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TECNOLOGIA MECCANICA Parte 6 Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DI GETTI – RITIRO La solidificazione avviene in passaggi successivi partendo da una pelle esterna che poi procede verso l’interno fiano alla completa solidificazione. Questo processo di solidificazione per straJ accompagnato dal riJro di ogni singolo strato porta alla formazione di un cono di riJro. Nel caso di leghe, oltre al cono di riJro si può generare una porosità distribuita in una zona del gePo. Tale porosità è dovuta al faPo che le leghe solidificano con un processo che porta alla formazione di dendridi che crescono verso l’interno del gePo. La struPura del dendride ha una grana molto fine nella zona prossima alla superficie esterna, verso l’interno la grana è più grossolana. Procedendo ancora verso l’interno si arriva ad una normale zona a grani cristallini priva di dendridi. Questa differenza struPurale può provocare una porosità DENDRIDICA nel gePo. Processi di fabbricazione per fusione Solidificazione e moduli termici STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE Poiché nei casi reali la solidificazione di un gePo avviene in modo direzionale è importante determinare quali parJ del gePo solidificano per ulJme (problema dei riJri e delle cavità ad esso collegate). Lucidi di Tecnologia Meccanica Studio qualitativo della solidificazione direzionale Questa parte solidifica per prima e si contrae Questa parte è ancora liquida e fornisce fluido all’altra per compensare il Lucidi di Tecnologia Meccanica ritiro Per valutare quale parte del gePo solidifica per ulJma ci sono diverse tecniche: Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia -‐ Cerchi di Heuvers -‐ Suddivisione in geometrie elementari + calcolo dei moduli termici -‐ UJlizzo di strumenJ so^ware basaJ su metodi numerici Solidificazione e moduli termici Studio qualitativo della solidificazione direzionale 3 Ora anche l’ultima parte e solidificata, non c’è più liquido per compensare il ritiro e quindi resta un vuoto Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Metodo dei cerc STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CERCHI DI HEUVERS Consiste nel tracciare dei cerchi inscri` alla geometria che rappresenta il gePo. Nel caso semplificato bidimensionale, semplicemente più grande è il cerchio tracciabile, più Analisi semplificata, tardi solidifica la porzione del gePo (a livello intuiJvo: più grande è il cerchio, pbidimensional iù tardi si incontreranno i fronJ di solidificazione) Nell’analisi tridimensionale i cerchi di Heuvers vanno tracciaJ sul piano a cui corrisponde il cerchio inscriPo di ddiiametro minimo. Lucidi Tecnologia Meccanica Solidificazione e moduli termici TEMPO DI SOLIDIFICAZIONE Tempo necessario affinché tuPo il gePo Nella analisi divenJ solido. tridimensionale i cerchi d piano corrisponde il cerchio insc Cioè a il tcui empo necessario affinché il Perché? fronte di solidificazione raggiunga il baricentro termico. (Tempo zero Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia quando il liquido ha riempito la forma). Lucidi di Tecnologia Meccanica Processi di fabbricazione per fusione Solidificazione e moduli termici Studio di Chvorinov sul tempo di solidificazione ANALISI DEL TEMPO DI SOLIDIFICAZIONE Studio della solidificazione di un• volume A*Ldella superficie che cede Dove A V è l= ’area Dovecalore A è l’area della di Chvorinov sul tempo di solidificazion S(t) Studio cede calore getto Solidificazione A e modulisuperficie termici • S(t) = pche osizione del fronte di solidificazione Tg forma n volume Ve =moduli A*L term Lucidi di Tecnologia MeccanicaStudio della solidificazione di uSolidificazione Tg tempo t del fronte di S(t) al = posizione Ipotesi di Chvorinov: • Solidificazione ulJmata solidificazione al tempo t quando: S(t) = L Solidificazione e moduli termici nov sul tempo di solidificazione Solidificazione e moduli termici Solidificazione ultimata S (t ) k t x S(t)g forma gettoS(t) = AL Ipotesi di Chvorinov: quando: k = costante di solidificazi L V S (t ) k t Ipotesi d i C hvorinov: ( ) S t L Ma: Ipotesi di Chvorinov: sol tesi di Chvorinov: getto A A k = costante di solidificazione xg V Con k c ostante d i s olidificazione S ( t ) k t t) k t Da cui: V k tsol 17 Facoltà di Ingegneria – UniversitàSdegli L ) diLPerugia Ma: (tsolStudi Legge di Chvorinov: posolidificazione di solidificazione di k = costante di solidificazione costante di solidificazione A xg V cui:V V Da (tsol )S (tLsol ) L a: SMa: k tdisolchvorinov tsol Legge A A A V V cui: Da cui:k nov t 1tsolk V t A 1 V K2 A 2 2 2 degli Studi di Perugia sol Facoltà di Ingegneria – Università c V c M 2 V c A 2 c M2 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Solidificazione e moduli termici Legge di Chvorinov LEGGE DI CHVORINOV tsol M Lucidi