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FONDERIA
La fabbricazione per fusione rappresenta una delletecniche più antiche e versatili per la realizzazione digreggi destinati alle lavorazioni per asportazione di
FONDERIA
greggi destinati alle lavorazioni per asportazione ditruciolo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
2
La tecnica fusoria, quindi, consiste nel preparare una cavitàdetta forma, che ricopia al negativo il pezzo che si desiderarealizzare nella quale si cola la lega scelta per il pezzo allo
FONDERIA
realizzare, nella quale si cola la lega scelta per il pezzo, allostato fuso; a solidificazione avvenuta ciò che si estrae dallaforma è il getto.
Si indica col nome gettogetto la massa metallica così ottenutaquando, a parte lavorazioni supplementari, essa corrispondein forma e dimensioni al pezzo da fabbricare.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Si indica, invece, col nome lingottolingotto la massa metallicadestinata a subire una profonda trasformazione medianteuno o più processi di lavorazione per deformazione plastica.
Disegno del finito
FONDERIA - Ciclo
Progettazione ciclo fonderia
Esecuzione ciclo fonderia
Preparazione attrezzature
Grezzo Lavorazioni Finito
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
3
I metodi di formatura si distinguono in due gruppi:
FORMATURA
Metodi di Formatura in forma transitoria,caratterizzati dal fatto che ogni forma può essereutilizzata per una sola colata e viene distrutta quandoviene estratto il greggio.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Metodi di Formatura in forma permanente, nei qualila forma viene progettata e realizzata in modo da poteressere utilizzata per un elevato numero di colate.
FORMATURA IN
FORMA TRANSITORIA
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
4
Una possibile classificazione dei procedimenti di formatura in formatransitoria può essere fatta basandosi sul meccanismo di
FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA
transitoria, può essere fatta basandosi sul meccanismo diindurimento della forma, fino al raggiungimento della coesionedesiderata.
Tale meccanismo può essere:
Meccanico, basato su una fase di compressione manuale omeccanica
Chimico basato su reazioni chimiche naturali o provocate da
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Chimico, basato su reazioni chimiche naturali o provocate dacatalizzatori
Termico, in cui l’effetto del calore interviene nel processo diformatura.
i
Terra sintetica
FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA
Meccanismo di indurimento
“forma”
meccanico
chimico
In fossa
Processo al CO2
Processo sabbia-cemento
Processo cold-box
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
termico Processo shell-molding
Microfusione
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Colata in terra: “Formatura con terra sintetica”
Le principali operazioni nella preparazione manuale della forma sono:
Meccanismo di indurimento meccanico
a) Posizionamento del modello
b) Inserimento della staffa
c) Immissione della sabbia
d) Pigiatura
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
e) Preparazione degli sfoghi per l’uscita dell’aria
f) Chiusura della forma
g) Estrazione del modello
Nella formatura a macchina il modello è montato su una o due piastre:
Meccanismo di indurimento meccanico
Colata in terra: “Formatura con terra sintetica”
a) Si posiziona tra due staffe vuote, si riempiequella superiore e si assesta la terra perscuotimento
b) Coperta la staffa superiore con un piatto, siruota il sistema ripetendo le operazioniprecedenti
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
c) Si completa l’addensamento conun’operazione di compressione
d) Si separano le due staffe e si asporta ilmodello
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Il i l l i di id i i i i i li
Meccanismo di indurimento meccanico
Colata in terra: “Formatura con terra sintetica”
Il ciclo completo si divide in quattro operazioni principali:
La preparazione del modello
La preparazione della forma, tradizionalmente di terra refrattaria, o terrada fonderia, racchiusa in una cornice (staffa) metallica o di legno
La fusione del materiale metallico in un apposito forno fusorio
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
La fusione del materiale metallico in un apposito forno fusorio
La colata.
Ciclo (formatura manuale)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
7
Ciclo (formatura manuale)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Ciclo (formatura manuale)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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Meccanismo di indurimento meccanico
Colata in terra: “Formatura in fossa”
Il procedimento di formatura in fossa impiega lo stesso materialedella formatura in terra sintetica oppure leganti ad indurimentochimico.
Le staffe sono assenti e la forma viene ricavata in una fossa nelpavimento della fonderia, eventualmente rinforzato con pareti dicalcestruzzo armato, coperta da una o più staffe di grossedimensioni irrigidite con nervature.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
La preparazione della forma è manuale.
Meccanismo di indurimento meccanico
Colata in terra: “Formatura in fossa”
La formatura in fossa rappresenta l’unico metodo per larealizzazione di getti in materiale ferroso e non, didimensioni e peso notevoli, fino a circa 100 tonnellate.
Il procedimento è del tutto manuale e difficilmenteautomatizzabile
Il processo è molto lento e con ele ato costo di
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Il processo è molto lento e con elevato costo dimanodopera
Si presta alla produzione di lotti di pochi esemplari
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Nei procedimenti di formatura in forma transitoria la formaviene realizzata utilizzando un modello ed una o più
MODELLO
anime.
Il Modello ha la funzione di generare nella forma lesuperfici corrispondenti a quelle esterne del greggio, è lariproduzione corretta del pezzo da colare e degli elementiche sono indispensabili per la fabbricazione di un getto
t d dif tti ( li di l t t )
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
esente da difetti (canali di colata e materozze)
Le Anime hanno lo scopo di creare nel greggio le cavitàpreviste dal progetto
Il modello del getto può essere:
MODELLO
Permanente:LegnoMateriali metallici Materiali plastici
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
A perdere: Cera persa Polistirene espanso
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LEGNO:
Non è molto costoso ed è facile da lavorare
MATERIALE DEL MODELLO
E’ leggero
Può essere più o meno resistente all’usura in relazione allasua durezza (ad esempio il mogano consente un uso delmodello molto più prolungato del pino).
L’incollaggio delle parti avviene con resine che non si
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
gg pdegradano a contatto con l’umidità della sabbia mentre il legnoè sensibile a questa e può deformarsi
Resiste meno del metallo all’usura ed è spesso rinforzatocon inserti metallici.
GHISA:
E’ poco costosa
MATERIALE DEL MODELLO
p
Presenta un’elevata resistenza
Consente di ottenere una forma a bassa rugositàsuperficiale
E’ poco usurata dal contatto con la sabbia
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Il modello è però pesante e fragile
Può essere ottenuto per fusione, ma in tal caso lesezioni sottili sono troppo dure per essere rifinite attraversolavorazione meccanica
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LEGHE DI ALLUMINIO:
MATERIALE DEL MODELLO
Sono facili da colare e da lavorare
Non formano ossidi
Sono molto leggere
Il modello è più deformabile che nei casi precedenti, puòessere danneggiato accidentalmente
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
essere danneggiato accidentalmente
Resiste meno all’usura e va protetto nei punti critici coninserti di acciaio o ghisa.
Le caratteristiche costruttive del modello influenzano in mododiretto la buona riuscita della forma e del greggio stesso.
