PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: LAMINAZIONE

PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: LAMINAZIONE

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LAMINAZIONE

• Processo di deformazione plastica mediante il quale il materiale viene fatto passare tra cilindri in rotazione (rulli), lisci o sagomati, che esercitano un'azione di schiacciamento con conseguente riduzione della sezione trasversale, accompagnata da un allungamento del pezzo • Cilindri laminatori azionati da motori a meno che non sia presente una forza di trazione sul materiale in uscita dalla zona di laminazione

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LAMINAZIONE • Il processo di laminazione più semplice serve per ridurre una delle tre dimensioni di un corpo a forma di parallelepipedo, in genere lo spessore, trascinando il materiale attraverso due cilindri ad assi paralleli e rotanti in senso opposto. f0 H0

H

• Sagomando in maniera opportuna le luci tra i cilindri, si possono ottenere prodotti di varia sezione. 3

LAMINAZIONE Prodotti della laminazione: • Prismi di varia forma • Lamiere e nastri • Tubi • Forati • Tubi veri e propri • Profilati

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LAMINAZIONE

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PRODOTTI DELLA LAMINAZIONE • Blumi: •sezione quadrata da 130x130 a 400x400 mm2 •destinati a successive operazioni di laminazione o alla fucinatura di pezzi grandi • Bramme: •sezione rettangolare con lunghezza variabile da 3 a 13 m, larghezza media di 1.7 m e spessore di 0.5 m •destinate alla fabbricazione delle lamiere • Billette: •sezione quadrata da 40x40 a 130x130 mm2 •destinate a successive operazioni di laminazione, alla fucinatura o alle lavorazioni con le macchine utensili

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PRODOTTI DELLA LAMINAZIONE • Tondi: •forma cilindrica con diametro fino a 400 mm •destinati alla fucinatura o alle lavorazioni con le macchine utensili • Piatti: •forma rotonda o rettangolare con grosso spessore •destinati alla fucinatura o alla lavorazione con le macchine utensili • Barre: •sezione rotonda con diametro da 6 a 180 mm, esagonale o quadrata •barre tonde fino a 50 mm destinate alla fucinatura o alle lavorazioni con le macchine utensili •lunghe barre tonde, lisce o nervate, del diametro da 6 a 30 mm, usate in edilizia (tondino per cemento armato) •barre esagonali usate per la fabbricazione dei bulloni 7

PRODOTTI DELLA LAMINAZIONE • Vergelle: •filo del diametro di 5 mm avvolto in coil •impiegate direttamente o per la realizzazione di filo metallico mediante operazioni di trafilatura • Profilati: •sezione a L, I, T, Z, C, doppio T, fungo (rotaie) •usati per lavori di carpenteria metallica • Lamiere: •spessore da 1 a 200 mm •usate per lavori di ogni genere (carpenteria metallica, tubi, ecc.) • Nastri: •avvolti in rotoli ed hanno spessore inferiore a 1 mm •usati per la produzione di lamierini dello spessore di 0.5÷0.8 mm destinati a lavorazioni plastiche a freddo (imbutitura, piegatura) 8

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CONDIZIONI DI LAMINAZIONE

• A caldo: • sfrutta la grande plasticità dei materiali metallici ad elevata T ➠ possibilità di impartire grandi deformazioni • carichi contenuti sui cilindri di laminazione • A freddo: • consente una buona finitura superficiale, soprattutto perché non si verificano fenomeni di ossidazione • deformazioni in gioco limitate • carichi considerevoli sui cilindri

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IMPIANTI DI LAMINAZIONE A CALDO

• Costituiti dalle seguenti parti: •forni di riscaldo •treni di laminazione •dispositivi accessori

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TRENI DI LAMINAZIONE

• Costituiscono la parte più importante di un impianto di laminazione • Si compongono: •di una o più gabbie di laminazione •degli organi di trasmissione •dell'equipaggiamento elettrico

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GABBIE DI LAMINAZIONE • Costituite da una robusta incastellatura formata da due montanti di acciaio fuso irrigiditi da solide traverse • Cilindri di laminazione, ruotanti entro cuscinetti, sistemati entro la gabbia • Cuscinetti alloggiati entro apposite sedi (guarniture) • Manicotti usati per trasmettere ai cilindri il moto di rotazione ricevuto dalle allunghe

