ITMI20111767A1 - Metodo e apparato di rheocasting - Google Patents

Description

DESCRIZIONE PER BREVETTO DI INVENZIONE

Avente titolo: “Metodo e apparato di rheocastingâ€

SFONDO DELL’INVENZIONE

L’invenzione concerne un metodo ed un apparato per la formatura di pezzi pressofusi con una lega metallica, ad esempio una lega di alluminio, che viene iniettata allo stato semi-solido nella cavità di uno stampo; in particolare l’invenzione si riferisce ad un metodo ed un apparato di rheocasting.

In modo specifico, ma non esclusivo, l’invenzione trova vantaggiosa applicazione nella formatura di pezzi di forma complessa, di spessore non uniforme, con elevate caratteristiche meccaniche, realizzati in leghe di alluminio (ad esempio leghe Al-Si), come richiesto in particolare per l’industria automobilistica.

Il rheocasting à ̈ uno dei processi noti di formatura allo stato semi-solido (detto anche processo SSM, “semi-solid metallurgy†). In un processo SSM, una lega leggera, in genere di alluminio, viene agitata meccanicamente, ottenendo una struttura con una fase solida globulare (globuli di fase α-Al in caso di leghe di alluminio) dentro una matrice liquida. In queste condizioni la viscosità dipende dalla frazione di solido presente, che a sua volta à ̈ funzione della temperatura e della percentuale di silicio nella lega, nonché dalla velocità di taglio applicata durante il processo di agitazione. In particolare, la viscosità cala al crescere della velocità di taglio. La lega semisolida, raffreddata ad una definita temperatura intermedia tra uno stato “liquido†ed uno stato “solido†, assume caratteristiche reologiche che la rendono adatta, malgrado le elevate frazioni solide, ad essere iniettata in uno stampo.

Il processo SSM di rheocasting comprende la fusione di una lega, l’agitazione meccanica della lega con conseguente formazione di una struttura globulare, e quindi l’immediata iniezione in uno stampo di formatura. Il processo SSM di thixocasting comprende invece una produzione intermedia di billette aventi la speciale struttura globulare, sempre ottenuta mediante fusione della lega e agitazione meccanica; all’occorrenza le billette, dopo un eventuale taglio a misura per renderle della lunghezza desiderata, vengono parzialmente rifuse e iniettate in uno stampo.

Il brevetto US-A-6,901,991 mostra un processo di formatura SSM eseguito in una pressa verticale avente una stazione di riempimento e una stazione di iniezione. La lega fusa viene versata in una camera di iniezione disposta nella stazione di riempimento, quindi la camera di iniezione con un rispettivo pistone, viene trasferita nella stazione di iniezione dove la lega semisolida viene iniettata in uno stampo. Un fluido di raffreddamento scorre in una spina mobile la cui estremità superiore sporge dal pistone, penetrando nella lega semisolida al centro della camera di iniezione. La spina di raffreddamento à ̈ collegata ad un circuito di circolazione di un fluido di raffreddamento disposto all’esterno della camera di iniezione.

In US-A-6,901,991 non à ̈ previsto alcun mezzo per l’agitazione della lega metallica, né ciò à ̈ reso possibile a causa della sporgenza della spina di raffreddamento nella camera di iniezione; viene pertanto previsto l’impiego di un prodotto affinatore del grano per ottenere la microstruttura globulare o sferoidale desiderata. Inoltre, per ovviare al rapido raffreddamento della lega in contatto con le pareti della camera di iniezione e allo scopo di garantire la necessaria quantità di materiale con le caratteristiche adatte al processo, deve essere utilizzata una camera di iniezione di grande diametro, il che comporta la formazione di una materozza (scarto della fusione) di dimensioni elevate, con relativi costi per la sua rifusione e/o il trattamento del materiale di scarto; l’assenza di qualsiasi mezzo di agitazione, comporta una percentuale di solido nella miscela relativamente basso.

US-A-6,478,075 mostra a sua volta un apparato di formatura in cui una quantità di alluminio fuso viene introdotta in una camera di iniezione e sottoposta ad agitazione elettromagnetica mediante una bobina che circonda la parete periferica della camera di iniezione, sottoponendola a raffreddamento mediante un fluido circolante all’interno della parete periferica della stessa camera di iniezione. Quando la lega di alluminio ha raggiunto il desiderato stato semi-solido, un pistone inietta la lega semisolida nella cavità di uno stampo.

L’apparato mostrato da US-A-6,478,075 à ̈ migliorabile per vari aspetti. In primo luogo à ̈ auspicabile ridurre la percentuale di materiale solidificato che rimane nella camera di iniezione; inoltre l’uso di un sistema elettromagnetico di agitazione, in combinazione con un sistema di raffreddamento della camera di iniezione, non consente di ottenere leghe semisolide aventi una microstruttura globulare particolarmente fine ed uniforme, ed una miscela (slurry) iniettabile avente una elevata frazione solida finemente dispersa nella matrice liquida.

SCOPI DELL’INVENZIONE

Il problema tecnico alla base della presente invenzione, consiste nel fornire un metodo e un apparato di rheocasting per pezzi pressofusi, mediante i quali si renda possibile ottenere una miscela (slurry) di una lega metallica semisolida comprendente una elevata percentuale di frazione solida, avente una struttura finemente globulare in grado di mantenere un elevato grado di fluidità per l’iniezione anche in stampi di disegno complesso, o con passaggi estremamente ristretti, nella produzione di pezzi pressofusi di qualità elevata.

