PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: … · 1 1 Processi di formatura plastica massiva: Estrusione PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: ESTRUSIONE 2 Processi di formatura plastica

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Processi di formatura plastica Processi di formatura plastica massivamassiva: Estrusione: Estrusione1

PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA:

ESTRUSIONE


• Processo con cui una billetta o una barra subisce una riduzione nella sezione trasversale attraverso l’azione di pressione esercitata da uno spintore che la costringe a fluire attraverso un’opportuna cavità (matrice)

• Può essere accompagnata anche da una variazione di forma

ESTRUSIONE

Billetta

Matrice

Spintore

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• Matrice:• nel cilindro entro cui viene messo inizialmente il materiale da

estrudere (estrusione diretta)• nello spintore (estrusione inversa)

ESTRUSIONE

Estrusione diretta Estrusione inversa


Estrusionediretta

Estrusioneinversa

Si ha movimento relativo (e quindi attrito) Si ha movimento relativo (e quindi attrito) fra le pareti del contenitore ed il materialefra le pareti del contenitore ed il materiale

ESTRUSIONE

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ESTRUSIONE DIRETTA


ESTRUSIONE INVERSA

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ESTRUSIONE IDROSTATICA

Deformazione quasi omogenea uniformità delle caratteristiche del materiale

La forza di estrusione è minore rispetto a quella necessaria per il processo diretto

Il mezzo attivo evita il contatto tra billetta e matrice

Non è molto utilizzata a causa della complesità delle tenute

La forza di estrusione non viene esercitata direttamente dal pistone ma attraverso un mezzo attivo ad alta pressione

Lo stato di sollecitazione che si viene a creare è pressochéidrostatico


ESTRUSIONE IDROSTATICA

Forza esercitata attraverso un mezzo attivo (lubrificante) ad alta pressione

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• Economicamente rilevante quando i profili sono così complessi da non consentire la laminazione o l’asportazione di truciolo

• Elevate forze in gioco ➠ la maggior parte dei metalli estrusa a caldo

• Estrusione a freddo: sta diventando un processo commerciale sempre più importante

• Ridotta formazione di cricche nel materiale grazie a forze compressive molo elevate causate dalla reazione billetta -contenitore

• Utilizzazione dell’estrusione nella formatura di metalli difficili da deformare (acciai inossidabili, leghe di Ni ed altri materiali per elevate T)

ESTRUSIONE


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• È opportuno distinguere tra:• estrusione continua:

• permette di ottenere manufatti di lunghezza variabile a piacere a sezione trasversale costante (barre, tubi, profilati ecc.)

• estrusione in pezzi singoli• operata sui prodotti dell’estrusione continua e su altri

semilavorati

ESTRUSIONE


• Estrusione diretta:• mandrino attaccato all’estremità dello spintore• spessore di parete del tubo determinato dalla differenza tra

dimensione diametrale della matrice e del mandrino• Estrusione inversa:

• tubo prodotto con uno spintore di diametro inferiore a quello del contenitore

ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI

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ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI


• Viene impiegata in genere per la realizzazione a freddo di corpicilindrici di dimensioni ridotte e costituiti da materiali ad elevata deformabilità

ESTRUSIONE PER URTO

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• Estrusione eseguita usualmente con presse a comando idraulico, con velocità e pressioni regolabili

• Presse verticali:• facile allineamento tra lo spintore ed i cilindri, • velocità di produzione più elevate e • meno spazio orizzontale anche se sono richiesti locali alti• raffreddamento uniforme della billetta nel contenitore ➠

deformazione più uniforme e simmetrica• capacità da 300 a 2000 t

• Presse orizzontali:• parte bassa della billetta a contatto con la parete del cilindro ➠

raffreddamento più rapido rispetto alla parte superiore ➠deformazione non uniforme ➠ piegamento delle barre e, nella estrusione dei tubi, spessore non uniforme

• capacità da 1500 a 5000 t

PRESSE PER ESTRUSIONE

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• Velocità dello spintore molto importante: • a caldo richieste elevate velocità in quanto c'è un problema

di trasferimento di calore dalla billetta ai cilindri• in ogni caso si deve tener presente il suo effetto sulla T di

lavorazione• sono stati messi a punto sistemi che controllano la velocità

dello spintore per rendere uniforme la T di estrusione• in genere le velocità sono comprese tra 30 e 500 mm/s

• le più basse si usano per estrudere leghe di Zn e Mg• le più elevate per acciai, ottone e Al

PRESSE PER ESTRUSIONE


• Subiscono notevoli sollecitazioni dovute ad alte tensioni, shocktermici e ossidazione

• Tipico assemblaggio di matrici costituito da:• matrice (6) realizzata in acciaio alto legato • supporto (5) e anello di serraggio (7): tengono la matrice• testa (2): sostiene il tutto• cuneo (1): preme l’assemblaggio contro il contenitore

MATRICI PER ESTRUSIONE

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• Matrici a facce piane:• usate quando il metallo forma una zona morta generando un

proprio angolo di imbocco• Matrici con angolo di ingresso conico:

