Tecnologia dei
processi produttivi
Fonderia
Ottenimento di un componente nella sua forma ‘finale’
attraverso la colata di metallo liquido in un ‘adeguato’ contenitore
• lingotti
• colata continua
• in forma
- transitoria
- permanente
Fonderia
1
Tecnologia dei
processi produttivi
Lingotti
siviera
Blocchi di metallo destinati sempre a successive lavorazioni
1-2°
paniera
h=3-7 b
150 - 800
lingottiera
b
conicità diretta
sistema di colata
conicità inversa
- diretto
- in sorgente
- con bacino intermedio
Fonderia
2
Tecnologia dei
processi produttivi
La “vita” di un lingotto
Colata
Raffreddamento/solidificazione
Estrazione dalla lingottiera
Riscaldamento
Sgrossatura
Semifinitura
Finitura
Vendita
Fonderia
3
Tecnologia dei
processi produttivi
Estrazione
Colata
Fonderia
4
Tecnologia dei
processi produttivi
Riscaldamento
Forno a spinta
Sgrossatura
Pressa
idraulica
Fonderia
5
Tecnologia dei
processi produttivi
Semifinitura
Laminatoio
a caldo
Laminazione
Fonderia
6
Tecnologia dei
processi produttivi
Laminatoio sbozzatore
universale con gruppo
di comando
cilindri di lavoro
laminato
Fonderia
cilindri di supporto
7
Tecnologia dei
processi produttivi
Finitura
Laminazione a freddo
tolleranze (ritiro, deformazioni)
finiture (picchi e valli)
qualità del prodotto (ossidazione)
Asportazione di truciolo
tolleranze
finiture
versatilità
Saldatura
tubi
aghi
Fonderia
8
Tecnologia dei
processi produttivi
Tipici difetti in un lingotto
- gocce fredde
Spruzzi e formazione della
doppia pelle
- doppia pelle
- tacconi
- riprese di colata
- lesioni superficiali
Formazione della ripresa di colata
Distacco del lingotto dalla lingottiera con
pericolo di rottura e traboccamento del
metallo (formazione di tacconi)
La tendenza a formare cricche è valutabile dal rapporto:
velocità di aumento pressione / velocità di asportazione del calore =
portata/sezione / perimetro/sezione = Q/S / P/S = Q/P
Quindi, per ridurre il pericolo dei cretti si impiega una sezione ondulata
(quadrangolare, ottagonale, ecc.).
Fonderia
9
Tecnologia dei
processi produttivi
Tipica struttura finale di un lingotto
È auspicabile avere:
- elevata velocità di raffreddamento
- spessori ridotti
- aggiunta di elementi nucleanti (nucleazione eterogenea)
- rugosità della forma
“
Fonderia
“
10
Tecnologia dei
processi produttivi
Con diverse composizioni
chimiche è comunque possibile
influenzare la struttura
microcristallina e quindi il
comportamento macroscopico
Fonderia
11
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata continua
paniera
metallo liquido
lingottiera
mobile
rulli
estrattori
metallo solido
Ottenimento di semilavorati
destinati a successive lavorazioni
per deformazione plastica
in alcuni casi anche prodotti finiti
sistema di taglio
della barra
Ottimizzazione della produzione:
Lingottiera:
sistema di raffreddamento
andamento della solidificazione
+ produttività
qualità dei prodotti
- costi di impianti
Fonderia
12
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata
continua
Fonderia
13
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata in terra (forma transitoria)
Getti finiti a meno di:
• trattamenti termici
• lavorazioni di finitura
getto
Elementi costitutivi di
una forma in terra
Fonderia
14
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata in terra (cont.)
