Universit degli Studi di Roma Tor Vergata Gruppo

Università degli Studi di Roma “Tor Vergata” Gruppo Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Esercitazione di Tecnologia Meccanica I “Progetto di un grezzo di fonderia”

DISEGNO DEL FINITO n Raccordi non quotati 2 mm, smussi non quotati 1 mm a 45° n 500 pz da realizzare 2

SCELTA DEL MATERIALE È dettata da: n gli impieghi cui il pezzo è destinato n considerazioni truciolo circa la lavorabilità nel processo di asportazione di Fe. G 520 (Acciaio con caratteristiche medie di resistenza meccanica) 3

ATTIVITÀ PRODOTTO FATTORI CONSIDERATI FATTORI TECNOLOGICI (FONDERIA + LAVORAZIONI SUCCESSIVE) FATTORI ECONOMICI 1 PROGETTO DEL GREZZO DISEGNO DEL GREZZO -Scelta del piano di divisione delle staffe -Scelta anime o forature successive -Raggi di raccordo -Variazione degli spessori (Metodo dei cerchi) -Sovrametalli FATTORI TECNOLOGICI (FONDERIA) ED ECONOMICI 2 PROGETTO DEL MODELLO DISEGNO DEL MODELLO -Tipo e materiale del modello -Ritiri -Portate d’anima -Dimensioni del getto FATTORI TECNOLOGICI (FONDERIA) 3 PROGETTO DEL SISTEMA DI ALIMENTAZIONE (MATEROZZE) NUMERO, DIMENSIONE E POSIZIONE DELLE MATEROZZE 4 PROGETTO DEL SISTEMA DI COLATA TIPO E DIMENSIONI CANALI DI COLATA, CANALI DISTRIBUTORI, ATTACCHI DI COLATA 5 PROGETTO FORMATURA E STAFFE PROCESSO DI FORMATURA, TIPO E DIMENSIONI DELLE STAFFE 6 CALCOLO DELLE SPINTE METALLOSTATICHE PESI E/O SERRAGGIO STAFFE (Per evitare il sollevamento della staffa superiore) -Numero: Raggi di influenza -Dimensione: Capacità di alimentazione -Posizione: Solidificazione direzionale FATTORI TECNOLOGICI (FONDERIA) -Dimensioni del getto -Tempo di riempimento -Vincoli sul tempo di riempimento FATTORI TECNOLOGICI ED ECONOMICI -Scelta della terra di fonderia -Più pezzi colati insieme -Dimensioni delle staffe FATTORI TECNOLOGICI -Geometria della cavità -Presenza di anime -Peso della staffa superiore 4

SCELTA DEL PIANO DI DIVISIONE n n Risolvere i SOTTOSQUADRI ANGOLI DI SFORMO (Per facilitare l’estrazione del modello in fase di formatura) Da Tabella 1 scegliamo =2° Le superfici inclinate del getto verranno lavorate successivamente nel ciclo di asportazione di truciolo! VANTAGGI: n Superficie Piana n Anima Verticale n Facilità nella collocazione di Materozze n Unico Modello (Placca Modello) 5

FORI E CAVITÀ n n I fori di piccolo diametro sulla superficie superiore ed inferiore saranno realizzati durante il ciclo di lavorazione La cavità centrale può essere ottenuta nel ciclo di fonderia utilizzando un’anima. L’applicabilità dell’anima dipende dalla robustezza dell’anima stessa e della sollecitazione cui è sottoposta D = 32 mm s = 16 mm, L=194 mm Non può essere utilizzata un’anima passante in quanto non è rispettata la condizione 3 s<D consigliata in Tabella 2 6

FORI E CAVITÀ D = 50 mm s = 25 mm, L = 100 mm. Pertanto siamo nel caso 2 s≤D≤ 3 s e, nel caso di foro cieco, risulta L≤ 2 D. Quindi l’anima resiste alle sollecitazioni cui è sottoposta (Tabella 2). Anima a sbalzo 7

RAGGI DI RACCORDO Sono necessari per: n ridurre la concentrazione delle tensioni durante il raffreddamento n limitare gli accumuli di metallo n evitare le zone di erosione della forma La misura dei raccordi è consigliata in Tabella 3 8

