Processi di Fonderia: Tecniche di Stampaggio, Fusione e Metrologia Industriale

Metodi di Stampaggio

Formatura a Mano

Come suggerisce il nome, tutte le operazioni sono manuali. Questo metodo richiede personale altamente qualificato ed è adatto solo per un piccolo numero di pezzi o per parti molto complicate che non possono essere realizzate con altri metodi.

Stampaggio Meccanico

Nelle fonderie a grande produzione e nella produzione in serie, i metodi manuali per la fabbricazione di forme e anime sono sostituiti dallo stampaggio meccanico, che offre i seguenti vantaggi:

• Non è necessario personale altamente qualificato.
• Il personale specializzato può essere utilizzato in modo più razionale, liberandolo da operazioni ausiliarie.
• Permette all'operatore di acquisire rapidamente la capacità di produrre gli stampi per la lavorazione, mentre l'apprendimento manuale è più lento.
• È possibile ottenere pezzi complicati in modo accurato e rapido.
• Si possono ottenere pezzi con pareti molto sottili.
• Gli stampi assumono una compattezza più uniforme e una maggiore resistenza, con cui i pezzi risultano meglio rifiniti.
• Facilita l'operazione di sformatura (stripping) senza danneggiare lo stampo, risparmiando così sui costi di riparazione.
• Si riduce il numero di pezzi difettosi e si migliora la qualità.

Fusione in Stampi Metallici (Conchiglie)

Gli stampi di metallo, chiamati anche conchiglie, sostituiscono vantaggiosamente la sabbia quando si tratta di realizzare grandi serie dello stesso pezzo. Sono composti da due parti principali: un corpo fuso che dà la forma esterna del pezzo, che è sempre metallico, mentre i maschi (o anime) riproducono i centri cavi o le parti di arrivo e possono essere metallici o in sabbia.

Il materiale più usato per fabbricare il corpo dello stampo è la ghisa a grana fine. La durata della conchiglia dipende dal tipo di materiale utilizzato nella fabbricazione, dal materiale fuso e dalla cura con cui viene manipolata. Un getto ben fatto e ben utilizzato può spesso resistere alla fusione di 20.000 a 40.000 pezzi senza alterazioni di rilievo.

I principali vantaggi della pressofusione sono:

• Si raggiunge una maggiore precisione nelle dimensioni rispetto alle parti in sabbia.
• Il ritiro lineare è minore.
• È necessario meno spazio e movimentazione dei materiali.
• Ogni volta che si desidera effettuare serie di oltre 1.000 pezzi, costa meno rispetto alla sabbia.

I suoi principali problemi sono:

• L'elevato costo delle conchiglie e degli accessori.
• I tempi e i costi di sviluppo della produzione di ciascun pezzo.

Pressofusione (Die Casting)

Differisce dalla pressofusione per gravità in quanto il metallo liquido o pastoso viene introdotto nella cavità dello stampo sotto pressione. Questo facilita il rapido riempimento dello stampo e la riproduzione fedele dei dettagli più fini. Garantisce anche l'eliminazione della porosità nelle sezioni solide del pezzo. La pressione deve essere tanto più elevata quanto maggiore è la tendenza della lega a presentare pori e soffiature. I pezzi, dopo la colata, vengono rimossi completamente finiti e non richiedono lavorazioni successive. La struttura metallica è a grana fine e presenta proprietà meccaniche molto elevate.

Processi di Fusione Speciali

Shell Molding (Stampaggio a Guscio)

Consiste essenzialmente nell'ottenere uno stampo con un guscio sottile di sabbia silicea legato con resine termoindurenti sintetiche, poi messo su un modello in metallo su piastra riscaldata a una temperatura adeguata. Questo processo viene svolto su macchine seguendo questi passaggi:

• Riscaldamento della piastra modello a 200 °C.
• Spruzzatura della piastra con un agente distaccante al silicone per facilitare la sformatura.
• Posizionamento della piastra su un serbatoio parzialmente riempito con la miscela di sabbie.
• Inversione del serbatoio: la sabbia cade sulla piastra modello da un'altezza di 15 a 30 cm, e da quel momento comincia a formarsi il guscio.
• Il serbatoio viene nuovamente girato con la piastra modello nella sua posizione originale, in modo che la sabbia non legata ricada nel serbatoio, lasciando solo il guscio a contatto con il modello.
• La piastra con il guscio attaccato viene portata in un forno dove completa la sua tempra, riscaldando a una temperatura tra i 350-450 °C per 2 minuti.

Fusione a Cera Persa (Microfusione)

È effettuata come segue:

• Si crea un modello in cera dell'oggetto da plasmare.
• Questo modello è ricoperto di uno spesso strato di gesso misto a sabbia silicea.

Dopo l'asciugatura all'aria, il modello in cera con il rivestimento viene cotto in un forno; la cera si scioglie e fuoriesce, lasciando il rivestimento che forma lo stampo vero e proprio, riproducendo con grande accuratezza la superficie esterna del modello in cera.

