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Industrial Design

Manufacturing&Plants

Le Tecnologie

Trasformazione dei Metalli

Marco Raimondi

(mraimondi@liuc.it)

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La lavorazione delle lamiere

• È il processo più diffuso per la produzione di

grande serie di componentistica metallica tipica

del settore automobilistico, degli elettrodomestici

e delle attrezzature in generale.

• Si compone di più lavorazioni quali:

– Tranciatura o punzonatura

– Piegatura

– Imbutitura

– Curvatura o calandratura

– Profilatura

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Principali lavorazioni

• Tranciatura

– Il materiale, ridotto a lamiera viene tagliato secondo una

forma desiderata attraverso la compressione tra un

punzone ed una matrice

• Imbutitura

– Il materiale sotto forma di lamiera è costretto da un

punzone a fluire in una matrice assumendone la sagoma

• Piegatura

– Il materiale, dopo laminatura, viene piegato localmente

mediante stampi, rulli, punzoni

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Tranciatura

• È un’operazione in grado di tagliare sezioni piane prefissate di lamiera in quadrotti o nastri

• Viene eseguita su una pressa grazie ad uno stampo composto da due parti:– Matrice vincolata alla parte fissa della pressa

– Punzone solidale con la slitta

• Il punzone penetra nella lamiera e la attraversa asportando un profilo di materiale di sagoma pari alla sezione del punzone

• La parte asportata, attraverso un foro nella parte fissa della pressa viene raccolta come sfrido nella parte bassa della pressa per essere evacuato

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Imbutitura

• È il processo mediante il quale una lamiera piana viene sagomata secondo rilievi tridimensionali anche complessi

• È un processo utilizzato in gran parte nell’industria automobilistica, degli elettrodomestici e in settori analoghi

• Gli stampi prevedono la presenza di un premilamiera ad evitare possibili grinze in corrispondenza di imbutiture profonde

• La qualità del materiale deve essere tanto migliore quanto più l’imbutitura è profonda

• Vengono generalmente utilizzate presse oleodinamiche

• Una parte essenziale ad evitare rotture e limitare le pressioni è svolta dalla lubrificazione:

– Miscela di olio e grafite per acciaio

– Petrolio grafitato per ottone e rame

– Vaselina per leghe di alluminio

– Acqua grafitata per acciai INOX

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Schema di imbutitura

1. Disporre la lamiera piana su una matrice

2. Bloccare la lamiera mediante l’applicazione di un

premilamiera

3. La parte mobile dello stampo provvede a deformare il

materiale e farlo scorrere entro il gioco previsto tra matrice

e punzone

4. Il materiale si deforma ed assume una sagoma data

normalmente dalla parte inferiore (fissa) dello stampo

5. La parte mobile ritorna nella posizione di partenza. Il pezzo

rimane deformato plasticamente e viene estratto dalla parte

fissa (matrice) dello stampo

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Presse

• L’organo mobile (slitta), muovendosi

alternativamente, esercita la sollecitazione sul

materiale da deformare

• Tipi di presse:

– Meccaniche

• ad eccentrico

• A ginocchiera

– Oleodinamiche

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Trance e Presse meccaniche

• Il movimento è realizzato da un cinematismo biella-manovella mosso da un albero eccentrico

• Una frizione mette in contatto l’albero ad eccentrico con un volano messo in moto da un motore elettrico

• Un freno stacca il movimento e blocca la slitta

• La forza aumenta all’avvicinarsi ai punti morti

• Il ciclo punto morto superiore-punto morto inferiore è completato solo se l’energia disponibile della pressa è superiore a quella necessaria per compiere la deformazione

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Presse idrauliche

• Dell’olio in pressione muove dei pistoni idraulici

• La forza disponibile è uguale in qualunque punto

del ciclo

• Delle valvole di limitazione regolano la forza

erogata

• Anche la velocità di lavoro è facilmente regolabile

• Possono erogare forze molto elevate ed eseguire

deformazioni profonde e difficili grazie alla

possibilità di regolare la velocità di lavoro

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Press line

• The deep drawing press can work at 5÷6 pieces/minute. This means 10÷12

sec/piece. (We took as reference to dimension the factory: 18 sec/piece hence according to the

line supplier we can "run" faster than planned).

