Elementi di fonderia e realizzazione di un getto in ghisa

ELEMENTI DI FONDERIA E REALIZZAZIONE DI UN GETTO IN GHISA

Fusione e colata

La fusione è un processo fisico nel quale le sostanze passano dallo stato solido a quello liquido; nel nostro caso, per poter effettuare la colata dei metalli o delle loro leghe , sarà necessario portarli a fusione , fornendo loro una certa quantità di calore.

Questa quantità di calore , che possiamo indicare con Q, risulta dalla somma delle tre quantità di calore seguenti :

Il calore di riscaldamento Q_r  : esso è la quantità di calore che bisogna fornire al materiale per elevare la sua temperatura dalla temperatura ambiente alla temperatura di fusione. Il calore di riscaldamento è dato dal prodotto del calore specifico medio del materiale da fondere ( cioè della quantità di calore necessaria per elevare di un grado la temperatura di un kg. di materiale ) per il peso del materiale da fondere e per la differenza fra la temperatura di fusione e la temperatura iniziale :

Q_{r =} C _sm1  P ( t_f - t_i )

Il calore latente di fusione Q_f : e cioè la quantità di calore necessaria per fondere il materiale , una volta che esso si trovi già alla temperatura di fusione ; tale quantità di calore è data dal prodotto del peso del materiale da fondere per il calore di fusione del materiale:

Q_f  = C_f P

Il calore di surriscaldamento Q_s . Bisogna infatti prevedere di riscaldare il materiale ad una temperatura superiore a quella di fusione, affinché il materiale giunga nella forma ancora sufficientemente fluido. Il calore di surriscaldamento si ottiene moltiplicando il peso del materiale da fondere per il calore specifico medio del materiale ( calcolato fra la temperatura di fusione e quella di surriscaldamento ) e per la differenza fra la temperatura di surriscaldamento e la temperatura di fusione :

Q_s = C _sm2  P (t_s - t_f )

La quantità di calore necessaria per fondere la carica metallica sarà in definitiva :

Q = Q_{r +} Q_{f +} Q_s

Fusione e colata della ghisa

Ghise impiegate in fonderia

La ghisa è il materiale più utilizzato nella produzione di getti a causa della sua scorrevolezza allo stato liquido, del suo ritiro contenuto e della non elevata temperatura di fusione.

Il materiale allo stato liquido viene prodotto rifondendo pani di ghisa di prima fusione , rottami di ghisa di acciaio.

Colata della ghisa

Per la raccolta della ghisa spillata in forno a manica e il suo trasporto alle forme da riempire si impiegano recipienti in lamiera rivestiti internamente di materiale refrattario, chiamati siviere. Le siviere possono venir manovrate dagli operai mediante appositi manici che permettono il rovesciamento per la colata nelle forme; i secchioni per la colata dei getti di gran mole vengono invece manovrati meccanicamente.

Secchia di colata

Siviera

Raccolta una quantità conveniente di ghisa nella siviera, si procede alla schiumatura , cioè dalla siviera tenuta inclinata si eliminano le scorie.

La colata può essere effettuata in vari modi.

I principali metodi sono :

colata diretta ( a )

colata a pioggia ( b )

colata a pettine ( c )

colata in sorgente ( d )

La colata diretta ha poi sempre l'inconveniente del pericolo che qualche impurità e scorie galleggianti penetrino col metallo fuso e rimangano incluse nel getto.

La colata a pettine e in sorgente offrono più garanzie riguardo al mantenimento dell'integrità della forma, ma sono economicamente meno favorevoli.

In figura sono rappresentati due tipi di colatoi per limitare il pericolo di inclusioni di ossidi e scorie; può essere inserito nel colatoio un filtro ceramico come si nota nella seconda figura

colata di un albero

Queste colate sono però convenienti se il getto ha volume sufficientemente grande in modo che il metallo giunga fino alla parte superiore della forma.

Con questi metodi di colata, per getti importanti si impedisce alle scorie di entrare nella forma arrestandole mediante l'impiego di adatti bacini depuratori o di filtri , costruiti in terra della migliore qualità.

