De Paulis-Manfredi
Costruzione di Macchine
SOLUZIONE ESERCIZI CAPITOLO 3
1. Il pezzo rappresentato nella seguente gura è costruito per fusione in ghisa. Disegnare una possibile soluzione alternativa ottenuta per saldatura in
acciaio.
Soluzione
L'obiettivo consiste nel realizzare un pezzo che sia capace di assolvere le stesse
funzioni, tra cui quella di essere compatibile con le stesse interfacce.
Se ci si limita banalmente a riprodurre la geometria della fusione in ghisa,
sono necessari numerosi sub-particolari, da posizionare correttamente l'uno
rispetto all'altro in uno scalo di montaggio relativamente complesso, e da
unire - dapprima provvisoriamente e quindi in modo denitivo - mediante
saldature (vedi g. seguente). E' perciò consigliabile procedere ad un dise-
gno radicalmente modicato del pezzo, in modo da adattarlo alle esigenze di
una diversa tecnologia ed anche per sfruttare le caratteristiche meccaniche
del nuovo materiale.
Poichè la costruzione per fusione presuppone una serie non troppo piccola, si
possono scegliere tecnologie adatte alla costruzioni in piccola-media serie in
acciaio.
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Grazie alla maggiore rigidezza e resistenza dell'acciaio si possono ridurre gli
spessori. Sfruttando la duttilità dell'acciaio si può ridurre il numero di subparicolari realizzando l'elemento principale mediante semplici piegature (vedi
g. seguente). La necessaria rigidezza si ottiene saldando all'elemento principale un secondo elemento piano di lamiera di forma trapezoidale in pianta.
Un terzo elemento, piegato opportunamente a partire dalla lamiera oppure
ricavato tagliandolo da una barra d'acciaio laminato, tralato o prolato di
adatta sezione, costituisce uno dei piedi di supporto, da collegare al basamento.
Seguono lavorazioni meccaniche analoghe a quelle richieste dal getto in ghisa.
2. Modicare il disegno del getto in gura, in modo da evitare i difetti ivi
indicati, in modo amplicato.
Soluzione
Il getto in gura ha cavità interne separate, per ottenere le quali sono necessarie due anime, una delle quali sostenuta a sbalzo dalla forma.
Durante
la colata, il metallo fuso esercita pressioni ed azioni di attrito uido sulle
pareti della forma e sulle anime. Nella fonderia in terra le forze idrostatiche,
che sono facilmente individuabili grazie al principio di
Archimede,
di regola
prevalgono su quelle di peso proprio dell'anima, tendendo a farla galleggiare.
Le anime - che entro una certa misura possono essere irrigidite con vari accorgimenti - devono perciò essere adeguatamente vincolate. Si deve evitare, se
possibile, di montare le anime a sbalzo, come nella gura precedente, oppure
vincolate tramite altre anime a loro volta mal sostenute o deformabili.
Modicando il disegno del getto, come è indicato nelle gure che seguono,
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si può ridurre fortemente la dierenza di spessore creata dallo spostamento
dell'anima a sbalzo della soluzione originaria.
La singola anima, piuttosto
rigida, che crea le cavità interne è abbastanza facile da formare con una semplice cassa d'anima divisa in due parti simmetriche ed è ben sostenuta dalle
tre portate d'anima complanari.
Se però non fosse lecito mettere in comunicazione le due cavità interne, occorre procedere ad un'ulteriore modica, quale l'inserimento di un tappo non necessariamente metallico - opportunamente sigillato in corrispondenza
del fondo della cavità principale.
3. L'elemento in lamiera in gura è tranciato da un nastro. Modicare il disegno
in modo da mantenere la funzionalità e ridurre gli sfridi.
Soluzione
Sarà suciente modicare il contorno dell'elemento come è mostrato nella
gura, per eliminare gli sfridi ed anche irrobustire il pezzo senza un consumo
maggiore di materiale.
4. Elencare le cause di disomogeneità nelle saldature e nei getti di fonderia
metallici. Nel caso delle saldature, si possono fare le seguenti distinzioni.
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•
Zona fusa, dove è il materiale ha raggiunto lo stato liquido durante la
saldatura.