• The revamping of the main press is not recommendable because

1. The cost will be just little lower than buying a new press

2. The tool exchange will be made like at present hence taking long time (This because it

is not possible to "slide" the tools sideways like in a new modern press

• A rough time estimation for the manufacturing of the above solution is 7÷8

months from the order

• Solution for the sheet cutting:

Coil

Directly to

deep drawingCutting

shape

Adjustable

Adjustable

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Press lineProposal for the press line

• Decoiler (Manufactured by a specialized company)

• Handling

• New dedicated hydraulic equipment to cut the metal sheet in a way that the cutting carry out also the chamfering of the corner of the sheet

• Handling (Transfer bar system actuated by 3-axes robot)

• New 4 columns hydraulic press, 400 tons, for the deep drawing. Tool exchange system: sideway

• Handling (Transfer bar system actuated by 3-axes robot)

• New 4 columns mechanic press, 250 tons

• Handling (Gantry system)

• Existing equipment for the final cuttings revamped. Revamping:– revision of the movable parts

– new more powerful control station

– replacement of the present hydraulic cylinder for the handling with a brushless electric motor. The mechanical part of the handling can be saved.

Decoiler

Cutting

Press for

Deep

Drawing

400 tons

Tool

exchange

system

Press for

Deep

Drawing

250 tons

Tool

exchange

system

Existing

equipment

for cutting

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Pressofusione di alluminio

• La pressofusione dell’alluminio si basa sullo stesso principio della termo iniezione della plastica

• Vengono utilizzate presse e stampi appositi

• I manufatti sono più resistenti e pregiati rispetto alla plastica ma anche più costosi

• A differenza dello stampaggio delle lastre consente di ottenere particolari metallici di forma e spessore molto variabili, dal design personalizzabilea piacere e con alte caratteristiche di resistenza meccanica

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Presse per pressofusione

• Elementi:

– Sistema di chiusura, apertura su 4 colonne fisse

– Piastra fissa e mobile a cui sono applicate le due parti dello

stampo

– Movimento tramite pistone oleodinamico con sistema a

ginocchiera per garantire la resistenza alla spinta

metallostatica

– Sistema di iniezione della lega all’interno mediante due sistemi:

• A camera calda (iniettofusione) utilizzata per leghe di

zama che hanno il problema dell’ossidazione anche

ad elevata temperatura

• A camera fredda (pressofusione) generalmente

utilizzata per le leghe in genere (alluminio, ….)

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Presse a camera calda

• Sono così definite le macchine con il forno fusorio integrato

• Produttività altissima: anche 1000 pz/h per particolari molto piccoli

• Le parti a contatto con il metallo fuso tendono ad usurarsi, ecco perché è indicata per leghe di zinco o piombo che presentano basse temperature di fusione (<450°C)

• 2 tipologie di macchine:– A camera di pressione oscillante ove la camera si riempie

basculando attorno ad un perno mentre il pezzo viene estratto dalla conchiglia per essere poi riposizionata in contatto con l’ugello della conchiglia ed il metallo è spinto in quest’ultima dall’azione di aria compressa

– A pistone tuffante ove la camera, fissa, è riempita attraverso un foro in comunicazione con il forno fusorio lasciato libero dal pistone in posizione di attesa. La discesa del pistone mette in pressione il liquido che viene iniettato nella conchiglia

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Presse a camera fredda

• Sono così definite le macchine con il forno fusorio a lato, separato dalla macchina