Le caratteristiche che un buon modello di fonderia deve
MODELLO
Le caratteristiche che un buon modello di fonderia deveavere:
Funzionalità
Verniciatura
Spine di riferimento
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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Implica una costruzione
MODELLO
Precisione
di qualità del modello,che dovrà quindirispettare le quote e letolleranze indicate suldisegno costruttivo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
DurataDipende dal tipo diproduzione prevista
Se la produzione è di serie o per lotti successivi, èopportuno realizzare il modello in modo da conservare le suecaratteristiche nel tempo sia di fronte ai fenomeni di usura
MODELLO
caratteristiche nel tempo, sia di fronte ai fenomeni di usuraderivanti dalle operazioni di formatura sia alle deformazioniche esso potrebbe subire nella fase di magazzinaggio. Talecaratteristica non ha senso per i modelli a perdere.
Se la produzione è limitata a qualche esemplare didi i i i l di l i i h
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
dimensioni piccole o medie, le esigenze economicheimpongono di limitare i costi del modello, che solitamenteviene realizzato in legno secondo la configurazione classicadel modello diviso.
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Se la produzione è di serie di getti di piccola e mediadimensione, il sistema più usato è quello della placca modello.In questo caso ogni semimodello viene stabilmente collegato
MODELLO
In questo caso, ogni semimodello viene stabilmente collegatoad una piastra di supporto dotata di idonei sistemi diriferimento con la staffa di formatura; sulla placca vengonoinoltre fissati il sistema di colata e le materozze.
M t i l
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Materiale plastico o metallico
Il primo problema che il tecnologo deverisolvere nello studio del ciclo di fusione in
MODELLO - sottosquadro
forma transitoria di un componente meccanicoè la scelta del piano di divisione dellaforma, affinché il modello possa essereestratto dalla forma stessa senzadanneggiarla.
Le parti del modello che durante l’estrazione
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Le parti del modello che durante l estrazionerovinerebbero la forma si dicono insottosquadro (o controsformo)
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Esistono infinite soluzioni al problema del sottosquadro, quantisono i possibili piani di divisione di un modello; quindi, occorreesaminare le possibili soluzioni fino a trovare se esiste quella
MODELLO - sottosquadro
esaminare le possibili soluzioni fino a trovare, se esiste, quellaadatta.
Piano 1
Piano 3
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Piano 2
PIANO 1
MODELLO - sottosquadro
PIANO 3
Modulo di “Tecnologia Meccanica I” PIANO 2
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Se la soluzione non esiste (e ciò capita spesso per pezzimolto complessi) si può ricorrere ad uno dei seguenti metodi:
MODELLO - sottosquadro
Variazione del progetto: è la soluzione più economica edè basata su uno stretto rapporto progettista-tecnologo. Ilprogettista può apportare modeste variazioni al progetto chepur conservando la funzionalità prevista, evitino i problemi disottosquadro.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Tasselli: Tale metodo consiste nell’utilizzare tassellipreparati separatamente, in pratica delle normali animemontate a sbalzo nelle forma, inseriti nelle cavità ottenute
MODELLO - sottosquadro
prevedendo idonee portate d’anima nel modello. Tale metodoè il più utilizzato quando il sottosquadro non può essereeliminato con una scelta differente del piano.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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Modello scomponibile: Tale metodo consiste nelrealizzare la parte in sottosquadro del modello mobile rispettoal resto del modello: in questo modo, durante la sformatura,
MODELLO - sottosquadro
qla seconda parte viene estratta normalmente, mentre laprima, rimasta nella forma, può essere estratta dal formatorecon un’operazione manuale delicata e costosa.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Direzione di estrazione di 1
La maggior parte dei procedimenti di fusione nonpermette di ottenere superfici con una qualità macro
MODELLO - sovrametallo
e microgeometrica tale da soddisfare in pieno leesigenze funzionali del progetto, per cui tale qualitàdeve essere ottenuta mediante lavorazioni allemacchine utensili per asportazione di truciolo.
Ne risulta quindi che, sulle superfici che dovrannosubire tali lavorazioni, è necessario prevedere uno
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
, pspessore di materiale da asportare, dettosovrametallo.
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L’entità del sovrametallo da prevedere su una superficie è uncompromesso tra due esigenze:
Una di carattere economico, che tende a ridurre al minimo il materiale
MODELLO - sovrametallo
,da asportare e quindi i tempi di lavorazione e gli sprechi di materiale
Una di carattere tecnologico, che tende a garantire un margine disicurezza nei confronti di errori di formatura, difetti superficiali, ritiridifficilmente prevedibili.
I fattori che influenzano lo spessore di sovrametallo sono:
Le dimensioni del pezzo ed in particolare della superficie in esame
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Le dimensioni del pezzo ed in particolare della superficie in esame
Il tipo di lega con cui il pezzo deve essere realizzato
La qualità della superficie lavorata richiesta nel progetto
Il tipo di formatura utilizzata
La valutazione dello spessore del sovrametallo è il risultato di un calcoloeconomico: esistono tuttavia delle tabelle di valori orientativi
MODELLO - sovrametallo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Fusione in terra (acciaio) – dimensioni non critiche -
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MODELLO - Angoli di sformo e raccordi
L’operazione di estrazione del modello dalla forma appenacostruita è detta sformatura; si tratta di un’operazionedelicata in quanto se non eseguita correttamente puòprovocare danni alla forma stessa tali da doverla scartareprovocare danni alla forma stessa tali da doverla scartare.
Per agevolare questa operazione i modelli da fonderia sonocostruiti in modo da eliminare o ridurre al minimo lesuperfici piane perpendicolari al piano di divisione; ciòviene ottenuto inclinando tali superfici di un piccolo angolo,detto angolo di sformo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Alcuni valori indicativi degli angoli di sformo da prevederesui modelli sono riportati in tab.
MODELLO - Angoli di sformo e raccordi
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Tali valori possono essere ridotti, diminuendo così l’entità delsovrametallo da asportare con l’utensile, mediante l’uso diidonea verniciatura dei modelli di legno, o usando modellimetallici.
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Gli spigoli vivi devono essere eliminati mediante raggi di raccordo:
MODELLO - Angoli di sformo e raccordi
Nelle forme transitorie gli spigoli vivi della forma o delle anime nonresisterebbero all’azione erosiva della lega che fluisce nella forma e leparti asportate andrebbero a costituire delle inclusioni non metallichenel getto.
Nelle forme permanenti, in particolare quelle per colata sottopressione, gli spigoli vivi della forma costituirebbero zone di
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
p g p gconcentrazione di tensione derivanti dalle sollecitazioni termiche emeccaniche a cui la conchiglia è sottoposta durante la colata, conpossibili inneschi di frattura
MODELLO - Angoli di sformo e raccordi
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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Le portate d’anima devono essere previste sul modello per poter crearenella forma idonee sedi di appoggio di anime e/o tasselli eventualmentepresenti per risolvere dei sottosquadri.