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GABBIE DI LAMINAZIONE • Parti di un cilindro di laminazione: •Tavola: porzione di cilindro destinata alla laminazione •Colli: perni sistemati dentro i cuscinetti delle guarniture •Trefoli: permettono di trasmettere (assieme ai manicotti) il moto dalle allunghe al cilindro • Forma dei cilindri di laminazione diversa a seconda delle sezioni di passaggio: •cilindri lisci per le lamiere e nastri •cilindri scanalati per barre e profilati

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GABBIE DI LAMINAZIONE • Cilindri scanalati ➠ canali di laminazione denominati calibri • Tipi di calibri: •ripartiti (aperti): sezione mediana del prodotto laminato in corrispondenza della linea individuata dai risalti dei cilindri •compenetranti (chiusi): sezione di laminazione tutta da una parte nei confronti della linea individuata dai punti di contatto dei risalti

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GABBIE DI LAMINAZIONE Disposizione dei cilindri più adottate: •DUO •reversibile: usata per la sbozzatura dei lingotti e per grossi profilati •non reversibile: poco usato •TRIO •Introduzione del materiale da laminare nello spazio fra i cilindri inferiore e medio •afferraggio e sollevamento del materiale che rientra nella gabbia a ritroso nello spazio fra i cilindri medio e superiore •usata nei laminatoi sbozzatori ed in quelli per profilati 15

GABBIE DI LAMINAZIONE • DOPPIO DUO: •composta da due "duo" montati uno di seguito all'altro con il secondo sistemato ad un'altezza superiore al primo •percorso materiale simile a quello del trio • QUARTO: •si compone di quattro cilindri sovrapposti •cilindri mediani: • cilindri di lavoro (operano la laminazione) • il loro ridotto diametro rende più rapida la laminazione •cilindri esterni: • funzione di appoggio • consentono pressioni di esercizio maggiori •disposizione usata soprattutto nella laminazione di lamiere 16

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GABBIE DI LAMINAZIONE

• Regolazione in altezza dei cilindri (per adeguare l'altezza dello spazio libero fra gli stessi alle condizioni imposte dai vari passaggi) eseguita abbassando il cilindro superiore o spostando nel senso desiderato entrambi i cilindri • Cilindri realizzati in ghisa comune o speciale 17

ORGANI DI TRASMISSIONE Comprendono: • Volano •accumula energia cinetica che compensa le temporanee insufficienze del motore nelle punte di sforzo ➠ velocità di rotazione dei cilindri costante • Gabbia a pignoni •trasmette il movimento del motore alle allunghe •composta da una serie di ingranaggi a dentatura elicoidale • Allunghe •alberi di acciaio che collegano gli ingranaggi ai cilindri di laminazione • Manicotti •consentono il collegamento fra le allunghe ed i cilindri 18

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ORGANI DI TRASMISSIONE

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EQUIPAGGIAMENTO ELETTRICO Comprende: •i motori di comando delle gabbie •a corrente continua perché consentono ampia regolazione del numero dei giri, forte coppia di spunto e inversione del moto •i gruppi raddrizzatori della corrente •necessari per fornire la corrente continua ai motori •i trasformatori •abbassano la tensione della rete al valore richiesto dagli impianti di laminazione

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DISPOSITIVI ACCESSORI • Gabbie scagliatrici •permettono di eliminare le incrostazioni di ossido che ricoprono il massello dopo il riscaldamento alla temperatura di laminazione • Vie a rulli •costituite da una serie di rulli azionati da motori elettrici sopra i quali passano i lingotti che vengono così trasportati da una gabbia all'altra nella direzione di laminazione • Dispositivi per la manipolazione dei lingotti •Comprendono: • i manipolatori: spostano il lingotto lateralmente di piccole quantità, per fargli imboccare il canale desiderato • i ribaltatori: fanno ruotare il lingotto di 90° intorno al proprio asse 21

DISPOSITIVI ACCESSORI • i trascinatori: servono per spostamenti trasversali di entità considerevole • gli elevatori: afferrano la coda dei lingotti e la imboccano nei canali superiori delle gabbie a trio e a doppio duo • Dispositivi per il taglio dei lamierini •necessari per tagliare i prodotti laminati alla misura voluta e per asportare sia la testa che la coda del laminato • Placche di raffreddamento •constano di un vasto ripiano metallico che riceve i prodotti di laminazione uscenti ancora caldissimi dalle gabbie • Dispositivo avvolgitore: •necessario per formare i rotoli (coils) nel caso in cui il prodotto sia costituito da vergella o nastro 22