Pertanto, uno scopo dell’invenzione à ̈ di fornire un metodo ed un apparato di rheocasting per leghe metalliche, in grado di consentire un mescolamento meccanico e un raffreddamento contemporanei, e di ottenere una miscela semisolida idonea per essere facilmente iniettata in uno stampo.

Un ulteriore scopo à ̈ di realizzare un apparato di rheocasting atto a preparare una miscela semisolida di una lega metallica da iniettare in una cavità di uno stampo, avente un elevato grado di omogeneità ed una fine struttura globulare, riducendo in questo modo la percentuale di materiale che, per effetto del raffreddamento, rimane solidificato contro le pareti del contenitore di iniezione.

Un ulteriore scopo à ̈ di fornire un apparato di rheocasting costruttivamente semplice ed economico.

Altro scopo dell’invenzione à ̈ di provvedere un apparato di rheocasting per una pressa di tipo verticale, con il quale sia possibile eseguire contemporaneamente un trattamento termico e meccanico di una lega metallica allo stato semi-solido, in particolare il raffreddamento e il mescolamento, senza richiedere l’installazione di ulteriori apparati dedicati a questo scopo.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ di fornire una pressa di pressofusione di tipo verticale, provvista di un apparato di rheocasting, mediante la quale si rende possibile incrementare la massima frazione solida ottenibile prima dell’iniezione del materiale nello stampo, con conseguente possibilità di ridurre i tempi del ciclo di lavoro.

Un vantaggio dell’invenzione à ̈ di provvedere un apparato di rheocasting in grado di consentire la formazione di un numero elevato di nuclei di solidificazione, realizzando così una microstruttura globulare fine ed uniforme, che si traduce in elevate proprietà meccaniche del pezzo pressofuso.

Un altro vantaggio à ̈ di fornire un apparato di rheocasting in grado di formare pezzi stampati con le desiderate proprietà microstrutturali e caratteristiche meccaniche, quali ad esempio una ridotta porosità e un elevato allungamento a rottura.

Altro vantaggio ancora à ̈ di realizzare un apparato di rheocasting in grado di sottoporre una lega metallica allo stato fuso, ad una agitazione meccanica e ad idonee modalità di raffreddamento, che permettono una uniforme distribuzione delle temperature ed una maggiore omogeneità nella distribuzione della frazione solida. BREVE DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Tali scopi e vantaggi, ed altri ancora, sono raggiunti mediante il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 1, nonché mediante un apparato di rheocasting secondo la rivendicazione 7.

Secondo un primo aspetto dell’invenzione, si à ̈ fornito un metodo di rheocasting in cui una quantità dosata di una lega metallica allo stato fuso viene caricata in un contenitore di iniezione dove viene sottoposta ad una azione di agitazione e di raffreddamento fino ad assumere uno stato semi-solido, per poi essere iniettata in una cavità di uno stampo;

caratterizzato dalle fasi di:

predisporre un dispositivo di mescolamento comprendente una girante di agitazione supportata in modo mobile per essere immersa nella lega metallica fusa, internamente al contenitore di iniezione;

sottoporre la lega metallica fusa ad una contemporanea azione di agitazione e di raffreddamento mediante circolazione di un fluido di raffreddamento nella girante di agitazione immersa nella lega metallica fusa nel contenitore di iniezione; e mantenere in modo controllato la lega metallica semisolida in agitazione mentre viene raffreddata nel contenitore di iniezione, per un intervallo di tempo prefissato.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, l’apparato di rheocasting comprende un sistema di pressofusione verticale che integra un dispositivo di mescolamento ed un dispositivo di trasferimento (ad esempio del tipo a tavola rotante) che reca almeno due unità di iniezione per la preparazione di una lega metallica allo stato semi-solido, in cui ogni unità di iniezione comprende un contenitore di iniezione idoneo per ricevere una quantità di lega metallica fusa, e un elemento mobile (pistone) per iniettare la lega semisolida in una cavità di uno stampo, e in cui il dispositivo di trasferimento trasferisce in sequenza, con avanzamento a passo, le unità di iniezione tra una stazione di riempimento, ove ciascuna unità di iniezione viene alimentata con la lega fusa, una stazione di iniezione, ove ciascuna unità di iniezione inietta la lega semisolida nella cavità dello stampo, e una stazione di rimozione dallo stampo dei pezzi stampati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione potrà essere meglio compresa con riferimento agli allegati disegni che ne illustrano un esempio non limitativo di attuazione.

