ITUB20159255A1 - Apparato di forgiatura liquida e relativo metodo - Google Patents

Description

APPARATO DI FORGIATURA LIQUIDA E RELATIVO METODO

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce in generale al settore della formatura di oggetti in metallo e/o in leghe di metallo ed in particolare a un apparato e relativo metodo per eseguire detta formatura.

Stato dell'arte

La tecnologia prevalentemente utilizzata per la formatura di molte tipologie di particolari in metallo, guaie alluminio, o in leghe di metallo, e in specifico in leghe di bronzo, leghe di ottone, o una lega leggera in generale, è la fusione a gravità.

Questa tecnica prevede la presenza di un forno a crogiolo aperto del tipo a combustione di gas, di una conchigliatrice a comando manuale o automatico e di un operatore o robot antropomorfo per effettuare il travaso del metallo liquido nella conchiglia di formatura.

La presenza di un tale forno ha alcune conseguenze negative, guali la formazione di ossido superficiale nel bagno metallico, 1'emissione dei gas di combustione e il rischio di fuoriuscite di metallo liquido con potenziale rischio per gli operatori addetti al versamento del metallo, o supervisori dell'isola di colata.

È inoltre da rilevare che è stato sviluppato 1'utilizzo di un robot antropomorfo per la fase di travaso del metallo nel caso di prodotti come corone per riduttori di medie e grandi dimensioni, mentre per corone di diametro esterno inferiore a 100 mm risulta ancora preferibile la destrezza dell'operatore : ciò sottopone lo stesso al rischio potenziale di infortunio e di stress da movimenti ripetitivi (fino a 500 movimenti al turno). Inoltre la produttività dell'impianto dipende in modo diretto dalla prestazione degli operatori.

La formatura con tecnologia a gravità necessita, per ottenere un getto completo e privo di difetti dovuti al ritiro del materiale nella fase di solidificazione e raffreddamento, del dimensionamento di una materozza di alimentazione di dimensioni abbondanti, spesso fino a 1,5 volte il peso della figura del getto finito. Con il termine "getto" ci si riferisce al prodotto finale del processo di fusione e colata.

Questo eccesso di materiale determina un fabbisogno superiore di lega per 1'ottenimento del getto finito e di conseguenza 1'impiego di una notevole guantità di energia per portare allo stato liquido il metallo. Questo si traduce in costi elevati di trasformazione e notevoli emissioni di gas di combustione. In aggiunta, il processo a gravità non consente la possibilità di ottenere pezzi con struttura omogenea e caratteristiche meccaniche incrementate, a meno di ricorrere a successivi trattamenti termici.

In specifico per particolari, quali corone in leghe di bronzo, dato il costo elevato della materia prima, che può incidere anche più dell'803⁄4 sul costo del prodotto finito, i costruttori sono alla continua ricerca di una soluzione che aiuti a ridurre tale costo che, pesando in modo significativo sul costo del prodotto finale, ne limita la competitività sul mercato.

Di particolare rilievo è anche la realizzazione di oggetti in leghe di ottone, quali rubinetti, elementi di maniglieria e valvole. Particolarmente nei primi due casi, oltre alla complessità del getto, dovuta anche ad esigenze di design, un aspetto fondamentale per il successo sul mercato sono le caratteristiche estetiche e tattili.

Per la formatura di questi tipi di particolari in lega di ottone si utilizza la tecnologia della fusione a bassa pressione, la quale, però, non consente di ottenere con la formatura il grado di finitura superficiale richiesto dal mercato.

Oltre alla presenza di bave che comportano la necessità di una prima operazione di smerigliatura della durata anche di parecchi minuti , sono presenti sulla superficie una serie di piccoli difetti di tipo puntiforme che obbligano i produttori a eseguire da 3 a 4 operazioni galvaniche (per esempio ramatura e/o nikelatura) intervallate da altrettante fasi di nastratura per poter effettuare il trattamento di cromatura che definisce lo stato finale della superficie. Questa serie di operazioni intermedie possono incidere fino al 60-70% sul costo del prodotto finito; inoltre, la possibilità di eliminare i bagni galvanici contribuirebbe a limitare le emissioni, a ridurre 1'inguinamento e a ottenere un risparmio energetico, con grande ripercussione sulla salvaguardia dell'ambiente.

