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FONDERIA FONDERIA La fabbricazione per fusione rappresenta una delle tecniche più antiche e versatili per la realizzazione di greggi destinati alle lavorazioni per asportazione di truciolo 1 FONDERIA La tecnica fusoria, quindi, consiste nel preparare una cavità detta forma, che ricopia al negativo il pezzo che si desidera realizzare, nella quale si cola la lega scelta per il pezzo, allo stato fuso; a solidificazione avvenuta ciò che si estrae dalla forma è il getto. Si indica col nome getto la massa metallica così ottenuta quando, a parte lavorazioni supplementari, essa corrisponde in forma e dimensioni al pezzo da fabbricare. Si indica, invece, col nome lingotto la massa metallica destinata a subire una profonda trasformazione mediante uno o più processi di lavorazione per deformazione plastica. FONDERIA - Ciclo Disegno del finito Progettazione ciclo fonderia Preparazione attrezzature Esecuzione ciclo fonderia Grezzo Lavorazioni Finito 2 FORMATURA I metodi di formatura si distinguono in due gruppi: Metodi di Formatura in forma transitoria, caratterizzati dal fatto che ogni forma può essere utilizzata per una sola colata e viene distrutta quando viene estratto il greggio. Metodi di Formatura in forma permanente, nei quali la forma viene progettata e realizzata in modo da poter essere utilizzata per un elevato numero di colate. FORMATURA IN FORMA TRANSITORIA 3 FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA Una possibile classificazione dei procedimenti di formatura in forma transitoria, può essere fatta basandosi sul meccanismo di indurimento della forma, fino al raggiungimento della coesione desiderata. Tale meccanismo può essere: Meccanico, basato su una fase di compressione manuale o meccanica Chimico, basato su reazioni chimiche naturali o provocate da catalizzatori Termico, in cui l effetto del calore interviene nel processo di formatura. FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA Terra sintetica meccanico In fossa Meccanismo di indurimento forma chimico Processo al CO 2 Processo sabbiacemento Processo cold-box termico Processo shell-molding Microfusione 4 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Le principali operazioni nella preparazione manuale della forma sono: a) Posizionamento del modello b) Inserimento della staffa c) Immissione della sabbia d) Pigiatura e) Preparazione degli sfoghi per l uscita dell aria f) Chiusura della forma g) Estrazione del modello Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Nella formatura a macchina il modello è montato su una o due piastre: a) Si posiziona tra due staffe vuote, si riempie quella superiore e si assesta la terra per scuotimento b) Coperta la staffa superiore con un piatto, si ruota il sistema ripetendo le operazioni precedenti c) Si completa l addensamento con un operazione di compressione d) Si separano le due staffe e si asporta il modello 5 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Il ciclo completo si divideid in quattro operazioni i principali: i La preparazione del modello La preparazione della forma, tradizionalmente di terra refrattaria, o terra da fonderia, racchiusa in una cornice (staffa) metallica o di legno La fusione del materiale metallico in un apposito forno fusorio La colata. Ciclo (formatura manuale) 6 Ciclo (formatura manuale) Ciclo (formatura manuale) 7 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura in fossa Il procedimento di formatura in fossa impiega lo stesso materiale della formatura in terra sintetica oppure leganti ad indurimento chimico. Le staffe sono assenti e la forma viene ricavata in una fossa nel pavimento della fonderia, eventualmente rinforzato con pareti di calcestruzzo armato, coperta da una o più staffe di grosse dimensioni irrigidite con nervature. 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 la realizzazione di getti in materiale ferroso e non, di dimensioni e peso notevoli, fino a circa 100 tonnellate. Il procedimento è del tutto manuale e difficilmente automatizzabile Il processo è molto lento e con elevato costo di manodopera Si presta alla produzione di lotti di pochi esemplari 8 MODELLO Neiprocedimentidiformatura in forma transitoria la forma viene realizzata utilizzando un modello ed una o più anime. Il Modello ha la funzione di generare nella forma le superfici corrispondenti a quelle esterne del greggio, è la riproduzione corretta del pezzo da colare e degli elementi che sono indispensabili per la fabbricazione di un getto esente da difetti (canali di colata ematerozze) Le Anime hanno lo scopo di