La figura 1 à ̈ una vista in elevazione verticale, parzialmente sezionata, di un apparato di rheocasting secondo l’invenzione;

La figura 2 Ã ̈ la sezione II-II di figura 1;

La figura 3 à ̈ la sezione III-III di figura 4 di una unità di iniezione dell’apparato di figura 1;

La figura 4 Ã ̈ la sezione IV-IV di figura 3;

La figura 5 à ̈ una vista in pianta dall’alto di una parte del dispositivo di mescolamento;

La figura 6 Ã ̈ la sezione VI-VI di figura 5;

La figura 7 Ã ̈ uno schema del sistema di controllo del dispositivo di mescolamento;

La figura 8 Ã ̈ uno schema del circuito di raffreddamento del metallo fuso nel contenitore di iniezione;

Le figure 9, 10 e 11 mostrano, in elevazione verticale, tre fasi in sequenza del funzionamento dell’apparato di figura 1, in corrispondenza della stazione di riempimento dell’unità di iniezione;

Le figure 12, 13 e 14 mostrano tre viste dall’alto delle figure, rispettivamente, 9, 10 e 11.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Facendo riferimento alle suddette figure, con 1 à ̈ stato indicato nel suo complesso un apparato di rheocasting per lo stampaggio di pezzi metallici pressofusi in lega leggera, in particolare una lega di alluminio, che viene iniettata in uno stampo, allo stato semi-solido, comprendente una frazione solida sferoidale (fase α-Al) e una matrice allo stato liquido di composizione eutettica.

L’apparato 1 à ̈ configurato per ricevere una quantità dosata di metallo allo stato fuso, sequenzialmente in idonei contenitori di rispettive unità di iniezione, e per portare il metallo fuso ad uno stato semi-solido mediante raffreddamento ad una desiderata temperatura, in una condizione intermedia tra stato “liquido†e stato “solido†, mentre viene sottoposto ad una contemporanea azione di agitazione meccanica nello stesso contenitore di iniezione, per poi iniettare il metallo allo stato semi-solido in uno stampo di pressofusione.

L’apparato 1 comprende una pressa 2, in particolare una pressa verticale, per la formatura di pezzi metallici mediante pressofusione. La pressa 2 à ̈ dotata di almeno uno stampo 3, ad esempio formato da due semistampi; potrà inoltre essere dotata dei mezzi operativi normalmente presenti in una pressa ad iniezione per la formatura per pressofusione, ad esempio un sistema di chiusura dello stampo e un sistema di estrazione del pezzo stampato. La pressa può essere, ad esempio, ad azionamento idraulico, o ad azionamento elettrico, o di altro tipo ancora. In figura 1 lo stampo 3 à ̈ raffigurato in posizione aperta (a destra) e in posizione chiusa (a sinistra).

L’apparato di rheocasting 1 comprende un dispositivo di trasferimento delle unità di iniezione 5, consistente in un supporto mobile 4, in particolare una tavola rotante secondo un asse di rotazione verticale, azionata per ruotare a passi tramite un motoriduttore 4’ ed un intermittore 4†. Il supporto mobile 4 reca una pluralità di unità di iniezione 5, nel caso specifico tre unità 5, ed à ̈ configurato per trasferire le unità di iniezione 5 in sequenza, con avanzamento a passo, tra almeno una stazione di riempimento 6, figure 2, 9 e 12, ove ciascuna unità di iniezione 5 riceve una quantità dosata di metallo (lega di alluminio) allo stato fuso ed in cui il metallo fuso viene opportunamente processato fino ad uno stato semi-solido; una stazione 7 di iniezione e rimozione dei pezzi stampati, ove ogni unità di iniezione 5 viene azionata per iniettare nello stampo 3 il metallo fuso che à ̈ stato processato direttamente nell’unità di iniezione 5 per portarlo allo stato semi-solido; e una stazione 6’ di evacuazione della materozza e lubrificazione del contenitore 8 di ciascuna unità iniezione 5.

Il dispositivo di trasferimento 4 può corrispondere, ad esempio, al dispositivo con tavola rotante descritto in WO-A-01/05537, della stessa richiedente, che viene qui incorporata per riferimento.

Come mostrato in figura 3, ogni unità di iniezione 5 comprende un contenitore di iniezione 8 configurato per ricevere il metallo fuso, ed un pistone 9 scorrevole assialmente per iniettare nello stampo 3 il metallo fuso contenuto nel contenitore di iniezione 8.

Il contenitore di iniezione 8 à ̈ aperto superiormente e il pistone 9 à ̈ scorrevole assialmente, in direzione verticale, all’interno del contenitore di iniezione 8, per alimentare lo stampo 3 dal basso verso l’alto.

L’apparato di rheocasting 1 comprende inoltre un dispositivo meccanico 10 di mescolamento e raffreddamento dotato di una girante 11 avente la possibilità di assumere almeno una posizione attiva (figura 11), in cui la girante 11 si protende all’interno del contenitore di iniezione 8 per mescolare il metallo fuso in esso contenuto, e almeno una posizione inattiva (figure 9 e 10), in cui la girante 11 del il dispositivo di mescolamento à ̈ esterna al contenitore di iniezione 8. Il dispositivo di mescolamento 10 opera in posizione attiva nella stazione di riempimento 6.

Come mostrato nelle figure 5, 6 e 7, il dispositivo di mescolamento 10 comprende una girante 11 recante una o più pale di mescolamento 12, ad esempio due pale di mescolamento 12 come nell’esempio qui illustrato.

La girante 11 à ̈ orientata verso il basso con asse di rotazione verticale ed à ̈ supportata in modo mobile verticalmente ed orizzontalmente, e in posizione attiva (figura 11) risulta immersa nel metallo fuso nel contenitore di iniezione 8 in modo da generare una intensa azione di mescolamento e di contemporaneo raffreddamento, mentre in posizione inattiva (figure 9 e 10) risulta all’esterno del contenitore di iniezione 8.