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DISPOSIZIONE DELLE GABBIE NEI TRENI • Treni a una sola gabbia: • treni a duo o trio, reversibili, per laminatoi sbozzatori destinati alla fabbricazione di blumi o bramme • Treni aperti a una sola linea: • un motore unico comanda tre o quattro gabbie di laminazione disposte in parallelo • passaggio dei lingotti da una gabbia all'altra mediante traslazione effettuata ad opera dei trascinatori e manipolatori

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DISPOSIZIONE DELLE GABBIE NEI TRENI DI LAMINAZIONE •prodotto di laminazione con sezione limitata (ferro tondino, vergella) ➠ passaggio da una gabbia all'altra mediante "serpentaggio“

• Treni scalati: •gabbie di laminazione disposte su due o più linee, in posizione sfalsata fra loro

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DISPOSIZIONE DELLE GABBIE NEI TRENI • Treni continui: •gabbie disposte in serie •materiale lavorato simultaneamente da più gabbie ➠ mentre la testa si trova sotto l'azione delle gabbie finitrici, la coda è ancora sotto l'azione delle gabbie intermedie •man mano che la sezione della barra si riduce, il materiale si allunga ➠ aumento graduale della velocità di passaggio al procedere della lavorazione

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RELAZIONI GEOMETRICHE NELLA LAMINAZIONE • Laminazione in stato piano di deformazione • Cilindri configurati come piastre curve che deformano il materiale per compressione facendolo fluire verso destra, nella zona di uscita del laminatoio • Larghezza della lastra costante ➠ alla compressione corrisponde il solo allungamento nella direzione di laminazione • Rapporto di riduzione nel passaggio tra i due cilindri:

ΔH H0

=

H0 −H f H0 27

CONDIZIONE DI IMBOCCO SPONTANEO • Componenti delle forze di attrito lungo la direzione di laminazione > delle componenti nella stessa direzione della forza radiale: • Supponendo attrito coulombiano ➠ condizione di imbocco:

f ≥ tgα

α: angolo di contatto 28

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CONDIZIONE DI IMBOCCO SPONTANEO

f = λ1 ⋅ λ2 ⋅ λ3 ⋅ (1.05 − 0.0005 ⋅ t )

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STATO DI DEFORMAZIONE

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• Per sezioni sottili le curve a e b differiscono di poco dalla curva tratteggiata • Per sezioni più spesse le curve a e b sono decisamente distinte (tratto orizzontale) • Le curve non partono dall’origine 33


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Il

fenomeno

dell’aderenza

in

laminazione

• Aumenta al crescere di Hm/Ld • Aumenta al crescere di Hm/D • Aumenta al crescere del coefficiente d’attrito

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VELOCITA’ DEL MATERIALE NELLA ZONA DI DEFORMAZIONE • Costanza della portata di materiale in ogni sezione:

bh0 v0 = bhv = bh f v f Poiché hf < h0 ➠ vf > v0 • Velocità periferica del cilindro costante ➠ ci dovrà essere uno scorrimento relativo tra materiale e cilindri • Sn: sezione dell'arco di contatto in cui velocità del materiale e del cilindro si uguagliano (sezione neutra) 36

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VELOCITA’ DEL MATERIALE NELLA ZONA DI DEFORMAZIONE Caso con Hm/Ld < 0.6 – 0.7

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VELOCITA’ DEL MATERIALE NELLA ZONA DI DEFORMAZIONE Caso con Hm/Ld = 1

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VELOCITA’ DEL MATERIALE NELLA ZONA DI DEFORMAZIONE Caso con Hm/Ld > 1 •Il materiale fluisce anche in direzione trasversale •I vari strati di materiale si deformano in modo diverso •L’aderenza del materiale al cilindro è estesa a buona parte della lunghezza di contatto •La zona di plasticizzazione si estende in modo marcato oltre le sezioni ideali 39

