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ELEMENTI DI PRODUZIONE ELEMENTI DI PRODUZIONE METALMECCANICAMETALMECCANICA

Appunti di Disegno Tecnico Industriale 157

Introduzione ai processi di produzione metalmeccanica

I processi di produzione metalmeccanica si possono classificare nelle tre grandi famiglie di seguito indicate.

Processi di lavorazione per fusione

Il materiale viene fuso e colato in vuoti (forme) transitorie o permanenti

Processi di lavorazione per deformazione plastica

Vengono applicate forze al materiale che lo portano oltre il limite di snervamento, provocando deformazioni permanenti.

Processi di lavorazione per asportazione di materiale

Si ottiene la forma voluta asportando materiale da una geometria iniziale.

Fusione in forma transitoria (fusione in sabbia), fusione in forma permanente(fusione in conchiglia, pressofusione)

Laminazione, stampaggio, estrusione, piegatura, imbutitura, punzonatura, tranciatura, ecc.

Tornitura, fresatura, foratura, alesatura, rettifica, ecc.

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Ciclo di lavorazione

Un prodotto finito, normalmente, non si ottiene utilizzando un unico processo produttivo, ma piuttosto applicando in serie vari processi.

Materie prime Semilavorato Prodotto finito

Ad esempio, un ciclo di lavorazione (semplificato), potrebbe essere il seguente:

Fusione in sabbia Tornitura Rettifica

La progettazione di un ciclo di lavorazione è compito di solito complesso e laborioso. La scelta del processo produttivo dipende soprattutto da motivazioni tecniche ed economiche.

Aspetti tecnici

Necessità di garantire adeguate tolleranze o livelli di finitura superficiale

Necessità di garantire adeguati livelli di resistenza ed affidabilità del componente

Aspetti economici

Volume di produzione (maggiori volumi di produzione giustificano investimenti più alti in macchinari e personale)


Procedimenti di fusione

I procedimenti di fusione si basano sulla proprietà delle leghe di essere fuse e quindi colate all’interno di appositi stampi (forme) dei quali, in seguito alla solidificazione, ne assumono la forma.

Il pezzo che risulta dal procedimento di fusione viene detto greggio (o grezzo) di fonderia, e, nella maggioranza dei casi, andrà incontro ad ulteriori ad ulteriori lavorazioni prima di diventare prodotto finito.

Fusione in forma transitoria

Ciascuna forma, distrutta all’atto dell’estrazione del greggio, viene utilizzata per una sola colata (con una sola colata si possono produrre piùpezzi)

I grezzi di fonderia hanno caratteristiche scadenti in termini di geometria e finitura superficiale

È un processo adatto a bassi volumi di produzione (non richiede elevati investimenti)

Fusione in forma permanente

Ciascuna forma viene utilizzata per un elevato numero di colate.

I grezzi hanno caratteristiche geometriche e di finitura superficiale migliori rispetto alla fonderia in forma transitoria.

È un processo adatto ad elevati volumi di produzione (può richiedere investimenti elevati)

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Fusione in sabbia

Il processo di fusione in sabbia prevede le seguenti fasi:

-realizzazione di un modello in legno;

-realizzazione delle anime (se necessario)

-formatura

-colata

-estrazione e pulitura del getto

Supponiamo, nelle trasparenze che seguono, di dover realizzare il pezzo di seguito rappresentato


Realizzazione del modello

Il modello, generalmente realizzato in legno e rivestito di opportune vernici che ne facilitano l’estrazione dalla forma, ricalca, in linea di massima, la forma del pezzo che vogliamo ottenere. Tuttavia da essa differisce per i seguenti aspetti:

-dimensioni leggermente maggiorate per tenere conto del ritiro dovuto alla solidificazione;

-presenza di sovrammetalli, ossia di zone nelle quali volutamente vi è aggiunta di materiale che verrà successivamente asportato con lavorazioni alle macchine utensili

Nel caso si utilizzino anime è necessario, inoltre, prevedere opportune portate d’anima.