MODELLO - portate d’anima
Anime disposte orizzontalmente
La loro lunghezza deve essere tale daesercitare sulla forma, a causa della spinta diArchimede presente nella colata, una pressionetale da non creare deformazioni permanenti.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Anime o tassello a sbalzo
Necessario prolungare la portata d’anima inmodo che il baricentro dell’anima cada nellazona di appoggio, evitando così cadutedell’anima nella forma
MODELLO - portate d’anima
Anime in posizione verticale
Devono avere una forma troncoconica, cioè con ampio angolodi sformo che permette unagevole posizionamentodell’anima nella forma
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
dell anima nella forma.
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Le leghe comunemente impiegate in fonderia subiscono una contrazionevolumetrica nell’intervallo compreso tra la temperatura di colata e quellaambiente; ne segue che il getto risulta di dimensioni inferiori a quelle dellaf i l f d di i i t t
MODELLO - fenomeno del ritiro
forma, per cui la forma deve avere dimensioni opportunamentemaggiorate rispetto alle dimensioni finali del getto.
La maggiorazione vieneprevista sul modello
Poiché è difficile prevedereil tt i t i i
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
come il getto si contrae nei varipunti, in genere, si utilizza ilcoefficiente di ritiro linearemedio per maggiorare ledimensioni del modello
Se un getto non è a sezione uniforme, le parti più grandi siraffredderanno più lentamente e si contrarranno meno velocemente. Ladiversa contrazione delle parti determina la distorsione del getto.
MODELLO - fenomeno del ritiro
Una trave a T con le due ali di spessore molto diverso, in fase diraffreddamento si incurverà. Per evitare che ciò accada si prevede unacurvatura del modello in direzione contraria
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
22
Disegno del pezzo finito Disegno del modello
MODELLO – ciclo di progettazione
Calcolo sovrametalli
Scelta piano di divisione
Angoli di sformo
Raggi di raccordo
Portate d’anima
Ritiro
Materozze
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Materozze
Studio delle anime
Le cavità presenti nel getto vengono realizzate mediante anime; esse sonocostruite in materiale refrattario, essendo completamente avvolte dametallo liquido.
ANIME
PRINCIPALI CARATTERISTICHE
Resistenza meccanica
(Durante la colata occorre evitare che l’anima si infletta)
Permebilità(E’ necessario un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldi che si formanodurante la colata)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
)
Cedevolezza(Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto)
Sgretolabilità(L’estrazione del materiale costituente l’anima deve essere rapida e agevole
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Resistenza Meccanica
Durante la colata occorre evitare che l’anima si infletta e provochidelle differenze di spessore nel getto
ANIME
delle differenze di spessore nel getto.
Quando la rigidezza flessionale fornita dal solo materiale non èsufficiente, occorre inserire nella struttura dell’anima delle appositearmature in materiale metallico.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Permeabilità
E’ necessario un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldiche si formano durante la colata nel corpo dell’anima
ANIME
che si formano durante la colata nel corpo dell animastessa completamente avvolta dalla lega allo stato liquido.Nel caso in cui questo deflusso non venga assicurato èpossibile che si formino delle soffiature nel getto.
La struttura dell’anima realizzata in materiale da formatura non garantisce
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
formatura non garantisce una sufficiente permeabilità, quindi è necessario prevedere opportune canalizzazioni.
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Cedevolezza
ANIME
Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto. Talecaratteristica è normalmente assicurata dalla porosità stessadel materiale di formatura.
Sgretolabilità
L’estrazione del materiale costituente l’anima deve essere
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
L estrazione del materiale costituente l anima deve essererapida e agevole. Questa caratteristica è assicurata da idoneiadditivi nel materiale di formatura.
Modalità costruttive
Il metodo più comune per le anime di piccole e medie
ANIME
Il metodo più comune per le anime di piccole e mediedimensioni è quello della cassa d’anima nel quale ilmateriale di formatura viene compresso manualmente otramite aria in un contenitore che rappresenta al negativola forma dell’anima desiderata.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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Le casse d’anima possono essere costituite da un pezzounico o da più pezzi che vengono poi separati per consentirel’estrazione dell’anima
ANIME
l estrazione dell anima.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Tale metodo è valido sia nel caso di produzione diqualche esemplare sia per produzioni di serie
CANALE DI COLATA - MATEROZZE
Una forma non riproduce semplicemente la configurazione del pezzo, macontiene anche tutti gli elementi che ne rendono possibili la realizzazione;essa deve consentire:
che il metallo fuso entri e si distribuisca all’interno
che nel getto non si formino vuoti per difetti di alimentazione del metallo
che nel getto non vi siano difetti da inclusioni gassose o non metalliche.
Queste funzioni sono svolte da:
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Dispositivo/Canale di colata
Materozze
Dispositivi per il controllo della solidificazione
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La materozza è un serbatoio di metallo che deve
MATEROZZE
La materozza è un serbatoio di metallo che deverimanere liquido fino a solidificazione ultimata delgetto, in grado di alimentare le cavità di ritiro cheinevitabilmente si formano
Esistono fondamentalmente due tipi di materozze
A cielo aperto, che affiorano sulla parte superiore
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
A cielo aperto, che affiorano sulla parte superiore della forma
Cieche, totalmente immerse nella forma.
La materozzaLa materozza
Il fenomeno del ritiroIl fenomeno del ritiro
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
• evita la formazione del cono di ritiro all’interno del getto
• compensa la contrazione di volume nel raffreddamento in fase liquida e nel
passaggio liquido / solido
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Per progettare le materozze occorre decidere:
– dove posizionare le materozze
– quante materozze posizionare
Il fenomeno del ritiroIl fenomeno del ritiro
q p
– scegliere il tipo di materozza
– dimensionare ogni singola materozza
– dimensionare il collare (canale tra la materozza e il pezzo).
N.B. Per decidere dove posizionare le materozze devono essere verificate due condizioni:
1 la zona del pezzo cui è collegata la materozza deve essere l’ultima parte del pezzo a
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
1. la zona del pezzo cui è collegata la materozza deve essere l ultima parte del pezzo a solidificare (solidificazione direzionale)
2. la materozza deve solidificare dopo quest’ultima.
Per verificare entrambe le condizioni occorre determinare il tempo di solidificazione, cioè quanto tempo passa tra la colata e l’inizio della solidificazione di una generica parte del getto e della materozza.
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
Per fare in modo che la zona del pezzo cui è collegata la materozza sia l’ultima parte del pezzo a solidificare possiamo suddividere il pezzo in parti elementari e calcolare il modulo termico di ognipezzo in parti elementari e calcolare il modulo termico di ogni singola parte.
