TECNOLOGIE DI PRODUZIONE

Crediti: 
9
Settore scientifico disciplinare: 
TECNOLOGIE E SISTEMI DI LAVORAZIONE (ING-IND/16)
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Questo insegnamento si propone di fornire le conoscenze e le abilità (ossia le capacità di applicare le conoscenze) necessarie allo studio dei processi tecnologici e dei sistemi di lavorazione ed assemblaggio di componenti e di prodotti industriali in materiali metallici e non-metalici.
Obiettivo primario del corso è quello di sviluppare delle competenze di soglia che consentano allo studente di comprendere il processo produttivo di un componente meccanico all’interno di un contesto industriale partendo dalle informazioni presenti nel disegno meccanico del particolare.
A tale scopo risulta indispensabile il raggiungimento di conoscenze relative ai seguenti punti:
- informazioni contenute nel disegno tecnico in termini di geometria del pezzo, materiali, qualità superficiali e tolleranze di forma e posizione;
- problematiche relative all’ottenimento di una certa precisione durante la lavorazione e conoscenza degli strumenti metrologici necessari per la qualifica;
- fonderia e deformazione plastica intesi come processi di formatura primari;
- tecniche di giunzione reversibili ed irreversibili;
- lavorazione per asportazione di truciolo alle macchine utensili.
Obiettivo ultimo del corso è quello di consentire agli studenti di sviluppare l’abilità di progettare un ciclo di lavorazione di un componente meccanico che sia tecnologicamente corretto (razionale ed economico) e che attraversi tutte le fasi necessarie per la sua creazione.
A tale scopo risulta necessario maturare le seguenti abilità:
- studio del processo di formatura primario di un componente;
- determinazione del grezzo di partenza (in termini di dimensioni, materiale e processo produttivo primario) per la lavorazione di un componente meccanico;
- identificazione il flusso delle operazioni necessarie alla realizzazione delle superfici che costituiscono il componente;
- riferimento del componente rispetto alle macchine con appropriate attrezzature;
- calcolo delle forze che si esercitano durante il processo di taglio e delle potenze assorbite dalle macchine utensili.

Prerequisiti

Fisica generale 1, Analisi matematica 1 e 2, Progettazione e Disegno di componenti Industriali

Contenuti dell'insegnamento

Il corso ha come obiettivo lo studio dei processi tecnologici e del sistemi di lavorazione e montaggio di parti e di prodotti industriali, secondo un approccio sistematico e coerente alla modellazione di tali processi, al fine della interpretazione delle leggi e dei meccanismi su cui si fondano, della analisi delle loro possibilità e del loro limiti in relazione alle esigenze di funzionalità e produzione di componenti specifici, della progettazione sistematica e della pianificazione del processo di trasformazione, della integrazione fra progettazione del prodotto e del processo mediante l'impiego dell'elaboratore. La modellazione del processo sarà orientata da un lato alla analisi ed alla predizione della influenza della scelta delle variabili sui risultati, dall'altro alle problematiche di governo automatico del processo mediante l'elaboratore. La trattazione della materia sarà sufficientemente analitica per un corso universitario di base, adeguatamente descrittiva per allievi che non abbiano conoscenze specifiche pregresse relative al processi tecnologici. Verranno presi in considerazione sia i processi tecnologici tradizionali sia alcuni processi tecnologici innovativi. Si accennerà inoltre alle problematiche di progettazione per la produzione (Design for Manufacturing) e di progettazione simultanea di prodotto e processo (Concurrent Engineering). Si adotterà una metodologia che prevede lezioni teoriche ed esercitazioni, nel corso delle quali verranno affrontati collettivamente ed in modo guidato lo studio e la discussione di casi industriali, nonché la elaborazione di un lavoro d'anno individuale in collegamento con aziende industriali.

Programma esteso

Presentazione del corso e sue finalità. Conoscenze preliminari necessarie, carico di studio, materiale didattico e modalità di svolgimento del corso e dell'esame finale. Generalità sulla produzione meccanica nell'azienda industriale. Tipologie e modalità di produzione. Richiami di Disegno Tecnico inerenti i complessivi. Tabella di montaggio ed estrazione dei particolari. Il disegno di un particolare meccanico: quotatura, tolleranze generali di lavorazione, tolleranze superficiali, di forma e posizione.
La qualità degli elementi meccanici da fabbricare: qualità dimensionale e qualità superficiale. Richiami sulle tolleranze dimensionali: accoppiamenti foro base e albero base, accoppiamenti mobili, incerti e stabili. Richiami sulle tolleranze di forma e di posizione.