Nell’esempio mostrato, l’apparato 1 comprende dunque mezzi di comando 13 per muovere verticalmente ed orizzontalmente la girante 11 del dispositivo di mescolamento 10, tra le posizioni attiva e inattiva. I mezzi di comando 13, come mostrato nelle figure da 9 a 14, comprendono una prima guida estensibile 13’, orientata verticalmente, a cui à ̈ fissato il dispositivo di mescolamento 10; la prima guida estensibile 13’ a sua volta à ̈ supportata da una seconda guida estensibile 13†orientata orizzontalmente, fissata su un lato del telaio della pressa verticale. I mezzi di comando 13 sono dunque in grado di spostare la girante 11 del dispositivo di mescolamento 10, lungo due assi ortogonali giacenti in un piano verticale. Il dispositivo di mescolamento 10 potrà quindi essere azionato per spostare la girante 11 sia in una direzione orizzontale per avvicinarsi alla stazione di riempimento 6, sia in una direzione verticale per essere immersa almeno in parte nel metallo fuso da sottoporre ad agitazione all’interno del contenitore di iniezione 8; in alternativa alla disposizione fissata al telaio della pressa, il dispositivo di mescolamento 10 può costituire parte di un apposito robot.

Il dispositivo di mescolamento 10 comprende dei mezzi motori per attivare l’azione di mescolamento. I mezzi motori saranno configurati, in particolare, per azionare in rotazione la girante 11 di mescolamento. I mezzi motori comprendono, nel caso specifico, un motore elettrico 14 azionato tramite un regolatore di velocità (inverter). Come mostrato nelle figure 6 e 7, la girante 11 à ̈ collegata ad un albero cavo 15, a sua volta collegato al motore elettrico 14 tramite un rinvio angolare 14†. Il gruppo formato dalla girante 11, albero cavo 15 e motore elettrico 14, à ̈ montato sulla guida estensibile 13’, come precedentemente indicato.

Il dispositivo di mescolamento 10, figura 7, à ̈ provvisto inoltre di mezzi sensori, ad esempio un trasduttore di coppia motrice T, configurati per emettere un segnale di controllo FB indicativo dell’energia impiegata dal motore 14 per l’azionamento del dispositivo di mescolamento 10 che viene retroazionato ad un controllore assi CA, operativamente collegato ad una unità di processo CPU per inviare un segnale SC di coppia o di corrente, rispettivamente collegato per inviare un segnale RM di riferimento motore ad un inverter IN per un comando SD del motore 14. I mezzi sensori sono in grado, ad esempio, di rilevare la coppia e/o la corrente elettrica assorbita dal motore 14, in funzione del segnale SM emesso dal motore 14; l’unità di processo CPU invia al controllore assi CA un segnale SV di riferimento velocità motore e in base ad uno specifico algoritmo di calcolo, à ̈ in grado di fornire una indicazione della velocità della girante e della percentuale di metallo solido sferoidale nella matrice liquida del metallo fuso nel contenitore di iniezione 8 con velocità costante della girante 11. L’unità di controllo (CPU) à ̈ dunque configurata per ricevere il segnale SC emesso dal controllore assi CA e per controllare la velocità del motore elettrico 14 che pone in rotazione la girante 11 di mescolamento, in risposta al segnale ricevuto. In figura 7 à ̈ schematicamente rappresentato il modo di controllo in feedback del motore 14 di azionamento della girante 11 di mescolamento e di agitazione meccanica.

Come mostrato in figura 8, l’apparato di rheocasting 1 comprende inoltre un circuito 16 di raffreddamento del metallo fuso nel contenitore di iniezione 8, che si estende almeno in parte all’interno del dispositivo di mescolamento 10 in modo che un fluido termico, che fluisce nel circuito di raffreddamento 16, possa asportare calore dal metallo fuso, direttamente nel contenitore di iniezione 8, mentre il dispositivo di mescolamento 10 à ̈ nella posizione attiva di figure 8 e 11, nonché termoregolare il contenitore di iniezione 8’ e il rispettivo pistone 9.

A questo proposito, come mostrato in figura 6, il rotore 11 in prossimità delle pale 12, alla sua estremità inferiore, comprende una cavità 19’ per la circolazione di un fluido termico di termoregolazione o raffreddamento. La cavità 19’, nell’esempio mostrato, à ̈ costituita da un foro a fondo cieco che si estende longitudinalmente nel corpo della girante 11, in continuazione di un foro longitudinale dell’albero cavo di comando 15. Un condotto 18 si estende coassialmente all’albero cavo 15 nel foro cieco o cavità 19’ della girante 11, terminando ad una certa distanza dal fondo dello stesso foro cieco 19’. Il condotto 18 presenta un diametro esterno inferiore al diametro interno del foro dell’albero cavo 15, in modo che tra il condotto 18 e la parete periferica 17 dell’albero cavo 15 si viene a formare una intercapedine anulare 19. L’intercapedine anulare 19 e il condotto 18 formano due tratti distinti del circuito di raffreddamento o termoregolazione 16, rispettivamente un tratto di alimentazione ed un tratto di ricircolo interni alla girante 11.

L’albero cavo 15 e il condotto 18 sono operativamente collegati alla parte esterna del circuito di raffreddamento, tramite un giunto rotante 20, avente una entrata 20’ ed una uscita 20†per il fluido.

