrisponde un proporzionale aumento del volume di materiale asportato; (ii) una riduzione del il volume di materiale da asportare per la riduzione della traccia di taglio.

Il risultato o della lavorazione è caratterizzato anche dalla qualità della superficie tagliata.

•

Indice di precisione della lavorazione è la traccia media di taglio Sm, Sm, calcolata a partire dalle tracce di taglio corrispondenti alla zona superiore (So) ed inferiore del del pezzo (Su):

•

Questo permette di calcolare la conicità della traccia del taglio causata da un errato lavaggio e\o e o da una posizione sfavorevole del pezzo:

•

La bombatura (protuberanza) b è un altro errore di profilo e si può avere nel taglio di pezzi alti alti a causa di oscillazioni del filo o della non omogeneità delle condizioni di lavaggio lungo l’altezza . La variazione della frequenza di scarica influenza solo marginalmente la finitura superficiale. Un aumento dell’energia di scarica, invece, peggiora la finitura a causa della maggiore quantità di volume asportata ad ogni scarica.

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

CAPACITÀ DEL PROCESSO PROCESS Si possono lavorare materiali conduttori con ottima finitura superficiale (0.12µm - 0.25µm, che diventano 0.05µm - 0.12µm in seconda passata), elevata precisione di forma e bordi di taglio lisci. A causa delle migliaia di scariche le superfici sono matte e si prestano bene ad assorbire oli lubrificanti migliorando le condizioni di attrito delle superfici lavorate. Molte macchine EDWC permettono una risoluzione risoluzione di posizionamento di 0.001mm con accuratezza di ±7µm (±2.5µm su spessori di150 mm, in casi particolari). particolari) Il raggio minimo di un angolo interno è limitato dal diametro del filo, quello di un angolo esterno può arrivare a 38µm.

38µm La velocità di taglio lineare varia da 38mm/h a 115mm/h su uno spessore di 25 mm di acciaio, se lo spessore aumenta la velocità diminuisce (20mm/hr su uno sepssore di 76mm). La velocità di taglio non dipende dalla forma del taglio da realizzare. In seconda passata si possono raggiungere velocità di taglio di 380mm/h.

380mm/h.

La velocità del filo attraverso il pezzo varia da 8mm/sec a 42mm/sec.

42mm/sec Per quanto riguarda lo spessore del pezzo che è possibile tagliare, teoricamente non vi è un limite; in realtà non è così perché n non on si può essere sicuri che la struttura dell'acciaio sia uniforme dall'esterno al cuore ed inoltre quando il canale di ionizzazione è troppo lungo, il lavaggio è più difficoltoso. difficoltoso. Gli elevati spessori tagliati (200mm), (200mm), l’elevato grado di accuratezza e di finitura superficiale consentono l’applicazione del processo nella realizzazione di matrici per lo stampaggio, filiere per l’estrusione e nella fabbricazione di elettrodi per l’EDM. In alcuni casi è utilizzata per realizzare prototipi, o piccoli lotti di parti parti che possono essere tagliate anche in catasta. catasta L’uso del CNC permette di utilizzare lo stesso profilo per ottenere punzoni e matrici o elettrodi di sgrossatura e finitura (dando opportune compensazioni). compensazioni) Grazie al controllo computerizzato ed ai tempi d dii lavorazione relativamente lunghi, lunghi, un solo operatore può gestire più macchine con evidente risparmio di manodopera qualificata. qualificata.

Quando si tagliano carburi sintetizzati e vari materiali riportati, si deve lavorare con tensioni basse per evitare l’elettrolisi. si. Questo perché l’alta tensione può provocare corrosione intergranulare per consumo di legante nel carburo sintetizzato. sintetizzato. Tra le problematiche della EDMC, la possibilità di formazione di cricche: una delle cause principali è legata allo sviluppo di tensioni tensioni residue. residue

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21. ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING)

APPLICAZIONI

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