creare nel greggio le cavità previste dal progetto MODELLO Il modello del getto può essere: Permanente: Legno Materiali metallici Materiali plastici A perdere: Cera persa Polistirene espanso 9 MATERIALE DEL MODELLO LEGNO: Non è molto costoso ed è facile da lavorare E leggero Può essere più o meno resistente all usura in relazione alla sua durezza (ad esempio il mogano consente un uso del modello molto più prolungato del pino). L incollaggio delle parti avviene con resine che non si degradano a contatto con l umidità della sabbia mentre il legno è sensibile a questa e può deformarsi Resiste meno del metallo all usura ed è spesso rinforzato con inserti metallici. MATERIALE DEL MODELLO GHISA: E poco costosa Presenta un elevata resistenza Consente di ottenere una forma a bassa rugosità superficiale E poco usurata dal contatto con la sabbia Il modello è però pesante e fragile Può essere ottenuto per fusione, ma in tal caso le sezioni sottili sono troppo dure per essere rifinite attraverso lavorazione meccanica 10 MATERIALE DEL MODELLO LEGHE DI ALLUMINIO: Sono facili da colare e da lavorare Non formano ossidi Sono molto leggere Il modello è più deformabile che nei casi precedenti, può essere danneggiato accidentalmente Resiste meno all usura e va protetto nei punti critici con inserti di acciaio o ghisa. MODELLO Le caratteristiche costruttive del modello influenzano in modo diretto la buona riuscita della forma e del greggio stesso. Le caratteristiche che un buon modello di fonderia deve avere: Funzionalità Verniciatura Spine di riferimento 11 MODELLO Precisione Implica una costruzione di qualità del modello, che dovrà quindi rispettare le quote e le tolleranze indicate sul disegno costruttivo Durata Dipende dal tipo di produzione prevista MODELLO Se la produzione è di serie o per lotti successivi, è opportuno realizzare il modello in modo da conservare le sue caratteristiche nel tempo, sia di fronte ai fenomeni di usura derivanti dalle operazioni di formatura sia alle deformazioni che esso potrebbe subire nella fase di magazzinaggio. Tale caratteristica non ha senso per i modelli a perdere. Se la produzione è limitata a qualche esemplare di dimensioni piccole o medie, le esigenze economiche ih impongono di limitare i costi del modello, che solitamente viene realizzato in legno secondo la configurazione classica del modello diviso. 12 MODELLO Se la produzione è di serie di getti di piccola e media dimensione, il sistema più usato è quello della placca modello. In questo caso, ogni semimodello viene stabilmente collegato ad una piastra di supporto dotata di idonei sistemi di riferimento con la staffa di formatura; sulla placca vengono inoltre fissati il sistema di colata e le materozze. Materiale plastico o metallico MODELLO - sottosquadro Il primo problema che il tecnologo deve risolvere nello studio del ciclo di fusione in forma transitoria di un componente meccanico è la scelta del piano di divisione della forma, affinché il modello possa essere estratto dalla forma stessa senza danneggiarla. Le parti del modello che durante l estrazione rovinerebbero la forma si dicono in sottosquadro (o controsformo) 13 MODELLO - sottosquadro Esistono infinite soluzioni al problema del sottosquadro, quanti sono i possibili piani di divisione di un modello; quindi, occorre esaminare le possibili soluzioni fino a trovare, se esiste, quella adatta. Piano 1 Piano 3 Piano 2 MODELLO - sottosquadro PIANO 1 PIANO 3 PIANO 2 14 MODELLO - sottosquadro Se la soluzione non esiste (e ciò capita spesso per pezzi molto complessi) si può ricorrere ad uno dei seguenti metodi: Variazione del progetto: è la soluzione più economica ed è basata su uno stretto rapporto progettista-tecnologo. Il progettista può apportare modeste variazioni al progetto che pur conservando la funzionalità prevista, evitino i problemi di sottosquadro. MODELLO - sottosquadro Tasselli: Tale metodo consiste nell utilizzare tasselli preparati separatamente, in pratica delle normali anime montate a sbalzo nelle forma, inseriti nelle cavità ottenute prevedendo idonee portate d anima nel modello. Tale metodo è il più utilizzato quando il sottosquadro non può essere eliminato con una scelta differente del piano. 