Più in dettaglio, con riferimento allo schema di figura 8, l’entrata 20’ del giunto 20 comunica, tramite un gruppo collettore CL, con la mandata 21 di una sorgente 24 di alimentazione del fluido di termoregolazione e/o raffreddamento, mentre l’uscita 20†del giunto 20 comunica, sempre tramite il gruppo collettore CL, con il ritorno 22 del fluido di termoregolazione.

Come mostrato in figure 3, 4 e 8, il circuito di termoregolazione e raffreddamento 16 si estende, almeno in parte, all’interno di pareti laterali del contenitore di iniezione 8, all’interno del pistone 9 e nella girante 11 come precedentemente descritto. Nel caso specifico il circuito di raffreddamento 16 comprende tre circuiti secondari tra loro in parallelo, collegati alla sorgente 24 del fluido di raffreddamento tramite il gruppo collettore CL; precisamente comprende un primo circuito secondario collegato alla girante 11 del dispositivo di mescolamento 10, un secondo circuito secondario collegato ai condotti di mandata 9’ e 9†che si aprono in una cavità 9’’’ del pistone 9. e un terzo circuito secondario collegato a condotti di circolazione 8’ e 8†ricavati nella parete laterale del contenitore di iniezione 8.

Nel funzionamento dell’apparato di rheocasting 1, il controllo delle proprietà reologiche del metallo fuso nel contenitore di iniezione 8 viene effettuato regolando la velocità di raffreddamento e la velocità di taglio della girante 11 nella fase di preparazione della lega semisolida. La velocità di taglio à ̈ regolata mediante il segnale FB di controllo in feedback, correlato al segnale SM del motore 14 di azionamento del dispositivo di mescolamento 10. Come già riferito, il segnale FB retrazionato al controllore assi CA viene inviato alla CPU come segnale di coppia o di corrente SC; a sua volta la CPU invia al controllore assi CA un segnale SV di riferimento di velocità. Il controllore di assi CA invia quindi all’inverter IN un segnale di riferimento motore RM che l’inverter IN trasforma in un segnale di comando motore SD.

La velocità di raffreddamento à ̈ regolata invece mediante un sistema di controllo del flusso del fluido di raffreddamento, e/o di termoregolazione, comprendente uno o più sensori di flusso, ad esempio i flussimetri 23 in figura 8, che misurano il flusso del fluido di raffreddamento in almeno un tratto del circuito di raffreddamento, ad esempio nella parte esterna del primo circuito secondario del dispositivo di mescolamento 10, e/o nella parte esterna del secondo circuito secondario che attraversa il punzone 9, e/o nella parte esterna del terzo circuito secondario che attraversa le pareti del contenitore di iniezione 8, e almeno una unità 24 di condizionamento termico del fluido che viene controllata dall’unità di controllo CPU per regolare e variare la temperatura del fluido di raffreddamento, in risposta a segnali provenienti dai sensori di flusso 23.

Con riferimento alle figure, il processo di preparazione della lega metallica semisolida comprende le seguenti fasi in sequenza:

un elemento dosatore 25 preleva da un forno di attesa, di per sé noto e non illustrato, una quantità dosata di lega metallica fusa allo stato liquido e la versa nel contenitore di iniezione 8 della unità di iniezione 5 che in un dato momento si trova nella stazione di riempimento 6 (figure 9 e 12). La temperatura di versamento del metallo nel contenitore di iniezione potrà essere, ad esempio, di circa 640 °C ÷ 650 °C; il dispositivo di mescolamento 10 risulta disattivato e in posizione arretrata.

Dopodiché il dispositivo di mescolamento 10 preposto al trattamento di agitazione meccanica della lega si posiziona al di sopra del contenitore di iniezione 8 contenente il metallo liquido appena versato (figure 10 e 13), mediante uno spostamento lungo un asse di movimentazione orizzontale guidato dal gruppo di trasporto 13.

Successivamente la girante 11 del dispositivo di mescolamento viene posta in rotazione ed immersa nel metallo liquido per la preparazione della lega allo stato semi-solido (figure 11 e 14). Nel contempo il fluido di raffreddamento viene fatto scorrere nel circuito di raffreddamento ad una temperatura controllata e/o ad una portata controllata. In questa fase la velocità di raffreddamento del materiale viene regolata agendo sulla temperatura e/o sulle portate del fluido di termoregolazione che interessano la girante 11 e i gruppi contenitore/pistone. Il fluido di termoregolazione o raffreddamento à ̈ costituito, ad esempio, da acqua pressurizzata con temperature impostabili in un range da 20 °C a 200 °C.

L’apparato di rheocasting 1 potrà essere dotato di mezzi (noti e non illustrati) per l’insufflazione di un gas inerte sul metallo fuso, in particolare sulla superficie del metallo in preparazione all’interno del contenitore di iniezione 8. Durante la fase di mescolamento à ̈ quindi possibile controllare l’insufflazione diretta sul metallo di un gas inerte, quale argon o azoto. Questo riduce drasticamente l’ossidazione della porzione superficiale del metallo altrimenti in contatto con l’aria ambientale.

