PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: ESTRUSIONE

PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: ESTRUSIONE

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Processi di formatura plastica massiva: massiva: Estrusione

ESTRUSIONE • Processo con cui una billetta o una barra subisce una riduzione nella sezione trasversale attraverso l’azione di pressione esercitata da uno spintore che la costringe a fluire attraverso un’opportuna cavità (matrice) • Può essere accompagnata anche da una variazione di forma

Billetta Spintore

Matrice

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ESTRUSIONE • Matrice: • nel cilindro entro cui viene messo inizialmente il materiale da estrudere (estrusione diretta) • nello spintore (estrusione inversa)

Estrusione inversa

Estrusione diretta

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ESTRUSIONE Si ha movimento relativo (e quindi attrito) fra le pareti del contenitore ed il materiale

Estrusione diretta Estrusione inversa

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ESTRUSIONE DIRETTA

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ESTRUSIONE INVERSA

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ESTRUSIONE IDROSTATICA La forza di estrusione non viene esercitata direttamente dal pistone ma attraverso un mezzo attivo ad alta pressione Lo stato di sollecitazione che si viene a creare è pressoché idrostatico Deformazione quasi omogenea Æ uniformità delle caratteristiche del materiale La forza di estrusione è minore rispetto a quella necessaria per il processo diretto Il mezzo attivo evita il contatto tra billetta e matrice Non è molto utilizzata a causa della complesità delle tenute 7


ESTRUSIONE IDROSTATICA

Forza esercitata attraverso un mezzo attivo (lubrificante) ad alta pressione 8


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ESTRUSIONE • Economicamente rilevante quando i profili sono così complessi da non consentire la laminazione o l’asportazione di truciolo • Elevate forze in gioco ➠ la maggior parte dei metalli estrusa a caldo • Estrusione a freddo: sta diventando un processo commerciale sempre più importante • Ridotta formazione di cricche nel materiale grazie a forze compressive molo elevate causate dalla reazione billetta contenitore • Utilizzazione dell’estrusione nella formatura di metalli difficili da deformare (acciai inossidabili, leghe di Ni ed altri materiali per elevate T) 9


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ESTRUSIONE

• È opportuno distinguere tra: • estrusione continua: • permette di ottenere manufatti di lunghezza variabile a piacere a sezione trasversale costante (barre, tubi, profilati ecc.) • estrusione in pezzi singoli • operata sui prodotti dell’estrusione continua e su altri semilavorati

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ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI • Estrusione diretta: • mandrino attaccato all’estremità dello spintore • spessore di parete del tubo determinato dalla differenza tra dimensione diametrale della matrice e del mandrino • Estrusione inversa: • tubo prodotto con uno spintore di diametro inferiore a quello del contenitore

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ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI

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ESTRUSIONE PER URTO • Viene impiegata in genere per la realizzazione a freddo di corpi cilindrici di dimensioni ridotte e costituiti da materiali ad elevata deformabilità

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PRESSE PER ESTRUSIONE • Estrusione eseguita usualmente con presse a comando idraulico, con velocità e pressioni regolabili • Presse verticali: • facile allineamento tra lo spintore ed i cilindri, • velocità di produzione più elevate e • meno spazio orizzontale anche se sono richiesti locali alti • raffreddamento uniforme della billetta nel contenitore ➠ deformazione più uniforme e simmetrica • capacità da 300 a 2000 t • Presse orizzontali: • parte bassa della billetta a contatto con la parete del cilindro ➠ raffreddamento più rapido rispetto alla parte superiore ➠ deformazione non uniforme ➠ piegamento delle barre e, nella estrusione dei tubi, spessore non uniforme • capacità da 1500 a 5000 t 16


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PRESSE PER ESTRUSIONE • Velocità dello spintore molto importante: • a caldo richieste elevate velocità in quanto c'è un problema di trasferimento di calore dalla billetta ai cilindri • in ogni caso si deve tener presente il suo effetto sulla T di lavorazione • sono stati messi a punto sistemi che controllano la velocità dello spintore per rendere uniforme la T di estrusione • in genere le velocità sono comprese tra 30 e 500 mm/s • le più basse si usano per estrudere leghe di Zn e Mg • le più elevate per acciai, ottone e Al

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MATRICI PER ESTRUSIONE • Subiscono notevoli sollecitazioni dovute ad alte tensioni, shock termici e ossidazione • Tipico assemblaggio di matrici costituito da: • matrice (6) realizzata in acciaio alto legato • supporto (5) e anello di serraggio (7): tengono la matrice • testa (2): sostiene il tutto • cuneo (1): preme l’assemblaggio contro il contenitore

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MATRICI PER ESTRUSIONE • Matrici a facce piane: • usate quando il metallo forma una zona morta generando un proprio angolo di imbocco • Matrici con angolo di ingresso conico: • usate nella estrusione con buona lubrificazione • diminuzione dell'angolo ➠ aumento dell'omogeneità della deformazione e diminuzione della pressione di estrusione ma anche aumento dell'attrito sulle superfici della matrice • angolo ottimale compreso tra 45 e 60°