di Tecnologia c M2 V A I moduli termici dei ge` sono alla base dei calcoli secondo la legge di Chvorinov tsol : tempo di solidificazione c : costante di proporzionalità M Meccanica: modulo termico (modulo di Chvorinov) V : volume del getto A : area delle superfici di scambio termico Solidificazione e moduli termi Moduli termici per forme elementari Superfici di scambio termico Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia Moduli termici di alcune forme elementari 19 V Cubo con 6 facce esposte h h3 A 6 h2 V h M A 6 V h Processi di f6abbricazione Cubo con facce esposte per fusione h A 6 h2 V h M A 6 LEGGE DI CHVORINOV Moduli termici di alcune forme elementari 3 V h hSolidificazione e moduli termici A 2 h2 Lucidi di Tecnologia Meccanica Cubo con 2 facce esposte (sopra e sotto) Moduli termici per forme elementari V M Prisma regolare Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia con 2 facce esposte (sopra e sotto) b a h 2 A 20 h V a b h A 2 a b V abh M A 2ab Indipendente da a e b h 2 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica LEGGE DI CHVORINOV Solidificazione e moduli termici Moduli termici di alcune forme elementari Moduli termici per forme elementari Tratto di barra con superfici laterali esposte l b V a a b l A 2(a l ) 2(b l ) M V A abl 2(a b)l 2(a b)l ab 2( a b ) Area sezione Perimetro sezione Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia 22 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Solidificazione e modul LEGGE DI CHVORINOV Moduli termici per forme elementa Moduli termici di alcune forme elementari a M V A ah 2(a h) h Solido toroidale – approssimato a tratto di barra incurvata Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DI GETTI – VELOCITA’ DI SOLIDIFICAZIONE Per una piastra piana di dimensioni superficiali molto molto maggiori dello spessore si può approssimare il modulo come segue. Si consideri un cubo di lato S pari allo spessore, immerso nella piastra. Considerando che le superfici laterali non partecipano allo scambio termico: Nella piastra gli effe` sulle superfici laterali si possono trascurare viste le dimensioni, quindi sono trascurabili rispePo alle due superfici superiore e inferiore. Pertanto il ragionamento applicabile è analogo al cubo e il modulo risulta quindi pari a quello del cubo immerso nella piastra Studio qualitativo della solidificazione Processi di fabbricazione per fusione direzionale: metodo dei moduli termici STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE • Suddivisione del getto in forme • Suddivisione del gePo in forme elementari elementari •• Calcolo Calcolodel delmodulo modulo termico termico per per ciascuna ciascunaforma formaelementare elementare arJ con basso modulo •• Le Lepparti conpiù più basso modulo termico solidificano prima M2 termico solidificano prima • Le parJ con più alto modulo termico • solidificano Le parti con più alto modulo M1 dopo Lucidi di Tecnologia Meccanica Solidificazione e moduli termici termico solidificano dopo termico • Le parJ con più alto modulo della solidificazione (proteggono) quelle qualitativo con • alimentano Le parti con più alto Studio modulo più basso alimentano modulo termico direzionale: metodo dei moduli termici termico (proteggono) Identificazione delle superfici soggette a scambio termico quelle con più basso modulo IdenJficazione delle superfici soggePe termico a scambio termico Solo le superfici a contatto con la forma scambiano calore si Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia no si si 24 Processi di fabbricazione per fusione STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE In questo Jpo di analisi occorre anche considerare: • Il grado di efficienza delle superfici di scambio termico (ad esempio: l’effePo estremità e l’effePo raccordo). Lucidi diil Tecnologia Solidificazione e moduli termici • Valutare raggio dMeccanica i influenza. Le superfici reali cedono calore con una efficienza variabile (da 0% a 100%) a causa di vari faPori, quindi nella formula del modulo termico è più correPo parlare di area efficace di scambio termico (ovvero estensione di un’area equivalente, in grado di cedere calore ad • m Esempi efficienza assima) di superfici più o meno efficaci nella cessione di calore Effetti di estremità e raccordo Effetto estremità: qui il calore esce molto facilmente Effetto raccordo: qui il calore esce con difficoltà Processi di fabbricazione per fusione STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE eccanica Solidificazione e moduli termici Il raggio di influenza solidificazione e flusso di calore Il flusso di calore è governato dal gradiente termico i è M1 M1 M1 M2 Gradiente termico M2 Flusso di calore M2 Avanzamento del fronte di solidificazione o è garantito si dice che la parte 2 protegge la parte 1 Università degli Studi di Perugia 31 Se l’avanzamento è