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ITIS “G. Galilei” AREZZO
TECNOLOGIE MECCANICHE DI PROCESSO E DI PRODOTTO
LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA – LAMINAZIONE
CLASSE 3° MECCANICI
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LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA
Lavorazione per deformazione plastica = lavorazione che conferisce forma e/o proprietà al materiale attraverso deformazioni
permanenti allo stato solido impresse con l’azione di opportune forze esterne
Il materiale si plasticizza e si deforma, ma senza decoesioni
fisica.
la struttura cristallina del materiale muta ma non perde la sua continuità
Il grado di plasticità di un materiale è un indice che valuta la deformabilità del materiale; esso è influenzato da:
• composizione chimica e struttura cristallina
• carico unitario massimo a trazione Rm; carico unitario di snervamento Rs
• allungamento A%; coefficiente di strizzone Z%
• eventuale incrudimento
Tipi di lavorazioni per deformazione plastica:
a caldo: si ha temperatura del processo T > 2/3 Tf (temperatura di fusione)
Caratteristiche: - non cambia la resistenza alla deformazione
- non cambiano le proprietà del materiale
- sforzi di deformazione minori
Lavorazioni di questo tipo: fucinatura, stampaggio, laminazione a caldo, estrusione a caldo
a freddo: si ha temperatura del processo T < 2/3 Tf (temperatura di fusione)
Caratteristiche: - variazione progressiva della struttura cristallina fenomeno dell’incrudimento
resistenza ↑ ; K ↓ fragilità ↑ )
- cambiano le proprietà del materiale (Rm ↑ , H ↑
- sforzi di deformazione maggiori
Lavorazioni di questo tipo: laminazione a freddo, estrusione a freddo, trafilatura, tranciatura, punzonatura, piegatura,
imbutitura
I prodotti delle lavorazioni per deformazione plastica sono di solito dei semilavorati, cioè particolari di forma determinata e sempre più
precisa in quanto si cercano di eliminare le successive lavorazioni alle macchine utensili.
LAMINAZIONE
Laminazione = lavorazione per deformazione plastica a caldo o a freddo che interessa tutto un massello metallico malleabile (blocco
tozzo di materiale). La deformazione si ha facendo passare una o più volte il materiale fra due rulli cilindrici, lisci o
sagomati, che ruotano in senso contrario.
Composizione del laminatoio (macchina che esegue la laminazione): (fig. 5.8 pag. 157):
motore + organi di trasmissione (allunghe e riduttore di velocità) + ausiliari + gabbia di laminazione.
Gabbia di laminazione = insieme del castello (telaio) e dei cilindri di laminazione (cilindri di acciaio o di ghisa sferoidale).
Treno di laminazione = successione di due o più gabbie di laminazione per dare al materiale la forma finale con passaggi
successivi.
Funzionamento (schema fig. 5.2 pag. 154 – duo semplice)
Ci sono due cilindri lisci C1 e C2 ad assi orizzontali paralleli fra di loro e con assi verticali allineati che ruotano in verso contrario ad
uguale velocità. Si hanno i seguenti parametri:
h0 = spessore del massello in ingresso; h1 = spessore del pezzo laminato in uscita = luce fra i cilindri; b0 = larghezza del massello in
ingresso; b1 = larghezza del massello in uscita; L0 = lunghezza di uno spezzone di massello in ingresso; L1 = lunghezza di uno
spezzone di pezzo in uscita r = h0 – h1 = riduzione di spessore
- la lavorazione avviene a volume V = costante V0 = h0 ⋅ L0 ⋅ h0 ; V1 = h1 ⋅ L1 ⋅ h1 V0 = V1 siccome h ↓ e b ≈ cost. L ↑
il pezzo passando fra i cilindri riduce lo spessore (schiacciamento) e aumenta la lunghezza (stiramento)
- il pezzo e il cilindro si toccano lungo l’arco AB individuato dall’angolo al centro aR (rad): aR = aG ⋅ 2p/360° (aG angolo in gradi)
AB = R ⋅ aR = D/2 ⋅ aG ⋅ 2p/360° = D ⋅ aG ⋅ p/360° = lunghezza arco di contatto l’arco di contatto dipende dall’ampiezza
del cilindro (D) e dalla riduzione di spessore (r/2 = (h0 – h1)/2 )
Forze che agiscono durante la laminazione (schema fig. 5.4 pag. 155)
Il cilindro applica al massello in lavorazione una forza di schiacciamento FV e per reazione il massello applica al cilindro una forza
uguale e opposta detta forza media di laminazione Fm. La forza media di laminazione Fm è la risultante di tutte le componenti di
pressione applicate su tutta la superficie di contatto cilindro-pezzo S; tale forza dipende dalla resistenza del materiale in lavorazione e
da quanto esso viene deformato, quindi dalla lunghezza dell’arco di contatto AB:
Fm = s ⋅ S; dove s è la pressione specifica di laminazione, che vale s = 1,15 ⋅ Rm.
