ITMI20090061A1 - Pistoni per pressofusione - Google Patents

Description

Descrizione

“PISTONI PER PRESSOFUSIONEâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un pistone per pressofusione, destinato in particolare ma non esclusivamente ad essere impiegato nel procedimento cosiddetto in camera fredda.

Prima di entrare nel merito della descrizione, à ̈ opportuno premettere che sebbene nel seguito si farà riferimento principalmente alla pressofusione in camera fredda per semplicità, ciò non dovrà comunque essere inteso in modo limitativo e quanto verrà esposto sarà applicabile, dove non altrimenti incompatibile, anche ad altri tipi di pressofusione (per esempio quella in camera calda) di materiali metallici e non.

La pressofusione in camera fredda à ̈ un procedimento noto da tempo e pertanto in seguito non verrà descritto maggiormente nei suoi dettagli, se non per quanto necessario a comprendere l’invenzione, rimandando per ulteriori informazioni alle numerose pubblicazioni tecniche e scientifiche esistenti sull’argomento.

In questo procedimento il metallo fuso viene colato in un contenitore che ha una cavità cilindrica al suo interno, nella quale si muove un pistone che spinge il metallo verso un’uscita assiale, iniettandolo nello stampo dove à ̈ la matrice del pezzo da formare.

Questo tipo di procedimento à ̈ utilizzato soprattutto per la lavorazione di pezzi in leghe leggere a base di alluminio, ma recentemente il suo campo di applicazione si à ̈ esteso anche al magnesio; le temperature in gioco possono raggiungere quindi valori piuttosto elevati (superiori a 400-500 °C) e pertanto il raffreddamento del pistone diventa un fattore importante per il corretto svolgimento del processo produttivo.

Attualmente per queste applicazioni à ̈ noto raffreddare il pistone con un liquido, il quale viene fatto affluire nella zona termicamente più sollecitata, vale a dire la testa del pistone che entra in contatto diretto con il metallo fuso, e poi evacuato seguendo un percorso inverso.

In particolare il liquido fluisce in un condotto assiale interno al supporto su cui à ̈ montato il pistone, il quale sfocia in corrispondenza della testa di quest’ultimo; per diffondere il liquido lungo la parete interna della testa del pistone sono previsti dei canali radiali formati in corrispondenza dell’estremità del supporto.

La portata del liquido si distribuisce quindi a raggiera e viene raccolta in un canale circolare a corona rispetto al supporto del pistone, da cui ritorna poi verso la parte assiale del supporto stesso per essere evacuata.

Esempi di pistoni raffreddati con queste modalità sono descritti nella domanda di brevetto europeo EP 423 413 pubblicata il 24.04.1991 o in quella internazionale PCT/IT2007/000255 pubblicata il 18.10.2007.

Se da un punto di vista generale i sistemi di raffreddamento noti sono affidabili in quanto ormai collaudati da tempo, dall’altro le temperature più elevate che interessano oggi la pressofusione ed alle quali si faceva riferimento sopra, fanno sentire l’esigenza di migliorare l’efficienza dello scambio termico tra il pistone e il liquido di raffreddamento.

Infatti la lavorazione del magnesio e delle sue leghe produce un riscaldamento elevato del pistone: ne consegue che per asportare una maggiore quantità di calore non vi à ̈ altra soluzione che agire sulla superficie di scambio termico lambita dal liquido, vale a dire aumentare le dimensioni del pistone.

Tuttavia ciò non à ̈ sempre possibile perché richiederebbe di modificare anche il contenitore nel quale scorre il pistone, così che di fatto questa soluzione non può essere applicata alle attrezzature da pressofusione esistenti, perché altrimenti queste dovrebbero essere sostituite con i relativi costi che ne derivano.

Il problema tecnico che si pone alla base della presente invenzione à ̈ quindi quello di superare lo stato della tecnica sopra delineato.

In altri termini, il problema à ̈ quello di rendere disponibile un pistone per pressofusione il cui raffreddamento abbia luogo con una efficienza migliorata rispetto a quanto avviene nella tecnica nota.