garanJto (cioè il gradiente termico è sufficiente) si dice che la parte 2 protegge la parte 1. Normalmente la parte M2 protegge la parte M1 e garanJsce l’avanzamento del fronte di solidificazione. Se la parte M1 è molto estesa in lunghezza la parte M2 potrebbe non essere in grado di proteggerla (raggio di influenza insufficiente). Il raggio di influenza determina quanto estesa è la protezione della parte 2 sulla parte 1 Lucidi di Tecnologia Processi di fMeccanica abbricazione per fusione Solidificazione e moduli termici Il raggio di influenza STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE Per le ppiastre iastre pdiiane vale qS, uanto segue segue: Per spessore vale quanto M2 S M1 Lucidi di Tecnologia Meccanica R = KS K= da 3.5 a 5 (acciao) K= 5 (ghisa) Valore medio: K=4 R oppure RRaggio 30 S di influenza dell’effetto es 33 Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia Il raggio di influenza dell’effePo estremità è: Solidificazi S M1 R = 2.5 S M2 Processi di fMeccanica abbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Solidificazione e moduli termici STUDIO QUALITATIVO DELLA SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE Verifica delle influenze reciproche In un gePo vanno verificaJ i raggi di influenza reciproci M2 S M1 R=4S R = 2.5 S M2 M1 S Getto non completamente protetto Getto completamente protetto R = 2.5 S R=4S Facoltà di Ingegneria – Università degli Studi di Perugia 35 Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Nell’esempio in figura si ha una direzione generata dagli spessori del gePo (dal più piccolo al più grande. Il metodo uJlizzato in fonderia per eliminare il cono di riJro è l’impiego di materozze. La materozza va progePata in modo che sia l’ulJma a solidificare nel gePo. Solo così può compensare i coni di riJro. La materozza viene poi asportata nelle lavorazioni successive. Per evitare coni di riJro, quindi, il gePo con la relaJva materozza vanno progePaJ in modo da creare una solidificazione direzionale che procede verso la materozza. Occorre garanJre sempre il contaPo di metallo liquido con le zone che progressivamente raffreddano. Se si creano delle zone di separazione di metallo solidificato si generano coni di riJro nel gePo. cavità di ritiro Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Se in Se un gil ePo generico, il btermico aricentro tcade ermico zona a sdel olidificare) ade iandrà n una zona baricentro in(ulJma una parte getto cche poiche va poi asportata, non c’è necessità di parJcolari accorgimenJ. asportata meccanicamente, non ci sono problemi G Se il baricentro termico cade in una parte del getto che non può Viceversa, se il baricentro termico cade in una zona che non va asportata, occorre trovare essereper asportata, spostare il baricentro termico delle soluzioni spostare il bbisogna aricentro termico. Si modifica il gePo aggiungendo una parte con modulo termico più alto, che a`ra su di sè il baricentro termico. 2 Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria Questa parte, dePa materozza (in inglese: feeder = alimentatore), verrà asportata a solidificazione ulJmata. Si modifica il getto aggiungendo Processi di fabbricazione per fusione una parte con modulo termico più alto, che attira su di sè il baricentro termico. SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO USO DELLE MATEROZZE Questa parte, detta materozza (in Einglese: feeder = alimentatore), La materozza solidifica per ulJma, quindi alimenta e protegge la restante parte del gePo verrà asportata a solidificazione ultimata. Materozze Lucidi di Tecnologia Meccanica Dimensionamento della materozza La materozza va dimensionata in modo La materozza solidifica per tale che sia in grado di la restante parte del getto spostare il baricentro termico Materozza ultima, quindi alimentaModulo e protegge termico: Mm Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria Pezzo Modulo termico: Mp ( Mp < Mm ) M=V/A La materozza può essere di forma arbitraria 3 Deve avere modulo termico maggiore di quello del pezzo Esempio: Mm = 1.2 Mp (Mm maggiore del 20% rispetto a Mp) Processi di Lucidi fabbricazione per fusione di Tecnologia Meccanica Materozze SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Se considero la possibilità di scomporre la geometria del gePo: Dimensionamento della materozza Mm Mp Mp < Mm Esempio: Mm = 1.2 Mp Equivalente a: Lucidi di Tecnologia Meccanica M1 M2 < Mm (ipotesi: M2>M1) Materozze Verifica Mmdel volume di liquido M2 Esempio: Mm = 1.2 M2 fornibile dalla materozza basta che materozza ultima,nèon necessario anche Il faPo che Non la materozza sia la l’ulJma parte solidifichi del gePo a sper olidificare, è sufficiente a garanJre chedessa siadin materiale liquido per compensare un gePo privo i cavità a rgrado iJro. La dimfornire aterozza deve fornire un volume sufficiente di ilmetallo 5 Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria perso dal dgetto per via del ritiro liquido per volume compensare il riJro el gePo. Vfornibile dalla materozza > Vperso dal getto Attenzione! Anche la materozza subisce il ritiro Lucidi di Tecnologia Meccanica Processi di fabbricazione per fusione Materozze Verifica del volume di liquido SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Quindi deve risultare: fornibile dalla materozza V perso V fornito Vperso: Volume totale perso a causa del ritiro : coeff. di ritiro V pezzo Vmaterozza Vcono di ritiro K Vmaterozza Deve risultare: V fornito V perso Vmaterozza Vfornito: Volume fornito dalla materozza – equivale al volume del cono di ritiro K: coeff. del cono di ritiro (14% per materozze cilindriche e ovali, 20% per materozze emisferiche e sferiche) Vgetto Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria K Nota: nella formula, K va espresso in percentuale 9 La forma della materozza non è un vincolo; tuPavia occorre scegliere nel gePo una forma tale da minimizzare il volume, garantendo però un sufficiente modulo termico e un sufficiente volume di liquido per compensare i riJri. Inoltre la forma della materozza deve essere semplice da realizzare. sprecando meno materiale possibile, quindi minimizzando il volume, ma pur sempre fornendo volume necessario a compensare il ritiro Processi di fabbricazione per ilfusione Vincolo: la forma della materozza deve essere facile da realizzare SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Alla luce di queste considerazioni, la forma ideale sarebbe quella sferica, tuPavia questa ideale:dsferica – troppo difficile da realizzare risulta tForma roppo complessa a realizzare. Forme più uJlizzate: Forme reali: Materozze Lucidi di Tecnologia Meccanica emisferica cilindrica Posizionamento della materozza Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria M1 M2 Mm La materozza deve essere a contatto con la parte del pezzo che solidifica per ultima, ovvero la parte a modulo termico più alto. 1 Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Materozze Lucidi di Tecnologia Meccanica La materozza è connessa al gePo tramite il COLLARE DI ATTACCO Collare di attacco Materozza Il collare di attacco connette il pezzo alla materozza. Conviene che sia di piccola sezione, così è più facile asportarlo insieme alla materozza a solidificazione ultimata. Collare di attacco Pezzo Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 12 Processi di fabbricazione per fusione Materozze Lucidi di Tecnologia Meccanica SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Collare di attacco Materozza Modulo termico: Mm Collare di attacco Pezzo Modulo termico: Mc ( Mp < Mc < Mm ) Modulo termico: Mp Il modulo termico del collare di attacco deve essere intermedio tra pezzo e materozza, altrimenti solidifica prematuramente ed il liquido non può passare dalla materozza al pezzo. Esempio: Mp : Mc : Mm = 1 : 1.1 : 1.2 Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 13 Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Il collare di aPacco può essere di forma arbitraria, dipendentemente dal punto in cui la materozza collegata al pezzo Materozze Lucidi v diiene Tecnologia Meccanica Esempio di materozza Materozza Pezzo finale Getto Lucidi di Tecnologia Meccanica Materozze Processi di fabbricazione per fusione Prima tecnica di dimensionamento della SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE materozza - calcolo il modulo termico massimo del getto: Mmax impongo Mm = 1.2*Mmax verifico il volume fornibile dalla materozza: Vmaterozza Vgetto K se è verificato allora ok, ho finito se non è verificato: - ricalcolo il volume che la materozza dovrebbe avere per verificare il volume fornibile - calcolo il nuovo modulo termico della materozza con volume ricalcolato (Mm’) - verifico che Mm’>=Mmax Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 19 Lucidi di Tecnologia Meccanica Processi di fabbricazione per fusione Materozze Procedura di posizionamento della materozza SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Per il posizionamento della materozza: • Collegare alla parte del getto con modulo termico • Collegare alla parte del gePo con modulo termico più elevato elevato • Se necessario, verificare i raggi di influenza più • Se necessario, verificare i raggi di influenza Materozza attaccata a M2 Mmat S M2 compreso nel raggio di influenza della materozza M2 M1 R = 4S M2 protegge M1 S’ R = 2.5S’ R = 4S’ Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 24 Raffreddatori Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE CONO DI RITIRO E USO può DELLE essere MATEROZZE • La direzione di –solidificazione forzata anche aggiungendo elementi ad ralta diffusività La direzione di solidificazione raffreddatori: può essere forzata anche aggiungendo affreddatori: elemenJ ad alta dtermica iffusività termica he fungono da estraPori di calore. checfungono da estrattori di calore Raffreddatore: elemento ad alta diffusività (e.g. metallo) getto Anche i raffreddatori hanno un raggio di influenza Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria R = 50 mm Nota: può essere sommato all’effetto estremità Materozze e raffreddatori possono essere combinaJ per controllare la solidificazione direzionale. 