Durante la fase di mescolamento, a causa del raffreddamento e della formazione della parte solida globulare, la densità della miscela costituita dalla frazione di metallo liquido e dalla frazione di metallo solidificato in forma globulare, normalmente noto con il termine tecnico di “slurry†, tende gradualmente ad aumentare; conseguentemente aumenta l’energia necessaria per azionare il motore elettrico 14 del dispositivo di mescolamento 10. Pertanto, tramite il segnale di controllo generato dal trasduttore T, la CPU in ogni istante à ̈ in grado di conoscere la percentuale di metallo solido sferoidale, che può essere comparata con un valore di riferimento memorizzato nella stessa CPU.

Da prove svolte si à ̈ constatato che, terminato il raffreddamento e l’agitazione, si ottiene una miscela semisolida con un’elevata percentuale della frazione solida, avente una struttura finemente globulare comparativamente inferiore a quanto ottenibile con i sistemi attualmente noti.

L’elevata percentuale della frazione solida, e la fine struttura globulare, risultano estremamente vantaggiosi per le ragioni precedentemente riferite, ed in quanto la miscela semisolida mantiene comunque un elevato grado di fluidità che consente l’ottenimento di pezzi pressofusi di qualità elevata anche nel caso di pezzi particolarmente complessi, o con stampi aventi passaggi di dimensioni estremamente ristrette.

Il tempo di agitazione potrà variare ed essere compreso, ad esempio, tra circa 10 e 15 secondi per getti in lega di alluminio. Il contenitore di iniezione può essere pre-riscaldato, regolando la temperatura delle sue pareti laterali, in modo da mantenersi inizialmente a valori compresi tra 200 e 250°C, e poi successivamente abbassata quanto necessario; valori di riscaldamento, ad esempio fino a 300°C o superiori, possono essere ottenuti durante un ciclo di funzionamento automatico, grazie al calore ceduto dalla lega metallica allo stato semi-solido, o prevedendo una configurazione con termoregolazione ad olio diatermico, del circuito di condizionamento dei contenitori di iniezione 8.

Una volta terminato il processo di preparazione della lega allo stato semisolido, l’unità di iniezione 5 viene spostata, ad esempio di un passo, ad opera del supporto mobile 4, nella stazione di iniezione 7, dove si trova al di sotto dello stampo di formatura 3. Qui il pistone 9 viene sollevato per iniettare il materiale semi-solido nello stampo 3 e formare un pezzo pressofuso.

La preparazione della lega semisolida dunque avviene direttamente in un apparato di rheocasting 1 costituente parte di una pressa verticale mediante la quale si rende possibile il trasferimento diretto del metallo allo stato semi-solido, passando dalla stazione 6 di preparazione nel contenitore di iniezione 8, allo stampo di formatura 3 in tempi estremamente ridotti, mantenendo caratteristiche reologiche sostanzialmente invariate.

Nel corso della sperimentazione, si à ̈ costatato che à ̈ possibile ottenere un materiale semi-solido iniettabile avente un valore della frazione solida maggiore del 60 ÷ 65 % circa, con una forma globulare estremamente fine, minore di quella ottenibile con i sistemi attualmente noti.

L’apparato di rheocasting 1 qui descritto consente di limitare l’eccessivo raffreddamento iniziale della lega in contatto con le pareti calde del contenitore di iniezione 8, e del pistone 9 che possono essere termoregolate così da evitare o ridurre notevolmente la porzione di materiale solidificato che aderisce al contenitore stesso. Nell’apparato di rheocasting 1 qui descritto à ̈ possibile inoltre ottenere un raffreddamento controllato del metallo semi-solido, combinando l’azione di mescolamento con l’azione di termoregolazione e raffreddamento delle pareti del contenitore di iniezione 8 e/o del pistone 9, e con l’azione di raffreddamento esercitata tramite il dispositivo di mescolamento 10 che pone in agitazione meccanica il materiale.

Si à ̈ infatti costatato che l’azione di raffreddamento esercitata attraverso il dispositivo di mescolamento 10, in particolare se combinata con l’azione di termoregolazione esercitata attraverso le pareti che delimitano il contenitore di iniezione 8, permette di generare un numero elevato di nuclei di solidificazione e una loro omogenea diffusione nell’intera massa semisolida della lega metallica, per cui la microstruttura globulare ottenuta risulta più fine ed uniforme.

L’apparato di rheocasting 1 qui descritto consente altresì di avere temperature relativamente alte del contenitore di iniezione 8 e nel contempo tempi di permanenza relativamente brevi del metallo all’interno del contenitore stesso.

Il processo di formazione della struttura globulare, che si può attuare con l’apparato di rheocasting 1 qui descritto, in conseguenza dell’azione sinergica di raffreddamento centrale e di agitazione eseguite direttamente nel contenitore di iniezione 8 dello stesso dispositivo di mescolamento 10, permette infine una uniforme distribuzione delle temperature all’interno della lega fusa e quindi una sua maggiore omogeneità.

Come detto, la velocità di rotazione del rotore 11 viene regolata controllando in anello chiuso il numero di giri del motore elettrico 14 che aziona la girante. Tramite la verifica del valore di coppia e/o di corrente assorbita dal motore 14 durante il mescolamento, viene garantita la ripetibilità del processo e della percentuale di frazione solida al termine del processo di preparazione del materiale semi-solido; come precedentemente riferito, si à ̈ constatato infatti che a parità di coppia e/o corrente assorbita dal motore, corrisponde sostanzialmente una determinata frazione solida nella lega in preparazione. La ripetibilità della percentuale di frazione solida nella lega iniettata à ̈ un requisito importante che permette di garantire la costanza delle caratteristiche meccaniche dei pezzi pressofusi, quali ad esempio l’allungamento e la resistenza alla rottura.