• Produttività inferiore alla camera calda: al massimo 20-200 pz/h

• Molto utilizzata per leghe di alluminio e rame con temperature di fusione da 640 a 980 °C

• Funzionamento:

– Le presse presentano un funzionamento dato da un camera di compressione che viene riempita con metallo fuso da un forno esterno al momento dell’estrazione del pezzo dalla conchiglia. Un pistone comprime il metallo fuso nella camera di compressione spingendo un contropistone che lascia libero l’ugello di iniezione nella conchiglia permettendo l’iniezione del materiale

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Stampi per pressofusione

• Durata degli stampi 100.000 – 200.000 pezzi

• Pesi massimi e spessori minimi:

• Leghe di magnesio 1-5 Kg - 1,5-2 mm

• Leghe di alluminio 1-10 Kg – 1,5-2 mm

• Leghe di rame 3-5 Kg – 2,5-3 mm

• Leghe di stagno, piombo e zinco 5-10 Kg – 0,6-1 mm

• Il progetto del pezzo deve prevedere spessori uniformi e

minimi per ridurre il peso ed evitare deformazioni, facendo

uso di nervature per avere nel contempo alta resistenza

meccanica

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La saldatura

• È un processo di unione permanente di due componenti meccanici effettuabile con diversi procedimenti da scegliersi sulla base di:

– Tipo di materiale da saldare

– Spessore delle parti

– Posizione di saldatura

– Tipo di produzione

– ………

• Il risultato prende il nome di giunto saldato formato dal metallo base costituenti le due parti ed il metallo d’apporto utilizzato per procedere con l’operazione

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Classificazione

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Classificazione

• Si definiscono:

– Saldature autogene quelle in cui il metallo base prende parte,

fondendo, alla formazione del giunto con presenza o meno del

metallo di apporto

– Saldature eterogene quelle in cui il metallo base non prende

parte alla formazione del giunto che viene realizzato

esclusivamente dal metallo di apporto che è quindi sempre

diverso dal metallo di base

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Saldatura con gas

• Utilizza, quale sorgente di calore, la fiamma ottenuta dalla combustione, all’estremità di un cannello, di un gas con l’ossigeno

• Caratteristiche del gas utilizzato:– Alta temperatura di fiamma

– Elevato contenuto termico

– Bassa reattività con il metallo base e di apporto

– Stabilità e facilità di regolazione della fiamma

• Il gas più comunemente utilizzato è l’acetilene C2H2

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Saldatura con gas

• La fiamma viene detta dardo e deve essere di colore bianco, in caso contrario possono presentarsi diversi inconvenienti

– Eccesso di acetilene (stoccata nella bombola arancione) provoca la fiamma “carburante” (riconoscibile dal colore giallo) con emissione di prodotti carboniosi che possono inquinare il giunto

– Eccesso di ossigeno (stoccato nella bombola bianca) provoca la fiamma “ossidante” (riconoscibile dal colore azzurro) con sviluppo di alta temperatura e rischio di perdere il controllo del processo

• Il cannello deve prevedere un efflusso di gas a velocità superiore alla propagazione della fiamma al fine di evitare pericolosi ritorni di fiamma

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Saldatura con gas

• Tale saldatura può essere autogena ma sempre più spesso è eterogena: vengono utilizzati allo scopo delle bacchette di materiale simile ai lembi da saldare

• Le superfici da saldare devono essere pulite per eliminare ossidi, oli e grassi che potrebbero inquinare il giunto. A tale scopo è possibile utilizzare anche polveri disossidanti

• È un processo facilmente controllabile ed adatto per spessori sottili, i grossi spessori sono più facilmente saldabili con altri procedimenti

• L’attrezzatura consta di un carrello con le due bombole ed un cannello: risulta dunque economico e facilmente trasportabile

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Taglio con cannello ossiacetilenico

• Mediante un cannello diverso è possbile effettuare anche operazioni di taglio.

