05 marzo 2008

Visita alle fonderie TFC Galileo

Vi spieghiamo come nasce dallo stampo alla finitura il cuore della moto. Per capire come nascano alcuni pezzi delle moto abbiamo visitato le fonderie TFC Galileo. La fonderia è il luogo dove nasce il cuore della moto: teste, cilindri, carter e, sempre più spesso, forcellone e telaio. L’occasione per andare a vedere un po’ di metallo fuso è stata l’arrivo della Honda CB1000R, più familiarmente nota come Hornet 1000, completamente sviluppata in Italia e che vanta la peculiarità del telaio in allum

Dalla fonderia alla moto




LA FONDERIA Per capire come nascano alcuni pezzi delle moto abbiamo visitato le fonderie TFC Galileo. La fonderia è il luogo dove nasce il cuore della moto: teste, cilindri, carter e, sempre più spesso, forcellone e telaio. L’occasione per andare a vedere un po’ di metallo fuso è stata l’arrivo della Honda CB1000R, più familiarmente nota come Hornet 1000, completamente sviluppata in Italia e che vanta la peculiarità del telaio in alluminio fuso in conchiglia, una lavorazione che generalmente viene ritenuta poco evoluta e inferiore alla pressofusione, ma il cui arrivo su una maxi Honda deve appunto far riflettere sullo sviluppo di questa tecnologia. In fonderia si assiste all’insieme dei processi che, a partire da leghe allo stato liquido o semisolido (fuse), consentono di ottenere dei pezzi colando il materiale in appositi stampi dai quali si ricava la forma dopo la solidificazione. Il pezzo ottenuto prende il nome di getto. Generalmente, la fonderia produce semilavorati, pezzi che hanno cioè bisogno di successivi passaggi di lavorazione (fresatura, foratura, taglio) e comunque di sgrossatura ed eventualmente lucidatura. Gli stampi possono essere a perdere (sabbia, guscio di sabbia e resina, gesso, microfusione, cera persa) o permanenti (conchiglia per gravità, pressofusione); esistono poi altri procedimenti più particolari, come i getti centrifugati e la colata-fucinatura.

Da una tecnica antica




TECNICA ANTICA E CONSOLIDATA
La fusione in conchiglia è la tecnica più semplice e antica: il metallo fuso viene colato all’interno di uno stampo permanente (nel caso dell’alluminio basta usare acciaio o ghisa, che hanno un punto di fusione più alto di diverse centinaia di °C) e lasciato solidificare. La fusione, però, è un’operazione piuttosto delicata che richiede esperienza e piccoli accorgimenti che fanno la differenza fra un buon risultato e un grezzo inadeguato, o troppo costoso. Ottenere un pezzo di forma complessa, infatti, diventa difficile a causa di una serie di problematiche legate alla costruzione dello stampo e alle caratteristiche del metallo fuso.

L'anima dello stampo




L’ANIMA DELLO STAMPO Tanto per cominciare, lo stampo si compone generalmente di due metà, e la scelta del piano di divisione non è sempre facile. Bisogna infatti assicurare che il pezzo non solo assuma la forma desiderata, ma anche che sia estraibile dallo stampo dopo la sua solidificazione. Spesso ciò richiede l’interposizione di parti a perdere, come avviene sempre nel caso ci siano cavità o zone vuote all’interno del pezzo (cosa praticamente scontata se si vogliono sfruttare le caratteristiche di leggerezza dell’alluminio). Diventa allora necessario riempirle con dei “negativi” a perdere, che vengono chiamati anime. Realizzati generalmente in sabbia o resina, vengono successivamente eliminati dal getto con operazioni di vibratura e cottura in forno che rendono liquido il materiale dell’anima. La realizzazione di stampi che prevedano un’anima al loro interno si fa decisamente più complessa, perché occorre prevedere sostegni per mantenere in posizione l’anima durante la colata anche sotto la spinta del metallo fuso, e forme opportune che minimizzino i problemi di erosione da parte del metallo che avanza (fondamentalmente vanno evitati gli spigoli vivi). Va da sé che le anime rappresentano un costo notevole, e che andrebbero ridotte al minimo: anche da qui si vede la bravura della fonderia.

Il fluido della fusione




GESTIRE IL FLUIDO NELLA FUSIONE Il movimento del metallo fuso determina tutta un’altra serie di problemi. Il riempimento della forma dev’essere rapido per poi avere un raffreddamento uniforme, ma non troppo rapido per evitare turbolenze che potrebbero introdurre aria nel pezzo (getto); è anche opportuno filtrare gas ed eventuali scorie. Questo è solo l’inizio, perché il metallo, durante la sua avanzata, si raffredda modificando la sua fluidità, e se lo stampo prevede zone di spessore ridotto in punti lontani dal canale di alimentazione, è facile che il metallo non riesca a riempire del tutto lo stampo. Quando lo ha riempito tutto, le preoccupazioni non sono finite: c’è infatti da tener conto del raffreddamento del metallo, che comporta una sua contrazione soprattutto nel passaggio da fase liquida a fase solida: il cosiddetto ritiro. Poiché questo passaggio non avviene istantaneamente e contemporaneamente in tutto il getto, le zone che solidificano prima esercitano una trazione su quelle che solidificano dopo, per cui si provvede a fornire metallo fuso in eccesso per garantire che durante il raffreddamento non si formino cavità nello stampo. I serbatoi di materiale in eccesso, che si chiamano materozze, restano fino alla fine della solidificazione, poi vengono rimossi, lasciando delle forme connesse al pezzo che prendono il nome di materozze e che saranno poi eliminate, come parte di scarto durante la fase di finitura. L’utilità del fornire metallo fuso in eccesso sta nel fatto che questo compensa i vuoti che si creano nella conchiglia quando il pezzo comincia a raffreddarsi. Infatti, il metallo che raffreddandosi si ritira “risucchia” il metallo fuso della materozza, riempiendo nuovamente l’intera cavità della conchiglia, senza lasciare vuoti che determinerebbero mal formazioni del pezzo ottenuto con la fusione.