In questo modo à ̈ possibile realizzare un pistone avente lo stesso diametro di quello dei pistoni esistenti, ma che a parità di altre condizioni (portata di liquido refrigerante, lunghezza del mantello ecc.) assicura migliori prestazioni perché à ̈ raffreddato in modo più efficiente.

L’idea di soluzione del problema tecnico sopra menzionato consiste nel far defluire il liquido di raffreddamento nel mantello del pistone: in questo modo viene asportato calore direttamente dall’interno di quest’ultimo, così da avere un maggiore scambio termico.

Il migliore raffreddamento del pistone permette di aumentare il numero dei cicli di stampaggio, mantenendo la sua temperatura al di sotto di valori prefissati per il corretto funzionamento.

Pertanto anche la produttività dell’attrezzatura di stampaggio aumenta con evidenti vantaggi da un punto di vista industriale.

Il problema tecnico sopra richiamato à ̈ risolto da un pistone le cui caratteristiche sono enunciate nelle rivendicazioni annesse a questa descrizione.

Tali caratteristiche ed i vantaggi che ne derivano risulteranno meglio da un esempio di realizzazione del pistone secondo il trovato, illustrato qui appresso con riferimento ai disegni allegati in cui:

- le fig. 1 e 2 mostrano una vista in esploso da rispettive angolazioni di un pistone con il relativo supporto, in accordo con il presente trovato;

- fig. 3 mostra il pistone ed il supporto delle figure precedenti in condizione assemblata;

- fig. 4 mostra in dettaglio il pistone, senza supporto, delle figure precedenti;

- fig. 5 Ã ̈ una sezione longitudinale del pistone montato sul supporto, delle figure precedenti;

- fig. 6 à ̈ una sezione longitudinale e lungo un piano secante del pistone e del supporto, nella quale à ̈ visibile il condotto di afflusso del liquido di raffreddamento;

- fig. 7 Ã ̈ una sezione longitudinale del pistone e di una parte del supporto al suo interno, lasciando in evidenza dei collettori radiali.

Con riferimento ai disegni sopra elencati, in essi con 1 à ̈ complessivamente indicato un gruppo pistone-supporto per la pressofusione, realizzato in accordo con l’invenzione.

Il gruppo comprende un supporto 2 avente geometria cilindrica, con una base 3 dotata delle consuete facce smussate 4 per l’impegno con utensili (chiavi inglesi o simili) di montaggio del gruppo sull’attrezzatura di stampaggio.

Dalla base 3 si estende il corpo 5 del supporto, che à ̈ assialmente cavo e che presenta alla sua estremità frontale delle scanalature 7 estese dal centro verso la periferia, sulle quali si ritornerà meglio in seguito.

Lungo il corpo 5 del supporto sono presenti delle sedi 9 per l’impegno con delle chiavette 10 di fissaggio del pistone; in questo esempio le sedi 9 sono in numero di tre distanziate di 120° una dall’altra: il loro numero potrebbe comunque essere superiore od inferiore a tre, a seconda delle esigenze.

Sul fondo delle sedi 9 Ã ̈ presente un foro filettato 11 avente diametro corrispondente al gambo delle viti 12 usate per il fissaggio delle chiavette 10.

Infine, lungo il corpo 5 del supporto del pistone sono presenti delle cave anulari 13’, 13’’ e 13’’’ per l’alloggiamento di rispettive guarnizioni di tenuta ad anello (O-ring) 15’, 15’’ e 15’’’; il numero delle cave e delle guarnizioni potrà essere diverso da quello considerato nell’esempio, anche se quelle indicate permettono la circolazione ottimale del liquido di raffreddamento nel mantello.

Passando ora a descrivere il pistone 20, esso comprende un mantello laterale cilindrico 21 chiuso frontalmente da una testa 22, intorno alla quale si innesta un anello o fascia di tenuta 23.

In accordo con una forma realizzativa preferita, l’anello di tenuta 23 presenta dei denti interni radiali 24 destinati ad impegnarsi in corrispondenti sedi 25 formate alla base della testa 22 del pistone.

L’anello 23 può essere esternamente liscio come sono in generale gli anelli attualmente noti, oppure presentare sulla superficie esterna un solco 26 che come si può vedere nelle figure in questo esempio ha un andamento a greca ma potrebbe essere anulare o con un altro profilo.