15 MODELLO - sottosquadro Modello scomponibile: Tale metodo consiste nel realizzare la parte in sottosquadro del modello mobile rispetto al resto del modello: in questo modo, durante la sformatura, la seconda parte viene estratta normalmente, mentre la prima, rimasta nella forma, può essere estratta dal formatore con un operazione manuale delicata e costosa. Direzione di estrazione di 1 MODELLO - sovrametallo La maggior parte dei procedimenti di fusione non permette di ottenere superfici con una qualità macro e microgeometrica tale da soddisfare in pieno le esigenze funzionali del progetto, per cui tale qualità deve essere ottenuta mediante lavorazioni alle macchine utensili per asportazione di truciolo. Ne risulta quindi che, sulle superfici che dovranno subire tali lavorazioni, è necessario prevedere uno spessore di materiale da asportare, detto sovrametallo. 16 MODELLO - sovrametallo L entità del sovrametallo da prevedere su una superficie è un compromesso tra due esigenze: Una di carattere economico,, che tende a ridurre al minimo il materiale da asportare e quindi i tempi di lavorazione e gli sprechi di materiale Una di carattere tecnologico, che tende a garantire un margine di sicurezza nei confronti di errori di formatura, difetti superficiali, ritiri difficilmente prevedibili. I fattori che influenzano lo spessore di sovrametallo sono: 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 MODELLO - sovrametallo La valutazione dello spessore del sovrametallo è il risultato di un calcolo economico: esistono tuttavia delle tabelle di valori orientativi Fusione in terra (acciaio) dimensioni non critiche - 17 MODELLO - Angoli di sformo e raccordi L operazione di estrazione del modello dalla forma appena costruita è detta sformatura; si tratta di un operazione delicata in quanto se non eseguita correttamente può provocare danni alla forma stessa tali da doverla scartare. Per agevolare questa operazione i modelli da fonderia sono costruiti in modo da eliminare o ridurre al minimo le superfici piane perpendicolari al piano di divisione; ciò viene ottenuto inclinando tali superfici di un piccolo angolo, detto angolo di sformo MODELLO - Angoli di sformo e raccordi Alcuni valori indicativi degli angoli di sformo da prevedere sui modelli sono riportati in tab. Tali valori possono essere ridotti, diminuendo così l entità del sovrametallo da asportare con l utensile, mediante l uso di idonea verniciatura dei modelli di legno, o usando modelli metallici. 18 MODELLO - Angoli di sformo e raccordi Gli spigoli vivi devono essere eliminati mediante raggi di raccordo: Nelle forme transitorie gli spigoli vivi della forma o delle anime non resisterebbero all azione erosiva della lega che fluisce nella forma e le parti asportate andrebbero a costituire delle inclusioni non metalliche nel getto. Nelle forme permanenti, in particolare quelle per colata sotto pressione, gli spigoli pg vivi della forma costituirebbero zone di concentrazione di tensione derivanti dalle sollecitazioni termiche e meccaniche a cui la conchiglia è sottoposta durante la colata, con possibili inneschi di frattura MODELLO - Angoli di sformo e raccordi 19 MODELLO - portate d anima Le portate d anima devono essere previste sul modello per poter creare nella forma idonee sedi di appoggio di anime e/o tasselli eventualmente presenti per risolvere dei sottosquadri. Anime disposte orizzontalmente La loro lunghezza deve essere tale da esercitare sulla forma, a causa della spinta di Archimede presente nella colata, una pressione tale da non creare deformazioni permanenti. Anime o tassello a sbalzo Necessario prolungare la portata d anima in modo che il baricentro dell anima cada nella zona di appoggio, evitando così cadute dell anima nella forma MODELLO - portate d anima Anime in posizione verticale Devono avere una forma tronco conica, cioè con ampio angolo di sformo che permette un agevole posizionamento dell anima nella forma. 20 MODELLO - fenomeno del ritiro Le leghe comunemente impiegate in fonderia subiscono una contrazione volumetrica nell intervallo compreso tra la temperatura di colata e quella ambiente; ne segue che il getto risulta di dimensioni inferiori a quelle della forma, per cui la forma deve avere dimensionii i opportunamente t maggiorate rispetto alle dimensioni finali del getto. La maggiorazione viene prevista sul modello Poiché è difficile prevedere come il getto si contrae nei vari punti, in genere, si utilizza il coefficiente di ritiro lineare medio per maggiorare le dimensioni del modello MODELLO - fenomeno del ritiro Se un getto non è a sezione uniforme, le parti più grandi si raffredderanno più lentamente e si contrarranno meno velocemente. La diversa contrazione delle parti determina la distorsione del getto. Una trave a T con le due ali di spessore molto diverso, in fase di raffreddamento si incurverà. Per evitare che ciò accada si prevede una curvatura del modello in direzione contraria 21 MODELLO ciclo di progettazione Disegno del pezzo finito Disegno del modello Calcolo sovrametalli Scelta piano di divisione Angoli di sformo Raggi di raccordo Portate d anima Ritiro Materozze Studio delle anime ANIME Le cavità presenti nel getto vengono realizzate mediante anime; esse sono costruite in materiale refrattario, essendo completamente avvolte da metallo liquido. 