Il canale di colata deve essere eseguito in modo che le sue sezioni vadano gradualmente riducendosi man mano che ci si avvicina alla forma. Questa conicità del canale di colata favorisce un riempimento uniforme e compatto e una maggior precisione dei getti.

Per la buona riuscita del getto, si muniscono le forme di opportune materozze. Questi mezzi sono di tipo conico, riempiendosi di metallo funzionano come serbatoi, alimentanti i getti durante la solidificazione, il metallo in essi contenuto mantiene una certa pressione sul metallo che riempie la forma , rendendo il getto più compatto e diminuendo il pericolo di soffiature e risucchi.

Infatti nelle materozze si raccolgono i gas che tendono a salire e che altrimenti rimarrebbero inclusi nel getto.

Fusione in terra

La forma è costituita da terra di fonderia e il getto è ottenuto versando il metallo liquido nella cavità ottenuta stivando la terra intorno ad un modello estraibile.

Il processo, dopo il progetto del pezzo, consiste nel:

Costruire il modello;

Preparare la terra;

Preparare la forma;

Effettuare la colata con il metallo fuso (Foto in figura sottostante)

Liberare il getto solidificato ( distaffatura).

Preparazione del modello

Il modello del getto da ottenere deve possedere le seguenti caratteristiche :

La forma deve essere uguale al pezzo finito;

Deve avere le dimensioni maggiorate per tener conto del ritiro del metallo durante la solidificazione e il successivo raffreddamento;

Deve essere estraibile senza rovinare la forma; di conseguenza non deve presentare sottosquadri e le pareti, a contatto con la terra e parallele alla direzione di estrazione, devono essere inclinate ( angolo di sformo o di spoglia);

Deve essere maggiorato, nelle parti interessate,dei sovrametalli per tener conto delle successive lavorazioni di finitura( fig. 141)

Nella figura sottostante è rappresentato l'uso di un modello scomponibile per renderlo estraibile dalla forma.

Se il getto è pieno e il modello è estraibile, il modello stesso è detto per interni o a tutta vista.

Se il pezzo è cavo, il modello deve essere dotato delle portate d'anima, ossia di parti sporgenti in grado di realizzare le cavità per posizionare l'anima

Il modello

Dicesi modello di un organo di macchine, l'apparato con il quale il fonditore può determinare la forma e le dimensioni di detto organo meccanico per ottenere uno o più esemplari uguali.

Il modello, in legno o in metallo, riproduce la sua forma entro miscele di terra da fonderia creando in tal modo una impronta o cavità detta forma che, riempita di metallo liquido, dopo la solidificazione di questo,dà il pezzo di macchina desiderato. Il pezzo cosi ottenuto dicesi pezzo grezzo o getto.

La tavola seguente illustra il procedimento per ottenere il getto; nelle figure della tavola sono rappresentati :

Il pezzo da fabbricare.

Il modello in legno.

Il modello, convenientemente disposto, entro la terra da fonderia.

La cavità o impronta lasciata dal modello.

La cavità riempita dal metallo, cioè il pezzo grezzo o getto.

Particolarità costruttive dei getti

Durante la fase di progettazione si devono seguire alcune norme per evitare che nel getto possano incorrere dei difetti. Si ricorda che spessori diversi si raffreddano in tempi diversi con diverse dilatazioni termiche, di conseguenza è opportuno :

Evitare spigoli vivi;

Evitare brusche variazioni di sezione;

Evitare, se possibile, l'incrocio di più nervature oppure alleggerire gli incroci stessi;

Raccordare fra di loro le pareti;

Prevedere spessori minori per le pareti o nervature interne;

Prevedere un numero dispari di razze nei volani, ruote dentate ecc.;

Sostituire,ove possibile,sezioni nervate a sezioni piene.

Categorie di modelli

I modelli più frequentemente usati sono costruiti in legno, in quanto questo materiale, per la sua facile lavorabilità, si presta alla realizzazione di forme anche le più complicate.

I modelli a seconda del numero dei pezzi da produrre e del modo con cui sono stati costruiti si possono suddividere in tre categorie:

Modello di prima : Quando si devono produrre un numero notevole di pezzi e la sua costruzione risulta eseguita nel migliore dei modi.