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MATRICI PER ESTRUSIONE Rapporto di estrusione: • Il rapporto di estrusione presenta un valore limite che dipende dal materiale dalla temperatura e dalle caratteristiche della pressa (Il rapporto di estrusione può variare da 10 a 100 in funzione del materiale in lavorazione e delle condizioni del processo)

ρ = S0 / S f

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MATRICI PER ESTRUSIONE Realizzazione di corpi cavi: • La cavità viene realizzata, anziché da un mandrino, da una matrice costituita da due elementi distinti: la matrice vera e propria, la stella

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MATRICI PER ESTRUSIONE

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MATRICI PER ESTRUSIONE

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MATRICI PER ESTRUSIONE Tensioni interne:

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CILINDRO DI ESTRUSIONE E SPINTORE • Cilindro di estrusione soggetto a forti pressioni ➠ realizzato in due parti: • camiciatura interna (4): soggetta ad usura ➠ ogni tanto va sostituita • contenitore (3): contiene la camiciatura e fornisce le forze compressive per la lavorazione • Spintore: • protetto dal calore della billetta da un isolante interposto il quale è soggetto shock termici e deve essere sostituito periodicamente

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ALTRI DISPOSITIVI

• Forni di riscaldo e dispositivi per il trasferimento automatico della billetta dal forno al contenitore • Sistemi per il riscaldamento del cilindro e dispositivi per il taglio dell'estruso • Blocco di carbonio interposto tra billetta e spintore per estrudere tutta la billetta senza scarti • Dispositivi per l’afferraggio dell'estruso e raddrizzatori per correggere i difetti minori

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ESTRUSIONE CONTINUA

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ESTRUSIONE CONTINUA • Consiste nell'estrudere a caldo e a velocità relativamente basse una billetta cilindrica con diametro di 150÷300 mm • billetta è di fusione se si tratta di metalli non ferrosi • billetta di laminazione se è acciaio. • Geometria dell'operazione tale che in prima approssimazione si può considerare come zona di deformazione quella compresa tra matrice, spintore e pareti del cilindro (zona tronco conica precedente l'uscita del materiale)

Matrice 29


CICLO DI ESTRUSIONE

• Riscaldamento della billetta alla T di estrusione • Introduzione della billetta e sistemazione della matrice • Estrusione • Taglio della barra o del tubo • Allontanamento della matrice e portamatrice • Avanzamento dello spintore e caduta della materozza

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FORZA DI ESTRUSIONE

• Principali variabili che influenzano la forza di estrusione: • tipo di estrusione • rapporto di estrusione • temperatura di estrusione • velocità di deformazione • condizioni di attrito alle pareti della matrice e del cilindro • tipo di sezione dell’estruso

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FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA Tratto OA: • ricalcatura e coniatura della billetta in modo da riempire tutto lo spazio disponibile all’interno del cilindro Tratto AB: • estrusione del materiale • diminuzione della forza di ricalcatura dovuta alla riduzione delle forze di attrito • formazione di una zona morta, con conicità interna di circa 45°, che non partecipa alla deformazione ma forma un invito per il restante materiale ad entrare nella matrice • punto B ➠ materiale nella zona di ristagno obbligato a partecipare alla deformazione • spazio tra spintore e matrice molto ridotto e forze di distorsione elevate ➠ rapido aumento della forza di estrusione 32


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FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA

• Pendenza del segmento tra i punti A e B dipendente anche dalla velocità di deformazione: • effetto diretto: aumento della forza di estrusione con la velocità di deformazione • effetto indiretto: aumento della T e quindi diminuzione della forza con la crescita della velocità di deformazione

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FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE INVERSA • Forze di attrito più basse in quanto non c'è moto relativo tra billetta e parete del contenitore

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ESTRUSIONE A CALDO • Maggior parte dei metalli estrusa a caldo • Aumento di T comporta: • problemi di ossidazione della billetta e degli utensili • perdita delle proprietà meccaniche di utensili e matrici • difficoltà nel fornire un'adeguata lubrificazione • Limite inferiore: T minima che fornisce al metallo una opportuna plasticità • Limite superiore: T alla quale avvengono fusioni parziali del materiale • Acciai: estrusi usando vetro come lubrificante • Leghe di alluminio: estruse senza lubrificante

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ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE • Zona 1: volume non ancora interessato dalla deformazione • Zona 2: volume in deformazione • Zona 3: materiale costituente la zona morta • Zona 4: materiale già estruso

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ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE

Ftot = Fdef + F1at + F2 at + F3at + F1dis + F2 dis

Ftot = Fdef / η = S 0 ⋅ σ 0 ⋅ ln(S 0 S f ) / η 0.5 < η < 0.8 F1at F1dis

F3at

F3at F2dis F1dis F2at

F2dis

F2at

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ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE • Modalità di flusso del materiale tali per cui si possono distinguere due zone: • zona di traslazione rigida del materiale (l