Sul mantello 21 sono predisposte delle aperture radiali 29 che quando il pistone à ̈ montato sul supporto 2 si trovano allineate con le sedi 9, in modo da consentire il passaggio delle chiavette 10: queste ultime assicurano quindi il bloccaggio del mantello 21 sul corpo 5 del supporto, impedendone sia le rotazioni che i movimenti in senso assiale.

Il fissaggio del pistone con le chiavette rappresenta una soluzione preferita dell’invenzione, in quanto permette il bloccaggio efficace e contestuale sia delle rotazioni che delle traslazioni assiali del pistone rispetto al supporto 2; essa tuttavia non à ̈ l’unica soluzione possibile.

Ad esempio, in alternativa si potrebbe pensare di impiegare il sistema tradizionale con filettatura che consente l’avvitamento del pistone sul corpo 5 del pistone oppure un sistema a baionetta, anch’esso di tipo noto.

Per il raffreddamento del pistone 20, nel suo mantello cilindrico 21 sono predisposti dei canali 30 che si estendono paralleli lungo le generatrici, tra una camera di distribuzione 32 anulare disposta a corona intorno all’estremità anteriore del corpo 5 del supporto ed una camera di raccolta 33, anch’essa anulare.

La camera di raccolta à ̈ disposta alla base del mantello, in corrispondenza dello spazio definito tra le due sedi 13’, 13’’ per gli anelli di tenuta 15’, 15’’.

In tal modo il liquido raccolto nella camera 33 può defluire verso una serie di collettori radiali 35 formati all’interno del corpo 5 del supporto 2.

Come detto più sopra, quest’ultimo à ̈ assialmente cavo ed in particolare la cavità 38 che lo attraversa in senso longitudinale à ̈ impegnata da un tubo 40 (visibile sezionato in fig. 6) che porta il liquido di raffreddamento in corrispondenza dell’estremità del corpo 5.

Da qui la portata del liquido si divide nelle scanalature 7 per giungere alla camera di distribuzione 32 già richiamata sopra e seguire il percorso lungo i canali 30.

L’evacuazione del liquido di raffreddamento avviene lungo un percorso esterno al tubo 40: la portata del liquido di raffreddamento proveniente dalla camera di raccolta 33 viene convogliata assialmente dai collettori 35 nell’intercapedine presente intorno al tubo 40, da dove prosegue all’interno della base 3 del supporto 2 per essere evacuata verso l’esterno.

Nella circostanza occorre evidenziare come il posizionamento delle guarnizioni ad anello 15’, 15’’, 15’’’ e delle relative sedi di alloggiamento 13’, 13’’, 13’’’ sul corpo 5 del supporto, risulta particolarmente vantaggioso per il buon raffreddamento del pistone in quanto previene il trafilamento del liquido.

Quest’ultimo giunge infatti nella camera di distribuzione 32 alimentato assialmente tramite il tubo 40 e le scanalature 7; in questa fase à ̈ quindi determinante per evitare la dispersione del flusso di liquido, la presenza della guarnizione 15’’’ nella posizione adiacente all’estremità del corpo 5 del supporto.

Grazie ad essa infatti il liquido prosegue dalle scanalature 7 verso la camera di distribuzione 32 ed entra nei canali 30, a valle dei quali giunge nella camera di raccolta 33; anche in questo caso occorre sottolineare che se non ci fossero le guarnizioni 15’, 15’’, il liquido si diffonderebbe tra la parete interna del mantello 21 e il corpo 5, invece che defluire attraverso i collettori radiali 35 per essere evacuato.

In altri termini, la disposizione dei collettori 35 nella zona compresa tra le guarnizioni di tenuta 15’ e 15’’, à ̈ importante per il buon raffreddamento del pistone.

E’ peraltro appena il caso di segnalare che sebbene nell’esempio le guarnizioni sono applicate in sedi 13’, 13’’ formate sul corpo 5, sarebbe comunque possibile ricavare tali sedi sulla parete interna del mantello.

Infine, come ulteriore elemento caratteristico del trovato occorre segnalare che per la realizzazione dei canali 30 nel mantello mediante lavorazione meccanica di foratura (con fresa, trapano o similari), in questo esempio si à ̈ vantaggiosamente operato con un utensile che penetra nel mantello 21 dal suo bordo inferiore: questa soluzione à ̈ economica in quanto eseguibile con macchinari e utensili tradizionali.