• L’ossigeno in pressione fuoriuscente dalla parte centrale del cannello provvede ad evacuare il materiale fuso lasciando un taglio in luogo della saldatura

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Saldatura ad arco elettrico

• Il calore necessario per la saldatura è ricavato da un arco elettrico tra un elettrodo metallico fusibile (coperto da un particolare materiale) ed il metallo base

• L’elettrodo è infatti montato su una pinza collegata ad uno dei due poli di un generatore di corrente elettrica. L’altro polo è costituito da un morsetto fissato sul materiale di base

• L’arco si innesca toccando il metallo base con l’elettrodo che deve poi essere mantenuto a pochi millimetri di distanza:

– Distanze troppo >8mm danno luogo ad archi difficilmente controllabili e scarsa qualità del giunto

– Distanze<3mm provocano rischio di incollaggio della bacchetta sul giunto e spegnimento dell’arco

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Saldatura ad arco elettrico

• L’alta temperatura (6000-7000°C) che si sprigiona ionizza l’aria circostante e dunque genera passaggio di elettroni dal polo negativo al positivo

• Il rivestimento della bacchetta contiene materiali che gassificano in idrogeno ed anidride carbonica che proteggono il cratere di fusione da possibilità di ossidazione a contatto con l’atmosfera. Eventuali impurità presenti nel metallo baso inoltre reagiscono con i gas fluendo nella scoria fluida che ricopre il giunto proteggendolo

• Il rivestimento può avere altre funzioni:

– Sviluppo di gas ionizzanti che stabilizzano l’arco

– Immissione di sostanze desolforanti nel cratere di fusione

– Influenza sulla forma del giunto (piano, concavo, convesso, …)

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Saldatura ad arco elettrico

• Il calore generato fa passare il materiale della bacchetta sul giunto mediante:

– Il proprio peso

– Le forze elettromagnetiche

– L’azione del gas del rivestimento

– Le forze magnetodinamiche

• In particolare le forze elettromagnetiche che si sprigionano tendono a deviare continuamente la bacchetta e tale fenomeno è chiamato soffio magnetico

• Preparazione del metallo base:– I lembi vengono preparati al fine di

• Ottenere un giunto sano

• Semplificare le operazioni di saldatura

• È un’operazione adatta per spessori abbastanza elevati, il costo dell’attrezzatura è limitato ed è la classica saldatura per le attività di manutenzione

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Cianfrinatura delle superfici

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Saldatura ad arco TIG – Tungsten Inert Gas

• È un tipo particolare di saldatura ad arco ove l’arco si sviluppa tra una bacchetta di tungsteno ed il metallo di base.

• Il tungsteno non prende parte al processo in quanto ha un’altissima temperatura di fusione

• Il metallo di apporto viene fornito a parte sotto forma di bacchette o filo

• Tutto il processo avviene in atmosfera controllata a base di argon o elio per evitare fenomeni di ossidazione

• Una scintilla pilota serve per innescare l’arco che può avvenire in corrente alternata o continua a seconda dei materiali

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Saldatura TIG

• Consente di ottenere saldatura di elevata qualità su tutti materiali metallici tranne quelli con temperatura di fusione troppo bassa

• E’ adatta nel caso di spessori sottili date le caratteristiche di stabilità dell’arco

• E’ un metodo costoso riservato per materiali pregiati

• Non è esclusa la contaminazione del metallo base con inclusioni dure e fragili di tungsteno

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Saldatura al plasma

• La macchina elettrica utilizzata è simile a quella del processo TIG dove però l’elettrodo è interno all’ugello ed è avvolto da una corrente di argon ed elio che ionizzando creano una miscela allo stato di plasma a temperatura elevatissima (20.000°C)

• Si possono avere due tipi di arco elettrico:

– Diretto: che avviene tra elettrodo e materiale di base

– Trasferito: che avviene tra elettrodo ed anodo interno alla pistola

• La saldatura può avvenire secondo due tecniche:

– Per fusione simile alla saldatura TIG

– Per key hole per valori di corrente elevate ove si crea un foro attorno al quale si crea la successiva solidificazione. Se non ben controllato provoca taglio anziché saldatura

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EO Saldatura MIG – Metal Inert gas e MAG –Metal Active

Gas

• È detto anche processo a filo continuo ed è simile al processo TIG

• L’elettrodo è fusibile sotto forma di materiale di apporto che è contenuto in un filo che si alimenta all’interno della pistola.