La superficie di contatto cilindro-pezzo vale: S = AB ⋅ b = D ⋅ aG ⋅ p/360° ⋅ b; quindi la forza media di laminazione Fm vale:
Fm = s ⋅ S = (1,15 ⋅ Rm) ⋅ (D ⋅ aG ⋅ p/360° ⋅ b)
Tale forza si considera applicata in un punto C dell'arco di contatto AB che è individuato dall'angolo al centro b, che vale b ≈ 2/3 a.
La forza di schiacciamento FV è uguale e opposta a Fm, ed è la componente verticale della forza F che è la risultante di tutte le azioni di
compressione esercitate da ciascun cilindro sul massello. Tale forza F vale: F = Fv / cosb
b = Fm / cosb
b e può scomporsi, oltre che nella
componente verticale Fv , anche nella componente orizzontale FO detta forza di stiramento e che vale FO = F ⋅ senb
b e che tende a
tirare indietro il massello dai cilindri.
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La forza F ha direzione radiale e quindi è perpendicolare al cilindro nel punto di applicazione C; tale forza fa nascere per attrito la forza
di attrito FATT che dipende dal coefficiente di attrito di strisciamento f e che vale FATT = F ⋅ f , diretta perpendicolarmente a F, e quindi
ha direzione tangente. Tale forza si scompone nella forza Fa parallela all'asse del massello che vale Fa = FATT ⋅ cos b e si oppone alla
forza orizzontale FO.
Se vale la condizione FO ≥ Fa allora non si ha passaggio del massello fra i cilindri, mentre se vale la condizione Fa < FO allora si ha
passaggio spontaneo del massello fra i cilindri e stiramento dovuti all'azione dell'attrito fra cilindri e materiale.
Siccome Fa dipende da: - coefficiente di attrito di strisciamento f poco variabile
- angolo b → angolo di contatto a → diametro dei cilindri D e riduzione di spessore r si ha passaggio
spontaneo se r ↓ e D ↑ condizione per avere passaggio spontaneo: D ≥ 16 ⋅ r.
Potenza di laminazione
Il momento torcente totale Mt che deve essere applicato ai cilindri per l'operazione di laminazione è il momento della forza Fm rispetto
al centro dei cilindri, siccome il braccio della forza Fm rispetto al centro dei cilindri è a = D/2 ⋅ sen b, essa vale:
Mt = 2 ⋅ Fm ⋅ a = 2 ⋅ Fm ⋅ D/2 ⋅ sen b = Fm ⋅ D ⋅ sen b.
La potenza di laminazione N vale: N = Mt ⋅ w , dove w è la velocità angolare dei cilindri.
Se i cilindri ruotano al numero di giri al minuto n la velocità angolare w vale: w = (2 ⋅ p ⋅ n) / 60 , quindi la potenza N vale:
N = Mt ⋅ w = (Fm ⋅ D ⋅ sen b) / 1000 ⋅ (2 ⋅ p ⋅ n) / 60 (D in mm e n in giri/min; 1/1000 per riportare D in m e 1/60 per riportare n in giri/sec).
Svolgendo i calcoli la potenza N vale: N (Mt ⋅ n) / 9550
La potenza N, a parità di materiale, dipende da D e da n: N ↓ se D ↓ e n ↓
Caratteristiche dei materiali laminati
Il materiale laminato diventa fortemente anisotropo, cioè le sue caratteristiche non sono uniformi nelle tre direzioni di riferimento; infatti
durante la deformazione le fibre interne del materiale si allineano lungo la direzione della laminazione e questo comporta una
resistenza differenziata in questa direzione (direzione assiale dei prodotti di laminazione).