Per il calcolo del modulo termico delle parti non si considerano come scambianti le superfici di sezione ideale tra le parti:
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
X
XM X parte scambiante Superficie
parte Volume
28
Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari:
– cubo di lato L3 LL
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
– sfera di raggio R
66 2
L
L
LM cubo
34
4/32
3 R
R
RM sfera
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Quindi una sfera di raggio R e un cubo di lato 2R hanno lo stesso modulo termico.
34 2Rf
Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari:
– piastra
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
– piastra infinita (superfici laterali non scambiano calore)
WTLWTLTLW
LWTM piastra 111
2
1
2L
WT
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
L
W2
TM piastra
29
Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari:– barra indefinita
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
– cilindro di raggio R e altezza H
WTWTL
M barra 112
1111
2
1L
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
.
HRRHR
HRM cilindro 11
2
1
22 2
2
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA
22 2
3
s
sss
AVMCUBO
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
2sMM PIASTRACUBO
30
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA
C
BA
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Va = Vb = Vc = S3
Sa = 4 S2 Sb = 3 S2 Sc = 2 L2
Ma = S / 4 Mb = S / 3 Mc = S / 2
Per valutare il tempo di solidificazione Chvorinov ha sperimentalmente Per valutare il tempo di solidificazione Chvorinov ha sperimentalmente dimostrato che il tempo di solidificazione è legato alla geometria del pezzo dimostrato che il tempo di solidificazione è legato alla geometria del pezzo attraverso il modulo termico con una legge del tipo:attraverso il modulo termico con una legge del tipo:
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
Materiale k
Legge della diffusione(Chvorinov) k t
x
X = spessore strato solidificato
X
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Acciaio 0.09Alluminio 0.12Rame 0.07
per x in cm e t in secondiSolido Liquido
31
La solidificazione di una piastra di spessore S si può ritenere terminatad l d ll t t lidifi t è i ll tà d ll
VALUTAZIONE DEL TEMPO DI SOLIDIFICAZIONE
La velocità di solidificazioneLa velocità di solidificazione
quando lo spessore dello strato solidificato è pari alla metà dellospessore della piastra stessa.
22
kM
kxt s
Spessore della
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Legge di Chvorinov
kks
Limite di accrescimento dei dendriti.
Limite di accrescimento dei dendriti.
piastra
Metodi pratici per assicurare una solidificazione direzionale
- Cerchi di Heuvers
La solidificazione direzionaleLa solidificazione direzionale
Regola empirica:
Mi+1 = 1.1 - 1.2 Mi
Divisione in parti
M1M2
M3
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
M1 < M2 < M3 < Mm
32
Metodi pratici per assicurare una solidificazione direzionale
La solidificazione direzionaleLa solidificazione direzionale
- Individuazione di zone di possibile difettosità dovuta a ritiro in fase liquida
- Eventuale variazione della geometria
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
La materozza (alimentatore) deve:
A) rifornire il getto (o una sua parte) di metallo liquido, per
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
) g ( )
compensare il ritiro in fase liquida
B) contenere completamente il difetto provocato dal ritiro
Materozze a cielo aperto
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Materozze cieche
33
La matero a de e solidificare dopo il getto
A) rifornimento del getto
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
La materozza deve solidificare dopo il getto
Regola pratica
Mm = 1.2 Mg
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Mm = modulo di raffreddamento della materozza
Mg = modulo di raffreddamento del getto (zona adiacente la materozza)
Attraverso il calcolo del modulo termico delle parti in cui scomponiamo il pezzo siamo in grado di determinare come evolve la solidificazione nel pezzo. Durante la solidificazione le parti vicine a quelle che solidificano forniscono
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
Durante la solidificazione le parti vicine a quelle che solidificano forniscono materiale liquido e compensano il ritiro, cioè fungono da alimentatori.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Mm = 1.2 Mg
34
Il cono di ritiro deve essere integralmente contenuto ll t
B) verifica del cono di ritiro
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
nella materozza
Per sicurezza: altezza del cono di ritiro pari all’80% dell’altezza h della materozza.
Materozza cilindrica
0.14 Vm
Materozza semisferica
0.20 Vm
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
0.8 h0.8 h
Materozza cilindricaMaterozza semisferica
B) verifica del cono di ritiro
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
0.14 Vm
0.8 h
0.20 Vm
0.8 h
Vr = 0.14 Vm = b/100 (Vm + Vp)Vr = 0.2 Vm =b/100 (Vm + Vp)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
r m ( m p)r m ( m p)
b = coefficiente di ritiro volumetrico del materiale
Vr = volume cono/cavità di ritiro =f (tipo di materozza)
Vm = volume materozza
Vp = volume pezzo
Vp = (100Vr –bVm )/b
35
Il metodo basato sull’entità del cono di ritiro parte dall’osservazione sperimentale che quando il getto è sano il volume di liquido nella materozza a fine solidificazione si è ridotto di una percentuale pari al
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
p p– 14% per materozze cilindriche e ovali
– 20% per materozze emisferiche e sferiche
Quindi, indicando con a la percentuale sopra descritta si ha:
Il volume Vr è anche pari a:
r mV aV
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
r p
dove b è la contrazione volumetrica del metallo colato, Vm e Vp il volume della materozza e della parte del pezzo alimentata dalla materozza, rispettivamente.
100r m p
bV V V
Unendo le due relazioni si ottiene il volume della materozza in relazione al volume della parte del pezzo che questa deve alimentare:
b
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
Questa è la seconda relazione che cercavamo. Il sistema:
m p
bV V
a b
1.2m XM M
bV V
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
consente di definire le dimensioni della materozza.
m pV Va b
36
Y= Vm/VpValori tipici di b
Iperbole
metodo di Caine
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
X= Mm/Mp
pezzi buoni
pezzi non buoni
c
b
Materiale b (%)
Acciai 7 - 10Ghisa bianca 6Ghisa grigia 0.4 - 3Bronzo 4.5Ottone 6.7Rame-Alluminio 4Allum.-Silicio 3.5
p
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Costante =f (coef. trasm calore materozza/ coef. trasm calore pezzo)
Mm
Mg c
Vm
Vg b
0.1
N.B. Allo scopo di rallentare il raffreddamento della materozza e diminuire il volume, è possibile inserire un materiale coibente.
Metodi per ridurre le dimensioni delle materozze:
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
metodo di Caine
materozze:1) Utilizzo di coibenti (rallentare il
raffreddamento della materozza e diminuire il volume)
2) Raffreddatori (pezzo)
Raffreddatore
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Coibente
37
Zone protette
- Zona di influenza materozza
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
Acciaio 3 - 5 sGhisa 4 - 5 sBronzo 6 - 8 sLeghe leggere 5 - 7 s
s = spessore medio del getto
Zona di influenza materozza
- Effetto di bordo ≈ 2.5 s
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
L’utilizzo di “Raffreddatori Esterni” permette di aumentare l’effetto di bordo di 50mm
Raffreddatori
La materozza ed il suo dimensionamentoLa materozza ed il suo dimensionamento
- Soluzione di problemi
- Nascita di problemi potenziali
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Posizionamento raffreddatoriCricche a caldo dovute alla forma
non corretta dei raffreddatori
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E’ costituito da tazza e pozzettodi colata, in cui viene versato ilmetallo oltre che da tutti i
DISPOSITIVO DI COLATA
metallo, oltre che da tutti icondotti attraverso i quali essogiunge nella cavità della forma
Il dispositivo di colata :
Deve fare in modo che la cavità della forma sia completamente
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Deve fare in modo che la cavità della forma sia completamenteriempita dando alla corrente metallica la corretta velocità e la direzione.