Caratteristica dei modelli per fonderia, e quindi dei pezzi prodotti per fusione, è la presenza di angoli di sformo, illustrata in una successiva trasparenza.

Esempio di modello scomponibile

Portate d’anima

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Formatura e realizzazione delle anime

Una volta creato il modello, questo viene utilizzato per creare la forma all’interno della quale verrà colato il metallo fuso. Normalmente la forma è costituita da due semiforme richiudibili l’una sull’altra.

Le anime sono anch’esse costituite di sabbia da fonderia. Vengono inserite all’interno delle semiforme, e sono destinate ad occupare quei volumi che, nel pezzo finito, dovranno risultare vuoti. Anche le anime si realizzano attraverso opportune forme in legno denominate casse d’anima.

Staffa

Semiforma

Piano di separazione Sabbia per fonderia

Anima

Casse d’anima


Colata ed estrazione del getto

Una volta realizzate le due semiforme e le eventuali anime, posizionate queste ultime nella semiforma inferiore, chiuso il tutto con la semiforma superiore (sulla quale, in generale, vengono ricavati i canali di alimentazione e di colata e la materozza), si procede alla colata del metallo fluido. La materozza ha il compito di portare esternamente al getto il baricentro termico (zona che solidifica per ultima), nella cui prossimità possono verificarsi fenomeni quali cricche ed irregolarità del getto.

A solidificazione avvenuta si procede ad eliminare i canali di colata, la materozza, e le eventuali bave lungo il piano di separazione.

Grezzo di fonderia con bava, canale di alimentazione/colata e materozzaFase di colata

Sistema di alimentazione

Materozza

Solidificazione

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Soluzioni da evitare

Caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per fusione in sabbia (1)

Si riassumono qui di seguito le caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti attraverso fusione in sabbia.

Rugosità elevata: la finitura superficiale di questi pezzi è di solito grossolana.Assenza di spigoli vivi: gli spigoli vivi sono sconsigliabili in quanto la forma si danneggia facilmente.

Soluzioni da preferire



Presenza di angoli di sformo: le superfici del getto ortogonali al piano di separazione sonoinclinate rispetto alla direzione di estrazione per favorire l’estrazione del modello dalla sabbia di fonderia.

Piano di separazione

Direzione di estrazione

45’-1°2°-2°30’Da 35 a 150 mm

30’1°Oltre 150 mm

1°-2°3°-4°Da 10 a 35 mm

3°5°Fino a 10mm

αα

Formatura a macchinaFormatura a manoAltezza “A”

Valori minimi consigliati

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Spessori uniformi: per evitare risucchi e cavità (dovuti a differente tempo di raffreddamento tra zone adiacenti) è consigliabile uniformare gli spessori ed evitare i bruschi passaggi di sezione.

Soluzioni da evitare Soluzioni da preferire



Assenza di sottosquadri: i sottosquadri rappresentano quelle zone che vengono a trovarsi al di sotto del piano di separazione e che costituiscono un ostacolo all’estrazione del modello. In genere si cerca di evitarli, in quanto la loro presenza può richiedere l’utilizzo di anime di forma complessa

Piano di separazione

Sottosquadri

Il modello è estraibile dalla forma senza grosse difficoltà

A causa della presenza di sottosquadri non è possibile estrarre il modello dalla forma senza romperla. È necessario prevedere l’utilizzo di anime

Anime

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Processi di lavorazione per asportazione di materiale

I procedimenti di lavorazione per asportazione di materiale (o per asportazione di truciolo) permettono, a partire da una geometria iniziale, di raggiungere la forma voluta mediante la rimozione della quota di materiale in eccesso (sovrammetallo). In genere si realizzano in due o tre fasi (in ordine cronologico):

1. sgrossatura: lavorazione grossolana e veloce che permette di asportare la maggior parte del materiale;

2. finitura (lavorazione a quota): più fine e più lenta della precedente, permette di portare il pezzo alle dimensioni volute;

3. rettifica (lavorazione a tolleranza): ancora più fine della precedente, permette di ottenere le tolleranze specificate.