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 formano durante la colata) ) Cedevolezza (Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto) Sgretolabilità (L estrazione del materiale costituente l anima deve essere rapida e agevole 22 ANIME Resistenza Meccanica Durante la colata occorre evitare che l anima si infletta e provochi delle differenze di spessore nel getto. Quando la rigidezza flessionale fornita dal solo materiale non è sufficiente, occorre inserire nella struttura dell anima delle apposite armature in materiale metallico. ANIME Permeabilità E necessario un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldi che si formano durante la colata nel corpo dell anima stessa completamente avvolta dalla lega allo stato liquido. Nel caso in cui questo deflusso non venga assicurato è possibile che si formino delle soffiature nel getto. La struttura dell anima realizzata in materiale da formatura non garantisce una sufficiente permeabilità, quindi è necessario prevedere opportune canalizzazioni. 23 ANIME Cedevolezza Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto. Tale caratteristica è normalmente assicurata dalla porosità stessa del materiale di formatura. Sgretolabilità L estrazione Lestrazione del materiale costituente l anima deve essere rapida e agevole. Questa caratteristica è assicurata da idonei additivi nel materiale di formatura. ANIME Modalità costruttive Il metodo più comune per le anime di piccole e medie dimensioni è quello della cassa d anima nel quale il materiale di formatura viene compresso manualmente o tramite aria in un contenitore che rappresenta al negativo la forma dell anima desiderata. 24 ANIME Le casse d anima possono essere costituite da un pezzo unico o da più pezzi che vengono poi separati per consentire l estrazione dell anima anima. Tale metodo è valido sia nel caso di produzione di qualche esemplare sia per produzioni di serie CANALE DI COLATA - MATEROZZE Una forma non riproduce semplicemente la configurazione del pezzo, ma contiene 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: Dispositivo/Canale di colata Materozze Dispositivi per il controllo della solidificazione 25 MATEROZZE La materozza è un serbatoio di metallo che deve rimanere liquido fino a solidificazione ultimata del getto, in grado di alimentare le cavità di ritiro che inevitabilmente si formano Esistono fondamentalmente due tipi di materozze A cielo aperto, che affiorano sulla parte superiore della forma Cieche, totalmente immerse nella forma. Il fenomeno del ritiro La materozza 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 26 Il fenomeno del ritiro Per progettare le materozze occorre decidere: dove posizionare le materozze quante materozze posizionare 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 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 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 ogni singola parte. Per il calcolo del modulo termico delle parti non si considerano come scambianti le superfici di sezione ideale tra le parti: M X Volume parte X Superficie scambiante parte X 27 La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: cubo di lato L M cubo 3 L L 6L 2 6 sfera di raggio R M sfera 4/3R 2 4 R 3 R 3 Quindi una sfera di raggio R e un cubo di lato 2R hanno lo stesso modulo termico. La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: piastra W L T M LWT 1 piastra 2LW LT WT L T W piastra infinita (superfici laterali non scambiano calore) W L T M piastra 2 28 La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: barra indefinita L 1 1 M barra L T W T W cilindro di raggio R e altezza H. 2 R H 1 M cilindro 2 2R 2RH R H La velocità di solidificazione MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA M CUBO M CUBO V A M PIASTRA 3 s 2s 2 s 2 s 2 29 La velocità di solidificazione MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA C A B Va = Vb = Vc = S 3 Sa = 4 S 2 Sb = 3 S 2 Sc = 2 L 2 Ma = S / 4 Mb = S / 3 Mc = S / 2 La velocità di solidificazione Per valutare il tempo di solidificazione Chvorinov ha sperimentalmente dimostrato che il tempo di solidificazione è legato alla geometria del pezzo attraverso il modulo termico con una legge del tipo: X k t Legge della diffusione (Chvorinov) X = spessore stra