La composizione di questa zona dipende sia da quella del
materiale base sia da quello del metallo d'apporto. Poichè la zona fusa è
inizialmente circondata da più ampi volumi di materiale metallico freddo
che asporta facilmente il calore - salvo l'uso di tecniche di preriscaldo - il
materiale della zona fusa assume una microstruttura simile a quella dei
getti ottenuti con forme metalliche. In questa zona possono presentarsi
disomogeneità assimilabili a difetti quali porosità, fessure indotte da
condizioni di fragilità a caldo unitamente a coazioni di ritiro (es.: cricche
a caldo degli acciai con eccessivo tenore di zolfo) oppure impurezze
inglobate nel metallo liquido (es.:
a dierenza di quelli di ferro, gli
ossidi di alluminio sono relativamente pesanti e tendono ad aondare
nella lega leggera fusa).
•
Zona termicamente alterata (ZTA,
Heat Aected Zone
HAZ), dove il
materiale base ha subito una sorta di trattamento termico involontario e dierente da punto a punto in termini di temperatura raggiunta e
di velocità di rareddamento. Ciò determina variazioni delle proprietà
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meccaniche locali ed in vari casi una maggiore fragilità. Le varie tecniche di saldatura tendono a creare un ambiente protettivo attorno della
zona fusa e della zona termicamente alterata (es.: con gas inerte o semi inerte), ma se ciò non avviene o avviene imperfettamente si possono
avere alterazioni metallurgiche, quale l'assorbimento di idrogeno atomico creato dalla dissociazione del vapore acqueo, capaci di dare origine a
difettosità (es.: cricche a freddo).
•
Zona del metallo base, che non ha subito alcuna alterazione, ma la
cui microstruttura è di regola dierente da quella della adiacente zona
termicamente alterata.
Nel caso della fonderia, vi è una intrinseca disomogeneità nei materiali quali
la ghisa, ricca di noduli di grate di varia forma.
Si manifestano disomo-
geneità della microstruttura e quindi delle proprietà meccaniche locali per
eetto delle dierenze nella velocità di rareddamento da punto a punto.
Ad esempio: creazione di strati superciali duri ma fragili costituiti da ghisa bianca (Fe3 C) se la velocità di rareddamento è molto elevata.
Altre
cause di disomogeneità sono le impurezze trascinate dal metallo uido durante il riempimento della forma, le porosità dovute allo sviluppo di gas, le
fessurazioni prodotte da coazioni di ritiro, le cavità di ritiro in zone relativamente massicce.
Queste possono infatti rimanere allo stato uido dopo
la solidicazione di altre parti del getto, restando così isolate dalle fonti di
alimentazione del getto (es.: materozze).
5. Esaminare i due seguenti disegni del dettaglio di un getto fuso in una forma
metallica, dal punto di vista delle coazioni che nascono durante la solidicazione ed il ritiro ed indicare la soluzione preferibile.
Soluzione
Il disegno di sinistra prevede di realizzare una forcella unita al corpo principale del pezzo da un diaframma. Già per questo motivo si potrebbe avere la
solidicazione del diaframma prima che sia solidicata la forcella con creazione di cavità di ritiro. Infatti, durante la solidicazione del getto si ha una
sensibile variazione di volume (nelle leghe leggere di Alluminio, compatibili
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con fonderia in forme metalliche, il ritiro è dell'ordine del 15%). A prescindere da questa possibile difettosità, il ritiro del diaframma è otacolato, se
non impedito del tutto, dalla forma metallica che ospita la forcella. Ciò dà
origine a coazioni di trazione nel diaframma, a diciltà nell'estrazione del
pezzo dalla forma ed a successiva distorsione della geometria del pezzo.
Adottando la soluzione di destra la funzione assegnata alla forcella è assolta
meglio data la maggiore rigidezza che si ottiene.
Dal punto di vista tec-
nologico l'alimentazione delle varie parti del getto è migliore e, non essendo
impedito il ritiro, non si creano coazioni signicative durante la solidicazione
ed il rareddamento (vedi gura seguente).
6. Un albero di diametro
C1
dalla barra al costo
costo si deve a costi
utensili speciali, il
D1
e lunghezza
in lotti di
una tantum
30%
n1
L1 = 5 D1
è costruito per lavorazione
esemplari. E' noto che il
10%
di questo
per la realizzazione di attrezzature e per
dipende dal materiale il
20%
si deve a trattamenti
termici ed il resto alle lavorazioni di tornitura e di rettica. Stabilire il costo
di fabbricazione orientativo di un albero geometricamente simile, con diametro di poco dierente
D2 ,
da realizzare in un minor numero
n2
utilizzando le stesse attrezzature e gli stessi utensili speciali. Dati:
C1
= 100;
n1
=1000;
D2
= 100;
n2
esemplari,
D1
= 80;
= 500.