Deve impedire che il metallo eroda la forma, evitando gli urti violenti
Deve bloccare le inclusioni non metalliche, grazie all’azione filtrante.
STAFFE
Le staffe sono recipienti generalmente a sezionequadrata o rettangolare, privi di fondo, che vengono usatiper contornare il modello quando si eseguono leper contornare il modello quando si eseguono leoperazioni di formatura
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
La scelta delle staffe viene fatta minimizzando la quantitàdi terra necessaria per la formatura ed il tempo diproduzione per unità di peso del getto
39
STAFFE
Le staffe vengono costruite in acciaio, ghisa o legheleggere per fusione o lavorazione meccanica.
Requisito fondamentale è la presenza di undispositivo che garantisce il perfetto allineamento
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
dispositivo che garantisce il perfetto allineamentodelle due parti della forma; tale allineamento vienerealizzato con un sistema spina-foro
TERRE DI FONDERIA
Le terre di fonderia sono generalmente miscele di:
Sabbia silicea avente la funzione di elemento refrattarioSabbia silicea, avente la funzione di elemento refrattario
Leganti, argillosi o di altro tipo, che garantiscono la coesione dellaforma
Additivi, che hanno la funzione di correggere alcune caratteristichedel materiale di formatura, poco adatte all’uso di fonderia.
Acqua
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
e si distinguono in:
Terre naturali
Terre sintetiche
40
Entrambe hanno origine dal disfacimento delle rocce perazione chimica e meccanica degli agenti atmosferici ma
TERRE DI FONDERIA
azione chimica e meccanica degli agenti atmosferici masi formano in condizioni diverse
Le terre naturali sono quelle il cui deposito si è formatodopo un limitato lavaggio da parte delle acque naturali equindi presentano un elevato tenore di leganti argillosied impurezze organiche
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Le terre sintetiche contengono una sabbia silicea ad altovalore di Silice (SiO2)
Le caratteristiche di queste terre sono:
TERRE DI FONDERIA
Terre naturali: SiO2, 5 20% leganti* (argilla edimpurezze), 5 8% di acqua aggiunta
Terre sintetiche: SiO2 pura al 95%, 2 5% di
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
legante aggiunto*, 2 5% di acqua aggiunta
*coesione fra i granelli di silice
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L’impiego di terra naturale nella pratica industriale è ormaibb d t d l diffi il t ll d ll t
TERRE DI FONDERIA
abbandonato a causa del difficile controllo della costanzadelle caratteristiche tecnologiche che influenzanodirettamente il prodotto.
Le terre naturali, per il loro elevato tenore di argilla edimpurezze come mica, feldspati e metalli alcalini hannouna minore refrattarietà, cioè si deformano ad elevate
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
temperature, per cui vanno usate nella fusione di leghebassofondenti quindi con esclusione di quelle ferrose
Le terre sintetiche, la cui composizione può essere megliocontrollata, vengono adoperate nella fonderia dell’acciaio
TERRE DI FONDERIA
Per la ghisa malleabile e grigia si usano miscele di terrenaturali e sintetiche; per la minore temperatura di fusione.
La scelta della terra più adatta ad un determinato processo difonderia viene eseguita in base alle seguenti considerazioni:
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Disponibilità del materiale in sede.
Metallo da colare.
Spessore e caratteristiche del getto.
Possibilità di recupero della terra usata.
42
TERRE DA FONDERIA
I materiali da formatura devono rispettare le seguenti caratteristichetecnologiche:
RefrattarietàRefrattarietà, intesa come capacità di resistere alle elevatetemperature della lega fusa.
ScorrevolezzaScorrevolezza, intesa come facilità di riempire completamente laforma attorno al modello ricopiandolo fedelmente, sotto l’azione diforze esterne di scossa o compressione.Assume valori accettabili quando la sabbia possiede unagranulometria uniforme diminuisce all’aumentare del tenore del
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
granulometria uniforme, diminuisce all aumentare del tenore dellegante e di acqua, ma con quest’ultima presenta un valore minimooltre il quale aumenta notevolmente.
SgretolabilitàSgretolabilità, proprietà importante ai fini economici al momentodella distaffatura e dell’eliminazione delle anime.
CoesioneCoesione, intesa come resistenza alle forze esterne in particolarealle sollecitazioni di compressione e di taglio. La maggiore influenza suquesta proprietà è data dal legante e dai grani di silice.
TERRE DA FONDERIA
PermeabilitàPermeabilità, intesa come possibilità di lasciarsi attraversare da unflusso di materiale gassoso ed evitare così difetti come le soffiature,dovute ai gas o vapori che si sviluppano durante la colata e cherimangono intrappolati nel metallo solidificato.
Il grano arrotondato dà coesione minore di quello spigolato, grani molto fini omolto grossi danno coesione maggiore di quelli medi, una distribuzionegranulometrica uniforme dà coesione minore di una disuniforme.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
43
SABBIA
E’ formata prevalentemente da granelli di SiO2 (silice) sebbene in casiparticolari possa essere costituita da zirconite, olivina o cromite.
Le caratteristiche principali di una sabbia sono:
La forma dei granelli
Le dimensioni dei granelli
Le trasformazioni strutturali e allotropiche
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Per trasformazione allotropica si intende una variazione della strutturacristallina o molecolare di un elemento in particolare in metallurgia siidentifica con la trasformazione della cella elementare (reticolo cristallino dibase), a cui corrispondono variazioni delle proprietà fisiche, meccaniche echimiche.
I granelli possono presentare quattro forme fondamentali:
SABBIA
Rotondeggianti
Irregolari
Semiirregolari
Compositi
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Si dicono compositi quelli in cui sono distinguibili dellesuperfici di frattura senza che sia avvenuto il distacco delleparti.
La loro superficie può essere liscia o rugosa ed inquest’ultimo caso si ha un migliore ancoraggio del legantemescolato alla sabbia.
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Definire le dimensioni dei granelli non è moltoi ifi ti t l è l l l t i i è l
SABBIA
significativo, mentre lo è la loro granulometria e cioè lepercentuali in cui le diverse dimensioni sono presentinella sabbia
Per calcolare la granulometria:
Si fa attraversare ad un campione di sabbia una
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Si fa attraversare ad un campione di sabbia unacolonna di stacci sovrapposti le cui maglie siinfittiscono dall’alto verso il basso.