Per la chiusura dei fori d’entrata 41 dell’utensile (visibili in fig. 4) sono previsti degli elementi di sigillatura 42; questi potranno essere di tipo rimovibile e realizzati ad esempio in forma di tappo filettato (ovviamente anche i fori di ingresso 41 saranno filettati), oppure di tipo permanente ottenuti con piombatura oppure cappellotti o bussole deformabili.

I tappi rimovibili hanno il vantaggio di consentire interventi di manutenzione nei canali 30 a fronte di un costo tendenzialmente superiore per la loro realizzazione (oltre che della filettatura dei fori 41), mentre la piombatura o l’uso di cappellotti deformabili in permanenza e quindi non rimovibili sono da preferire per applicazioni su pistoni di dimensioni ridotte.

Da quanto sinora descritto à ̈ possibile comprendere come il pistone 20 risolva il problema tecnico che à ̈ alla base dell’invenzione.

Infatti à ̈ intuitivo che avendo realizzato all’interno del suo mantello 21 i canali 30 nei quali passa il liquido di raffreddamento, lo scambio termico con quest’ultimo risulta notevolmente migliorato e pertanto il calore asportato à ̈ maggiore a parità di altre condizioni (portata del liquido, temperatura del metallo fuso da stampare, velocità di stampaggio ecc.).

In particolare si deve osservare che il liquido di raffreddamento scambia calore con una superficie generalmente maggiore rispetto a quanto avviene nei pistoni noti.

Infatti in questi ultimi il liquido lambisce solo la parete interna del mantello, la quale ha un raggio inferiore rispetto a quello della zona interna compresa tra i canali 30 e la superficie esterna del mantello 21; inoltre nella presente invenzione il liquido scambia calore con tutta la parete interna dei canali 30 la quale, se essi sono dimensionati opportunamente ed il loro numero à ̈ adeguato, risulta maggiore della superficie interna del mantello.

A ciò si deve anche aggiungere il fatto che la presenza dei canali 30 nel mantello 21, cioà ̈ la presenza di vuoti nella parete di quest’ultimo, riduce la sua massa metallica (rame o altro) conduttrice di calore e quindi la capacità termica del mantello (come à ̈ noto la capacità termica à ̈ data dalla relazione Q = c x M x ∆T, dove c à ̈ il calore specifico del materiale, M à ̈ la sua massa complessiva e ∆T à ̈ la variazione di temperatura).

Ne consegue che il liquido di raffreddamento nella presente invenzione à ̈ in scambio termico con una massa metallica inferiore e quindi, a parità di portata, occorre asportare un minore quantitativo di calore per raffreddare tale massa.

Questi effetti vantaggiosi sono conseguiti senza tuttavia modificare le dimensioni esterne del pistone 20, il quale risulta quindi compatibile con i pistoni già esistenti così da poter essere utilizzato sulle attrezzature di stampaggio per pressofusione attualmente in uso.

E’ comunque da osservare che i canali 30 potrebbero comunque essere realizzati con altre lavorazioni, ad esempio con il laser oppure elettroerosione.

In tal caso potrebbero non essere necessari i fori 41 di ingresso degli utensili ed anche la stessa forma dei canali 30 potrebbe non essere rettilinea come nell’esempio mostrato: si pensi per esempio ad un canale a spirale che si sviluppa lungo il mantello 21.

E’ peraltro da segnalare come il mantello 21 sebbene sia preferibilmente realizzato in pezzo unico, potrebbe comunque essere ottenuto accoppiando due pezzi, uno in forma di manicotto esterno accoppiato con un pezzo interno di forma tubolare.

In tal caso i canali 30 o il canale singolo a spirale potrebbero essere ricavati su uno dei due pezzi accoppiati, ottenendo comunque un mantello equivalente a quello dell’esempio descritto in cui il mantello à ̈ in pezzo unico.

In questo contesto sono poi da evidenziare anche ulteriori vantaggi conseguiti dall’invenzione, legati alle particolari soluzioni tecniche adottate.