1: progettazione e costruzione del modello
il modello è uguale (quasi) al pezzo
a meno di specifiche necessità
fisiche
chimiche
tecnologiche
2: progettazione e costruzione della forma
la forma è la cavità all’interno della forma
è uguale (quasi) al negativo del pezzo
viene costruita usando il modello
3: effettuazione della colata
fusione del metallo
sistema di colata
Fonderia
15
Tecnologia dei
processi produttivi
PROGETTAZIONE DEL MODELLO
Il ritiro
Se ne tiene conto con:
• alimentatori (materozze)
fase liquida e
passaggio liquido-solido
• aumento dimensioni del modello
fase solida
isoterme
Fonderia
16
Tecnologia dei
processi produttivi
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
→ Concentra impurità bassofondenti
all’esterno del getto
modificazione della distribuzione di temperatura
dovuta alla presenza della materozza
Fonderia
17
Tecnologia dei
processi produttivi
Solidificazione direzionale
• Formula empirica di Chorinov
per determinare il tempo di solidificazione:
ts = k ( V / S ) n
• Modulo termico:
n = 1.5 - 2
k = 0.8 - 1.1
suddividere il getto in parti
a modulo termico crescente verso la
materozza
V/S=M
Regola empirica:
Mi+1 = 1.1-1.2 Mi
Fonderia
18
Tecnologia dei
processi produttivi
..alcuni esempi:
D
D
D
D
V
S
4 / 3 π (D/2)3
4 π (D/2)2
M
D/6
V
0.5
D3
6 D2
D/6
1
Fonderia
π (D/2)2 D
2 π (D/2)2 + π D*D
D/6
0.8
19
Tecnologia dei
processi produttivi
..ancora:
D1
D2
D3
D3
V
1
1
1
Di
1.2
1
1.1
S
4.5
6
5.5
M
0.22
0.16
0.18
Fonderia
20
Tecnologia dei
processi produttivi
un altro esempio:
C
A
Va
=
B
Vb
=
Vc
Sa = 4 L2
Sb = 3 L2
Sc = 2 L2
Ma = L / 4
Mb = L / 3
Mc = L / 2
Fonderia
=
L3
21
Tecnologia dei
processi produttivi
Inconvenienti e rimedi
M
Diminuire spessore di 1
M2
1
1b
3
Aumentare spessore di 2
2b
2
Aggiungere materozza in 1
Fonderia
22
Tecnologia dei
processi produttivi
Tolleranze dimensionali ottenibili (mm)
Dimensione nominale
(mm)
oltre 80
oltre 180
oltre 315
oltre 500
oltre 800
oltre
oltre
dimensione del
Massima
fino a 80
fino a
fino a
fino a
fino a
fino a
1250
1600
getto grezzo
mm
180
315
500
800
1250
fino a
fino a
1600
2500
(mm)
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
fino a 120
6
4
3
7
5
4
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
oltre 120 fino a 500
7
5
4
8
5
5
10
6
6
14
8
7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
oltre 500 fino a 250
8
5
5
9
6
6
11
7
7
15
9
8
18 11
-
-
-
-
-
-
-
oltre 1250 fino 2500
9
6
6
10
7
7
12
8
8
16 10
9
20 12 10 22 14 11 25 15
9
20 13
-
30 17
-
E se è richiesta una qualità migliore (= tolleranze più spinte)?
Necessari per avere possibilità di lavorare
meccanicamente per successive asportazioni di
truciolo superfici con particolari requisiti di
tolleranza / finitura superficiale
Sovrametalli di lavorazione
Fonderia
23
Tecnologia dei
processi produttivi
Nella tabella UNI 6225-73 sono precisate le tolleranze dimensionali e i sovrammetali per la lavorazione meccanica dei getti
di acciaio non legato (UNI 3150-68), colati in sabbia. Le tolleranze dimensionali sono riferite alle dimensioni lineari nominali
dei getti grezzi (per le quali non siano precisate nel disegno le tolleranze); per le superfici da sottoporre a lavorazione
meccanica sono indicati i sovrammetalli. Agli effetti delle tolleranze dimensionali e dei sovrammetalli, si distinguono 3 gradi
di precisione, detti A (tolleranza ampia, getti singoli), B (tolleranza media, getti ripetuti), C (tolleranza stretta, getti di
serie). Le tolleranze sono disposte a cavallo della linea dello zero; si tratta cioe' di tolleranze bilaterali. Nelle tabelle che
seguono sono riportate, per i tre gradi A, B, C, le tolleranze dimensionali e i sovrammetalli di precisione, limitatamente ai
getti con massima dimensione nominale di 2500 mm.