Si pesa il residuo su ogni staccio e lo si esprime inpercentuale del peso totale
LEGANTI
I leganti sono quelle sostanze miscelate con la sabbia per rendere possibile la coesione fra i granelli di siliceper rendere possibile la coesione fra i granelli di silice
I leganti più comuni sono:
Le argille
I leganti organici
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
I silicati
I cementi
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Le argille mescolate con poca acqua, mostranol t t tt i ti h di i i è i lli i
LEGANTI - Argille
prevalentemente caratteristiche di coesione; cioè i granelli silegano tra loro
Quando il contenuto di acqua è elevato predominal’abrasività, nel senso che i granelli di argilla stabiliscono deilegami con i granelli di sabbia
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Poiché un legante deve possedere entrambe le proprietà inmisura adeguata, la quantità di acqua da aggiungere vaopportunamente dosata.
Gli additivi sono sostanze aggiunte alla terra difonderia al fine di modificarne quelle caratteristicheh di dif tti l tt
LEGANTI - Additivi
che sono causa di difetti nel getto:- Controllo dell’espansione termica della forma- Produzione di uno strato di gas protettivo
Gli additivi sono essenzialmente sostanzecarboniose:
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
carboniose:
Polvere di carbone
Polvere di grafite
Cellulosa
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LE SPINTE METALLOSTATICHELE SPINTE METALLOSTATICHE
Una volta che la forma è stata riempita di metallo liquido, questo esercita una pressione metallostatica sulle pareti della forma.
La pressione può generare una deformazione della staffa con conseguente perdita di precisione dimensionale del getto.
Per ovviare a questo problema occorre utilizzare staffe particolarmente rigide e, nel caso di staffe alte, rinforzarle lateralmente.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Inoltre, la pressione metallostatica provoca dei cedimenti nella forma causati dalla presenza di una eventuale non omogeneità della compattazione. Questo cedimento ha un impatto negativo sulla precisione dimensionale del processo.
L’integrale della pressione metallostatica lungo la superficie dell’impronta dà la spinta metallostatica.
LE SPINTE METALLOSTATICHELE SPINTE METALLOSTATICHE
La spinta metallostatica sulla staffa superiore è diretta verso l’alto e può portare al sollevamento della staffa superiore con fuoriuscita di metallo liquido.
Per ovviare a questo problema occorre posizionare dei pesi sulla staffa superiore per impedirne il sollevamento.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
47
LE SPINTE METALLOSTATICHELE SPINTE METALLOSTATICHE
Per un liquido perfetto si ha:
p = h
= peso specifico
Spinte sullo stampo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
i
Terra sintetica
FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA
Meccanismo di indurimento
forma
meccanico
chimico
In fossa
Processo al CO2
Processo sabbia-cemento
Processo cold-box
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
termico Processo shell-molding
Microfusione
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Formatura shell - molding
E’ possibile anche seguire un procedimento manuale:
Meccanismo di indurimento termico
La piastra modello riscaldata viene connessa ad un involucrocontenente la miscela di formatura
Il sistema viene ribaltato in modo che la miscela entri in contatto conil modello caldo e la resina polimerizzi per uno spessore di 5 – 10 mm
Si ribalta la miscela non indurita, si smonta l’involucro e si mette lapiastra modello in forno per completare l’indurimento.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Si estrae la piastra e si azionano gli estrattori per allontanare ilguscio.
Formatura shell - molding
Meccanismo di indurimento termico
Confronto fra una forma interra e una forma in guscio
Vantaggi:Elevata finitura superficiale dei getti
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Elevata finitura superficiale dei getti
Possibilità di realizzare configurazioni complesse e sezioni sottili
Perfetto riempimento della forma grazie alla bassa rugosità chefavoriscono il deflusso dei metalli con moderata scorrevolezza,consentendo il
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Formatura shell - molding
Meccanismo di indurimento termico
Svantaggi:Lo sviluppo di azoto, proveniente dalla decomposizione
della resina
Limitate dimensioni dei getti, non superano in genere i 10k i 100 k P il
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
kg e raramente arrivano a 100 kg. Pertanto il processodiventa economico solo per medie e grandi serie di pezzicome nel caso delle anime.
La miscela non può essere riutilizzata.
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
La fusione a cera persa è la più antica metodologia di fonderia.
La fonderia d'arte a cerapersa toccò sicuramentevertici di grande interesse nelperiodo della Magna Grecia e
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
p gne sono espressivatestimonianza le pregevoliopere di quel periodo tra cui inoti "Bronzi di Riace"realizzati attorno al 600 a.C
50
Si tratta di una tecnologia molto creativa che consente
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
Si tratta di una tecnologia molto creativa, che consentedi realizzare particolari di elevata complessità e ottimaprecisione dimensionale.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Il primo stadio consiste nellarealizzazione, normalmente tramite
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
realizzazione, normalmente tramiteiniezione in conchiglia, di un certonumero di modelli a perdere in cera.
I modelli:
possono avere una forma complessa
non presentano problemi di sottosquadro
possono avere fori e cavità previsti senza ricorrere all’uso di anime.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
I modelli vengono assemblati a forma di grappolomediante bacchette in cera di collegamento, cheandranno a costituire il sistema di colata, la cuiestremità è a forma di bacino di colata
51
PROCEDURA 1
Vi t i l f tt i tit it
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
• Viene preparata una miscela refrattaria costituitada minerali a basso coefficiente di espansionetermica ed a grana fine che viene versata in uncontenitore intorno al grappolo
• Un’azione vibratoria permette l’evacuazionedell’aria rimasta.
• Dopo un breve tempo inizia la solidificazione
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Dopo un breve tempo inizia la solidificazionemediante formazione del gel di silice.
• Fase di indurimento a bassa temperatura conestrazione della cera e
• Cottura finale della forma.
PROCEDURA 2
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
• Il grappolo viene immerso in una vascacontenente il materiale ceramico (stato umido)
• Il grappolo viene esposto ad una pioggia diparticelle refrattarie.
(Questo ciclo viene ripetuto fino al raggiungimentodello spessore richiesto del guscio)
A i t d i i i ld i
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
• Asciugatura ed essiccazione con aria calda inautoclave a circa 160°C dove la cera vieneeliminata e recuperata al 90%.
• Cottura finale a circa 800°C.
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La forma per la preparazione del modello può essere costituita
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
La forma per la preparazione del modello può essere costituitada resine epossidiche o gomma vulcanizzata, ma se è richiestaun’elevata precisione può essere fatta in metallo o anche ingesso per una produzione limitata.
Il materiale impiegato più comunemente per i modelli è la cera,con temperature di fusione tra 55 e 90°C.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Conviene usare miscele di cere il più possibile di composizionecostante per avere sempre uguale coefficiente di ritiro chepermetta di ottenere un’elevata precisione dimensionale dei getti.