Velocità di laminazione
La velocità di laminazione dipende dalla riduzione di spessore r, dal tipo di laminatoio e dal materiale in lavorazione; i suoi valori sono
molto variabili e vanno da 100 a 1500 m/min.
Classificazione dei laminatoi
I laminatoi si possono classificare in base a dimensioni dei cilindri, prodotti ottenuti, tipo di gabbie e numero di gabbie.
Dimensione dei cilindri D: D deve essere adeguato al tipo di prodotto laminato → per evitare inflessioni eccessive dei cilindri la
lunghezza deve essere b ≤ 3,5 ⋅ D
Prodotti ottenuti dalla laminazione (che si ottengono dalla lavorazione di lingotti): possono essere prodotti finiti laminati oppure
semilavorati laminati.
Semilavorati =
prodotti laminati destinati a subire successive lavorazioni siderurgiche per deformazione plastica; si distinguono in
(Tab. 5.3 pag 162)
base al tipo di sezione retta, alle dimensioni della sezione retta e al loro utilizzo.
Tipi di semilavorati:
b = lato della sezione retta;
h = spessore della sezione retta;
A = area della sezione retta
► a sezione quadrata: → blumi se L > 120 mm
→ billette se 50 < L < 120 mm
2
► a sezione rettangolare:
→ bramme o slebi se h > ¼ b ; A > 14400 mm
2
→ billette rettangolari se h > ¼ b ; 2500 < A < 14400 mm
2
→ bramme appiattite se h < ¼ b ; A > 14400 mm
2
→ bidoni se h < ¼ b ; 900 < A < 2500 mm
2
→ sbozzati per profilati se A > 2500 mm
→ semilavorati tondi se D ≥ 70 mm
Prodotti finiti =
prodotti laminati che hanno finito le trasformazioni siderurgiche, hanno sezioni fisse e sono pronti all’uso. Ce ne
(Tab. 5.4 pag 163)
sono di vari tipi, definiti in base alla forma e alle dimensioni della sezione retta:
1. Lamiere: ha dimensioni s (spessore), L (lunghezza), b (larghezza) s << L ; s << b; può avere vari gradi di finitura
(sbozzata, intermedia, preparata, finita) e vari formati (foglio, lamina, piattina, pastiglia)
2. Barre: hanno sezioni di varia forma (quadrata, rettangolare, circolare, esagonale) con varie dimensioni per ogni tipo di
sezione e lunghezza sempre molto maggiore delle dimensioni della sezione (prodotti lunghi con L >> s ; L >> b);
vengono fornite sotto forma di verghe o avvolti in rotoli
3. Profilati: sono prodotti lunghi con sezioni di forma complessa; avvolti in rotoli e destinati ad ulteriori lavorazioni
4. Nastri: hanno sezione rettangolare con dimensioni molto minori della lunghezza (L >> s ; L >> b); possono essere laminati a
caldo o a freddo
5. Tubi:
sono prodotti lunghi cavi a sezione cava di varia forma (circolare, quadrata, rettangolare)
In base al prodotto da ottenere si hanno i seguenti tipi di laminatoio:
- laminatoio blooming: serve per trasformare lingotti in blumi e bramme; di solito è formato da un duo reversibile
• blooming normale
→ per grossi lingotti da trasformare in blumi
• blooming a forte alzata → per ottenere bramme
• blooming normale
→ per ottenere bramme appiattite
- treno per billette: serve per trasformare blumi in billette e bidoni
- treno per grossi profilati e rotaie: serve per ottenere profilati con grosse dimensioni (700 < D < 1000 mm)
- treno per profilati medi: serve per ottenere profilati di medie dimensioni (400 < D < 700 mm)
- treno per profilati piccoli: serve per ottenere profilati di piccole dimensioni (250 < D < 400 mm)
- treno per filo: serve per ottenere filo
- treno per lamiere: serve per ottenere lamiere
- treno per tubi: serve per ottenere tubi
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Tipi di gabbie: si possono distinguere in base al tipo di moto dei cilindri (reversibile o non reversibile) e in base alla disposizione dei
cilindri (fig. da 5.11 a 5.17 pag. 158-159).