Sovrametalli nominali Sn in mm
Dimensione nominale
(mm)
Massima
oltre 80
oltre 180
oltre 315
oltre 500
oltre 800
oltre
oltre
dimensione del
fino a 80
fino a
fino a
fino a
fino a
fino a
1250
1600
getto grezzo
mm
180
315
500
800
1250
fino a
fino a
1600
2500
(mm)
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
A
B
C
6
3
3
7
5
5
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
oltre 120 fino a 500
6
4
4
7
5
5
8
6
6
10
7
7
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
oltre 500 fino a 250
7
5
5
8
6
6
9
7
7
11
8
8
12
9
8
-
-
-
-
-
-
-
oltre 1250 fino 2500
8
7
6
9
7
7
10
9
8
12 10
9
13 10 19 14 12 10 15 13
fino a 120
Fonderia
13 10
-
17 14
-
24
Tecnologia dei
processi produttivi
Quota
nominale
del grezzo
Tolleranza
intrinseca
del processo
Caso 1
Caso 2
Caso 1 con
sovrametallo
Caso 2 con
sovrametallo
Effetto dimensioni massime
Effetto della dimensione da lavorare
errore = 1° di inclinazione
errore = 1% sul ritiro
Fonderia
25
Tecnologia dei
processi produttivi
Raggi di raccordo
per ridurre erosione della forma
durante la colata
per ridurre rischi di rottura
durante la solidificazione
per ridurre concentrazioni
di tensioni durante l’uso
SPIGOLO
r
R
METALLO
FUSO
PROBABILI ZONE di EROSIONE
METALLO
FUSO
ANGOLO
GETTO
DISEGNO CORRETTO
Diverse condizioni per angoli e spigoli
Fonderia
26
Tecnologia dei
processi produttivi
Ritiro
Tfs
Ta
Lf = Li ( 1 - α ∆ T )
La forma ha modificato le
sue dimensioni
Il metallo si ritira in modo
dipendente anche
dalla configurazione geometrica
Le anime funzionano
da vincoli
Ritiri lineari per getti colati in sabbia (valori indicativi)
MATERIALI
GHISE GRIGIE
GHISE MALLEABILI
GHISE LEGATE
ACCIAIO
ALLUMINIO e LEGHE
BRONZI
OTTONI
LEGHE di
MAGNESIO
Fonderia
Getti piccoli
1
1.4
1.3
2
1.6
1.4
1.8
1.4
RITIRO (%)
Getti medi
0.85
1
1.05
1.5
1.4
1.2
1.6
1.3
Getti grandi
0.7
0.75
0.35
1.2
1.3
1.2
1.4
1.1
27
Tecnologia dei
processi produttivi
finito
modello
Fonderia
28
Tecnologia dei
processi produttivi
PROGETTAZIONE DELLA FORMA
realizzazione della cavità all’interno della forma
nella quale verrà colato il metallo liquido
transitorio
transitoria
modello
forma
permanente
permanente
forme transitorie - possono essere distrutte dopo la colata
- devono permettere l’estrazione del modello
forme permanenti - devono essere resistenti e durature
- devono permettere estrazione del pezzo
Fonderia
materiale: terra di fonderia
piano di separazione
materiale metallico
angoli di sformo
29
Tecnologia dei
processi produttivi
Forma e modello
Fonderia
30
Tecnologia dei
processi produttivi
Scelta del piano di separazione
modello all’interno della staffa
modello
dell’oggetto
da produrre
dal momento che il modello deve essere riutilizzato (modello permanente)
come si fa ad estrarlo senza danneggiarlo?
piano di separazione delle staffe
Fonderia
31
Tecnologia dei
processi produttivi
Angoli di sformo
VALORI DELLO SFORMO s in mm e in %
dell' ANGOLO di SFORMO β
ALTEZZA del
MODELLO
(mm)
per permettere
estrazione del modello
fino a 40
40 - 59
60 - 119
120 - 159
160 - 199
200 - 249
250 - 299
300 - 399
400 - 499
>= 500
MODELLO
H
IMPRONTA
SFORMO
s (mm)
0.5
0.75
1
1.5
1.75
2
2.5
3
3.5
4
(%)
1.25
1.8 - 1.2
1.7 - 0.8
1.7 - 0.8
1.1 - 0.9
1.0 - 0.8
1.0 - 0.8
1.0 - 0.75
0.9 - 0.8
<= 0.8
Angolo di sformo
β
1'30''
1'
40''
40''
40''
30''
30''
30''
30''
30''
I valori di questa tabella sono di preferenza da adottare per modelli METALLICI, lavorati a
macchina, possibilmente fissati su placche e ben finiti. La sformatura dovra' essere fatta con
vibratori e con guide o, meglio, su macchine a sformare.