Soluzione
Detto
Co1
il costo complessivo delle attrezzature e degli utensili speciali, in
base ai dati del problema risulta che l'aliquota del costo unitario dovuto alle
attrezzature è:
Ca1 = 0, 1 C1 = Co1 /n1 .
Pertanto:
Co1 = 0, 1 C1 n1 .
Se le stesse attrezzature e gli stessi utensili speciali si possono riutilizzare
dopo che il loro costo è già stato ammortizzato nel corso della precedente
produzione degli alberi di diametro
sarebbe alcun costo
una tantum
D1 ,
per gli alberi di diametro
D2
non vi
da considerare, ma solo quello dei materiali,
dei trattamenti termici e delle lavorazioni. In altre parole:
Ca2 = 0.
In alternativa si può ripartire il costo delle attrezzature sull'intera produzione
dei due tipi di albero. In questo caso sarebbe, per entrambe le produzioni:
Ca0 = Co1 /(n1 + n2 ) = 0, 1 C1 n1 /(n1 + n2 ).
I costi del materiale saranno proporzionali ai volumi, pertanto:
Cm2 /Cm1 =
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(L2 π D22 /4)/(L1 π D12 /4) = D23 /D13
0, 3 C1 (D2 /D1 )3 .
con
Cm1 = 0, 3 C1 .
Pertanto:
Cm2 =
Analogamente, poichè il costo unitario dei trattamenti termici è all'incirca
proporzionale al volume:
Ct2 = 0, 2 C1 (D2 /D1 )3 .
Per le lavorazioni mec-
caniche si può assumere in prima approssimazione una proporzionalità alla
Cl2 = 0, 4 C1 (D2 /D1 )2 .
0
0
Pertanto, adottando l'ipotesi alternativa: C2 = Ca + Cm2 + Ct2 + Cl2 .
0
Sostituendo i valori assegnati, si trova: Ca = 6,7 ; Cm2 = 58,6 ; Ct2 = 39 ;
0
Cl2 = 62,5 ; C2 = 166,8. In questa ipotesi occorre rivedere i costi dell'albero
di diametro D1 , dato che l'aliquota dei costi attribuibili alle attrezzature si
0
riduce da 10 a 6,7; si ottiene C1 = 97.
supercie dei pezzi per cui:
Se invece si assume che i costi per attrezzature siano completamente ammortizzati nel corso della produzione degli alberi di diametro
invece:
C1
= 100, come detto sopra, e
C2
D1
si avrebbe
= 160.
Come si nota, la quanticazione dei costi dipende anche da decisioni, spesso
soggettive, circa l'attribuzione delle voci di spesa.
7. Consultando un testo di Tecnologia meccanica, ordinare in ordine di crescente
complessità le seguenti forme di superci, discutendo le dicoltà delle relative
lavorazioni alle Macchine Utensili: cilindrica interna (da forare, da alesare),
supercie sferica esterna, supercie piana, più superci cilindriche interne
con assi perpendicolari tra loro, superci conica esterna, elicoidale esterna,
cilindrica esterna, conica interna.
Soluzione
Una plausibile classicazione delle forme delle superci suddette, in ordine di
crescente complessità di lavorazione, è la seguente:
(a) cilindrica esterna: lavorazione al tornio tra le punte, oppure a sbalzo sul
mandrino;
(b) piana:
tornio (sfacciatura), fresatrice o altre macchine utensili (es.:
centri di lavorazione a più assi).
(c) cilindrica interna da forare: tornio, trapano e altre M.U.
(d) conica esterna: tornio e alcune altre M.U.
(e) cilindrica interna da alesare: trapano (se di piccole dimensioni), alesatrice o altre M.U.
(f ) elicoidale esterna: tornio, fresatrice, altre M.U.
(g) sferica esterna: tornio con utensile speciale o a CN, altre M.U.
(h) più superci cilindriche con assi perpendicolari: alesatrice, altre M.U.
8. Considerando un telaio per bicicletta in materiale composito, indicare gli elementi metallici che devono essere permanentemente uniti al telaio ed indicare
le soluzioni adottate dai principali costruttori (vedi informazioni in Rete).