In base al moto dei cilindri si hanno i seguenti laminatoi:
- duo non reversibile → il moto dei cilindri avviene in un unico verso di rotazione; laminatoio impiegato per la lavorazione delle
lamiere a caldo
- duo reversibile → il moto dei cilindri può avvenire in entrambi i versi di rotazione; laminatoio impiegato per la lavorazione dei
blumi a caldo
In base alla disposizione dei cilindri si hanno i seguenti laminatoi:
- doppio duo → due coppie di cilindri ad assi paralleli sfalsati in verticale e con moto opposto; il prodotto viene rinviato
dall’uscita del primo duo all’ingresso del secondo risparmiando spazio in lunghezza
- duo universale → duo semplice associato ad un altro duo ad asse perpendicolare al primo per la calibrazione della
larghezza
- trio → due cilindri più grossi all’esterno con uno di dimensioni minori intermedio; i due esterni ruotano nello stesso verso e
quello intermedio in verso opposto in modo da ppter rinviare il prodotto da uno spessore all’altro; si può avere:
• trio a cilindro intermedio mobile → la regolazione dello spessore dei due passaggi è in relazione
• trio a cilindro intermedio fisso → la regolazione dello spessore dei due passaggi è indipendente
- quarto reversibile → due cilindri di lavoro a piccolo diametro interni sostenuti da due cilindri di sostegno esterni con diametro
molto maggiore; il moto di tutti i cilindri è reversibile
- planetario → molti cilindri di lavoro di piccolo diametro montati alla periferia di due grossi cilindri conduttori; laminazioni a
caldo con pochi passaggi
- multicilindri → due cilindri di lavoro di piccolo diametro al centro sostenuti da una serie di più cilindri a diametro maggiore
posti all’esterno; servono per la laminazione a freddo di metalli molto duri e resistenti.
Costituzione di un treno di laminazione (fig. da 5.24 a 5.26 pag. 161)
Un treno di laminazione è formato da due o più gabbie in serie che prendono il nome dal lavoro che svolgono. La disposizione delle
gabbie, che cambia il ciclo di lavoro, può essere:
- treni aperti
→ le gabbie sono affiancate
- treni scatolati
→ le gabbie sono affiancate e riunite in gruppi
- treni semicontinui → le gabbie sono in fila con distanza maggiore della lunghezza del prodotto si usa una sola gabbia alla
volta
- treni continui
→ le gabbie sono in fila con distanza minore della lunghezza del prodotto si usano tutte le gabbie
contemporaneamente
Fabbricazione delle lamiere (fig. 5.6 pag. 157)
Si usano laminatoi diversi a seconda del tipo di lamiera che si vuole ottenere:
- lamiere grosso spessore
→ treno reversibile a tavola piana
- lamiere sottili o di notevole lunghezza
→ treno continuo finitore a caldo
- lamierini con s < 1 mm o lamiere lucide
→ laminazione a freddo dopo decapaggio per eliminare ossidi superficiali
- per avere maggiore pressione sulla lamiera → laminatoio quarto reversibile oppure multi cilindro
Le lamiere si producono con un ciclo integrale che parte dalle materie prime di altoforno e produce di continuo per sette anni (vita del
rivestimento dell’altoforno) prodotti finiti (nastri, lamiere, lamierini, ecc.)
Fabbricazione delle barre e dei profilati (fig. 5.21 e 5.22 pag. 160)
Si lavorano blumi o bramme riscaldati in forno laminazione a caldo con cilindri a tavola scanalata, cioè cilindri che hanno un
alternanza di cordoni e di scanalature (o canali o passaggi) che determinano il profilo (sagoma della sezione della barra), sbozzato o
finito, della barra da ottenere. I cilindri sono sagomati in modo che i cordoni dell’uno corrispondano alle scanalature dell’altro; la barra
subisce passaggi successivi all’interno degli spazi vuoti fra cordoni e scanalature dei rulli e viene anche calibrata, cioè lavorata
lateralmente dai fianchi delle sporgenze. Si hanno un cilindro maschio con cordoni negativi (bassi del calibro); e un cilindro femmina
con cordoni positivi (più alti del calibro); calibro = contorno dei canali proiettato nel piano passante per l’asse dei cilindri.
Il treno di laminazione dipende dalle dimensioni della barra da produrre, che influenzano anche il numero di passaggi, le forme dei
calibri e le pressioni necessarie.
Processo: laminazione a caldo → raffreddamento → taglio → raddrizzatura.
Fabbricazione dei tubi
Si possono ottenere tubi saldati oppure tubi senza saldatura; le sezioni possono essere circolare, quadrata, rettangolare, ellittica, ecc.