VELOCITA’ DI LAMINAZIONE • Dipende: •dal tipo di laminatoio •dalle condizioni di laminazione • Indicativamente: •v=3÷4 m/s per la sbozzatura •v=20÷30 m/s (72÷108 Km/h) per la finitura • Fissata la velocità di laminazione v (m/s), si determinano le velocità angolari n (giri/min) dei cilindri di diametro D (mm):

n=

60 ⋅ v π ⋅D 40

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SOLLECITAZIONI NELLA ZONA DI CONTATTO

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METODO DELL’ELEMENTO SOTTILE • Condizione di equilibrio delle forze agenti nella direzione di laminazione su un elemento, di profondità unitaria, posto nella zona di deformazione a destra del piano neutro: dx ⎞ dx ⎞ ⎛ ⎛ (σ x + dσ x )(h + dh) − σ x ⋅ h + 2⎜ pr ⎟senθ + 2⎜ μ ⋅ pr ⎟ cos θ = 0 cos θ ⎠ ⎝ cos θ ⎠ ⎝ ⇓ h ⋅ dσ x + σ x ⋅ dh + 2pr ⋅ dx ⋅ tgθ + 2μ ⋅ pr ⋅ dx = 0

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METODO DELL’ELEMENTO SOTTILE

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METODO DELL’ELEMENTO SOTTILE

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FORZE NELLA LAMINAZIONE

F = B ⋅ Ld ⋅ Pm

• Area sottesa dalla curva proporzionale alla forza di laminazione

•Area tratteggiata: forza per vincere l’attrito tra cilindro e pezzo •Area nella parte inferiore: forza per deformare il metallo in compressione omogenea 45

COEFFICIENTE DI STIRAMENTO

λ = L / L0 λ = L / L0 = S 0 / S Non viene mantenuto costante durante i vari passaggi Nella laminazione dell’acciaio λ al centro dove f = fmax) • materiale ai bordi, per la costanza del volume, allungato più che al centro ➠ per la continuità bordi compressi e parte centrale tesa ➠ formazione di ondulazioni ai bordi e possibilità di formazione di cricche nella parte centrale • soluzione al problema della flessione dei cilindri ottenuta: • con cilindri più larghi al centro • usando sedi dei cuscinetti idrauliche che consentono la correzione per la flessione elastica 48

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DIFETTI NEI PRODOTTI DI LAMINAZIONE • Disuniformità dello spessore del laminato (εz≠0) • tendenza all’espansione in ampiezza ostacolata dall'attrito ➠ forze di attrito maggiori al centro del laminato ➠ minore espansione della parte centrale • per la continuità tra bordi e centro ➠ bordi sollecitati a trazione ed il centro a compressione ➠ formazione di cricche ai bordi o di una spaccatura centrale

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DIFETTI NEI PRODOTTI DI LAMINAZIONE • Criccature ai bordi: • possono verificarsi anche per effetto della disomogeneità lungo lo spessore specie nel caso di lamiere spesse • a seconda della intensità della deformazione si ottiene una configurazione diversa (a o b) • stato tensionale provocato dalle deformazioni non omogenee conduce alla formazione di cricche interne • configurazione b: maggiore dilatazione centrale ➠ superfici esterne in trazione, interne in compressione • estensione di tale stato tensionale anche nella direzione di laminazione ➠ rottura "a coccodrillo“ del materiale

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DIFETTI NEI PRODOTTI DI LAMINAZIONE • Criccature ai bordi: • nella pratica corrente criccature ai bordi evitate impiegando cilindri verticali ai bordi che tengono diritti i bordi stessi impedendo l'accumularsi di tensioni secondarie a trazione dovute al "barreling" del bordo • poiché la maggior parte dei laminatoi non hanno cilindri ai bordi, una semplice ma lunga procedura prevede di rimettere in squadro con le macchine utensili il bordo dopo ogni passata • una procedura migliore è quella di equipaggiare il laminatoio con barre che impediscono l'allargamento

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DIFETTI NEI PRODOTTI DI LAMINAZIONE • Altri difetti: • possono risultare da difetti introdotti nella fusione o nella laminazione (porosità da ritiro ed inclusioni non metalliche, ecc.) • in casi molto severi questi difetti riducono drasticamente la resistenza nella direzione dello spessore. • la condizione di pulitura superficiale è molto importante poiché i laminati hanno un elevato rapporto superficie/volume e quindi deve essere controllata in ogni stadio. • qualche problema può derivare dalla rimozione del lubrificante

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