Il modello deve essere modificato per una necessità tecnologica
Fonderia
32
Tecnologia dei
processi produttivi
Disposizione dell’impronta nella forma
L / D >> 1
L / D << 1
Fonderia
33
Tecnologia dei
processi produttivi
Eliminazione sottosquadri
problema
soluzioni
Fonderia
34
Tecnologia dei
processi produttivi
Anime
getto
anima
Realizzazione di fori ciechi o passanti
per mezzo di occupazione di una parte
del getto con materiale di formatura
staffa
terra di formatura
portata d’anima
requisiti delle anime
- maggiore refrattarietà
- elevata resistenza meccanica fino al termine della solidificazione
- friabilità
Fonderia
35
Tecnologia dei
processi produttivi
realizzazione delle anime
cassa d’anima
armatura
soffiaggio delle anime
armature semplici
Fonderia
tirate d’aria interne
all’anima
36
Tecnologia dei
processi produttivi
dimensionamento delle anime
In funzione di
- diametro
- lunghezza
- spessore della
parete del getto
S
D<2S
D
se L ≤ D
S
S
D1
S
se L1 ≤ D1 / 2
L1
2S ≤ D ≤ 3S se L ≤ 3D
3S ≤ D
se L1 ≤ 2D1
L
se L ≤ 5D
se L ≤ 3D
fori passanti
Fonderia
fori ciechi
37
Tecnologia dei
processi produttivi
Preparazione della forma
0: preparazione del modello
5. Realizzazione tirate d’aria
Fonderia
38
Tecnologia dei
processi produttivi
Fonderia
39
Tecnologia dei
processi produttivi
FUSIONE E COLATA
Fusione
Forni
A combustibile
- solido
- liquido
- gassoso
Elettrici
- a resistenza
- ad arco
• indiretto (radiante)
• diretto
- ad induzione
• bassa frequenza
• alta frequenza
Fonderia
40
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata
gravità
centrifuga
sotto pressione
sfrutta la pressione dovuta
al peso del metallo liquido
forma messa in
rotazione, si genera
forza centrifuga sul
metallo
pompe alternative
grande versatilità
pezzi relativamente semplici
pezzi complicati
tolleranze generalmente scadenti
buone finiture / tolleranze
ottime finiture
forme transitorie
conchiglie metalliche
permanenti
conchiglie metalliche
permanenti, costose
costi di impianto
automazione
Fonderia
41
Tecnologia dei
processi produttivi
Sistema di colata per fonderia in terra
Sistema principale - bacino di colata
- canale di colata
- canale orizzontale
- attacco di colata
Altri elementi
-
filtri
pozzetti
sfiati
trappole
Fonderia
42
Tecnologia dei
processi produttivi
Sistemi di colata
diretta
sul piano di
separazione
con tre staffe
dimensionamento
il dimensiomento del sistema si realizza
a partire da
quantità di materiale da colare
tempo ammissibile (produttività, resistenza termica della forma)
velocità del fluido (danneggiamenti per erosione)
per ottenere
le sezioni dei canali di colata
Fonderia
43
Tecnologia dei
processi produttivi
Difetti di fonderia
Incurvamento
cricche
Fonderia
schiacciamento staffa
44
Tecnologia dei
processi produttivi
Difetti di fonderia
sollevamento staffa
disallineamento forma
Fonderia
disallineamento anima
45
Tecnologia dei
processi produttivi
Difetti di fonderia
Rottura della forma, distacco di zolle
Fonderia
46
Tecnologia dei
processi produttivi
Inclusioni non metalliche
Fasi non metalliche o composti intermetallici (specialmente nelle leghe non ferrose)
Nelle leghe ferrose sono di solito:
Effetti:
ossidi, solfuri, nitruri
natura
forma
quantità
distribuzione
orientazione
- riduzione Rm
- riduzione duttilità
Metodi per l'eliminazione: FILTRI, TRAPPOLE
C
SCORIE
G
T
F
Fonderia
G
47
Tecnologia dei
processi produttivi
Formatura in cera persa o microfusione
Modello transitorio
Forma transitoria
Precisione dimensionale molto buona
Finitura superficiale molto buona
Spessori minimi 1.5 mm
Pezzi piccoli
Produzione di piccola media serie
I modelli possono essere comunque complessi,
non essendoci problemi di estrazione. Ovviamente
la conchiglia per fare i modelli diventa molto costosa.