Tubi saldati (fig. da 5.28 a 5.35 pag. 164-165)
Si deforma progressivamente un prodotto piano laminato (nastro o lamiera) fino ad avere la sezione voluta, poi si saldano i bordi
contigui. Si ottengono tubi di minore qualità e resistenza. La saldatura può essere:
- saldatura longitudinale (bordo parallelo all’asse)
→ tubo saldato longitudinalmente
- saldatura elicoidale (bordo elicoidale rispetto all’asse) → tubo saldato elicoidalmente
Tubi senza saldatura (fig. da 5.36 a 5.46 pag. 166-167-168)
Si deforma progressivamente un prodotto pieno (lingotto, billetta o barra) fino ad ottenere uno sbozzato che poi viene trasformato in
tubo mediante laminazione.
Si hanno due metodi di laminazione per ottenere lo sbozzato forato: laminazione obliqua a due cilindri (Mannesmann) e laminazione a
dischi (Stiefeld); lo sbozzato forato viene poi rifinito come tubo con altri metodi di laminazione: laminatoio Assel, laminatoio continuo e
laminatoio a passo di pellegrino.
Laminatoio Mannesmann (fig. da 5.36 a 5.39 pag. 166)
Lingotto pieno a caldo (massima plasticità) laminazione fra due cilindri ad assi sghembi a profilo bitroncoconico rotanti nello stesso
verso il lingotto è sottoposto a compressione e a torsione e avanza con moto elicoidale le sollecitazioni di torsione creano una
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cavità centrale che genera una lacerazione assiale avanzando il lingotto lacerato è spinto contro una spina (punzone o mandrino)
che fora il lingotto sbozzato forato (tubo grezzo di forma irregolare, corto e di grosso spessore) che viene calibrato dall’ultima parte
della sagoma dei cilindri.
Laminatoio Stiefeld (fig. 5.42 pag. 167)
Lingotto pieno a caldo (massima plasticità) laminazione fra due cilindri troncoconici ad assi paralleli verticali rotanti nello stesso
verso il lingotto prende moto di rotazione e di traslazione e avanza contro una spina centrale nascono sollecitazioni assiali,
tangenziali, radiali e torsionali che creano una cavità centrale che genera una lacerazione assiale avanzando il lingotto lacerato è
spinto contro una spina che fora il lingotto sbozzato forato che viene allungato e finito nei successivi laminatoi.
Laminatoio Assel
Sbozzato forato laminato fra tre cilindri a tronco di cono e ad assi sghembi rotanti nello stesso verso, con assi convergenti verso
l’entrata dello sbozzato forato a metà cilindri c’è un gradino a spalla che comprime lo sbozzato con forze a 120° (simmetriche)
calibrazione dello sbozzato e ottenimento del tubo calibrato (laminatoio calibratore) e di forma regolare (arrotondatrice).
Laminatoio a passo di pellegrino (fig. 5.43 e 5.44 pag. 167)
Sbozzato forato due cilindri ad assi orizzontali paralleli che ruotano in verso opposto e sono forniti di scanalature a profilo
semicircolare a dimensione progressivamente variabile i cilindri ruotano in modo da opporsi all’avanzamento dello sbozzato forato
quando la luce della scanalatura è grande; quando la luce della scanalatura è piccola i cilindri entrano in presa sullo sbozzato e lo
spingono indietro laminazione dello sbozzato con riduzione dello spessore contro la spina centrale sbozzato caldo montato sulla
spina centrale collegata al dispositivo oleodinamico di avanzamento sincronizzato con il moto dei cilindri lo sbozzato torna indietro e
viene lavorato (compressione, stiratura e calibratura) durante la fase attiva (arco dei cilindri con scanalatura a diametro piccolo),
mentre avanza e non viene lavorato durante la fase passiva (arco dei cilindri con scanalatura a diametro grande).
Laminatoio continuo (fig. 5.46 pag. 168)
Sbozzato forato laminato con una serie di coppie di cilindri sagomati con scanalature semicircolari a dimensione decrescente
disposti alternativamente ad assi perpendicolari e con un mandrino mobile al centro calibrazione dello sbozzato e ottenimento del
tubo calibrato (diametro interno = diametro mandrino; diametro esterno = diametro ultima scanalatura) e di forma regolare (scanalature
semicircolari affacciate).