VARIAZIONE DEGLI SPESSORI METODO QUALITATIVO DEI CERCHI DI HEUVER n Per evitare velocità di raffreddamento troppo diverse tra parti adiacenti, e le conseguenti tensioni di ritiro, occorre che la variazione tra i raggi dei cerchi tangenti non superi il 30%. n Nel nostro caso la condizione non è rispettata: occorre modificare gli spessori. Lo facciamo adottando un’anima opportunamente sagomata LIMITI del metodo dei cerchi: n il problema è considerato nel piano n si approssimano con cerchi geometrie non circolari n non si tiene conto di effetti di bordo o della presenza di raffreddatori, . . . 9

SOVRAMETALLI n n n Sulla superficie superiore, inferiore e sulla superficie interna è richiesta una certa finitura Occorre prevedere del sovrametallo per le successive lavorazioni alle macchine utensili L’entità del sovrametallo su ogni superficie è consigliata in Tabella 4 Esempio: n superficie A n Dimensione nominale Dn= 194 mm (distanza da un piano di riferimento) n Massima dimensione del getto Dmax= 300 mm (diametro base) scegliendo una tolleranza “B” il sovrametallo da prevedere è s= 6 mm n superficie B n n Dn = 34 mm Dmax= 300 mm s= 4 mm 10

DISEGNO DEL GREZZO 11

PROGETTAZIONE DEL MODELLO n RITIRI Per ottenere il grezzo desiderato occorre maggiorare le dimensioni del modello per compensare il ritiro del getto in fase solida durante il raffreddamento Coefficiente moltiplicativo 1. 8 % (Vedi Tabella 5) n PORTATE D’ANIMA Visto l’elevato numero di pezzi da realizzare e le loro piccole dimensioni, utilizziamo delle placche modello in acciaio Placca superiore Portata d’anima Placca inferiore 12

ANDAMENTO QUALITATIVO DEL VOLUME DEL GETTO VOLUME SPECIFICO Ritiro in fase liquida compensato dalle MATEROZZE Ritiro in fase solida compensato dal MODELLO TAMB TFS TIS TCOLATA log T 13

DISEGNO DEL MODELLO n Le misure del modello vanno rilevate con un metro al ritiro dell’ 1. 8% (Vedi Tabella 5) 14

ANALISI TERMICA n n n È necessario che le ultime parti a solidificare siano le MATEROZZE (Per evitare CAVITÀ DI RITIRO nel pezzo) L’istante di inizio solidificazione è proporzionale al MODULO TERMICO: CALCOLO DEI MODULI TERMICI Scomposizione del pezzo in diverse zone 15

ANALISI TERMICA 16

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ANALISI TERMICA 19

ANALISI TERMICA 20

ANALISI TERMICA ZONA MODULO TERMICO A 12. 4 B 10. 0 C 13. 3 D 15. 1 E 13. 3 ME=13. 3 MD=15. 1 MC=13. 3 MB=10. 0 MA=12. 4 21

ANALISI TERMICA Per ottenere una buona solidificazione direzionale occorre che: n I moduli termici delle parti adiacenti crescano gradualmente fino alla parte che solidifica per ultima (almeno 10%) n La variazione tra i moduli termici adiacenti risulti contenuta (non più del 30%) per evitare tensioni di ritiro Desideriamo ottenere una solidificazione che parta dal basso e termini in alto (da A ad E) Occorre quindi che: MA < MB < MC < MD < ME E Materozza su E ME=13. 3 MD=15. 1 MC=13. 3 MB=10. 0 A n n MA=12. 4 La zona A deve assumere modulo termico minore della zona B, mentre la zona E deve assumere modulo termico maggiore della zona D. Bisogna intervenire con dei raffreddatori nella zona A che accelerino la solidificazione e coibentare la zona E per ritardarne la solidificazione, oppure occorre raffreddare la zona D. 22