L’asportazione di truciolo si basa sul moto relativo (moto di taglio) tra la superficie del pezzo da lavorare e l’utensile.

Il moto di alimentazione è invece il moto che permette di portare sotto l’utensile sempre nuovo materiale da asportare.

Entrambi i moti, a seconda della macchina utensile utilizzata, possono essere posseduti dall’utensile o dal pezzo.


Il tornio

Il tornio è una delle macchine più utilizzate nell’industria meccanica. Consente di lavorare pezzi assialsimmetrici. L’utensile è monotagliente. Il moto di taglio è posseduto dal pezzo, quello di avanzamento dall’utensile.

8) Piattaforma4) Torretta (sostiene l’utensile)

7) Slitta trasversale (permette il movimento trasversale dell’utensile)

3) Mandrino (trasmette il moto al pezzo da lavorare)

10) Contropunta6) Guida2) Vano motore

9) Controtesta5) Slitta inferiore (permette il movimento longitudinale dell’utensile)

1) Base

Menabrida

BridaContropunta

Mandrinomontaggio del pezzo

“tra le punte”

montaggio del pezzo “a sbalzo”

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Lavorazioni al tornio

Cilindratura esterna (tornitura longitudinale)

Sfacciatura (tornitura radiale)

Esecuzione di una filettatura

Lavorazione di parte assialsimmetrica di forma generica

Lavorazione di parte conica

Esecuzione di uno smusso

Esecuzione di una gola

Cilindratura interna


Geometria dei pezzi lavorati al tornio

Si riportano qui alcune considerazioni sulla geometria dei pezzi lavorati al tornio.

La geometria del pezzo deve essere tale da consentire il disimpegno dell’utensile

Soluzione da evitare Soluzione da preferire

L’esecuzione di lavorazioni interne è più onerosa dell’esecuzione di lavorazioni esterne


Adottare gole di scarico per separare le superfici soggette a differenti lavorazioni

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La fresatrice

La fresatrice è una macchina d’officina molto versatile che permette di eseguire svariati tipi di lavorazioni. L’asse di rotazione a cui è collegato l’utensile (fresa, utensile pluritagliente) può essere movimentato secondo un certo numero di gradi di libertà (da 2 a 5).

8,9,10) Guide

6,7) Slitte mobili4) Mandrino (asse verticale)2) Mandrino (asse orizzontale)

5) Slitta portapezzo3) Fresa1) Base

Tipologie di frese


Lavorazioni alla fresatrice

Con la fresatrice è possibile eseguire numerose lavorazioni. Esistono due lavorazioni fondamentali quali la fresatura frontale e la fresatura periferica. Le altre possono essere considerate come combinazioni di queste due.

Fresatura frontale (asse di rotazione dell’utensile ortogonale alla superficie da lavorare)

Spianatura

Avanzamento

Utensile

Profondità di passata

Fresatura periferica (asse di rotazione dell’utensile parallelo alla superficie da lavorare)

Avanzamento

Utensile

Profondità di passata

Contornatura Realizzazione di una tasca Lavorazione di una superficie curva

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Geometria dei pezzi lavorati alla fresa

La geometria del pezzo deve essere tale ridurre il numero di passate della fresa

Soluzione da evitare

Soluzione da preferireLa geometria del pezzo deve essere tale consentire la movimentazione dell’utensile


Soluzione da evitare

Superficie da lavorare

Soluzione da preferire

Superficie da lavorare


Il trapano

Il trapano è una macchina da officina usata principalmente per la lavorazione di fori: foratura, allargatura, alesatura, lamatura, svasatura.