Generalità sulle misure: sensibilità, precisione, ripetibilità, riproducibilità. La rugosità Ra: sua definizione analitica e geometrica. Lunghezze di campionatura. Simbologia unificata. Strumenti di misura d'officina: il calibro e la sua lettura. Il principio del nonio e la precisione dei calibri. Applicazione di calibri speciali (es. il truschino). Il micrometro: principio di funzionamento e misure. Applicazione di micrometri speciali.
Comparatori ad orologio: sensibilità e particolarità costruttive. Applicazioni varie dei comparatori. Alesametri. Controllo di sola planarità. Blocchetti Johansson.

Cenni alla struttura dei materiali metallici: strutture cristalline, accrescimento dei grani e relative difettologie. Le dislocazioni e loro movimento all’interno della struttura cristallina. Il fenomeno dell’incrudimento ed il suo effetto nella morfologia del cristallo.
Le leghe metalliche e la loro solidificazione: cristalli misti, composti intermetallici, cristalli eutettici. Curve di raffreddamento e diagramma di equilibrio di una lega binaria. Completa solubilità allo stato solido, insolubilità allo stato solido. Cenni al diagramma di equilibrio delle leghe ferro-carbonio.
Caratterizzazione meccanica dei materiali metallici: prove di durezza Brinell, Vickers, Rockwell C e B. Modalità di esecuzione delle prove.
La caratterizzazione meccanica dei materiali metallici: la prova di trazione: engineering stress-strain. Yield Point, limite di rottura. Diagrammi di trazione di diversi materiali. Prova di compressione e di taglio. Resilienza: il pendolo di Charpy e il calcolo del lavoro di deformazione. Vari tipi di resilienza, infragilimento con la temperatura. Resistenza a fatica, limite di fatica, ciclo di isteresi elastica e suo ampliamento. Diagramma di Wöhler.
Le caratteristiche tecnologiche dei materiali: prova di temprabilità di Jominy, prova di colabilità Merkel, prova di imbutibilità Erichsen, di piegatura, estrudibilità e saldabilità.
Designazione unificata di acciai e ghise. Nomenclatura unificata delle leghe leggere. Unificazione leghe di rame.

Processi di fabbricazione per fusione: forme transitorie e permanenti. Progettazione di modelli e casse d'anima per forme transitorie. Estraibilità di un modello e risoluzione dei sottosquadri. Sovrametalli. Angoli di sformo e raccordi. Portate d'anima e di tasselli. Ritiro al solido: metro a ritiro. Materiali per modelli. Placche modello. Modelli ridotti. Caratteristiche delle anime per formatura transitoria; parallelo con anime metalliche.
La solidificazione dei getti: ritiro al liquido, in solidificazione e al solido. Necessità della presenza delle materozze.
Modulo di raffreddamento di un getto. Calcolo della relazione tra modulo di raffreddamento e tempo di solidificazione di un getto. Calcolo di moduli di raffreddamento di forme geometriche semplici. Solidificazione direzionale. Calcolo di materozze. Verifica di materozze: raggio di influenza, volume di ritiro.
Calcolo e verifica delle materozze con metodo della solidificazione direzionale. Collari di attacco. Materozze a cielo aperto e cieche. Sistemi con più materozze e diverse direzioni di solidificazione del getto.
Calcolo del sistema di colata. Varie forme del sistema di colata. Calcolo della spinta metallostatica. Spinta su anime e tasselli. Fusioni in forme transitorie. Formatura in terra sintetica;caratteristiche delle sabbie e dei getti ottenibili. Formatura in fossa: processo e getti. Format. al CO2: processo e getti. Formatura in sabbia-cemento: processo e getti. Formatura cold-box: ashland e a SO2. Formatura shell-molding: processo, gusci, attrezzature. Microfusione: processo e getti. Esempio di formatura mista dei cilindri laminatoi.
Fusione in forma permanente: caratteristiche produttive del processo, caratteristiche funzionali delle conchiglie, materiali costitutivi delle conchiglie, materiali dei getti. Conchiglie a gravità: canali di colata, estraibilità del getto, anime in acciaio e in forme transitorie, basculamento. Conchiglie di pressofusione a camera calda: schemi di macchina e caratteristiche produttive. Conchiglie di pressofusione a camera fredda: schemi di macchina e caratteristiche produttive. Colata centrifuga. Criteri di progettazione per i pezzi fusi.
Lo stampaggio ad iniezione dei polimeri: similitudini con la colata in conchiglia.
Esecuzione in classe di un esercizio di esame relativo alla formatura in sabbia di un componente meccanico. Identificazione dei possibili piani di divisione, calcolo della solidificazione direzionale, dimensionamento delle materozza, calcolo del sistema di colata e verifica delle spinte metallo statiche sula staffa superiore.