Per guanto riguarda articoli come le valvole, che sono soggette a pressioni di esercizio elevate e devono garantire sicurezza e resistenza alla tenuta, oggi si ricorre allo stampaggio a caldo ma, non essendo possibile con tale tecnologia produrre pezzi con cavità interne, sono necessarie operazioni successive di lavorazione meccanica importanti, che spesso mettono in evidenza difetti interni; per tale motivo i prodotti finiti devono sempre essere sottoposti a prove di tenuta per garantirne la corretta funzionalità.

Infine nel caso di particolari in leghe di alluminio, 1'attenzione è posta in particolare su guei prodotti che devono sostanzialmente essere privi di difetti interni o garantire la tenuta alla pressione di fluidi.

La tecnica della cosiddetta forgiatura liquida si propone di ridurre al minimo tali inconvenienti . Con la dicitura "forgiatura liquida " si intende la tecnica di fusione di leghe di metallo che prevede 1'applicazione di una elevatissima pressione sul materiale allo stato liquido durante la fase di solidificazione all'interno di uno stampo. Il materiale utilizzato può essere in particolare una lega di bronzo, una lega di ottone o una lega leggera in generale.

Il brevetto italiano IT 1349439 propone un'apparecchiatura per lo stampaggio di oggetti mediante tale tecnica . La pressione viene applicata al materiale allo stato liquido presente in uno stampo, formato da un'impronta superiore e un'impronta inferiore, mediante un punzone di compattamento che definisce al contempo una porzione dell' impronta superiore .

Questa soluzione, però, risulta di difficile attuazione e utilizzo in quanto la quantità di materiale allo stato liquido da inserire nello stampo deve essere calcolata e dosata con una precisone pressoché impossibile da ottenere in un impianto industriale; infatti un dosaggio errato del materiale comporterebbe la mancata chiusura completa dell'impronta superiore nel caso di eccesso di materiale , con conseguenti imperfezioni nella superficie dell' oggetto, oppure la presenza di cavità in caso di quantità insufficiente di materiale.

In aggiunta, secondo questa soluzione, il punzone di compattamento ha una superficie di contatto con il materiale liquido determinata dalla sagoma finale dell'oggetto; pertanto tale superficie è irregolare e ha una geometria complessa, e quindi non è idonea ad esercitare una pressione costante su tutto il materiale. Questo può comportare delle irregolarità sul prodotto finito.

Inoltre ogni volta che si estrae 1'oggetto stampato sarebbe auspicabile trattare il punzone di compattamento con un distaccante per avere la certezza che tutto il materiale venga rimosso dal punzone stesso prima di formare un nuovo oggetto, con evidenti tempi aggiuntivi e perdita di produttività.

Svantaggiosamente, poi, tale apparecchiatura consente di formare un solo oggetto alla volta e non è idonea alla realizzazione di pezzi di piccole dimensioni. Inoltre con tale apparecchiatura è necessario disporre di un punzone formatore diverso per ciascun diverso stampo o per ciascuna tipologia di getto da formare, con conseguenti costi e con maggiori tempi di attrezzaggio della macchina.

Scopi e Sommario dell'invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un apparato e un relativo metodo che superi gli inconvenienti della tecnica nota, permettendo di formare oggetti, anche di piccole dimensioni e di forma complessa, con elevate caratteristiche meccaniche e buone finiture superficiali.

Un altro scopo è di fornire un apparato che consenta un aumento della produttività e una riduzione dei costi di trasformazione e che abbia un'elevata affidabilità e tempi contenuti per il suo attrezzaggio.

Un altro scopo ancora è di proporre una soluzione che minimizzi la guantità di materiale necessaria ad ottenere 1'oggetto finito e che consenta di minimizzare i difetti degli oggetti ottenuti con le tecnologie tradizionali, in particolare cavità da ritiro, porosità superficiali e interne, mancata tenuta alla pressione.