ESEMPIO

Di seguito riportiamo alcuni dati relativi ad un esempio di formatura di un pezzo pressofuso mediante l’apparato di rheocasting sopra descritto. La macchina di pressofusione utilizzata ha una forza di chiusura dello stampo di 400 T, una forza di iniezione di 250 T, e un diametro del contenitore di iniezione pari a 180 mm.

È stato utilizzato uno stampo a singola cavità per la produzione di una flangia per strutture a traliccio, in una lega di alluminio.

La lega fusa di alluminio (AlSi7Mg0,6) à ̈ stata sottoposta, in un forno di attesa, al solo trattamento di degasaggio e scorifica. I pezzi pressofusi, secondo questa tecnologia SSM, sono stati prodotti con i seguenti parametri di processo: temperatura di mantenimento della lega nel forno di attesa 650°C; tempo di trattamento del materiale all’interno del contenitore per la preparazione della lega semisolida 13 secondi; velocità di rotazione del rotore 90 giri al minuto.

Per quanto riguarda la temperatura dello stampo, le pareti in contatto con la lega iniettata sono state termoregolate con olio diatermico alla temperatura di 250°C.

Un secondo circuito con acqua a 25°C Ã ̈ stato successivamente usato per

raffreddare il corpo dello stampo. La termoregolazione del contenitore di iniezione,

del pistone e della girante à ̈ stata realizzata con acqua pressurizzata alla

temperatura di 90°C.

La velocità del pistone di iniezione in fase di riempimento stampo à ̈ stata di 30

mm/sec. Tale velocità si à ̈ tradotta in una velocità del metallo negli attacchi di colata

di 900 mm/sec. La pressione finale sul metallo à ̈ stata di 900 bar. I pezzi così

ottenuti sono stati sottoposti al trattamento termico T6, secondo norme SPM, che

consiste in una tempra ed in un invecchiamento artificiale completo. Nel caso della

lega in esame i pezzi sono stati mantenuti per 5 ore a 540°C, tempra in acqua a

20°C e quindi 6 ore a 165°C.

I pezzi sono stati poi sezionati in modo da ottenere delle provette su cui

eseguire prove di trazione per la verifica delle caratteristiche meccaniche ottenute.

La seguente tabella riassume i valori ottenuti, dove:

RM= Carico di rottura

RP0,2%= Carico al limite di proporzionalità

A%= Allungamento percentuale

Tipo di lega: EN 42200 (AlSi7Mg0,6)

Processo SSM rheocasting

Trattamento: T6

Provino Rm (N/mm<2>) Rp02%(N/mm<2>) A%

1 324,5 287,1 3,2

2 332,2 278,5 3,5

3 354,1 291,8 5,4

4 347,2 286 6

5 336,9 286,5 3,5

6 327,4 282,5 2,9

7 349,9 283,2 7,2

8 342,8 277,5 6,2

9 337,1 289,4 4,4

10 338 278,4 4,8

media 339,0 284,1 4,7

I dati ottenuti confermano che il processo SSM eseguito con l’apparato di rheocasting secondo l’invenzione, permette di ottenere in tempi estremamente ridotti, getti con caratteristiche meccaniche comparabili se non superiori a quelle ottenibili con le tecnologie di rheocasting convenzionali, nonché rispetto a quanto ottenibile con la tecnologia di colata in conchiglia, con l’ulteriore vantaggio di poter produrre pezzi con geometrie complesse e minori spessori.