Diagramma true stress-true strain. Flow stress di un materiale nelle deformazioni a freddo. Legge di dipendenza del flow-stress dalla velocità di deformazione nel caso di deformazioni a caldo: diagrammi tipici.
Criteri di deformazione plastica in caso di deformazione monoassiale, biassiale e triassiale. Schiacciamento tra piani paralleli e soluzione teorica mediante il metodo dello slab-analysis. Definizione ed esempi di prodotti definiti e indefiniti.
La laminazione: prodotti ottenibili. Analisi del processo: velocità del pezzo in lavorazione. Relazione di Ekelund e valutazione approssimata della potenza di laminazione. Condizioni di imbocco e di trascinamento. Calcolo approssimato della potenza di laminazione. Studio della "calibratura". Laminazione a freddo delle lamiere. Tubi senza saldatura: laminatoio Mannesmann e "a passo del pellegrino".
Estrusione a caldo e a freddo. Problematiche dell'estrusione diretta e inversa. Matrici e rapporto di estrusione. Velocità di estrusione. Pressione esercitata sul massello, visioplasticita'. Estrusione per urto. Trafilatura: filiere, prodotti, lubrificazione. Calcolo del minor angolo di apertura della filiera per minimizzare la tensione di trafilatura. Calcolo del valore teorico di riduzione massima. Trafilatura dei tubi.
Richiami sulla deformazione plastica per pezzi definiti. Magli e presse: caratteristiche generali. Calcolo della forza ottenibile da una pressa meccanica ad eccentrico. Pressa meccanica a frizione (vite). Pressa oleodinamica.
La fucinatura: esempio di ciclo. Stampaggio a caldo: canale di bava e sua funzione. Caratteristiche dei pezzi stampati. Calcolo della forza totale di stampaggio. Progettazione del ciclo di stampaggio. Piano di bava, angoli di sformo, raggi di raccordo, ossidazione, ritiro. Coefficiente di difficoltà di Teterin per l'individuazione degli sbozzati intermedi per pezzi assialsimmetrici. Calcolo del volume del greggio di stampaggio. Processo iterativo per l’identificazione degli sbozzati intermedi. Ciclo di stampaggio di un pezzo assialsimmetrico. Problematiche relative al calcolo di pezzi non-assialsimmetrici (il casso della biella). La ricalcatura e l’elettroricalcatura.
Processi di deformazione plastica a freddo delle lamiere. Tranciatura: punzoni, matrici, gioco tra punzone e matrice, caratteristiche produttive e fisiche dei pezzi prodotti, forza di tranciatura, la tranciatura fine. Piegatura a freddo delle lamiere: ritorno elastico, aggraffatura, calandratura, profilatura a freddo a rulli, calcolo dello sviluppo dell’elemento piegato.
Imbutitura: caratteristiche delle lamiere, sollecitazioni durante il processo, gioco tra punzone e matrice, pressione del premilamiera, rapporto di riduzione di imbutitura. Forza di imbutitura e calcolo del disco primitivo.