La presente invenzione concerne pertanto un apparato di forgiatura liquida secondo la rivendicazione 1.

In particolare 1'apparato comprende almeno uno stampo formato da un semi-stampo inferiore e un semi-stampo superiore e atto a definire una o più impronte; un canale di iniezione di un materiale in ciascuno stampo o impronta, in specifico di un metallo, allo stato liquido proveniente da un forno; un pistone otturatore per chiudere 1'apertura del canale di iniezione; una camera di distribuzione nella guaie scorre e di accumula il materiale liquido proveniente dal canale di iniezione e che è in comunicazione di fluido con ciascuno stampo o impronta; un pistone forgiatore , montato esternamente al pistone otturatore , in modo coassiale, e scorrevole da una posizione arretrata a una posizione avanzata e viceversa; in tal modo il pistone forgiatore può essere trastato da una posizione nella guaie rimane all' esterno della camera di distribuzione , ad una posizione nella guaie occupa almeno parte della camera, comprimendo per effetto della pressurizzazione in ciascuna impronta dello stampo o degli stampi, il materiale li qquido.

Vantaggiosamente guindi il pistone forgiatore non costituisce una parte dello stampo, ma opera esternamente ad esso forzando nello stampo il materiale in modo da compensare il ritiro dello stesso durante la solidificazione , evitando guindi che si creino delle cavità, e da aumentare la pressione nel materiale liguido per forzarne la solidificazione istantanea, ottenendo così una struttura metallurgica molto fine e uniforme del prodotto finito . La corsa del pistone forgiatore, variabile in funzione del ritiro del metallo in fase di solidificazione, permette di mantenere una pressione esercitata sul materiale fino a solidificazione conclusa.

In aggiunta, grazie a guesta configurazione può essere usato un pistone forgiatore unico per diversi stampi, essendo la sua forma indipendente dalla forma dell'oggetto da ottenere .

Vantaggiosamente il canale di iniezione ha un orientamento verticale e 1'immissione del materiale liguido avviene dal basso, essendo la camera di distribuzione posta al di sopra del canale di iniezione. Il pistone otturatore e il pistone forgiatore si trovano al di sopra della camera di distribuzione e hanno orientamento verticale. Il canale di immissione presenta una sede di sommità sulla guaie si appoggia il pistone otturatore , movibile in direzione verticale dall'alto verso il basso, per effettuare la chiusura del canale stesso.

Il pistone otturatore e il pistone forgiatore sono entrambi suscettibili di movimenti dall'alto al basso e viceversa, in direzione verticale, e possono essere movimentati separatamente, il primo per chiudere il canale di iniezione e il secondo per spostarsi nella camera di distribuzione .

Vantaggiosamente può essere previsto un solo stampo che definisce 1'impronta di un unico oggetto da realizzare, o più vantaggiosamente un unico stampo che definisce una pluralità di impronte. In guesto caso il getto risultante comprende più oggetti che verranno separati una volta rimosso il getto dallo stampo. In alternativa possono essere previsti più stampi disposti radialmente intorno alla camera di distribuzione.

Vantaggiosamente è previsto un unico stampo, provvisto di una o più impronte, nel quale è ricavata la camera di distribuzione; ciascuna impronta è disposta intorno alla camera di distribuzione.

Per evitare che il materiale solidifichi al suo interno, il canale di iniezione è provvisto di mezzi di riscaldamento, quali resistenze elettriche.

Vantaqqiosamente e per agevolare il posizionamento e la rimozione dello stampo dall'apparato, il pistone otturatore e il pistone forgiatore sono montati su una testa trasiante movibile, in direzione verticale. In tal modo è possibile allontanarli dallo stampo e portarli in una posizione rialzata ed avvicinarli allo stesso in una posizione ribassata nella quale la testa trasiante si appogqia al semi-stampo superiore in modo da esercitare una pressione e garantire la chiusura dello stampo durante le fasi di iniezione e forgiatura del materiale.