• usate nella estrusione con buona lubrificazione• diminuzione dell'angolo ➠ aumento dell'omogeneità della

deformazione e diminuzione della pressione di estrusione ma anche aumento dell'attrito sulle superfici della matrice

• angolo ottimale compreso tra 45 e 60°



Rapporto di estrusione:• Il rapporto di estrusione presenta un valore limite che

dipende dal materiale dalla temperatura e dalle caratteristiche della pressa (Il rapporto di estrusione può variare da 10 a 100 in funzione del materiale in lavorazione e delle condizioni del processo)


fSS /0=ρ

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Realizzazione di corpi cavi:• La cavità viene realizzata, anziché da un mandrino, da una

matrice costituita da due elementi distinti: la matrice vera e propria, la stella



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Tensioni interne:



• Cilindro di estrusione soggetto a forti pressioni ➠ realizzato in due parti:

• camiciatura interna (4): soggetta ad usura ➠ ogni tanto va sostituita

• contenitore (3): contiene la camiciatura e fornisce le forze compressive per la lavorazione

• Spintore:• protetto dal calore della billetta da un isolante interposto il

quale è soggetto shock termici e deve essere sostituito periodicamente

CILINDRO DI ESTRUSIONE E SPINTORE

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• Forni di riscaldo e dispositivi per il trasferimento automatico della billetta dal forno al contenitore

• Sistemi per il riscaldamento del cilindro e dispositivi per il taglio dell'estruso

• Blocco di carbonio interposto tra billetta e spintore per estrudere tutta la billetta senza scarti

• Dispositivi per l’afferraggio dell'estruso e raddrizzatori per correggere i difetti minori

ALTRI DISPOSITIVI


ESTRUSIONE CONTINUA

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• Consiste nell'estrudere a caldo e a velocità relativamente basse una billetta cilindrica con diametro di 150÷300 mm

• billetta è di fusione se si tratta di metalli non ferrosi• billetta di laminazione se è acciaio.

• Geometria dell'operazione tale che in prima approssimazione si può considerare come zona di deformazione quella compresa tra matrice, spintore e pareti del cilindro (zona tronco conica precedente l'uscita del materiale)

ESTRUSIONE CONTINUA

Matrice


• Riscaldamento della billetta alla T di estrusione• Introduzione della billetta e sistemazione della matrice• Estrusione• Taglio della barra o del tubo• Allontanamento della matrice e portamatrice• Avanzamento dello spintore e caduta della materozza

CICLO DI ESTRUSIONE

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• Principali variabili che influenzano la forza di estrusione:• tipo di estrusione• rapporto di estrusione• temperatura di estrusione• velocità di deformazione• condizioni di attrito alle pareti della matrice e del cilindro• tipo di sezione dell’estruso

FORZA DI ESTRUSIONE


Tratto OA: • ricalcatura e coniatura della billetta in modo da riempire tutto lo

spazio disponibile all’interno del cilindroTratto AB: • estrusione del materiale• diminuzione della forza di ricalcatura dovuta alla riduzione delle forze

di attrito

FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA

• formazione di una zona morta, con conicitàinterna di circa 45°, che non partecipa alla deformazione ma forma un invito per il restante materiale ad entrare nella matrice

• punto B ➠ materiale nella zona di ristagno obbligato a partecipare alla deformazione

• spazio tra spintore e matrice molto ridotto e forze di distorsione elevate ➠ rapido aumento della forza di estrusione

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• Pendenza del segmento tra i punti A e B dipendente anche dalla velocità di deformazione:

• effetto diretto: aumento della forza di estrusione con la velocità di deformazione

• effetto indiretto: aumento della T e quindi diminuzione della forza con la crescita della velocità di deformazione

FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA


• Forze di attrito più basse in quanto non c'è moto relativo tra billetta e parete del contenitore

FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE INVERSA

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• Maggior parte dei metalli estrusa a caldo• Aumento di T comporta:

• problemi di ossidazione della billetta e degli utensili• perdita delle proprietà meccaniche di utensili e matrici• difficoltà nel fornire un'adeguata lubrificazione

• Limite inferiore: T minima che fornisce al metallo una opportuna plasticità

• Limite superiore: T alla quale avvengono fusioni parziali del materiale

• Acciai: estrusi usando vetro come lubrificante• Leghe di alluminio: estruse senza lubrificante

ESTRUSIONE A CALDO


ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE

• Zona 1: volume non ancora interessato dalla deformazione

• Zona 2: volume in deformazione• Zona 3: materiale costituente la zona morta• Zona 4: materiale già estruso

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• Modalità di flusso del materiale tali per cui si possono distinguere due zone:

• zona di traslazione rigida del materiale (l<x<L)• zona di deformazione del materiale (0<x<l)

• Lunghezza l della zona di deformazione dipendente da:• angolo della matrice• rapporto di estrusione• entità dell’attrito


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• Nella zona di deformazione può esistere una zona di metallo stazionario che, nel caso di matrice conica, riduce l’angolo αdella matrice e, nel caso di matrice piana, riconduce il flusso a quello di una matrice conica con angolo α