Non sta mai fermo




NON STA MAI FERMO La differente tempistica del raffreddamento tra pareti spesse e pareti sottili può anche determinare possibili differenze di struttura cristallina o addirittura uno stato di sollecitazione nel pezzo fuso (le cosiddette tensioni di ritiro) fin da prima che questo venga montato sulla moto. Questo stato di sforzo preesistente comporta possibili deformazioni permanenti, che quindi alterano la forma del pezzo (a volte in modo che diventa evidente solo dopo l’asportazione di uno strato superficiale, ad esempio dopo una fresatura) e comunque si sovrappone e si somma a quello indotto dalle sollecitazioni del componente montato, modificando le previsioni degli ingegneri e potenzialmente determinando pericolosi inneschi di rottura. Il comportamento durante la solidificazione è quindi un parametro cruciale e i recenti strumenti di simulazione numerica hanno sicuramente dato una grossa mano ai progettisti.

Evitare sorprese




EVITARE SORPRESE Se la solidificazione è andata a buon fine, bisogna pensare ad estrarre il getto dallo stampo: un’operazione che in realtà potreste anche non riuscire mai a compiere se non ci avete pensato prima, in sede di definizione della forma del getto. Per favorire l’estrazione, occorre infatti prevedere opportuni angoli tra le superfici per agevolare l’uscita del pezzo dallo stampo. Le superfici perpendicolari al piano di divisione degli stampi non saranno cioè perfettamente a 90°, ma prevedranno un angolo che faciliti l’estrazione. Tutte queste misure si traducono in sovrametalli, ovvero nell’esigenza di lasciare uno strato più o meno stesso attorno alla forma originaria del getto, e questa è una delle ragioni per le quali è necessario introdurre ulteriori lavorazioni di sgrossatura a valle della fusione. Per esempio le alette della testa avranno una forma conica egli angoli retti tra una e l’altra saranno ottenuti per fresatura.

Attendere un risultato inatteso




ATTENDERE UN RISUALTATO INATTESO La forma ottenuta per fusione sarà quindi necessariamente diversa da quella del pezzo finale, e nella definizione di come dovrà essere il ricavato della fusione (getto) sta buona parte della bravura di una fonderia. In genere i progettisti arrivano con la forma finale che vogliono ottenere, ma sono i tecnici della fonderia a sapere come realizzarla, e non di rado propongono modifiche volte ad ottenere un risultato migliore: è una fase di co-design che dura in media un paio di mesi, ma può arrivare a 4 mesi per i pezzi più “delicati”: in TFC Galileo, ad esempio, si lavorano teste e cilindri per Honda, Ducati, Benelli e Polaris, che sono pezzi di complessità molto elevata. Per stabilire forme e processi ci sono alcune regole, ma conta soprattutto il mestiere: l’esperienza. È dall’esperienza che si arriva a stabilire senza troppi errori tutti i parametri (raccordi, angoli di sformo, sovrametalli, ritiri, spessori, nervature, forme da evitare) e ad evitare i problemi di colata incompleta, cavità (da gas o da ritiro), bolle superficiali, inclusioni di sabbia e via dicendo. A parità di tutto, anche solo il tempo di colata, l’altezza di colata, la temperatura della lega (surriscaldamento rispetto alla temperatura di fusione) e altri piccoli accorgimenti sviluppati negli anni possono fare la differenza.

Tutta la fase ed i controlli




DALL’INIZIO ALLA FINE Si prepara un negativo del pezzo, la “forma”, che può essere in terra (e allora la si distrugge al momento dell’estrazione del getto), oppure permanente in metallo (la conchiglia) utilizzabile per più colate. Dopo aver portato la lega alla temperatura di fusione (anzi generalmente più alta, in modo da mantenere fluidità del metallo fino alla sua completa penetrazione nello stampo), la si cola nel getto e si lascia solidificare; si provvede infine all’estrazione del getto ed alle operazioni di finitura: la smaterozzatura (eliminazione delle materozze), la sbavatura (eliminazione delle bave), la sabbiatura (pulizia superficiale) e via dicendo. Prima di deliberare il pezzo vengono eseguiti controlli per verificare che non siano rimaste al suo interno bolle d’aria, porosità o inclusioni che ne minaccerebbero le prestazioni in termini di resistenza. Questi controlli sono di vari tipi, per esempio si può prevedere una radioscopia, analoga alle radiografie che si fanno sulle ossa. In Galileo questi controlli interessano in qualche caso (a seconda delle specifiche del cliente) l’intera produzione. Ancora successivamente avverranno le ulteriori operazioni di lavorazione come foratura, fresatura e taglio, anche per eliminare i sovrametalli che dipendono dalle numerose incertezze del processo di fusione: dalla composizione chimica della lega alla velocità di raffreddamento.
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