Vantaggiosamente 1'apparato di forgiatura liquida consente di ottenere un prodotto che presenta una struttura metallurgica molto fine e uniforme ed è sostanzialmente privo di ossidazioni e di difetti superficiali.

L'invenzione riguarda anche un metodo per realizzare oggetti mediante forgiatura liquida secondo la rivendicazione 8.

Vantaggiosamente tale metodo prevede di forzare nello stampo, o negli stampi, il materiale liquido, proveniente dal canale di iniezione e presente anche nella camera di distribuzione dopo la chiusura del canale di iniezione ad opera del pistone otturatore, portando parte del pistone forgiatore all'interno della camera di distribuzione, fino a quando viene raggiunta una pressione prestabilita nel materiale liquido.

Per poter effettuare il posizionamento dei semi-stampi la testa trasiante viene portata in posizione rialzata per poi essere abbassata una volta effettuato tale posizionamento per mantenere chiuso ciascuno stampo.

Vantaggiosamente, una volta ottenuta la solidificazione del materiale, il pistone otturatore viene allontanato dal canale di iniezione spostandolo verso 1'alto, il pistone forgiatore viene arretrato e la testa trasiante viene allontanata per consentire la rimozione dello stampo per il successivo scarico del getto dallo stampo.

L'invenzione riguarda inoltre un impianto di forgiatura liquida secondo la rivendicazione 11.

Sostanzialmente tale impianto comprende un forno provvisto di mezzi per la sua pressurizzazione, una tavola rotante, avente mezzi di aggancio di almeno un semi-stampo inferiore e movibile in diverse posizioni corrispondenti ad altrettante stazioni di lavoro, e almeno un braccio di supporto associato alla tavola rotante e provvisto di mezzi per trattenere almeno un corrispondente semi-stampo superiore e mezzi per avvicinare e allontanare ciascuna coppia di semi-stampi superiore e inferiore per effettuare la chiusura e 1'apertura di ciascuno stampo. Vantaggiosamente il braccio supporto viene posizionato, solidalmente alla tavola rotante, di volta in volta in corrispondenza di una delle stazioni e in particolare:

in una stazione di carico, nella guaie i semistampi vengono fissati, in fase di attrezzaggio, al braccio di supporto e alla tavola rotante;

in una stazione di forgiatura, nella guaie ciascuno stampo viene posizionato e mantenuto nell'apparato di forgiatura;

in una stazione di scarico, nella guaie il getto viene scaricato dal relativo uno stampo;

in una stazione di raffreddamento e lavaggio, nella guaie lo stampo viene raffreddato e lavato, preferibilmente mediante spruzzatura di un distaccante. Di preferenza alla tavola rotante sono associati guattro bracci di supporto posizionati in modo da trovarsi inizialmente ognuno in corrispondenza di una delle stazioni di lavoro e da essere spostati ad ogni movimento della tavola rotante, e con essa dei brecci di supporto, nella stazione successiva a guella occupata precedentemente. Questo consente di effettuare le guattro operazioni contemporaneamente e in maniera automatica su stampi diversi, ottimizzando in tal modo i tempi di produzione. In effetti, non è necessario attendere che uno stampo venga scaricato e pulito per poter procedere alla forgiatura di nuovi getti in guanto le operazioni avvengono in parallelo nelle singole stazioni.

Vantaggiosamente 1'impianto comprende anche un guadro di comando per impostare la pressurizzazione del forno, la temperatura del materiale liquido, il tempo di riempimento dello stampo e della camera di distribuzione, le movimentazioni del pistone otturatore e del pistone forgiatore, la movimentazione della tavola rotante, della testa traslante e dei mezzi di apertura/chiusura degli stampi.