Modello di seconda : Quando serve per la produzione di almeno 50 pezzi e la sua costruzione è meno accurata della precedente.

Modello di terza : Quando serve per un solo pezzo e la sua costruzione è provvisoria.

I modelli si suddividono inoltre in piccoli, medi e grandi.

Modelli piccoli quando le dimensioni non superano, in qualsiasi posizione, 50-60 cm. Medi da 60 a 150 cm. Grandi oltre i 150 cm.

Materiali costituenti il modello

Modelli in legno : Come si è detto, essi costituiscono la categoria più numerosa di modelli data la facilità con la quale il legno si presta alla lavorazione.

Il modello in legno presenta però l'inconveniente di assorbire facilmente l'umidità , di risentire gli sbalzi di temperatura; ciò provoca delle tensioni interne e di conseguenza variazioni di volume che possono pregiudicare l'esattezza del modello.

Modelli metallici : Questi modelli, molto più costosi dei precedenti, vengono impiegati quasi esclusivamente nella formatura a macchina e servono per un forte numero di getti soprattutto quando si tratta di fusione in grandi serie, cosi pure quando sono richiesti pezzi con superfici finite. I modelli metallici presentano una maggiore precisione e rigidità di quelli di legno e in modo del tutto trascurabile risentono le variazioni di temperatura.

Preparazione delle terra

La lavorazione delle terre consiste nella rigenerazione delle terre non nuove e nella molazzatura.

La rigenerazione delle terre, che derivano da distaffatura di precedenti getti, consiste:

Nell'eliminazione delle parti metalliche;

Nell'eliminazione dei grumi di terra;

Nella stacciatura con l'eliminazione delle polveri.

La molazzatura consiste nella miscelazione della sabbia con gli additivi e l'acqua atomizzata. Lo scopo è quello di avviluppare i grani di sabbia inerte con l'argilla umida onde favorirne la coesione in fase di formatura.

Formatura

La formatura è l'operazione con la quale si ricava la cavità in cui verrà colato il metallo fuso e può essere :

In staffa: quando la terra è contenuta fra le pareti di una scatola senza fondo e coperchio;

Allo scoperto : quando la cavità è ricavata nel terreno e la faccia superiore del getto è scoperta e a contatto con l'aria; si utilizza per gettate imponenti e pezzi unici

In fossa : quando la cavità è ricavata nel pavimento, ma la parte superiore è contenuta in una staffa e non è a contatto con l'atmosfera

Formatura manuale

E' utilizzata per le forme allo scoperto o in fossa; gli strumenti usati sono badile, cazzuole, spatole ecc.

Formatura a macchina

La formatura a macchina è utilizzata nelle lavorazioni di serie con miglioramento qualitativo delle forme e riduzione dei tempi di lavorazione.

Le macchine possono essere a compressione o a vibrazione.

Difetti di fusione

Per quanto riguarda la finitura, i getti ottenuti, prima di essere utilizzati ovvero inviati alle successive lavorazione meccaniche , devono essere liberati dal canale di colata e dalle bave.

Spesso il colatoio ha lo spessore di pochi millimetri e può essere asportato a mano o con altri mezzi meccanici.

I difetti principali difetti di fusione sono :

a)     Differenze di forma fra modello e getto

Fra i molti difetti di questo genere :

Pareti verticali ondulate, causa deficiente pressione

Grossolana giunzione di formatura , causa imperfetto combacio delle staffe

b)     Difetti di fusione propriamente detti

Cavità a superficie liscia (soffiature), cause bolle d'aria o di gas sviluppati dalle forme o disciolti nel metallo che , risalendo la massa semifluida del getto per liberarsi alla superficie , rimangono incluse per sopraggiunta solidificazione.

Risucchi, cavità a superficie irregolare, cavernosa, avvallamento in superfici superiori orizzontali , causa mancata contemporaneità di solidificazione e di contrazione delle parti grosse e delle parti sottili.

Esempio:getto incompleto perché colato con metallo freddo

Porosità : dovuta a diverso raffreddamento delle parti esterne ed interne, per cui quest'ultime risultano meno compatte e a grana grossolana.

