La fucinatura
Per fucinatura (o forgiatura) si intende l’insieme delle operazioni di formatura mediante deformazione plastica a caldo.
La fucinatura è una delle più antiche tecnologie usate nella nostra civiltà ed è eseguita ancora oggi artigianalmente utilizzando attrezzi tradizionali come forgia, incudine, tenaglie e martello.
Nella produzione industriale si impiegano impianti automatizzati (presse meccaniche e idrauliche o magli idraulici, elettrici e a vapore), capaci di esercitare carichi anche superiori a 50 000 t.
La fucinatura può essere effettuata in due modi:
- manualmente, quando viene eseguita da un operaio mediante violenti colpi di martello;
- meccanicamente, quando le dimensioni dei pezzi e l’entità delle deformazioni sono notevoli e richiedono l’aiuto di macchine o quando si devono produrre pezzi in serie.
La fucinatura meccanica, può essere eseguita in:
–stampi chiusi (Closed die), che sono più costosi à stampaggio
–stampi aperti (Open die)
–Impresssion Die
Gli stampi chiusi sono utilizzati per lavorare oggetti di dimensioni ridotte, mentre gli stampi aperti sono utilizzati quando occorre migliorare le caratteristiche meccaniche degli sbozzati, oppure quando il numero di pezzi da produrre non giustifica il costo di uno stampo chiuso.
Le forme producibili in stampi aperti possono essere complesse e la loro qualità dipende dall’abilità manuale del fucinatore.
Le tolleranze di lavorazione sono, ovviamente, assai più larghe di quelle ottenibili con la fucinatura in stampi chiusi.
La fucinatura avviene attraverso le seguenti fasi:
- preparazione degli sbozzati (spezzoni di barre, billette, lamiere e altri semilavorati);
- preriscaldamento in forno degli sbozzati;
- introduzione del materiale negli stampi;
- forgiatura (attribuzione delle forme);
- sbavatura (asportazione dal getto delle bave o delle appendici di metallo formatesi durante la colata);
- esecuzione dei trattamenti termici richiesti (normalizzazione, ricottura);
- operazioni di finitura (sabbiatura, decapaggio).
Forgiatura Open-Die (a stampo aperto)
E’ un processo di formatura per deformazione in compressione. Nel caso di deformazione omogenea, per la conservazione di volume, si applica:
Il pezzo per l’attrito o gradienti di temperatura può assumere forme a botte e asimmetriche; per ridurre l’attrito si ricorre a lubrificazione e anche vibrazioni.
Gli assi maggiori della sezione si espandono meno causa l’attrito, in quanto la forza totale che si oppone all’espansione è maggiore in valore assoluto. La forma della sezione ne risulta pure distorta.
Le operazioni elementari di fucinatura in Open-Die:
- Ricalcatura – schiacciamento di uno spezzone di barra per provocare un aumento della sezione trasversale
- Piegatura – curvatura di spezzoni in barra tonda, rettangolare o quadrata
- Troncatura – taglio di spezzoni di barra
- Strozzatura – riduzione della sezione di una barra per un tratto limitato della lunghezza
- Stiratura – allungamento con colpi di maglio diretta ad allungare lo spezzone nella direzione delle fibre longitudinali
- Spianatura – rende piane le superfici irregolari di elementi già sottoposti ad altre operazioni di fucinatura libera
- Foratura – si pratica un foro in una massa di metallo preventivamente scaldata
- Sagomatura – si pratica per ottenere pezzi di forma complessa ricorrendo a stampi con cavità opportunamente sagomate
- Torcitura – permette di ruotare di un certo angolo un elemento attorno ad un asse in modo da soddisfarne la forma geometrica
Forgiatura Impression-Die
Si utilizza uno stampo ed il pezzo viene deformato fino ad assumere la forma della cavità:
Rimangono sempre delle parti del pezzo che fuoriescono dallo stampo (flash) e sono sottoposte ad alti attriti, bloccando l’ulteriore fuoriuscita di materiale e forzando il riempimento corretto della cavità.
Un esempio è rappresentato dalla forgiatura di una biella per un motore a combustione interna.
Dopo l’operazione di edging, seguono le operazioni di:
blocking, in cui il pezzo è realizzato in una forma grezza tramite stampi chiamati blocker dies,
finishing, in cui si conferisce al pezzo la forma finale
trimming in cui si elimina il materiale fuoriuscito durante la forgiatura.
Forgiatura Closed-Die
E’ simile a quella Impression-Die, ma senza la fuoriuscita di materiale. La quantità di materiale necessaria deve essere calcolata esattamente come la deformazione per impedire il flusso di materiale nelle giunzioni dello stampo prima della chiusura completa. Richiede sforzi inferiori e si raggiungono maggiori precisioni sui pezzi oltre a rientrare nei processi near-net shape.
I difetti della forgiatura
Il difetto più frequente è quello di cricche superficiali. Possiamo avere buckling per instabilità in compressione con sezioni sottili oppure con sezioni spesse e materiale sovrabbondante delle cricche interne da flussi non voluti. I raggi di curvatura sono troppo piccoli o spigoli vivi possono portare alla formazione di difetti, ad esempio il materiale non riesce a seguire bene il profilo lasciando dei vuoti che vengono riempiti da flussi successivi discontinui (cold shut).
Progettazione stampi per forgiatura
La progettazione è molto importante per ottenere il pezzo voluto senza difetti e senza distorsioni dello stampo stesso a seguito degli alti carichi utilizzati. Riguarda non solo lo stampo stesso ma anche la forma del semilavorato di partenza, le sue dimensioni e la quantità esatta di materiale da utilizzare.
La linea di congiunzione degli stampi può essere anche non dritta, ma deve essere localizzata nella zona che più facilita la rimozione del pezzo e disturbi meno il pezzo stesso. Stesso criterio vale per i flash o fuoriuscite dallo stampo.
E’ importante utilizzare degli angoli opportuni (3-10°) per l’estrazione dei pezzi.
Materiali per lo stampo e Temperature
I materiali devono resistere e non rompersi ad elevate temperature e pressioni, per cui si utilizzano acciai per utensili (rapidi) e stampi: acciai altolegati contenenti Cr, Ni, Mo e V.
Gli stampi vengono ricoperti con lubrificanti che abbiano anche funzione di barriera termica tra il pezzo caldo e lo stampo freddo, nonché facilitino il distacco. A caldo si utilizza grafite, disolfuro di molibdeno o vetro; a freddo oli minerali e saponi.
Temperature di forgiatura a caldo:
Macchine per forgiatura
Il tipo di macchina da utilizzare per la forgiatura è scelto in base alla pressione massima da realizzare ed alla velocità di lavoro e di incremento del carico.
Le macchine più utilizzate, soprattutto per AI, Mg, Be, bronzi e ottoni, sono:
- Pressa idraulica – opera a velocità costante e a carico limitato
- Pressa meccanica – opera a velocità maggiori, ma il carico è inferiore
- Pressa a vite – opera ad elevate pressioni ma la velocità è bassa.