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
Vantaggi:
Elevate precisioni nei getti finali, con tolleranzedimensionali ridotte, che, insieme all’ottima finiturasuperficiali, limitano le lavorazioni meccaniche alle soleoperazioni di rettifica.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Qualunque tipo di lega può essere colato con questoprocedimento e la complessità del getto è limitato solo dalladifficoltà di esecuzione della conchiglia
53
Svantaggi:
Microfusione
Meccanismo di indurimento termico
gg
La forma si contrae in sede di cottura. Tale contrazione puòessere limitata dosando opportunamente la granulometria deirefrattari impiegati.
Il campo di impiego del procedimento è per getti piccoli(350 – 400 mm di dimensione massima e 5 Kg di pesomassimo)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
massimo)
I costi sono elevati, pertanto il processo è economicamentevalido in quei casi in cui il prodotto ha un elevato valoreaggiunto o richiederebbe delle lavorazioni meccaniche dicosti elevati (ventole ed altri componenti di pompe, valvole…)
FORMATURA IN
FORMA PERMANENTE
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
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FUSIONE IN FORMA PERMANENTE
Le tecniche di fusione in forma permanente sidifferenziano da quelle in forma transitoria per il fattoh l f è li t i l t lliche la forma è realizzata in lega metallica,
normalmente acciai legati o ghise speciali; in modo daessere utilizzata per un numero elevato di getti uguali.L’elevato costo di lavorazione di questo tipo di formarende questi procedimenti economicamente giustificabilinella produzione in serie.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Questo tipo di formatura ben si presta all’automazionedelle varie operazione di colata, ma per ragioni diingombro vengono colati solo pezzi di dimensionemedio – piccola.
Forma realizzata in materiale metallico
- struttura cristallina dei getti sia fine, per effetto del rapido scambiotermico tra la lega fusa e la conchiglia
FUSIONE IN FORMA PERMANENTE
termico tra la lega fusa e la conchiglia
- elevata resistenza meccanica del pezzo prodotto
Assenza della granulometria della sabbia
- getti di qualità elevata, sia come finitura superficiale che come precisionedimensionale, costante su tutta la produzione.
Canali di sfogo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Poiché la conchiglia non presenta la porosità della forma transitorianecessaria per permettere all’aria e ad eventuali gas presenti di uscire dallaforma prima della solidificazione.
N.B. La conchiglia va mantenuta sempre a temperatura costante perevitare distorsioni e variabilità nella struttura del getto.
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Si può fare una classificazione in base alla modalità in cui la forma vieneriempita dalla lega fusa:
Fonderia in conchiglia per azione della forza di gravità
FUSIONE IN FORMA PERMANENTE
Fonderia in conchiglia sotto pressione (pressofusione)
Conchiglia
Ha generalmente una formasemplice ed è costituita da due
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
pparti per consentire l’estrazionedel getto. Per facilitare ilmontaggio sono previste su unadi esse, le spine di acciaio dicentramento.
L’unica azione che spinge la lega fusa a riempire la conchiglia è lagravità: cioè si cola direttamente dal crogiolo nel bacino di colatarealizzato nella conchiglia.
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
La conchiglia è in genere realizzata in ghisa (G25, G30), nontrattata, raramente in acciaio.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Sistema insorgente
Sistema laterale
Sistema dall’alto
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I sottosquadri vengono risolti con l’uso di tasselli mobili.
Le anime posso essere di due tipi:
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
p p
Quando la forma è complessa e crea troppi problemi perl’estrazione dal getto, si realizza in terra.
In altri casi si realizzano in acciaio, provvedendo a realizzarle inparti scomponibili se sono presenti sottosquadri
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Lo spessore minimo di un getto ottenibile è intorno ai 4 mm, in
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
funzione della fluidità della lega.
La finitura superficiale ottenibile è di circa Ra = 1,8 – 5 m.
Occorre prevedere angoli di sformo pari a 3 gradi.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
La dimensione del minimo diametro ottenibile per fori è di 2mm.
57
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Le superfici interne della conchiglia vengono verniciate convernici a base acquosa con polveri refrattarie e lubrificanti
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
vernici a base acquosa con polveri refrattarie e lubrificanti(come grafiti, allumina, talco, mica, farina si silice), con loscopo di:
Controllare il trasferimento di calore in alcuna zone delpezzo (es. materozze)
Controllare lo scorrimento della lega per assicurare untt i i t
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
corretto riempimento
Migliorare la finitura superficiale e del distacco dallaconchiglia
Aumentare la durata della conchiglia.
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Progettazione Sistema di colata
Devono essere ridotte le turbolenze che provocano
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
Devono essere ridotte le turbolenze, che provocanointrappolamenti d’aria con conseguenti soffiature edossidazione.
Occorre evitare che la vena fluida, entrando nella forma,provochi spruzzi, che possono provocare difetti localizzati.
Per evitare intrappolamenti d’aria e per assicurare unriempimento più dolce della forma bisogna prevedere un
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
riempimento più dolce della forma, bisogna prevedere unbasculamento della conchiglia.
Il dimensionamento dei canali di colata deve essere fatto inmodo che il tempo di colata sia minore del tempo disolidificazione delle parti più sottili del getto.
Tipologia dei sistemi di colata
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
Sistema in sorgente
assicura un riempimento con pocaturbolenza ed una buona evacuazionedell’aria. Il modello deve percorrere untragitto più lungo che negli altri casi,
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
g p g g ,arrivando più freddo nella materozza. Lasoluzione di aumentare la temperatura dicolata aumenta il rischio di ossidazione ediminuisce la durata della conchiglia
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Sistema laterale
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
è molto usato con le legheleggere, la lega ha un’altezzadi caduta ridotta e una miglioresolidificazione direzionale. Ilcanale di colata è inclinatorispetto alla superficiesuperiore per favorire il
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
p pbasculamento. E’ presenteperò una dissimmetria nelladistribuzione della temperatura.
Sistema dall’alto
è il migliore dal punto di vista della solidificazione
FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
è il migliore dal punto di vista della solidificazionedirezionale e permette di usare materozze ridotte ocostituite dal canale di colata stesso. Esiste tuttavia ilpericolo di spruzzi che provocano il difetto delle goccefredde, per cui questo sistema è ottimo per le conchigliedi altezza ridotta che vengono basculate durante lacolata.
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
60
PRESSOFUSIONE
Questi procedimenti si differenziano dal precedente per il fattoche la lega fusa viene iniettata con una certa pressione nellaconchiglia. Ciò richiede l’uso di macchine di notevole costo,per cui tali procedimenti sono utilizzati solo per produzioni digrandi serie, nel caso in cui si vogliono realizzare
getti a basso costo unitario di notevole finitura superficiale(Ra =0.8 – 1.5 m)
elevate caratteristiche meccaniche derivanti da una struttura
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
elevate caratteristiche meccaniche derivanti da una strutturafine e compatta
tolleranze ridotte, tanto da ridurre al minimo le lavorazionimeccaniche successive.