Saldature : consistenti in discontinuità dovute a diversità di solidificazione dei getti complessi, dove alcune parti non si saldano con altre già fredde e irrigidite.Ciò può dipendere da colata troppo lenta.

Inclusioni : di scorie, di impurità, di terra

Fessurazioni e incurvamenti: determinati da tensioni interne per effetto del ritiro, aggravate da eventuale zona esterna.Per cercare di evitarle occorre rendere quanto più possibile uniforme il raffreddamento delle varie parti e non eccedere  nella durezza delle forme o delle anime.

Ghiaccioli o gocce fredde : globuli metallici causati dal rimbalzo ovvero dalla colata violenta dall'alto

Erosioni,rugosità : eventuale terra mista insieme, causate da terra grossolana o poco refrattaria, o da eccessivo essiccamento delle forme, o da temperatura troppo alta di colata.

Soffiature in un albero a gomiti

Finitura dei getti

Dopo il raffreddamento dei getti, essi devono venir liberati dalla sabbia che li circonda , nonché dalle materozze ,canali di colata,bave ed incrostazioni; seguirà una pulitura del getto per mezzo della sabbiatura ed infine il getto sarà collaudato.

Distaffatura e sterratura

La distaffatura è l'operazione con la quale si demolisce la forma per estrarre il getto. La distaffatura si può compiere a mano oppure meccanicamente.

Alla distaffatura segue la sterratura, operazione con la quale si asportano i residui di sabbia rimasti aderenti alle pareti dei getto.

La sterratura si effettua con raschietti e spazzole metalliche  oppure con scalpelli pneumatici.

Sbavatura

La sbavatura è l'operazione con cui vengono eliminate dal getto tutte le parti non più necessarie come le materozze, i canali di colata ecc.

Si esegue con seghe, scalpelli o mole.

Per ottenere le caratteristiche meccaniche o strutturali volute, i getti possono essere sottoposti a trattamento termico.

Sabbiatura

La sabbiatura consente un'ottima pulitura dei getti con un grande vantaggio di tempo e quindi di costo.

Essa si compie con apposite macchine (sabbiatrici) basate generalmente sul principio di proiettare sul pezzo da pulire o da finire un violento getto di aria compressa e materiale abrasivo; i materiali abrasivi possono essere sabbia quarzosa oppure pallini di ghisa o di acciaio.

Controllo

Alla sabbiatura seguiranno a seconda delle necessità e dei materiali, trattamenti finali di lucidatura , protezione con rivestimenti metallici,di vernici ecc

Trattamenti finali

Il controllo non distruttivo dei pezzi fusi si effettua con diversi metodi, e particolarmente con il metalloscopio, con i raggi x e con gli ultrasuoni.

Volano

Il volano è un organo meccanico che ha il compito di assorbire l'eccesso di lavoro motore rispetto a quello resistente , sotto forma di energia cinetica, evitando che si verifichino incrementi di velocità angolare non compatibili con l'impiego a cui il sistema è destinato.

Il volano come si può notare dalla figura sottostante ha la forma di una ruota o disco appositamente sagomato per aumentare il momento d'inerzia dell'albero al quale è applicato.

Volano a razze

Volano a disco

Il volano tende ad opporsi ad ogni tentativo di variazione della sua velocità angolare, stabilizzando la rotazione di un albero quando viene applicato un momento torcente periodico, come nei motori a pistoni, oppure quando il carico applicato è intermittente, come per esempio nelle pompe a pistoni.

La rotazione dell'albero a gomiti non è uniforme poiché nei cilindri si susseguono fasi utili e fasi passive.Per renderla il più possibile omogenea,( o meglio per ridurre le accelerazioni e le decelerazioni) si impiega il volano, costituito da un grosso disco fissato a una estremità dell'albero motore, che accumula energia meccanica durante le fasi utili per poi restituirla durante quelle passive.

Il volano può anche essere utilizzato per accumulare l'energia meccanica prodotta da un motore di bassa potenza su un lungo periodo per rilasciarla ad alta potenza in un breve istante.