Questo processo è ampiamente usato per la fabbricazione di piccole parti in serie che si ottengono con ottima finitura superficiale e precisione, rendendo inutile la lavorazione. Con questo metodo si ottengono i seguenti elementi: frese e pezzi di acciaio ad alta velocità, palette della turbina a vapore e motori a getto in acciaio inossidabile o leghe refrattarie, forbici chirurgiche in acciaio martensitico, piccoli magneti permanenti di forme complesse, parti per macchine tessili, macchine per cucire, armi automatiche, motori a combustione, utensili, calibri, stampi e parti di elettrodomestici.

I limiti di questa procedura sono dovuti al costo relativamente elevato e alla dimensione limitata dei pezzi, che di solito sono meno di 500 grammi. La stragrande maggioranza non supera i 30 g, ma si è riusciti a ottenere parti fino a 20 kg.

Colabilità e Ispezione dei Gettoni

Colabilità

Anche se il sistema di canali di distribuzione è perfettamente progettato, è possibile che il metallo cominci a solidificarsi prima di aver riempito completamente lo stampo, soprattutto nelle parti più sottili. Per evitare che ciò accada, la lega dovrebbe avere una colabilità adeguata, intesa come la sua attitudine a riempire completamente la cavità dello stampo. Dipende dalla quantità di calore che il metallo può perdere prima della solidificazione e, di conseguenza, dalla temperatura di surriscaldamento. Dipende anche dalle condizioni di raffreddamento del metallo nello stampo e dalla velocità di colata.

Ispezione dei Gettoni (Casting)

I metodi più comuni sono:

• Esame Visivo: Questo dovrebbe essere fatto immediatamente dopo la rimozione, al fine di evitare costi di pulizia per pezzi con difetti visibili.
• Controllo Dimensionale: Con calibri speciali, se il numero è grande, o con una tabella di layout, se è piccolo.
• Prova Acustica: Viene fatta colpendo il pezzo appeso a un gancio con un martello di legno. Dal suono prodotto si può dedurre se il pezzo presenta rotture interne.
• Controlli Non Distruttivi: Utilizzando i metodi a particelle magnetiche, liquidi penetranti, raggi X e ultrasuoni.
• Esame Metallografico: Per determinare granulometria e microporosità.
• Prove Meccaniche: Come trazione, durezza, compressione, flessione, fatica, ecc.
• Analisi Chimica: Per verificare se la composizione è rimasta entro i limiti desiderati.
• Finitura di Superficie: Valutazione della stessa con il profilometro.

Metrologia Industriale

Precisione nell'Industria

Il grande sviluppo industriale negli ultimi due secoli è stato reso possibile dal gran numero di prodotti realizzati con qualità e a un prezzo accettabile. Si è completamente abbandonato il processo tradizionale in cui una persona o poche persone conducevano un processo complesso in tutti i suoi aspetti, dando il via a un processo di produzione di massa in cui un operatore realizza molti pezzi. La produzione di massa, così imposta dal fattore economico, ha creato la necessità di garantire l'intercambiabilità, affinché l'assemblaggio di un complesso meccanismo possa essere fatto da qualsiasi insieme di componenti e si possa sostituire uno o più pezzi senza problemi.

Il raggiungimento di questi obiettivi ha costretto ad aumentare il controllo della qualità nella produzione, nonostante gli alti costi economici. Un aspetto di questo controllo è omogeneizzare i criteri di progettazione tramite la normalizzazione, l'uso delle tolleranze per effettuare le regolazioni del caso, il monitoraggio sistematico di macchinari, componenti e strumenti utilizzando calibri durante il processo di fabbricazione e, infine, il controllo finale dei meccanismi e l'uso di strumenti di misura contribuiscono a garantire che tutti i pezzi ottenuti con diversi dispositivi siano corretti e quindi intercambiabili. Oltre a realizzare l'intercambiabilità, lo sviluppo tecnico ha portato ad avere dettagli sempre più stretti. A questi fattori si aggiunge il controllo centralizzato delle parti attraverso tecniche di misurazione, che, quando si lavora nell'ordine del millesimo di millimetro, richiede applicazioni altamente specifiche. La parola 'controllo' comprende un vasto gruppo di operazioni dai cui risultati si deve decidere sull'accettazione o il rifiuto del prodotto in conformità con la qualità richiesta. Un gruppo di importanti operazioni nel settore manifatturiero è il controllo metrotecnico, la cui realizzazione è fornita dalla metrotecnica, che è la tecnica applicata della metrologia. La metrologia è la scienza della misurazione nel senso più ampio, ma la metrotecnica si concentra preferibilmente sui problemi dimensionali, focalizzando la propria attività su due fronti: uno che misura, cioè per mezzo di un valore adeguato si ottiene il numero di dimensioni, e l'altra, tramite comparatori o calibri, effettua il confronto con prototipi o sistemi di rappresentazione per controllare se le loro dimensioni sono o meno nel campo delle tolleranze stabilite.