Ad esempio le chiavette 10 permettono di mantenere bloccato in modo stabile il pistone 20 sul supporto 2 impedendone le rotazioni ed i movimenti assiali relativi, risultando comunque facilmente accessibili dall’esterno per essere rimosse agendo sulle viti 12 in ogni intervento di manutenzione.

Analogamente, anche i denti radiali 24 sull’anello di tenuta 23 e le sedi 25 sul pistone 20 permettono di mantenere bloccato il primo rispetto al secondo; a tal fine l’anello à ̈ preferibilmente di tipo aperto, cioà ̈ dotato di un intaglio che permette il suo allargamento elastico, così da poterlo facilmente rimuovere all’occorrenza.

E’ comunque evidente che sia il sistema di bloccaggio del pistone con le chiavette che quello dell’anello con i denti radiali potranno essere sostituiti da soluzioni diverse, ad esempio anche come quelle usate nei pistoni noti.

Infine, anche per quanto riguarda l’anello di tenuta occorre sottolineare che la scanalatura sulla sua superficie esterna, la quale migliora la lubrificazione del pistone a tutto vantaggio del processo di stampaggio, potrà comunque essere assente senza per questo pregiudicare gli altri effetti conseguiti dall’invenzione.

Queste varianti rientrano comunque nell’ambito delle rivendicazioni che seguono.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pistone per pressofusione, comprendente un mantello (21) laterale sostanzialmente cilindrico ed una testa (22) frontale, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un canale (30) passante nel mantello per il deflusso di un fluido di raffreddamento.
2. 2. Pistone secondo la rivendicazione 1, in cui il mantello (21) comprende una camera di distribuzione (32) ed una camera di raccolta (33), rispettivamente disposte a monte e a valle di detto almeno un canale (30) con riferimento al verso di deflusso del fluido di raffreddamento.
3. 3. Pistone secondo la rivendicazione 2, in cui la camera di distribuzione e quella di raccolta (32, 33) hanno forma sostanzialmente anulare.
4. 4. Pistone secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il mantello (21) comprende almeno una apertura (29) passante per l’inserimento di mezzi (10, 12) di blocco del mantello su un supporto (2) di montaggio.
5. 5. Pistone secondo la rivendicazione 4, in cui i mezzi di blocco del mantello (21) comprendono almeno una chiavetta (10) fissabile in modo rimovibile ad un supporto (2) del mantello.
6. 6. Pistone secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui sono presenti delle sedi (25) intorno alla testa (22) per l’impegno con denti radiali (24) di un anello di tenuta (23) associato al pistone.
7. 7. Pistone secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di canali (30) rettilinei estesi lungo generatrici del mantello (21) cilindrico, ed in cui sono presenti fori (41) per l’ingresso di utensili per la realizzazione di tali canali (30), chiusi mediante mezzi di sigillatura (42).
8. 8. Pistone secondo la rivendicazione 6, in cui i mezzi di sigillatura comprendono cappellotti (42) o elementi similari deformabili in maniera permanente.
9. 9. Pistone secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il mantello (21) Ã ̈ in pezzo unico ed i canali sono ottenuti in seguito ad asportazione di materiale da esso.
10. 10. Supporto per un pistone (20) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una base (3) per il montaggio su una attrezzatura da pressofusione ed un corpo (5) che si estende da tale base, caratterizzato dal fatto di comprendere in prossimità della estremità del corpo (5) una cava (13’’’) per una guarnizione di tenuta (15’’’).
11. 11. Supporto secondo la rivendicazione 10, comprendente una pluralità di collettori (35) estesi nel corpo (5) dall’esterno verso l’interno in prossimità della base (3), in una zona compresa tra due guarnizioni (15’, 15’’) di tenuta.
12. 12. Supporto secondo la rivendicazione 11, in cui le guarnizioni (15’, 15’’) sono di tipo ad anello e sul corpo (5’) sono presenti rispettive sedi (13’, 13’’) di alloggiamento di tali guarnizioni, tra le quali si trovano i collettori (35) per il liquido di raffreddamento.
13. 13. Supporto secondo la rivendicazione 12, in cui il supporto (2) Ã ̈ assialmente cavo.