• Schematizzazioni:• estrusione a freddo: angoli α tali che non

esista la zona morta (α<30°) ➠ l=(R0-Rf)·cotgα

• estrusione a caldo: formazione della zona morta con α = 45° ➠ l=(R0-Rf)


• Pressione di estrusione dipendente dal flusso di metallo nel contenitore e nella matrice e dalle condizioni di lubrificazione

• Alcuni difetti strettamente legati ai modi di deformazione durante l'estrusione

• Modi caratteristici di deformazione nell’estrusione:

MODI DI DEFORMAZIONE NELL’ESTRUSIONE

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a) Deformazione quasi omogenea fino alle immediate vicinanze dell'ingresso nella matrice. Tipica:• di buona lubrificazione sulla parete del contenitore• dell’estrusione idrostatica• dell’estrusione inversa

b) Deformazione con maggiore attrito sulla parete del contenitore • distorsione della griglia in prossimità delle pareti del

contenitore fino alla formazione della zona morta• elementi di griglia al centro del contenitore subiscono

essenzialmente un allungamento• elementi di materiale in prossimità delle pareti

subiscono una grande deformazione di scorrimento• distorsione derivante non correlata alle variazioni delle

dimensioni esterne della billetta ➠ dovuta alla non uniformità della deformazione (lavoro di distorsione)

DEFORMAZIONE NELL’ESTRUSIONE


c) Con attrito molto severo sulle pareti• flusso concentrato verso il centro • sviluppo di un piano di scorrimento interno• tale condizione si verifica anche con superficie

della billetta raffreddata dal contenitore• se si sviluppa aderenza ➠ separazione interna

del metallo lungo una zona di scorrimento ➠sottile pellicola di metallo rimane nel contenitore

• in questa condizione tutta la superficie dell’estruso è nuova


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• Caratteristiche dei lubrificanti per l'estrusione:• bassa resistenza allo scorrimento • stabilità ad elevate T

• Tipi di lubrificanti usati:• oli e grassi addittivati con cloruri, fosfuri o solfuri organici che

resistono alle elevate pressioni • a T elevate, generate dal contatto fra le superfici striscianti.

decomposizione con formazione di sali metallici che impediscono la saldatura

• strato salino continuamente asportato dall'azione di strisciamento ➠ formazione di nuovo sale a spese dei metalli ➠ progressiva usura degli stampi

• grasso allo stato solido (MoS2)• non reagisce chimicamente con i metalli• assicura un basso μ grazie alla sua struttura a lamelle

LUBRIFICAZIONE NELL’ESTRUSIONE

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• vetro fuso • lubrificante più comune nell'estrusione a caldo di acciai e

superleghe di Ni• billetta preventivamente scaldata e rivestita di polvere di

vetro prima che entri nel cilindro• rivestimento anche con funzione di isolante termico tra

billetta e cilindro per ridurre le dispersioni di calore• tuttavia la maggior sorgente di lubrificazione è un cuscinetto

di vetro posto nella faccia della matrice di fronte al naso della billetta

• calore fornito dalla billetta provoca un addolcimento progressivo del cuscinetto e fornisce la pellicola di lubrificante tra materiale e matrice

LUBRIFICAZIONE NELL’ESTRUSIONE


• Laminazioni longitudinali nel prodotto causate dal lubrificante intrappolato entro l'estruso lungo bande di scorrimento

• Allo stesso modo possono crearsi laminazione di ossidi

• Cavità assiale nella parte finale dell'estrusosi verifica quando, durante l’estrusione, la lunghezza della billettaè circa 1/4 del suo diametro ed è dovuta al rapido flusso radiale nella matrice estensione del difetto ridotta dando una certa angolazione alla

faccia dello spintore

DIFETTI DI ESTRUSIONE

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• Cricche superficiali• possono essere generate da sforzi di trazione longitudinali

quando l'estruso passa attraverso la matrice (spesso dovute alla mancanza di lubrificante in alcune zone)



• Cricche interne (chevron cracks)• possono aversi con bassi rapporti di estrusione• effetto strettamente legato all'attrito tra materiale e matrice • forti reazioni di attrito all'interfaccia producono un prodotto

sano• se l'attrito è basso ➠ formazione di cricche di tipo "chevron"

(a freccia)


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• Masselli di partenza possiedono forme variabili e sono generalmente dischi piani o forati, derivati da barre e tubi, ecc.

• Operazione eseguita solitamente a freddo su Sn, Pb, Zn, Al e sue leghe, acciaio

• Il procedimento, comunemente eseguito con particolari geometrie assialsimmetriche, avviene sia come estrusione diretta che inversa

• Esistono anche:• processi di estrusione mista nei quali il materiale esce dalla

matrice in sensi opposti ma // all'asse dello spintore• processi di estrusione nei quali il materiale è spinto

principalmente in direzione ⊥ od obliqua rispetto alla direzione di movimento dello spintore

ESTRUSIONE DI PEZZI SINGOLI


Esempi di produzione per estrusioneMateria prima: alluminio

Pressa di estrusione: a caldo o a freddo

Prodotto finito

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