Generalità sul processo di taglio. La meccanica della formazione del truciolo nel caso di taglio ortogonale. Determinazione dell’angolo di scorrimento in funzione dell’angolo γ, tipi di truciolo, tensioni sul petto dell’utensile. Sviluppo del calore secondo il modello di Vieregge. Fluidi da taglio. Taglio obliquo in tornitura: definizione dei moti di taglio, di avanzamento di appostamento. Forza di taglio e forze di repulsione. Calcolo della Fz attraverso la sezione del truciolo. Pressione di taglio e sua valutazione approssimata o empirica secondo la teoria di Kronenberg.
Rappresentazione unificata dell'utensile monotagliente da tornio: angoli dei taglienti, angoli del profilo, angoli di registrazione, raggio di raccordo della punta. Significati ed influenza dei singoli angoli e del raggio di raccordo sul processo di asportazione e sulla rugosità teorica. Dispositivi rompitruciolo e relazione con i parametri di taglio.
Criteri di usura fenomenologici ed unificati: sul fianco e sul petto dell'utensile. Durata del tagliente. Legge del Taylor. Rette di durata in doppia scala logaritmica. Legge del Taylor generalizzata. Generalità sui criteri di scelta dei parametri del taglio. Caratteristiche dei materiali da utensili. Materiali usati per la fabbricazione di utensili per asportazione di truciolo. Unificazione dei carburi sinterizzati. Usura chimica del diamante.
Il tornio parallelo: superfici lavorate e struttura. Schemi di comando per: moto longitudinale, trasversale e filettature. Configurazione di lavorazioni al tornio. Piattaforma a morsetti autocentranti, a morsetti indipendenti, a morsetti tornibili, brida e menabrida. Spine cilindriche ed espandibili, trascinatore frontale. Lunetta fissa e mobile, effetto a botte. Contropunta rotante. Analisi di diverse tipologie di utensili da tornio (per esterni, per interni). Per gli utensili analizzati: superfici lavorate ottenibili e sezione normale del tagliente principale. Calcolo delle potenze in tornitura.
La lavorazione dei fori: geometria effettiva e apparente di una punta ad elica. Angoli dei taglienti e loro dipendenza dalla posizione sul tagliente. Punte per esecuzione T, D, N. Codolo cilindrico e conico e bloccaggi relativi. Riduttori cono "morse". Mandrino autocentrante.
Lavorazione dei fori: parametri di taglio, allargatori, alesatori multitagliente cilindrici e conici. Calcolo delle forze e delle potenze in foratura. Alesatura con testa ad alesare ed utensile monotagliente su fresatrice. Maschi, testa a maschiare. Trapano sensitivo, a montante, radiale. Trapani da produzione. Alesatrice e lavorazioni tipiche con mandrino e piattaforma.
Le fresatrici. Superfici lavorabili, fresatura periferica e frontale. Geometria dei denti di una fresa: denti fresati, denti a profilo costante e loro affilatura. Frese per esecuzioni T, D, N. Frese ad 1, 2, 3 tagli, relative geometrie e superfici ottenibili. Fresatura in opposizione e concordanza nel taglio periferico ed in quello periferico-frontale. Il dispositivo di recupero dei giochi. Calcolo delle potenze in fresatura periferica e frontale. Fresatrici orizzontali, verticali ed universali. Moti di alimentazione ed appostamento nella fresatura. Testa universale. Attrezzature: staffe, morsa orientabile, piano inclinabile, tavola girevole, divisore universale.
Macchine a moto rettilineo alternato: limatrice (cenni), piallatrice, stozzatrice. Superfici lavorabili ed utensili. Le brocce e le brocciatrici. Superfici ottenibili e parametri necessari per il progetto delle brocce: "i" e "p" . Denti sgrossatori, finitori e calibratori. Aspetti produttivi della brocciatura. Calcolo delle potenze per ogni lavorazione.
La rettifica: superfici ottenibili, le mole, classificazione Norton. Durezza e struttura di una mola. Rettifica in tondo esterna, interna, rettifica tangenziale piana e frontale. Equilibratura delle mole. Vari tipi di mole e parametri tecnologici corrispondenti. La rettificatrice universale e le varie configurazioni di lavoro. Attrezzature: piattaforma magnetica, punta-contrpuntata. Rettifica a "tuffo" e rettifica senza centri.

Definizione di ciclo, fase, sottofase, operazioni elementari. Il foglio di ciclo e sua compilazione. Superfici di riferimento (differenza tra SP ed SR), superfici provvisorie, superfici ausiliarie. Superfici di bloccaggio. Problemi che si hanno quando superficie di riferimento coincide con superficie di bloccaggio. Funzione dei morsetti tornibili al tornio. Tolleranze di posizione e i tre metodi per realizzarle. Esempi di superfici di riferimento su piattaforma autocentrante, su fresatrice, esempi di riferimenti alla rotazione.
Esecuzione in classe di cicli di lavorazione per asportazione di truciolo. Risoluzione guidata con discussione di testi di esame sui cicli di lavorazione alle M.U. Consegna e commento di vari testi d'esame e delle modalità della prova.
Esercitazione in officina: realizzazione di un ciclo di lavorazione per l’ottenimento di un componente meccanico in lega leggera. Analisi delle fasi di: segatura, tornitura, fresatura, tracciatura e foratura. Commento sull’utilizzo delle macchine ed i relativi utensili. Verifica degli attrezzaggi delle macchine utensili per effettuare le lavorazioni sul pezzo.

