Estrusione e trafilatura - Laboratorio di Economia e Produzione

19/02/2013
Sistemi di
Produzione
Dario Antonelli – DIGEP
Politecnico di Torino
Indice moduli
• A: I materiali
• B: Formatura
• C: Deformazione
• D: Taglio
• E: Processi non convenzionali
Indice lezioni del modulo C
• Lavorazioni per deformazione
• Il processo di laminazione
• Estrusione e trafilatura
• La forgiatura
• La formatura della lamiera
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Il processo di estrusione
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Produzione tramite estrusione
• Barre lunghe con forme diverse
– cilindriche piene
– tubolari
– variamente sagomate
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Vantaggi dell’estrusione
• Elevata produttività
• Precisione dimensionale e finitura superficiale
• Costi relativamente contenuti
6
2
19/02/2013
Modalità di processo
• Estrusione diretta
• Estrusione inversa
• Estrusione di tubi
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L’estrusione diretta
• Stessa direzione del carico e del materiale
8
L’estrusione diretta
• Stessa direzione del carico e del materiale
Matrice
9
3
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L’estrusione diretta
• Stessa direzione del carico e del materiale
Pistone
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L’estrusione inversa
• Flusso del materiale opposto al moto dello
spintore
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Estrusione di tubi
12
4
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Estrusione di tubi
Massello da
estrudere
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Estrusione di tubi
Pistone cavo
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Estrusione di tubi
Mandrino
15
5
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Estrusione di tubi
Matrice
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Estrusione di tubi
Tubo estruso
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Extruded Products
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Extrusion of Hollow Shapes
(a) An extruded 6063-T6 aluminum ladder lock for aluminum extension ladders. This part is 8 mm
(5/16 in.) thick and is sawed from the extrusion. (b)-(d) Components of various types of dies for
extruding intricate hollow shapes. Source: After K. Laue and H. Stenger
Radiografia dell’estrusione
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Chevron Cracking Defect
Chevron cracking in round steel bars during extrusion. Unless the part is inspected, such internal
detects may remain undetected and possibly cause failure of the part in service. (b) Deformation
zone in extrusion, showing rigid and plastic zones. Note that the plastic zones do not meet, leading
to chevron cracking. The same observations are also made in drawing round bars through conical
dies and drawing flat sheet or plate through wedge-shaped dies. Source: After B. Avitzur.
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Temperature di estrusione
Temperatura
[°C]
Materiale
Zinco
100
Alluminio e leghe
400 – 450
Magnesio e leghe
400 – 450
Bronzi e ottoni
750 – 850
Rame e leghe
800 – 900
Acciai dolci
1100 – 1200
Acciai legati
1300
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Estrusione e trafilatura
• Il processo di estrusione
• Principi teorici
• Analisi energetica
• La trafilatura
• Dimensionamento energetico
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Andamento della pressione di
estrusione
• La pressione è influenzata da diversi parametri:
– resistenza alla deformazione
– forma della billetta
– rapporto di estrusione R:
R 
A
0
– coefficiente di attrito m tra billetta
Au e pareti della camera di
estrusione
– lunghezza e diametro della billetta
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8
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Andamento della pressione di
estrusione
Pressione di
estrusione
p
Corsa di lavoro
c
Corsa spintore
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Andamento della pressione di
estrusione
• Estrusione diretta:
– pressione decrescente all’aumentare della
corsa
– l’attrito dipende dalla lunghezza della billetta
– la pendenza nella zona di lavoro è funzione
della velocità dello spintore
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Andamento pressione – estrusione diretta
p
Corsa di lavoro
Pressione di
estrusione
Corsa spintore
c
Corsa spintore
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9
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Andamento pressione – estrusione diretta
Pressione di
estrusione
p
Corsa di lavoro
c
Corsa spintore
Zona morta
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Andamento della pressione di
estrusione
• Estrusione diretta:
– pressione decrescente all’aumentare della corsa
– l’attrito dipende dalla lunghezza della billetta
– la pendenza nella zona di lavoro è funzione della
velocità dello spintore
• Estrusione inversa:
– andamento della pressione costante
– attrito trascurabile durante la corsa dello spintore
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Andamento pressione – estrusione inversa
p
Corsa di lavoro
Pressione di
estrusione
Corsa spintore
c
Corsa spintore
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10
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Mechanics of Extrusion
Schematic illustration of extrusion force as
a function of die angle: (a) total force; (b)
ideal force; (c) force required for redundant
deformation; (d) force required to
overcome friction. Note that there is a die
angle where the total extrusion force is a
minimum (optimum die angle).
Schematic illustration of the
effect of temperature and
ram speed on extrusion
pressure. Note the similarity
of this figure with Fig. 2.10.
Il rendimento di deformazione h
• Dipende da diversi parametri:
– forza di pura deformazione
– attriti interni