25 Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Per favorire la solidificazione direzionale verso la materozza si posso inserire dei raffreddatori esterni e dei soprametalli nel gePo. Esistono diversi Jpi di materozze, che per funzionare devono comunque poter essere soggePe alla pressione atmosferica che è la forza motrice che spinge il metallo liquido verso il gePo. Materozze a cielo aperto che affiorano direPamente sulla parte superiore della forma Materozze cieche totalmente immerse nella forma In questo caso il contaPo con la pressione atmosferica va garanJto con l’uso di materiale poroso. Processi di fabbricazione per fusione SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE – CONO DI RITIRO E USO DELLE MATEROZZE Forme Jpiche dalle materozze Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Il sistema di colata è cosJtuito dall’insieme di canalizzazioni che permePono alla lega liquida di riempire la forma. Di faPo non esiste un approccio analiJco per progePare un sistema di colata, ci si basa essenzialmente sull’esperienza praJca. Infa` i fenomeni già di per se complicaJ di fluidodinamica e trasmissione del calore sono aggravaJ dalla geometria complessa e variabile della forma. Esistono alcune regole praJche: • Riempire rapidamente la forma § per evitare la solidificazione precoce di alcune parJ del gePo § per minimizzare la disuniformità delle temperature all’inizio del raffreddamento, altrimenJ le considerazioni sulla solidificazione direzionale non sono più valide • Evitare velocità eccessive del fluido nel riempimento § la velocità genera turbolenza, questa porta aria all’interno del gePo creando porosità nel prodoPo. § la velocità può causare erosioni delle pareJ della forma, le scorie restano nel gePo come impurità • Evitare l’ingresso di corpi estranei § per evitare la presenza di ulteriori impurità nel gePo Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Molto spesso il sistema di colata si sviluppa sul piano di divisione della forma. Gli elemenJ Jpici di un sistema di colata sono: -‐ A) Bacino di colata: accoglie il fluido proveniente dal crogiolo rallentandolo; è inoltre dotato di filtri per evitare l’inclusione di scorie -‐ B) Canale di colata: porta il fluido dall’esterno al piano di divisione della forma -‐ C) Canale distributore: ha sezione generalmente trapezoidale, rallenta ulteriormente la velocità del fluido e prepara il metallo nelle varie zone di alimentazione del gePo. In alcuni casi si inseriscono ulteriori trappole ferma-‐scoria -‐ D) APacchi di colata: ulJmi elemenJ del sistema che portano il fluido nelle zone prescelte per l’ingresso della lega nella forma Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Movimentazione del fluido: Per portare il fluido all’interno della forma occorre conferire energia cineJca. Questo può essere Lucidi faPo di in Tecnologia diversi modi: Sistemi di alimentaz Meccanica • Colata in gravità • Colata centrifuga • Colata in pressione • All’interno del sistema di alimentazione il fluido deve All’interno del sistema di alimentazione il fluido deve possedere un moto pressurizzato (ogni unad moto pressurizzato punto del fluido a punto del flpossedere uido deve trovarsi una pressione superiore alla ( pogni ressione atmosferica). Il moto pressurizzato infa` evita l’inclusione alla di aria nel gePo: atmosferica) pressione superiore pressione Moto pressurizzato aria fluido Moto pressurizzato fluido Moto a canaletta Moto pressurizzato Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Zona di moto pressurizzato L’aria presente esce dagli appositi sfiati (Non permette ingresso di ulteriore aria) Quindi il sistema di colata sia esso in pressione o in gravità, deve essere progePato in modo tale da garanJre la zona di moto pressurizzato. Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 6 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Sistemi di alimentazione Tipologie di alimentazione in gravità Tipologie di sistemi di colata Dall’alto A pettine Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria Dal basso Sul piano di separazione 7 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Sistemi di alimentazione IL SISTEMA DI COLATA Efficienza delle tipologie di colata Ogni sistema ha i punJ di forza e debolezza Dall’alto Pro: il rimescolamento uniforma la temperatura del liquido Contro: formazione di gocce fredde nella parte di flusso sottile ed esposta all’aria Dal basso Sul piano di separazione Pro: no gocce fredde Nella prima fase si comporta come una colata dall’alto, nella seconda fase come una colata dal basso Contro: il poco rimescolamento provoca disuniformità di temperatura Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 8 Processi di fabbricazione per fusione Sistemi di alim Lucidi di Tecnologia Meccanica Componenti di un sistema di alimentazion alimentazio IL SISTEMA DI COLATA I vari componenJ del sistema di colata possono essere disposJ come illustrato in figura per gravità, pressurizzato, sul piano di separazio separazi Superficie superiore semiforma Bacino di colata piano di separazione canale di colata canale di distribuzione attacco di colata getto Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Dimensionamento del sistema di colata Per il dimensionamento del sistema di colata, occorre tenere in considerazione diversi faPori: • Calcolo del tempo criJco di solidificazione • Calcolo del tempo di riempimento • Calcolo del volume totale da riempire • Calcolo della portata • Dimensionamento della sezione terminale del canale di colata • Dimensionamento delle sezioni intermedie del canale di colata • Dimensionamento del canale di distribuzione • Dimensionamento degli aPacchi di colata Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Sistemi di alimentazione Tempo critico di solidificazione Calcolo del tempo criJco di solidificazione IL SISTEMA DI COLATA Tempo criJco di solidificazione = tempo di inizio solidificazione Tempo critico che trascorre dall’istante dell’inizio i colata adi ll’istante in csolidificazione ui il liquido inizia a Tempo di solidificazione = dtempo inizio solidificare empo che trascorre dall’istante dell’inizio di colata all’istante in cui il quido inizia a solidificare tc G = peso del getto espresso in kg. Comprende anche eventuali materozze 3.2 G 0.4 S = spessore medio del getto tc 0.32 S G tc (formula di trenkle) Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 11 Processi di fabbricazione per fusione Sistemi di alimentaz Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Calcolo del tempo criJco di solidificazione Formula di Trenkle Formula di Trenkle tc C c h V S 4 C 1c1 1 2 1 h2 2c2 2 c 0.85 fattore di riduzione peso specifico (1=getto, 2=forma) calore specifico (1=getto, 2=forma) diffusività termica (1=getto, 2=forma) temperatura (c=colata, l=liquidus) volume superficie fattore di forma 1 2 2 V S 2 Processi di fabbricazione per fusione Tempo di riempimento IL SISTEMA DI COLATA Calcolo del tempo di riempimento tr Lucidi di Tecnologia Meccanica k tc k<1 Sistemi di alimentazione Volume totale da riempire Ad esempio: k=0.7 Calcolo del volume totale da riempire Vtot V pezzo Vmaterozze Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 14 Processi di fabbricazione per fusione Sistemi di alimentazione Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Calcolo della portata Sistemi di alimentazione ne terminale del one olata Calcolo della portata Lucidi di Tecnologia Meccanica Dimensionamento sezion Vtot Q tr canale di col V Q tot tr v 2 gh tc Dimensionamento della sezione terminale del canale di colata Nelle ipotesi di fluido incomprimibile, in mdioto stazionario privo di severe turbolenze 18 Università degli Studi di Perugia – Facoltà Ingegneria (Re<20000) si può dimostrare che la sezione terminale del canale di colata può essere tc tc Includendo le perdite di carico: dimensionata secondo la seguente equazione: Q Atc v A Q vtc In cui: vtc c 1 25 c 2 gh Processi di fabbricazione per fusione IL SISTEMA DI COLATA Dimensionamento della sezione terminale del canale di colata Le condizioni precedentemente elencate possono essere garanJte con un apposito di Sistemibdiacino alimentazione Lucidi di Meccanica Tecnologia Meccanica Sistemi di alimentazione Lucidi di Tecnologia colata: Premessa - bacino di colata Premessa - bacino di colata 1. entra Il liquido 1. Il liquido in entra in caduta libera nel bacino caduta libera nel bacino 3. Il liquido si 3. “stabilizza” Il liquido si “stabilizza” all’interno delall’interno bacino del bacino 4. Filtri bloccano impurità e 4. Filtri bloccano impurità e prodotti della ossidazione prodotti della ossidazione 2. L’impatto del liquido in caduta libera viene del liquido 2. L’impatto attutito in caduta libera viene attutito 5. Il liquido accelera per effetto 5. Il liquido della gravità all’interno delaccelera canale per effetto di colata della gravità all’interno del canale di colata Processi di fabbricazione per fusione Sistemi di alimentazion Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Dimensionamento sezioni intermedie del canale di colata Dimensionamento delle sezioni intermedie del canale di colata Le sezioni intermedie vanno dimensionate tenendo conto della conJnuità del fluido 1 h2 2 3 h3 v2 2 gh2 v3 