DIMENSIONAMENTO DELLA MATEROZZA n n Il modulo termico della zona E è ME= 13. 3 mm. La presenza dei riscaldatori deve indurre un aumento di almeno il 10% di M D. Pertanto si può assumere che ME=16. 6 mm Il modulo della materozza posta sulla zona E deve essere: MM ≥ 1. 2 ME ≥ 1. 2 16. 6 =19. 9 mm Scegliendo la materozza tale che H=1. 5 D, dalla Tabella 6 ASSOFOND, considerando MM = 2. 0 cm n n n VM = 1. 5 l WM = 10 kg DM = 107 mm HM = 160 mm Ø 107 160 Ritiro del getto in fase liquida: n n TCOLATA= 1560 °C Acciaio con 0. 2 % Carbonio Da Tabella 7 Ritiro 4% n Da Tabella 6 ASSOFOND con un ritiro del 4%, la materozza può alimentare un getto di peso e volume fino a : n n n W = 29. 6 kg V = 3. 8 l Il getto in questione rispetta ampiamente tali limiti (volume del getto circa 2. 9 l). 23

DIMENSIONAMENTO ATTACCO MATEROZZA I valori consigliati sono (“Giusti- Santochi”) (vedi Tabella 8): n n D d= 0. 40 D L=0. 14 0. 18 D L d Nel nostro caso D= 107 mm n n d= 43 mm L=17 mm (L=0. 16 D) 107 41 64 24

VERIFICA DEL RAGGIO DI INFLUENZA MATEROZZA n Consente di verificare qualitativamente se la materozza è in grado di alimentare tutti gli spessori del getto. Se così non fosse, occorrerebbe prevedere altre materozze (e/o l’utilizzo di raffreddatori) n Gli spessori del getto (“raddrizzati nel piano”) possono essere così schematicamente rappresentati: 83 31 36 23 66 104 n La Tabella 9 indica che la materozza è in grado di alimentare tutti gli spessori. Inoltre, siamo in condizioni di sicurezza per la presenza dei raffreddatori alle estremità. 25

VERIFICA DEL RAGGIO DI INFLUENZA MATEROZZA n Nel caso di materozze poste su corone circolari, oltre alla verifica nello spessore, occorre verificare la capacità di alimentazione “radiale”. Materozza RMEDIO Getto Anima Si “raddrizza” la corona circolare e la si approssima ad una piastra: La massima distanza tra due materozze è 4 T: il numero di materozze deve essere: DMAX =4 T RMAT T 26

IL SISTEMA DI COLATA Bacino di colata Materozza Canale di colata Collettore Attacco di colata n Scegliamo un sistema pressurizzato con canale cilindrico, collettore ed attacchi singoli triangolari SISTEMA PRESSURIZZATO n VANTAGGI Evita il risucchio di aria esterna n SVANTAGGI Velocità più elevata negli attacchi Occorre dimensionare: n Sezione del canale di colata SC n Sezione del collettore SD n Sezione dell’attacco di colata SA 27

DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA DI COLATA n CALCOLO DEL TEMPO DI RIEMPIMENTO (FORMULA DI DITERIT) G = peso del getto = VG = 22. 7 kg Il tempo di riempimento deve essere: n Inferiore al tempo massimo che la forma esposta all’irraggiamento del metallo liquido può sopportare senza danneggiarsi (Tabella 10) Utilizzando una terra sintetica TMAX = 20÷ 60 s OK! n Inferiore al tempo di inizio solidificazione calcolato con la formula “ASSOFOND” (Tabella 10) Nel nostro caso TMAX 60 s OK! n Non si può scegliere un tempo di riempimento troppo breve e ciò per evitare di avere velocità troppo elevate che danneggerebbero la forma (v 1 m/s) 28

DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA DI COLATA n CALCOLO DELLA PORTATA MEDIA VG = volume del getto Tr = tempo di riempimento VG = 2 2. 91 dm 3= 5. 82 dm 3 Qm= 5. 82/9. 5 = 0. 61 dm 3/s n CALCOLO DELLA VELOCITÀ H deve tenere conto della hi contropressione Considerando le dimensioni del getto e delle materozze ed avendo deciso di colare due getti nella stessa forma, scegliamo la staffa superiore di dimensione 600 800 400 (a b h, Tabella 11) hi = 400 mm, hf hf = 206 mm 29

DIMENSIONAMENTO DEL SISTEMA DI COLATA n CALCOLO DELLA SEZIONE DEGLI ATTACCHI DI COLATA SA PER UN SISTEMA PRESSURIZZATO dato che gli attacchi alimentano due getti, la sezione del singolo attacco è 1. 95 cm 2. Per un sistema pressurizzato SC : SD : SA = 4 : 3 : 2 quindi SA = 1. 95 cm 2, SD = 2. 92 cm 2 , SC = 3. 90 cm 2 Dalla Tabella 12: n n n SA = 200 mm 2 SD = 282 mm 2 SC = 380 mm 2 (20 20) (22 26) (Ø 22) 30