• L’elettrodo è avvolto da un gas che consente di operare in atmosfera controllata

• Esistono diversi modi di transizione del materiale di apporto:

– Short-arc (tensione <20V) mediante grosse gocce che interrompono l’arco. Adatto per piccoli spessori, di veloce soldificazione e saldatura in qualunque posizione

– Spray-arc (tensione >25V) mediante piccole gocce che si susseguono velocemente. Adatto per grossi spessori ma solo per saldature in piano

– Pulsed-arc (tensione fluttuante) al fine di sfruttare tutti i vantaggi dei metodi precedenti

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EO Saldatura

MIG– Metal Inert gas

MAG –Metal Active Gas

• La differenza tra i due metodi consiste nel gas utilizzato e nel campo di applicazione

– MIG

• Utilizza argon ed elio che garantiscono ottimi risultati ma a costi piuttosto elevati

– MAG

• Utilizza anidride carbonica a bassi costi che comporta però trasferimento di gocce grosse e spruzzi e richiede uso di fili con presenza di disossidanti quali silicio e manganese

• Sono tecnologie adatte a tutti gli impieghi industriali:– Non richiedono alta specializzazione degli operatori

– Consentono alte velocità di esecuzione

– Per contro le macchine sono costose

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Saldatura in arco sommerso

• È un procedimento diffuso in quanto consente di operare automaticamente su saldature di elevata lunghezza

• Nella testa saldante fluisce un elettrodo costituito da un filo svolto in continuo da una bobina costituente il metallo di apporto

• Un flusso di materiale granulare fluisce da una tramoggia e ricopre l’area di saldatura così da nascondere completamente l’arco che avviene in atmosfera controllata

• Il flusso in parte fonde reagendo con le scorie che vengono evacuate oppure con il metallo di apporto prendendo parte alla saldatura. La quota non fusa è aspirata e riutilizzata

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Saldatura in arco sommerso

• La macchina elettrica utilizzata tiene sotto controllo i seguenti parametri che sono tra loro correlati:

– L’intensità di corrente che influenza la velocità di fusione del filo e dunque la penetrazione della saldatura e la portata di flusso.

– L’intensità può arrivare a 2000A e può essere continua od alternata

– La tensione d’arco che influenza la lunghezza dell’arco e dunque comunque la portata di flusso ed inversamente la penetrazione della saldatura

– La velocità del filo che influenza la velocità di saldatura e dunque la probabilità di inclusioni di scoria ed inversamente la penetrazione

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Saldatura in arco sommerso

• Il metallo di apporto si presenta in filo da 2-8 mm contenente rame e manganese

• Il flusso è costituito da una miscela di ossidi, carbonati, silicati, ferroleghe e ne esistono due tipi base:

– Prefusi, ovvero ottenuti per fusione dei componenti e successiva macinazione, consentono reazioni solo fisiche durante il processo, basse lunghezze d’arco e dunque basse tensioni e limitata presenza di scoria nei pressi del giunto

– Agglomerati, ottenuti per macinazione e successiva miscelazione, reagiscono chimicamente nella saldatura anche con azione disossidante. Consentono di risparmiare rinunciando all’impiego di acciai legati per i fili

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Saldatura in arco sommerso

• Campo di applicazione:

– Tutte le leghe di acciaio

– Escluse le leghe di alluminio data la scarsa protezione all’ossidazione data dal flusso