2 gh3 A2 v2 A3v3 A2 2 gh2 A2 A3 2 gh3 2 gh2 A3 2 gh3 h3 h2 Processi di fabbricazione per fusione Sistemi di alimentazione Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Dimensionamento canale di distribuzione Dimensionamento del canale di distribuzione Anche in questo caso occorre tenere conto della conJnuità del flusso A valle di questo punto non è più importante che il moto sia pressurizzato canale di distribuzione Atc Si utilizza soltanto l’equazione di continuità Ad Ad Esempio: canale di distribuzione a due ramificazioni attacco di colata Atc vtc 2 Ad vd Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria In genere il canale di distribuzione si dimensiona in modo da rallentare il fluido 27 Sistemi di alimen Lucidi di Tecnologia Meccanica Processi di fabbricazione per fusione alimentazione Dimensionamento attacchiSistemi didicolata Lucidi di Tecnologia Meccanica IL SISTEMA DI COLATA Dimensionamento degli aPacchi Dimensionamento attacchi di colata Anche qui si utilizza soltanto l’equazione di continuità canale di colata canale di distribuzione nale di tribuzione Aa va Ad Atc A attacco di colatad attacco di colata Ad vd Aa Aa Tipica soluzione adottata: Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria Atc : Ad : Aa 4 : 8 :1 Processi di fabbricazione per fusione Lucidi di Tecnologia Meccanica Sistemi di alimentazione Verifica di turbolenza IL SISTEMA DI COLATA Verifica della turbolenza e nel canale di colata si verifica turbolenza, l’equazione di Bernoulli non è più valida, non riesce a cgarantire moto e non si riesce ad l’ingresso di aria Se nel anale di cil olata si vpressurizzato erifica turbolenza, l’equazione di Bimpedire ernoulli non è più valida, non si riesce a garanJre il moto pressurizzato e non si riesce ad impedire l’ingresso di aria. La presenza di turbolenza si verifica calcolando La presenza di turbolenza si verifica calcolando il numero di Reynolds nella sezione più l numero di Reynolds nella sezione più esposta esposta a questo a questo rischio (Atc) rischio (Atc) Re vtc Dtc Il moto turbolento si verifica per Re>4000. Aitcn esame è sufficiente verificare che Per il dimensionamento non ci sia severa turbolenza (verificare che Re<20.000) Se Re>20000 si può agire su velocità e diametro idraulico. Il moto turbolento si verifica per Re>4000. Si può diminuire h. Ma aPenzione all’ingombro della materozza e del gePo. PerSi il pdimensionamento in esame è sufficiente uò diminuire la sezione terminale, ma bisogna fare aPenzione alla diminuzione della verificare ci sia severa turbolenza portata che e al non conseguente aumento del tempo di riempimento. Occorre valutare che questo (verificare che Re<20.000) nuovo tempo di riempimento sia compaJbile con il tempo criJco di solidificazione. Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 30 Tecniche di fusione in forma transitoria Il caposJpite dei processi in forma transitoria è la formatura in terra naturale, in cui il materiale di formatura è terra naturale cosJtuita da silice (il refraPario) e argilla (legante). Nell’industria moderna questa tecnica è stata abbandonata a causa della difficolta di mantenere costanJ le caraPerisJche tecniche della forma. La qualità della terra è soggePa a variazioni legate alla sua estrazione. Il materiale da formatura nei processi in forma transitoria è comunque cosJtuito da: -‐ Silice granulare che ha la funzione di refraPario -‐ Un legante, argilloso o di altro Jpo, che garanJsce la coesione della forma -‐ AddiJvi che servono a correggere alcune caraPerisJche del materiale di formatura Le principali caraPerisJche tecnologiche dei materiali da formatura sono: -‐ RefraParietà -‐ Coesione -‐ Permeabilità -‐ Scorrevolezza (capacità di copiare bene la forma del modello soPo azioni esterne – compressione, vibrazioni, ecc.) -‐ Sgretolabilità Tecniche di fusione in forma transitoria I processi in forma transitoria si differenziano essenzialmente per il Jpo di legante uJlizzato nel materiale da formatura. Questo influenza anche le leghe uJlizzabili nel processo. Il Jpo di legante determina anche il processo uJlizzato per l’indurimento. -‐ Meccanico: compressione e vibrazioni -‐ Chimico: basato su reazioni chimiche -‐ Termico: basato sul riscaldamento del legante Ad ogni procedimento di indurimento sono associaJ diverse tecniche di processo Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA IN TERRA SINTETICA Il legante uJlizzato in questo processo è la BENTONITE una argilla in cui il componente a`vo è la MONTMORILLONITE. Il legante varia da un 4% a un 10% nella formulazione della terra. Gli addiJvi Jpici sono: -‐ Amido: per rendere la terra più plasJca -‐ Farina di cereali: per minimizzare dife` della forma -‐ Pece macinata: tende a controllare possibili reazioni del metallo con La formatura si basa su azioni di compressione (in pressa) e vibrazione