LA FORMATURA Vista l’esigenza di produrre un pezzo di piccole dimensioni su larga scala, utilizziamo delle placche-modello PLACCA SUPERIORE PLACCA INFERIORE Il modello del canale di colata, del bacino di colata e della materozza è allestito su una piastra che viene premuta sulla staffa superiore 31

LA FORMATURA 1. si posiziona la staffa sulla macchina 2. si abbassa la staffa e si realizza l’accoppiamento placca-staffa. si posiziona il modello del canale di colata, del bacino di colata e della materozza 32

LA FORMATURA 3. si riempie la staffa con la terra di fonderia 4. si realizza la formatura con il metodo di vibro-compressione 33

LA FORMATURA 5. si disaccoppiano la staffa e la placca, si innalza la staffa e si rimuove la piastra 6. si rimuove la staffa dalla macchina 7. si opera una rifinitura a mano, una pulitura ed un controllo generale 8. si ripetono i passi dall’ 1 al 4 per la staffa inferiore 9. si procede all’indurimento: le resine indurenti fanno si che esso avvenga in un tempo relativamente breve e a freddo, quindi con notevole risparmio di energia rispetto alle tecniche usano forni essiccatori. Questo tipo di indurimento fornisce inoltre buona finitura superficiale e tolleranze più ristrette rispetto a quelle in terra naturale 10. posizionamento serraggio viti dell’anima, del filtro, accoppiamento staffe e 34

SPINTE METALLOSTATICHE h 1 h 2 B A B r 3 r 2 r 1 = 150 mm r 2 = 50 mm r 3 = 32 mm h 1 = 370 mm h 2 = 272 mm A r 1 p 0 = p h=0 p 0= 0 per h=0 n ACCIAIO LIQUIDO = 7. 8 kg/dm 3 n N. B. la superficie superiore non esercita alcuna spinta perché sopra di essa è collocata la materozza 35

SPINTE METALLOSTATICHE le spinte metallostatiche possono anche essere calcolate come il peso del volume tratteggiato h 1 h 2 r 3 r 2 r 1 le spinte metallostatiche devono essere contrastate dal peso della staffa superiore VERIFICA 36

SPINTE METALLOSTATICHE CALCOLO DEL PESO APPROSSIMATO DELLA STAFFA SUPERIORE 800 600 VS = VTOTALE STAFFA – 2 VMATEROZZA – 2 VGETTO = =192 - 2 1. 5 - 2 2. 9 = 183 dm 3 400 considerando che SABBIA = 2. 7 kg/dm 3 il peso della staffa superiore è FS = VS = 494 kg FS > FTOT Le spinte metallostatiche sono contrastate dal peso della staffa superiore. Se così non fosse stato, sarebbe stato necessario aggiungere dei pesi sulla staffa superiore e/o dimensionare opportunamente le viti serraggio delle staffe. 37

SPINTE METALLOSTATICHE 38

Tabella 1 39

Tabella 2 40

Tabella 3 41

Tabella 4 42

Tabella 5 43

Tabella 6 44

Tabella 7 45

Tabella 8 46

Tabella 9 Raggio di influenza R=k·S S spessore medio del getto nella zona di attacco della materozza Valori di k acciaio 3. 5 -5 ghisa 5 bronzo 5 -8 leghe leggere 5 -7 47

Tabella 10 Dati per Formula ASSOFOND del Tempo massimo di Colata Coefficiente di riduzione: C = 0. 85 Peso specifico metallo: 1 = 7. 8 kg/dm 3 Peso specifico sabbia: 2 = 2. 7 kg/dm 3 Calore specifico metallo: Cp = 0. 20 kcal/(kg °C) Calore specifico sabbia: Cp = 0. 19 kcal/(kg °C) Diffusività termica: h = 0. 001785 dm/s 0. 5 Temperatura di colata: Θc = 1560 °C Temperatura di liquidus: Θl = 1490 °C Fattore di forma: w = 0. 95 48

Tabella 11 49

Tabella 12 50