– attriti sul collare della matrice
– attriti al contatto con le pareti del contenitore
– distorsione delle linee di flusso in prossimità della
filiera
• Valore quantificabile: h = 0,5÷0,8
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Lavoro di deformazione uniforme
• Ipotesi:
– nessuna perdita per attrito
– comportamento plastico ideale per il materiale
– per materiali incrudenti si usa il valor medio della
tensione di scorrimento
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Lavoro di deformazione uniforme
L  Y   V
34
Lavoro di deformazione uniforme
L  Y   V
Area del
pistone per la
sua corsa
L  Y    A0  c
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Lavoro di deformazione uniforme
Il lavoro della forza di
estrusione
L  Y    A0  c
L  F c
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12
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La forza ideale di estrusione
F  Y    A0
L  Y    A0  c
L  F c
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Forza e lavoro reale di estrusione
FR 
Y    A0
h
LR  FR  c 
Y   V
h
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Il processo di trafilatura
• Lavorazione per deformazione plastica a
freddo
39
13
19/02/2013
Il processo di trafilatura
• Lavorazione per deformazione plastica a
freddo
• Il materiale viene fatto passare, in forma di
vergella, barra o tubo, attraverso una filiera
• Un’azione traente viene applicata ad una
estremità del pezzo
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Il processo di trafilatura
• Lavorazione per deformazione plastica a freddo
• Il materiale viene fatto passare, in forma di vergella,
barra o tubo, attraverso una filiera
• Un’azione traente viene applicata ad una estremità del
pezzo
• Precisione dimensionale e finitura superficiale più
elevati rispetto alla laminazione e all’estrusione
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Trafilatura
I prodotti
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Schema di lavorazione di una trafila
43
Schema di lavorazione di una trafila
Bagno d’olio
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Schema di lavorazione di una trafila
Pulegge
dell’avvolgitore
45
15
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Schema di lavorazione di una trafila
Pulegge dello
svolgitore
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Schema di lavorazione di una trafila
Filiere montate su
portafiliera
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La filiera
2a
48
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Operazioni che precedono la
trafilatura
• Appuntatura
– permette alla vergella l’ingresso nel foro della
filiera
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Operazioni che precedono la
trafilatura
• Appuntatura
• Eliminazione dello strato di ossido
– decapaggio
50
Operazioni che precedono la
trafilatura
• Appuntatura
• Eliminazione dello strato di ossido
• Lavaggio
51
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Operazioni che precedono la
trafilatura
• Appuntatura
• Eliminazione dello strato di ossido
• Lavaggio
• Trattamento in latte di calce
– neutralizzazione degli ultimi resti di acido
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Operazioni che precedono la
trafilatura
• Appuntatura
• Eliminazione dello strato di ossido
• Lavaggio
• Trattamento in latte di calce
• Asciugatura
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Operazioni che seguono la trafilatura
• Trattamenti termici per ridurre l’incrudimento
dovuto alla trafilatura o per aumentare la
trafilabilità:
– ricottura
– normalizzazione
– patentamento (temprare il filo fino a 500°C in un
bagno di sali fusi e mantenerlo a tale temperatura
fino a completa trasformazione dell’austenite)
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La forza di trafilatura
• È funzione dei parametri:
– riduzione di sezione R
R 
A0
Au
– distorsione dovuta alla conicità della matrice
– attrito sulle superfici a contatto
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La forza di trafilatura
• Non può superare il carico massimo
ammissibile a trazione del trafilato
F  Y  Au
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Schema del processo di trafilatura
Semiangolo di
apertura della
filiera
a
A0
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Lavoro di deformazione uniforme
ideale
L  Y   V
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Lavoro di deformazione uniforme
L  Y   V
Lunghezza del filo
all’uscita della filiera
L  Y    Au  c
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Lavoro di deformazione uniforme
Lavoro della
forza di
trafilatura
L  Y    Au  c
L  F c
60
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Forza ideale di trafilatura
F  Y    Au
L  F c
L  Y    Au  c
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Forza e lavoro reale di trafilatura
FR 
Y    Au
h
LR  FR  c 
Y   V
h
62
Condizione di massima riduzione
sezione
FR 
Y    Au
 Y  Au
h
  h
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Andamento della deformazione
A0
Au

 A0 

 Au 
u  ln
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La tensione di trafilatura
a
Au
A0
u
T
65
Slab Analysis for Drawing
Drawing stress
Inhomogeneity factor
FIGURE 6.61 Stresses acting on an element
in drawing of a solid cylindrical rod or wire
through a converging conical die.
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19/02/2013
La tensione di trafilatura
• Parametri condizionanti:
– incrudimento
– angolo d’apertura della filiera
– coefficiente d’attrito m

m 

 u  Y ln R 1  
a 


67
Andamento della tensione equivalente

Y
Yu

68
Residual Stresses in Drawing
FIGURE 6.65 Residual stresses in cold-drawn 1045 carbon steel
round rod: T = transverse direction, L = longitudinal direction and
R = radial direction. Source: After E.S. Nachtman.
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