Processo di Formatura (Conformità)

Formatura per Fusione (Casting)

La formatura per fusione (o colata) è un processo di formazione basato sulla fusione dei metalli. Si compone di una serie di operazioni con le quali si ottiene uno stampo (a perdere o permanente) in sabbia, metallo o materiale refrattario che riproduce la forma desiderata, e nel quale viene versato il metallo fuso fino a quando non si solidifica e si raffredda completamente. Il vantaggio principale di questa tecnologia di processo è che con il suo aiuto possono essere prodotti con facilità ed economia parti molto complicate come blocchi cilindri, teste dei cilindri per motori a combustione interna, carburatori, basamenti di macchine e attrezzi, ecc., che sono difficili o non ottenibili con altri metodi. Consente anche l'utilizzo di metalli e leghe non adatti alla formatura per deformazione o saldatura (es. ghisa grigia).

Operazioni Fondamentali

Fusione (Concentrazioni)

La fusione di metalli o leghe viene effettuata in diversi tipi di forni, ciascuno dei quali è adatto per ogni metallo o lega a temperature entro certi limiti: superiore a una temperatura minima affinché il metallo fuso abbia sufficiente fluidità e inferiore a una temperatura massima per evitare di bruciare il metallo o la perdita per vaporizzazione o ossidazione.

Stampaggio e Sformatura (Demolding)

Comprende innanzitutto la preparazione dello stampo. Per preparare la cavità dello stampo, si realizza una riproduzione del pezzo che si desidera fare, chiamata modello. Questo modello viene poi messo in una staffa riempita con sabbia e pressata con decisione. Dopo che il modello viene rimosso, rimane il foro che riproduce la parte. Questi stampi in sabbia sono chiamati stampi a perdere. Gli stampi refrattari sono chiamati stampi semi-permanenti e permanente quello metallico. Il metallo fuso viene versato in un'operazione chiamata colata e, una volta raffreddato, lo stampo viene aperto o rotto e il pezzo rimosso. Questa operazione è chiamata sformatura (stripping).

Operazioni di Finitura

Si procede alla pulizia della sabbia dai pezzi e alla rottura dei canali di colata che sono attaccati al pezzo, e vengono rifiniti o preparati per la lavorazione successiva. Metalli e leghe adatte per la fusione sono il ferro, il rame, l'alluminio, il magnesio, lo zinco, le loro leghe e le leghe antifrizione. Anche se in teoria tutti i metalli possono essere formati, di solito solo quelli più adatti a essere formati da questo processo vengono utilizzati, e ci sono anche leghe appositamente progettate, come quasi tutte quelle di rame.

Colata in Sabbia

Fin dai tempi preistorici sono state utilizzate forme in sabbia minerale. Le operazioni di base non sono cambiate, anche se sono state aggiunte macchine per automatizzare i compiti più gravosi e computer, ma le basi non sono cambiate. Oltre ad essere il metodo più antico, la formatura in sabbia è ancora il metodo preferito. Questo processo crea la cavità dello stampo per riprodurre la forma esterna del pezzo da colare. Di solito è ottenuta per compressione della sabbia attorno al modello, che viene eliminato in seguito. Pertanto, se lo stampo è ottenuto in questo modo, il metallo fuso lo riempie ottenendo un pezzo solido. Se sono necessarie cavità vuote, vengono posizionati degli elementi speciali chiamati anime (o nuclei), che non sono altro che blocchi solidi di sabbia e altri materiali la cui forma esterna riproduce l'interno del pezzo.

Piastra Modello

Generalmente consiste in un modello in legno, gesso, plastica o metallo montato su una lastra di metallo. Il metallo ha il vantaggio di essere più durevole, di fornire superfici più precise e lisce. Sono l'elemento chiave nello stampaggio meccanico.

Sabbie da Stampaggio

Le sabbie da fonderia, chiamate silico-alluminose, sono il materiale più comunemente usato per la fabbricazione di stampi e anime. Sono chimicamente composte da quarzo, argilla, calce e feldspato. Sono le più diffuse grazie alla loro facilità di produzione e al costo contenuto, ma vengono sempre più utilizzate sabbie più speciali per diversi motivi. Sono costituite da materiali più complessi e, sebbene costino di più, offrono una maggiore stabilità alle alte temperature rispetto alla silice ordinaria, producendo superfici migliori dei getti. Alcune di queste sabbie sono olivina, cromite, zircone e silicato di alluminio (staurolite). I più utilizzati sono i primi tre.

Tutte le sabbie naturali contengono sempre una percentuale variabile di acqua, generalmente inferiore al 10%, ma idealmente compresa tra il 5% e il 7%. Se la percentuale è più bassa, la resistenza meccanica della sabbia si riduce, aumentando il rischio di trascinare porzioni di stampo e formare inclusioni nel getto. Se la percentuale è più alta, il volume di vapore prodotto all'interno dello stampo aumenta, incrementando il rischio di soffiature e pori.