la forma Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA IN TERRA SINTETICA Questo processo si può applicare a metalli ferrosi e non. Generalmente non si producono con questa tecnica pezzi con un peso complessivo superiore a 100 – 150 kg Il gePo è caraPerizzato da bassa qualità superficiale e bassa precisione dimensionale FORMATURA IN FOSSA Si può eseguire con gli stessi materiali della formatura in terra sinteJca oppure con terre con legante ad indurimento chimico. La forma viene ricavata direPamente nel pavimento che viene scavato (fossa) appositamente per questo. Il processo non fa uso di nessuna staffa di supporto per la forma. La preparazione della forma avviene manualmente, e fa uso di modelli. Generalmente questo processo si applica a pezzi molto grandi (fino a 100 Ton), quindi si usa scomporre la forma in diversi tasselli come in puzzle tridimensionale. Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA IN FOSSA Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA AL CO2 Legante cosJtuito da Silicato di Sodio o vetro sulubile (al 3-‐7%) Il processo si basa sulla seguente reazione chimica Che porta alla formazione di carbonato di sodio e silice amorfa che provoca il consolidamento della massa. AddiJvi Jpici sono resine fenoliche ed ureiche che facilitano la disgregazione e il compaPamento Si usa per leghe non ferrose fino a ge` di grandi dimensioni (100 Ton). Buona finitura superficiale e precisione dimensinale Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA IN SABBIA CEMENTO Il legante è cosJtuito da cemento e acqua. L’indurimento avviene con le Jpiche reazioni di idratazione dei materiali cemenJzi. Per i modelli su usa spesso il polisJrolo. La conducibilità termica della forma è molto buona. Scarsa precisione dimensionale e finitura superficiale Pezzi tra 1kg e 30 Ton Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA IN COLD-‐BOX L’indurimento della forma avviene a freddo grazie alla reazione di cura di una resina termoindurente. Il catalizzatore è generalmente un gas. Processo Ashland: Resina formofenolica e poli-‐isocianato; i catalizzatori sono trieJlammina e dieJlammina. Buona finitura e precisione Ge` da 1 a 100kg Processo SO2 Resina fenolica o furanica con un perossido (MEK – meJleJlchetone) Indurente SO2 e acqua Ge` fino a 40Ton Buona precisione e finitura Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA SHELL-‐MOLDING Il legante è resina fenolica (2-‐4%) che avvolge la silice con uno spessore so`lissimo. Si può avere sabbia prerivesJta. La sabbia prerivesJta viene spruzzata sul modello che a sua volta viene portato in temperatura in modo da indurire la forma. Le forme sono cosJtuite generalmente da due gusci. La caraPerisJca principale è una notevole permeabilità della forma che rende praJcamente assenJ dife` di soffiatura. Per contro si possono eseguire piccoli ge`, max 30kg, con una buona precisione dimensionale e finitura superficiale. Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA MICROFUSIONE Applicazione industriale del metodo a cera persa. Realizzazione dei modelli in cera tramite iniezione in conchiglia. Il vantaggio è che non ci sono problemi di soPosquadri, angoli di sformo, complessità geometriche ecc. I modelli si assemblano a formare grappoli di modelli A questo punto esistono due possibilità. Preparazione di una miscela refraParia a base di zirconia molto fine legata con eJlsilicato. Si versa la miscela intorno al grappolo e si favorisce la sua adesione con azioni di vibrazione. Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA MICROFUSIONE Si indurisce la forma in temperatura che implica l’estrazione della cera (diventa liquida e defluisce dalla forma. Nel secondo approccio il grappolo viene immerso in una vasca contenente materiale ceramico. Quando ancora il materiale ceramico è allo stato liquido vengono spruzzate parJcelle refraParie. Si ripete il ciclo fino al raggiungimento dello spessore desiderato per il guscio Segue coPura del guscio ed eliminazione della cera Tecniche di fusione in forma transitoria FORMATURA MICROFUSIONE Metodo applicabile ad ogni Jpo di lega. Occorre considerare nel dimensionamento del modello il doppio riJro di cera e metallo Di solito molto impiegato per piccoli ge` (5kg) Buonissimo livello di precisione dimensionale. PROCESSO POLICAST Fa uso di sola sabbia come materiale per la formatura Il modello è in polisJrolo rivesJto con una vernice refraParia Il polisJrolo pirolizza per effePo della colata di metallo fuso, la vernice refraParia fa si che la forma venga mantenuta e la sabbia non si sgretoli in fase di colata. Generalmente si fa uso di grappoli di modelli. Per favorire la formatura si fa uso di vibrazione della sabbia. I modelli sono a perdere (cosJ legaJ a questo) la sabbia invece è riciclabile completamente. Molto uJlizzato per componenJ in ghisa