Soluzione
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Elementi metallici sono presenti nel supporto dei pedali (il cosiddetto movimento) e nell'articolazione dello sterzo.
In entrambi i casi vi si trovano
cuscinetti, di regola del tipo a rotolamento.
Realizzando in materiale composito tutto il telaio, si può riprodurre la congurazione della costruzione in tubi metallici (costruzione
tube and lug ) ado-
perando tubi costituiti da più strati di bre opportunamente orientate (vedi
cap.4) ed inglobando le parti metalliche (es.: cannotto contenente i cuscinetti
della pedaliera); le unioni si ottengono con opportuni avvolgimenti di bre
preimpregnate di resina. La polimerizzazione a caldo della resina che ingloba
le bre determina l'unione della varie parti.
monocoque ) del telaio, si depongono più strati di
Nella costruzione a guscio (
tube and lug ):
Telaio in composito con aste tubolari (
sezione del nodo inferiore.
Il cannotto metallico della pedaliera è unito ai tubi di materiale composito
sia tramite l'avvolgimento di bre sia tramite un foro, nel quale penetra la resina
(la macchia scura al centro del cannotto), contribuendo all'unione tra le parti.
bre in forma di tele preimpregnate di resina in opportune forme. Si fanno
aderire le tele alla forma insuandovi aria in pressione, sia prima che durante
la polimerizzazione a caldo. La forma del guscio è progettata in modo tale
da vincolare i cannotti della pedaliera e dello sterzo, per mezzo di unioni
meccaniche o facendole inglobare nel materiale composito durante la polimerizzazione.
9. Considerando un comune scooter con carrozzeria in plastica, elencare le famiglie dei materiali di cui le principali parti sono costituite ed individuare
quelli più idonei ad un riciclo completo.
Soluzione
Per questo tipo di motoveicolo si possono distinguere i seguenti componenti
principali:
•
telaio, cavalletto, sterzo: costruiti per lo più in tubi o parti di lamiera
tranciata e piegata in acciaio saldabile a medio-basso tenore di carbonio
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Telaio in composito
monocoque.
Dettaglio di un nodo.
oppure in lega leggera di alluminio; riciclabili previo smontaggio.
•
motore e trasmissione: leghe leggere di Al da pressofusione (es.: carcasse, testata), ghisa (es.: cilindro alettato), acciai da bonica (alberi,
organi di trasmissione), da cementazione o da nitrurazione, (albero a
camme, ingranaggi), lega di Ni (valvola di scarico), rame (avvolgimenti,
conduttori), materiali polimerici rinforzati (ventole, involucri, ecc.) od
elastomerici (soetti, ecc.) e materiali compositi (cinghia), lubricante:
in gran parte sono materiali riciclabili dopo un ampio smontaggio ed
una accurata separazione.
•
carrozzeria esterna: scudi, ancate, sella: materiali polimerici rinforzati
(ABS, PP, PVC) o in forma di espanso cedevole (poliuretano) più parti
di acciaio (serrature, viteria): riciclabili ma spesso in forme degradate,
adatte ad impieghi secondari, previo smontaggio e separazione.
•
freni, ruote, pneumatici: ghisa (pinze freno), acciaio, gomma, materiale
da guarnizione, olio idraulico: come sopra.
Nelle gure seguenti sono rappresentati in vista esplosa molti - ma non tutti
- i componenti di un motorscooter e sono indicati i tipi di materiale comunemente adoperati in questo tipo di costruzione.
Orientativamente, l'acciaio è presente per il 50% in peso, quando il telaio è
costruito con elementi di tubo e di lamiera in acciaio. Le leghe di alluminio
rappresentano allora circa il 15% del peso, il materiale delle parti elettriche
(avvolgimenti, cablaggi, batteria) circa il 5%. Il resto è costituito da materiale polimerico strutturale o espanso, da gomme ed elastomeri e da materiale
vario da guarnizione.
Tende a diondersi, sull'esempio delle costruzioni automobilistiche, l'uso di
advanced high-strength steels, AHSS) quali gli
acciai a medio-alta resistenza (
acciai microlegati, trattabili termicamente durante lo stampaggio di parti di
carrozzeria in lamiera.
Questi acciai, anche grazie al bassissimo tenore di
elementi di lega, soddisfano meglio i requisiti di rispetto dell'ambiente.
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La percentuale rappresentata dai materiali non metallici tende ad aumentare
nelle costruzioni più recenti.
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