Si intende che quanto à ̈ stato detto e mostrato con riferimento all’esempio dei disegni allegati, à ̈ stato dato a titolo illustrativo delle caratteristiche generali del metodo e dell’apparato di rheocasting secondo l’invenzione e di una sua forma di realizzazione preferenziale. Pertanto altre modifiche e/o varianti potranno essere apportate al metodo e/o all’apparato stesso; ad esempio la girante del dispositivo di mescolamento e il circuito interno di circolazione del fluido di raffreddamento potrebbero essere diversamente conformati, rispetto a quanto mostrato. Lo stesso dispositivo di mescolamento e raffreddamento che invece costituisce parte di una pressa di iniezione verticale, come mostrato, potrebbe essere costituito da un dispositivo separato supportato da un apposito robot, il tutto senza allontanarsi da quanto forma oggetto delle rivendicazioni.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo di rheocasting in cui una quantità dosata di una lega metallica allo stato fuso viene caricata in un contenitore di iniezione (8), dove viene sottoposta ad una azione di agitazione e di raffreddamento fino ad assumere uno stato semi-solido, per poi essere iniettata in una cavità di uno stampo (3); caratterizzato dalle fasi di: predisporre un dispositivo di mescolamento (10) comprendente una girante di agitazione (11) supportata in modo mobile per essere immersa nella lega metallica fusa, internamente al contenitore di iniezione (8); sottoporre la lega metallica fusa ad una contemporanea azione di agitazione e di raffreddamento mediante circolazione di un fluido di raffreddamento nella girante di agitazione (11) immersa nella lega metallica fusa nel contenitore di iniezione (8); e mantenere in modo controllato la lega metallica semisolida in agitazione mentre viene raffreddata nel contenitore di iniezione (8), per un intervallo di tempo prefissato.
2. 2. Il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 1 in cui una lega metallica di alluminio allo stato semi-solido, comprende una frazione solida sferoidale (fase α-Al) in una matrice allo stato liquido di composizione eutettica, caratterizzato dal fatto di regolare la percentuale della frazione solida, controllando la velocità di raffreddamento della lega metallica semisolida nel contenitore di iniezione (8), nonché controllando la temperatura e/o la portata del fluido di raffreddamento circolante nella girante (11) del dispositivo di rimescolamento (10).
3. 3. Il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto di rilevare la portata del fluido di raffreddamento, e di controllare la velocità di raffreddamento regolando la temperatura del fluido di raffreddamento ad un valore scelto tra 20°C e 200°C, in funzione del valore di portata rilevato.
4. 4. Il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 1, ulteriormente caratterizzato dal fatto di riscaldare il contenitore di iniezione (8) ad una temperatura inferiore a quella della lega metallica fusa, al momento del versamento nel contenitore di iniezione (8).
5. 5. Il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di pre-riscaldare il contenitore di iniezione (8) ad una temperatura pari a, o superiore a 200°C÷250°C
6. 6. Il metodo di rheocasting secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di agitare e raffreddare la lega metallica allo stato semi-solido, per un tempo compreso tra 10 e 15 secondi.
7. 7. Un apparato adatto per effettuare uno stampaggio di pezzi metallici presso-fusi secondo il metodo di rheocasting della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere: almeno una unità di iniezione (5) avente un contenitore di iniezione (8) configurato per ricevere una quantità dosata di una lega metallica fusa, e un pistone (9) per iniettare detta lega metallica fusa, in uno stato semi-solido, in una cavità di uno stampo (3); un dispositivo (10) di mescolamento della lega metallica fusa comprendente una girante (11), detta girante (11) del dispositivo di mescolamento essendo supportata mobile tra una condizione inattiva in cui la girante (11) à ̈ esterna al contenitore di iniezione (8), ed una condizione attiva in cui la girante (11) si protende nel contenitore di iniezione (11); e mezzi per raffreddare il dispositivo di mescolamento (10), detti mezzi di raffreddamento comprendendo un primo circuito di circolazione di un fluido termico avente una parte (18, 19) che si estende internamente alla girante (11) del dispositivo di mescolamento (10).
8. 8. L’apparato di rheocasting secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta parte (18, 19) interna alla girante (11) del circuito di raffreddamento si estende parallelamente all’asse di rotazione della girante (11).
9. 9. L’apparato di rheocasting secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo circuito di circolazione di un fluido termico avente una parte (8’, 8†) che si estende nelle pareti del contenitore di iniezione (8).
10. 10. L’apparato di rheocasting secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere un terzo circuito di circolazione di un fluido termico avente una parte (9’, 9†, 9†’) che si estende nel pistone (9) del contenitore di iniezione (8).
11. 11. L’apparato di rheocasting secondo una o più rivendicazioni da 7 a 10, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti circuiti di circolazione del fluido termico, comprende mezzi (23) per rilevare la temperatura e/o la portata del fluido termico circolante, detti mezzi di rilevazione (23) essendo operativamente collegati ad una unità elettronica di controllo (CPU) conformata per regolare la velocità di raffreddamento delle lega metallica fusa, in funzione della temperatura e/o della portata del fluido termico rilevate.
12. 12. L’apparato di rheocasting secondo la rivendicazione 7, in cui la girante (11) del dispositivo di mescolamento (10) à ̈ operativamente collegata ad un motore elettrico di comando (14), caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per rilevare la corrente assorbita e/o la coppia del motore elettrico (14) di azionamento della girante (11) e per generare un segnale di controllo (FB); e una unità elettronica di controllo (CPU) configurata per generare un segnale (SV) di riferimento della velocità di rotazione, in funzione del segnale di controllo ricevuto (FB), alimentato in ingresso ad un controllore assi (CA) operativamente collegato ad un inverter (IN) per la generazione di un segnale (SD) di comando del motore (14).
13. 13. Una pressa verticale per la pressofusione di pezzi in lega metallica, mediante il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta pressa comprende un apparato di rheocasting secondo una o più rivendicazioni da 7 a 12, caratterizzata dal fatto di comprendere: una pluralità di unità di iniezione (5) ciascuna avente un contenitore di iniezione (8) ed un pistone (9) mobile assialmente nel contenitore di iniezione; un dispositivo mobile (4) di supporto e di trasferimento delle unità di iniezione (5), e mezzi di comando (4’, 4†) configurati per comandare un avanzamento a passi del dispositivo di supporto (4) per trasferire, in sequenza, le singole unità di iniezione (5) tra una stazione (6) di carico e di raffreddamento della lega metallica fusa in uno stato semi-solido nel contenitore di iniezione (8); una stazione (7) di iniezione della lega metallica allo stato semi-solido in uno stampo (3); ed una stazione (6’) di rimozione del pezzo stampato; e dal fatto che il dispositivo di mescolamento (10) à ̈ configurato per muovere la girante (11) verticalmente ed orizzontalmente rispetto all’asse del contenitore di iniezione (8).