Le saldature autogene ed eterogene. Tipi di giunti. La saldatura ossiacetilenica: reazioni ed attrezzature, materiali e spessori saldabili. Il taglio ossiacetilenico. Saldatura all'arco elettrico con elettrodo rivestito: modalità, materiali, spessori, alimentazione elettrica. Saldatura TIG. : modalità, attrezzatura, materiali, spessori, alimentazione elettrica.
Le saldature MIG e MAG: attrezzature, alimentazione elettrica, materiali. Modalità short-arc, spray-arc e pulsed-arc. La saldatatura in arco sommerso: attrezzatura, alimentazione elettrica, materiali. Le saldature per resistenza elettrica e pressione: a punti, a rulli. Saldature di testa per scintillio. Saldature eterogene: brasature dolci e forti; saldobrasature. Cicli termici di saldatura e difettologie: cricche a caldo e a freddo. Ritiri e tensioni indotte dalle saldature, trattamenti termici dei pezzi saldati.

Bibliografia

M. Santochi, F. Giusti, Tecnologia Meccanica e Studi di Fabbricazione 2ed., Casa Editrice Ambrosiana, 2000.

S. Kalpakjian e S. Schmid, Tecnologia meccanica 5 Ed., Pearson, Milano, 2008.

I lucidi delle lezioni sono disponibili sulla piattaforma ELLY. Attenzione! La sola lettura dei lucidi non è sufficiente a fornire una preparazione adeguata se non abbinata alla frequentazione completa del corso o allo studio sui libri di testo.

Metodi didattici

Al corso sono assegnati 9 CFU per un totale di 63 ore suddivise in 54 ore di lezione in classe e 9 ore di esercitazione in officina. Le ore di lezioni in classe sono così distribuite sulle tematiche principali componenti le conoscenze del corso:
Richiami di disegno tecnico: 3 ore
Metrologia: 3 ore
Materiali metallici e loro caratterizzazione: 6 ore
Fonderia: 12 ore
Deformazione plastica: 12 ore
Saldatura: 3 ore
Asportazione di truciolo: 12 ore
Ciclo di lavorazione: 3 ore
Le lezioni seguono la cronologia necessaria all’espletamento di una sequenza di operazioni esattamente come in un ciclo di lavorazione. Tale approccio pratico ha la funzione di fornire una linea guida durante la preparazione delle prove in modo da focalizzare l’impegno degli studenti nella creazione delle abilità necessarie al raggiungimento degli obiettivi didattici.
Le ore di esercitazione, per poter capire le quali è necessaria la frequentazione delle lezioni o lo studio autonomo sui testi di riferimento, sono ad esse complementari e dedicate a fornire, attraverso la visione dal vivo e l’utilizzo diretto, un’esperienza pratica volta a maturare le abilità verificate in fase di esame.
Il carico complessivo di studio per questo insegnamento è non inferiore alle 250 ore, ossia tra 25 e 30 ore per credito. Ciò include le ore in classe, le esercitazioni tecnico-pratiche in officina, lo studio.

Modalità verifica apprendimento

L’esame finale accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità (ossia l‘acquisizione dei risultati di apprendimento) tramite lo svolgimento di una prova scritta della durata di 3 ore, senza l'aiuto di appunti o libri, e di una successiva prova orale.
Il peso della prova scritta sul voto complessivo è pari al 75% (peso della prova orale, restante 25%).
La prova comprende 3 quesiti, 2 domande sulle conoscenze e 1 esercizio di applicazione delle abilità. In particolare i candidati si troveranno a rispondere ad:
- una domanda teorica del valore di 7 punti nella quale può essere richiesta la spiegazione di una macchina o di un processo produttivo attraverso schemi, definizioni, dimostrazioni, ecc.;
- un esercizio numerico del valore di 8 punti nel quale si vuole verificare l’attitudine del candidato a trattare varie grandezze del SI (con particolare attenzione alle conversioni) ed a fornire risultati quantitativi ai quesiti proposti;
- un esercizio tecnico/pratico del valore di 15 punti che consiste nel redigere il ciclo di lavorazione di un semplice componente meccanico di cui verrà fornito il disegno quotato. L’obiettivo è quello di verificare le abilità dei candidati nella scelta del ciclo produttivo più economico ed efficace.
Per essere ammessi a sostenere la prova orale è necessario ottenere nella prova scritta un punteggio minimo di 16 punti, mentre coloro che abbiano ottenuto un punteggio uguale o superiore a 25 possono decidere di non sostenere la prova orale e confermare il voto dello scritto.
La prova orale, che parte da una riesamina del compito scritto, è volta a verificare la competenza del candidato nel saper argomentare e discutere con proprietà di termini di qualsiasi argomento svolto durante il corso e darne, eventualmente, debita rappresentazione grafica.
Non vengono effettuate prove intermedie.