• Caratteristiche

– Il collegamento elettrico con il filo è dato da spazzole poste in prossimità dell’arco consentendo, grazie alle elevate intensità di corrente:

• Elevate penetrazioni

• Elevate velocità di deposizione

• Giunti uniformi e lisci di elevata qualità

• Lavorazioni di spessori da 1,5 mm a salire

• Completa automazione del ciclo

• Minima deformazione dei pezzi grazie alla concentrazione dell’intervento

• Posizioni piane o ad angolo

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Saldatura per resistenza elettrica

• È una saldatura autogena per pressione infatti consiste nel

fondere i due lembi da saldare per effetto Joule e

comprimerli l’uno contro l’altro saldandoli senza materiali di

apporto

• È un processo utilizzato per produzione in serie dato che è

caratterizzata da:

– Tempi rapidi di esecuzione

– Investimenti elevatissimi per le macchine necessarie

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Saldatura per punti

• È un processo adatto per saldare lamiere di basso spessore in processi di serie

• Due elettrodi di rame premono uno contro l’altro i due lembi di lamiera da saldare

• Una macchina elettrica fa scorrere per un intervallo di tempo brevissimo una corrente di elevata intensità

• L’elevata resistenza elettrica tra le lamiere provoca per effetto Joule lo sviluppo di un’intensa quantità di calore che porta il materiale a fondere in un punto e quindi a solidificare creando il “punto” di saldatura

• Non è adatto per situazione in cui serve impermeabilità ai liquidi

• Non offre le stesse caratteristiche di resistenza meccanica offerte da altri processi

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Saldatura per punti

• La saldatura non avviene tra elettrodi e lamiera in quanto:

– La resistenza lamiera-lamiera e maggiore di quella lamiera-rame

– Gli elettrodi sono raffreddati con acqua

• Parametri fondamentali del processo sono:

– Pressione esercitata da un dispositivo idraulico che deve essere un compromesso tra false saldature e rischio di eccessiva penetrazione degli elettrodi

– Tempo di scarica che deve essere breve anche per evitare il pericolo di fusione su larga scala e penetrazione dell’elettrodo stesso

– Intensità di corrente che deve essere elevato per consentire la saldatura in tempi brevissimi (da 1.000 a 100.000A)

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Saldatura per punti

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Saldatura a rulli

• È la versione di saldatura a punti utilizzata per saldare lamiere soggette a problemi di tenuta per la presenza di liquidi.

• Gli elettrodi sono due rulli che premono i due lembi e sono sottoposti a scariche di corrente con frequenza scelta in funzione della velocità di avanzamento dei rulli stessi

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Saldatura di testa per scintillio

• È il processo utilizzato per saldare in testa due barre mediante l’applicazione di pinze in rame fungenti da elettrodi come nel caso della saldatura a punti

• L’operazione si realizza in tre fasi:

– Preriscaldamento delle barre con passaggio di corrente a bassa intensità

– Scintillio mediante l’applicazione di corrente ad alata intensità tesa a creare archi elettrici tra le due teste, microfusioni ed espulsione di scorie

– Compressione delle barre per consentire la fusione del giunto

• È un’operazione semplice e veloce presentante l’unico rischio di ricalcatura delle superfici a creare un “collare”

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Trattamenti termici dopo la saldatura

• Per evitare i difetti visti è possibile intervenire in taluni casi con interventi di distensione

• Ciò è importante in taluni casi:

– Acciai legati o a medio tenore di carbonio

– Saldature complesse con cordoni intrecciati

– Saldature di parti soggette ad operazioni successive di asportazione di truciolo

– Saldature sottoposte a basse temperature o ambienti corrosivi

• La distensione consiste in:

– Riscaldamento lento a 600°C

– Permanenza a tale temperatura per un tempo pari a 2 minuti per ogni millimetro di spessore

– Raffreddamento lento in forno fino a 200°C

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