L'energia cinetica accumulata da un volano è :

dove è il momento polare d'inerzia della massa rispetto al centro di rotazione e è la velocità angolare.

Il momento polare d'inerzia si ottiene mediante questa formula :

La velocità angolare si ottiene invece :

Poiché il momento d'inerzia di un sistema di particelle è proporzionale alla massa delle particelle ed alla distanza di queste dal centro di rotazione , si ha che la capacità di accumulo di energia in un volano aumenta oltre che con l'aumentare della massa e della distanza dal centro.

Per questo motivo i volani tendono ad avere grande diametro ( come è particolarmente evidente nelle vecchie macchine a vapore ) e ad avere la maggior parte della massa disposta sul perimetro,collegato al mozzo per mezzo dei raggi.

In questo modo il loro peso rimarrà limitato,mentre il loro momento d'inerzia resta quello desiderato.

Studi per migliorie

Il volano è anche oggetto di continui studi come dispositivo per l'accumulo di energia, al fine di migliorare l'efficienza e l'affidabilità.

Per incrementare sempre più la capacità di immagazzinamento, si cerca di aumentare la velocità a valori incredibilmente elevati, di centinaia di migliaia di giri per minuto.

Ciò comporta diversi problemi di non facile soluzione.

Tra le soluzioni tecniche studiate si ha:

Studio di nuove leghe metalliche più resistenti,impiegate per evitare che il volano esploda a causa della enorme forza centrifuga

Inclusione del volano in camere a vuoto, per ridurre l'attrito dell'aria, che ad alte velocità è molto intenso

Utilizzo di cuscinetti a sospensione magnetica per eliminare l'attrito. Sono comunque presenti cuscinetti tradizionali pronti ad intervenire in caso di guasto alla sospensione magnetica.

Inserimento e prelievo dell'energia senza contatto meccanico , per esempio grazie all'induzione magnetica. In alcune applicazioni i volani sono usati come accumulatori elettrici in sostituzione di batterie e condensatori per la loro capacità di rilasciare molta energia elettrica in brevissimo tempo ( alta potenza specifica ). In questi casi il volano funziona come un generatore/motore elettrico reversibile.

ACCUMULO DÌ ENERGIA NEI MEZZI DI TRASPORTO

L'uso del volano per accumulare energia nei veicoli è molto interessante, poiché può offrire un migliore rapporto capacità energetica/massa rispetto alle batterie.

Molti però sono i problemi da superare.

L'aumento della massa e del diametro non è praticabile oltre un certo punto nei mezzi mobili, dove si può ricorrere solamente all'aumento della velocità.

Un effetto collaterale del volano nei mezzi di trasporto è dato inoltre dall'effetto giroscopico, che produce una forza ortogonale se si cerca di variare l'orientamento dell'asse di rotazione.

Una possibile soluzione consiste nel disporre il volano orizzontalmente, con l'asse parallelo all'asse di rotazione del mezzo.

Nonostante siano stati costruiti prototipi di automobili a volano, la tecnologia è ancora largamente immatura ed i costi di questi sistemi sono ancora elevati.

Dimensionamento del volano di una pressa

Dati

W ( Potenza ) = 3 kW

n° 1 ( numero di giri motrice) = 1400 giri/min

n° 2 ( numero di giri utilizzatrice ) = 75 giri/min

Calcoli

Ora ipotizziamo il diametro della motrice.

Il diametro della condotta sarà quindi:

Ora utilizzando la proporzione troviamo il valore che corrisponde al diametro della motrice:

Il diametro della condotta ovvero del volano sarà quindi ( come da manuale ) =

Quindi avendo il = 4,3 possiamo calcolare il numero di giri della condotta che sarà quindi:

Ora attraverso un sistema a due incognite ci calcoliamo ωmax e ωmin che ci serviranno per calcolare la variazione di energia e successivamente calcolare la massa.

I dati a nostra disposizione per risolvere il sistema sono :

(Grado di irregolarità scelto da manuale)

Immettendo nell'equazione i dati già a nostra disposizione calcoliamo i nostri valori di

    

Il volano si può quindi considerare verificato.