7) Guide

6) Portapezzo4) Testa motrice2) Colonna

5) Mandrino3) Motore1) Base

Allargatura Alesatura Lamatura

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Geometria dei pezzi lavorati al trapano

Fare in modo che la punta da trapano entri in direzione ortogonale alla superficie da forare (possibile deviazione della punta)

Soluzione da evitare Soluzione da preferire (spianatura)

Soluzione da preferire (“ringrosso”)

Fare in modo che la punta da trapano esca in direzione ortogonale alla superficie da forare (possibile rottura della punta)

Soluzione da evitare Soluzione da preferire (“ringrosso”)


Altre macchine utensili

Si riportano qui una breve descrizione di due macchine utensili di utilizzo relativamente comune: la stozzatrice e la brocciatrice.

Stozzatrice

È una macchina ad utensile monotagliente con movimento verticale. È utilizzata per realizzare sedi per chiavette/linguette su mozzi.

BrocciaPezzo

Organo di trazione

Brocciatrice

È una macchina ad utensile pluritaglientecon movimento orizzontale. È utilizzata per ottenere fori sagomati a partire da fori circolari.

Forma iniziale

Possibili forme finali

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Processi di lavorazione per deformazione plastica

I procedimenti di lavorazione per deformazione plastica sfruttano le proprietà che alcuni materiali hanno di deformarsi permanentemente sotto l’azione di carichi esterni, una volta superato il loro limite di snervamento.

Le lavorazioni per deformazione plastica possono avvenire a caldo o a freddo: nel primo caso sono necessarie forze minori, a fronte, però, di finiture superficiali e di tolleranze piùscadenti.

In generale le tolleranze e il grado di finitura superficiale ottenibili sono superiori rispetto ai procedimenti di fusione, ma inferiori a quelli raggiungibili con lavorazioni alle macchine utensili.

Le caratteristiche meccaniche dei pezzi costruiti per deformazione plastica sono di norma buone, ed in generale superiori a quelle ottenibili attraverso processi di fonderia.


Laminazione e stampaggio

Laminazione

La laminazione consiste nel far passare il materiale attraverso due cilindri, lisci od opportunamente sagomati, ruotanti in senso opposto. Il prodotto finito si ottiene, di solito, attraverso una serie di lavorazioni successive. Tipi prodotti ottenuti per laminazione sono i profilati.

Stampaggio

Nello stampaggio un blocco di materiale (massello) è sottoposto all’azione di una pressa che lo forza all’interno di uno stampo in maniera da fargli assumere la forma voluta. Tipicamente i prodotti stampati hanno spessori sottili(dell’ordine di 2-3 mm). Sono costruiti per stampaggio molte parti di autoveicoli (cofano, portiere, ecc).

Possibili forme di pezzi prodotti per laminazione

Massello

Schema del processo di stampaggio

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Piegatura e imbutitura

Piegatura

La piegatura è un processo molto semplice che si esegue attraverso macchine (piegatrici) in cui una lamiera èpremuta tra un punzone ed una matrice.

Imbutitura

L’imbutitura consente di realizzare forme cave allungate a partire da una lamiera piana.

Processo di piegatura

Punzone

Matrice

PremilamieraPunzone

Matrice

Tipiche forme di oggetti realizzati per imbutitura


Estrusione e trafilatura

Estrusione

L’estrusione è un processo con cui si forza un materiale a passare attraverso una matrice di forma predeterminata. Può essere diretta o inversa: nel primo caso il pistone spinge il materiale verso la matrice, nel secondo è la matrice a muoversi.

Trafilatura

Nella trafilatura il materiale è costretto a passare attraverso una sezione di forma predeterminata da una forza applicata di trazione. Le forme tipiche ottenute per trafilatura sono le barre, i fili ed i profilati.

Matrice

Matrice

Estrusione inversa

Estrusione diretta

Tipiche forme di oggetti realizzati per estrusione

Matrice