Fonderia
48
Tecnologia dei
processi produttivi
Investment casting
Fonderia
49
Tecnologia dei
processi produttivi
Polycast
Pezzo
Preparazione modello
• stampaggio ad iniezione
• incollaggio delle diverse parti
• verniciatura con polvere di
quarzo/allumina
Colata in forma ottenuta con polistirene espanso
Vantaggi:
Svantaggi:
- forma in un’unica staffa
- assenza di bave
- parti in sottosquadro
- assenza di anime
- assenza di angoli di spoglia
- riciclo totale della sabbia
- possibile porosità
-finitura superficiale modesta
Fonderia
50
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata in conchiglia permanente
Conchiglie metalliche
leghe leggere
struttura fina dei grani
finitura superficiale e tolleranze buone
gas disciolti
fluidità del metallo liquido
estraibilità del getto
colata veloce per evitare premature
solidificazioni in parti sottili ( 4 mm)
Anime metalliche
Anima in sabbia
Fonderia
51
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata sotto pressione
Costi di impianto
Costo delle conchiglie
acciaio al W / Cr
durate anche 100.000 pezzi
Anime metalliche
Grandi serie
Ottime finiture / tolleranze
Pezzi piccoli
Spessori 2.5 mm
Forme semplici
(anime metalliche )
Fonderia
52
Tecnologia dei
processi produttivi
Iniettofusione
(I) Macchina a camera oscillante:
• riempimento
• compressione
• estrazione
1
3
2
Fonderia
53
Tecnologia dei
processi produttivi
(II) Macchina a pistone tuffante
Fonderia
54
Tecnologia dei
processi produttivi
Pressofusione
Macchina a camera orizzontale
Macchina a camera verticale
Riempimento
Fonderia
Compressione
Estrazione
55
Tecnologia dei
processi produttivi
Struttura macchine
camera calda
camera fredda
Fonderia
56
Tecnologia dei
processi produttivi
Colata centrifuga
Getti semplici e complicati
buone caratteristiche meccaniche
buone finiture / tolleranze
velocità di rotazione:
ω = 2 π n / 60
→
a = ω2 r
r1
difetto di forma
in colata verticale
n = 60 / 2 π SQR ( a / r )
a ∈ [ 70 - 200] g
relazione sperimentale:
r2
n = 42 SQR [ h ( r21 - r22 ) ]
Fonderia
57
Tecnologia dei
processi produttivi
CONCHIGLIA RAFFREDDATA
ω
Colata centrifuga orizzontale
Colata centrifuga verticale
Colata semicentrifuga
Fonderia
con centrifugazione
58
Tecnologia dei
processi produttivi
Squeeze-Casting
Sequenza delle operazioni nello squeeze casting, che combina I vantaggi della colata e della forgiatura
Fonderia
59
Tecnologia dei
processi produttivi
Turbine Blade Casting
a)
b)
solidificazione con direzione preferenziale di crescita
metodo per produrre palette monoscristalline
Fonderia
60
Tecnologia dei
processi produttivi
Crescita monocristallina
a)
b)
c)
Metodo Czochralski
Metodo zona fusa flottante
monocristallo di silicio
Questi metodi sono particolarmente usati nell’industria dei semiconduttori
Fonderia
61
Tecnologia dei
processi produttivi
Melt-Spinning Process
L’elevatissima velocità di raffreddamento (105-107 °C/s) produce materiali amorfi (vetri metallici)
Fonderia
62