L’iniezione della lega con una forte pressione permette di
Caratteristiche
PRESSOFUSIONE
L iniezione della lega con una forte pressione permette diottenere getti con spessori più sottili.
La durata delle conchiglie è di 100.000 – 200.000 pezzi.
Tolleranze geometriche circa +/- 0.1% – 0.2% della quota
Pesi limitati ( 10 kg per leghe Al e Zn, 5 kg per leghe di Mg)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Il materiale delle conchiglie è:
acciaio legato per le leghe di alluminio, magnesio e rame,
acciaio al carbonio per le leghe di stagno, piombo e zinco.
61
La formatura sotto pressione può essere eseguitaprincipalmente secondo due tecniche:
a camera calda
PRESSOFUSIONE
a camera calda
a camera fredda
Hanno in comune alcuni dispositivi:
Una pompa in cui il metallo viene pressurizzato ed inviatoalla matrice
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Un telaio per l’apertura e la chiusura della matrice
Le due tecniche si differenziano a seconda che la camera diriscaldamento del metallo fuso sia o meno parte integrantedella macchina.
Nel processo a camera calda il sistema di pompaggio è costituito da uncilindro immerso nel metallo fuso e da un pistone che invia il metallo nellaforma attraverso una valvola, mentre la corsa di ritorno apre il passaggio al
PRESSOFUSIONE
liquido circostante che riempie il cilindro.
Caratteristiche: migliore controllo della temperatura della lega elevata capacità produttiva
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
produttiva (1000 pz/h - pezzi medi) la temperatura del bagno fuso non può essere troppo elevata
62
Nel processo a camera fredda il metallo viene colato da un crogiuolo inuna camera di trasferimento, ed iniettato nella forma spinto da una pistone.Dopo la solidificazione si apre la forma e si estraggono le anime mentre un
PRESSOFUSIONE
iniettore spinge il getto all’esterno.
Caratteristiche:
capacità produttiva limitata(150 pz/ora su pezzi medi)
l t t d l f ò
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
la temperatura del fuso puòessere più elevata
PRESSOFUSIONE (leghe di alluminio)
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
CONCHIGLIA PER GRAVITÀ
63
PRESSOFUSIONE - I materiali
F500
600
Camera calda Camera freddaF500
600
Camera calda Camera fredda
Zn
AlMg
Cu
Fe
200
300
400
500
Rm
[M
Pa
]
Zn
AlMg
Cu
Fe
200
300
400
500
Rm
[M
Pa
]
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
PbSn
0
100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Tcolata [°C]
PbSn
0
100
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Tcolata [°C]
PRESSOFUSIONE - I prodotti
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Telaio per elettrodomestico.(Lega di alluminio)
Leva di accensione moto(Lega di alluminio)
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Leghe Zn – Al – Mg
PRESSOFUSIONE - I prodotti
PneumaticaMobili- arredo
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
ElettrodomesticiAutomotive
Leghe di Mg
PRESSOFUSIONE - I prodotti
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
Corpo macchina fotograficaLega di magnesio
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Vantaggi– elevata capacità produttiva
PRESSOFUSIONE
– tolleranze geometriche strette
– buona finitura superficiale
– ridotta porosità
– ottima riproducibilità
Limiti:
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
– peso e dimensioni del getto limitati
– necessità di realizzare il pezzo senza parti massicce ma con nervature
– elevato costo dello stampo e della pressa
– non si può colare acciaio o ghise
Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione
Il f t f l di t i h i f tt l fi di liIl confronto fra le diverse tecniche viene fatto al fine di sceglierequella più economica per fabbricare un determinato tipo di getto.
La valutazione dell’economicità si fonda sull’analisi di :
Temperatura di fusione della lega
Dimensioni e complessità del getto
Numero di pezzi
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
u e o d pe
Tolleranze e finiture superficiali
66
Se la Temperatura di fusione della lega è elevata convieneorientarsi verso quelle tecniche che usano forme in materiale
Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione
orientarsi verso quelle tecniche che usano forme in materialerefrattario (fonderia in terra o a cera persa).
Se la temperatura è bassa si può prendere in considerazione laformatura in conchiglia.
I getti di dimensioni maggiori vengono sempre fabbricati con letecniche più semplici e quindi con la fonderia in terra, mentre per
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
quelli più piccoli si può prendere in esame la fonderia in conchigliao a cera persa. Quest’ultima è da considerarsi anche per i getti diforma complessa per i quali una fonderia in conchiglia potrebbecreare problemi di costo della forma metallica e di tempi per losmontaggio.
Un altro elemento fondamentale è lo spessore minimo
Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione
realizzabile. Esso dipende dalla finitura superficiale dellaforma e dal modo in cui si introduce il metallo fuso. Questecondizioni trovano la migliore realizzazione nella fonderia inconchiglia (pressofusione) o nella fonderia semicentrifuga diforme realizzate a cera persa.
Le migliori condizioni di precisione dimensionale e finiturasuperficiale del getto vengono ottenute in conchiglia ma può
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
g g gessere utile anche una forma refrattaria, se sufficientementerigida e realizzata con una terra a granulometria fine (cerapersa).
67
In termini generali (1: buono, 5: pessimo)
Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione
331 20 05TuttiTerra
50213-43000.5Tutti (no acciaio)
Conchiglia
120.513-4500.05Non ferrosiPressofusione
MaxMinMaxMinProcesso
Spessore parete (mm)Precisione
dimensionale
Complessità
forma
Peso (kg)Materiali
colabili
331 20 05TuttiTerra
50213-43000.5Tutti (no acciaio)
Conchiglia
120.513-4500.05Non ferrosiPressofusione
MaxMinMaxMinProcesso
Spessore parete (mm)Precisione
dimensionale
Complessità
forma
Peso (kg)Materiali
colabili
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
5011110+0.005TuttiCera persa
-331-2-0.05TuttiTerra
5011110+0.005TuttiCera persa
-331-2-0.05TuttiTerra
FONDERIA IN TERRA
Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione
PRESSOFUSIONE
CONCHIGLIA
CERA PERSA
ESTRUSIONE
LAMINAZIONE, TRAFILATURA
LAMINAZIONE CALDO
FUCINATURA STAMPAGGIO
CostoCosto
Modulo di “Tecnologia Meccanica I”
< 1000Alta (*)Medio BassoMedio AltoCera persa
< 20Medio BassaBassoBassoTerra
< 60Medio BassaMedioMedioConchiglia
< 200Medio BassaAltoAltoPressofusione
Capacità produttiva indicat. (pz/ora)MdOSistemaForma
< 1000Alta (*)Medio BassoMedio AltoCera persa
< 20Medio BassaBassoBassoTerra
< 60Medio BassaMedioMedioConchiglia
< 200Medio BassaAltoAltoPressofusione
Capacità produttiva indicat. (pz/ora)MdOSistemaForma
* nella preparazione del grappolo