Elenco delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno meglio evidenziati dall'esame della seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista in prospettiva di un impianto di forgiatura liquida secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra in sezione 1'impianto di forgiatura liguida della figura 1;

- le figure 3a, 3b, 3c, 3d, 3e e 3f mostrano in sezione 1'apparato di forgiatura secondo la presente invenzione, cerchiato in figura 2, in diverse fasi operative;

- la figura 4 mostra una vista dall'alto di un semi-stampo inferiore che definisce guattro figure per la realizzazione di guattro oggetti distinti.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

La figura 1 e ia figura 2 mostrano rispettivamente in prospettiva e in sezione un impianto di forgiatura liquida 1, comprendente un apparato 2 di forgiatura secondo la presente invenzione.

Le figure da 3a a 3f mostrano in sezione ingrandita il solo apparato 2 di forgiatura della figura 2 in diverse fasi operative.

L'apparato 2 di forgiatura liquida comprende una piastra di reazione 3 sulla guaie viene di volta in volta posizionato almeno uno stampo 4. Ciascuno stampo è formato da un semi-stampo inferiore 5, nel guaie è realizzata, interamente o in parte, almeno un'impronta inferiore di un manufatto da realizzare e da un relativo semi-stampo superiore 6, nel guaie può essere realizzata parte di almeno un'impronta superiore di un manufatto da realizzare.

Ciascun semi-stampo inferiore e il relativo semistampo superiore possono anche presentare uno o più alloggiamenti per il posizionamento nello stampo di eventuali anime o di eventuali componenti metallici (per esempio mozzi in ghisa nel caso di produzione di corone per riduttori ). Una volta congiunti, i due semi-stampi formano almeno una impronta che definisce un oggetto da realizzare; vantaggiosamente e di preferenza è previsto un unico stampo avente una o più impronte, per esempio guattro impronte 7, 8, 9 e 10, come mostrato nell'esempio illustrato in figura 4; in alternativa potrebbero essere previsti due o più stampi distinti . Ciascuna coppia di semi-stampi definiscono un getto 11, cioè un semilavorato che viene sottoposto a un processo di finitura per dare origine a uno o più oggetti.

L'apparato comprende inoltre un canale di iniezione 12 collegato ad un forno 13 di attesa per convogliare un quantitativo di materiale 14 allo stato liquido, in specifico di metallo fuso, dal forno in ciascuno stampo; il materiale può essere , ad esempio, alluminio, oppure leghe di bronzo, leghe di ottone, o leghe leggere in generale. Di preferenza II canale di iniezione ha orientamento verticale e il materiale viene iniettato dal basso verso gli stampi. La piastra di reazione 3 è disposta esternamente a una parte del canale di iniezione . Il canale di iniezione termina con un'apertura di sommità 15 dalla guaie fuoriesce il materiale liquido.

Il forno 13 è un forno elettrico del tipo a crogiolo ed è completamente chiuso e coibentato. Inoltre il forno è pressurizzabile secondo una rampa pre-impostabile per poter effettuare 1'iniezione di materiale liquido in ciascuno stampo 4 attraverso il canale di iniezione 12.

L'apparato è provvisto di una camera di distribuzione 16 del materiale liquido proveniente dal forno in comunicazione con 1'apertura di sommità 15. Di preferenza la camera di distribuzione è posta al di sopra del canale di iniezione. La camera di distribuzione 16 a sua volta è in comunicazione con ciascuno stampo se più di uno, o con ciascuna impronta dello stampo, quando è presente solo uno stampo, attraverso apposite aperture e/o canali di alimentazione 17.

Vantaggiosamente lo stampo è configurato in modo che 1'impronta o le impronte da esso definite siano disposte attorno alla camera di distribuzione; di preferenza la camera di distribuzione 16 e i canali di alimentazione 17 sono integrati nello stampo stesso. Nel caso di una pluralità di stampi, ciascuno di essi sarà disposto a raggera intorno alla camera di distribuzione.

Nella sua parte superiore 1'apparato comprende un pistone otturatore 18 disposto verticalmente, al di sopra e in corrispondenza del canale di iniezione 12. Il pistone otturatore è scorrevole in direzione verticale tra una posizione iniziale di riposo, nella quale rimane allontanato dall'apertura di sommità del canale di iniezione come mostrato nelle figure 3b e 3c, e una posizione di chiusura nella quale una sua porzione terminale si appoggia in una sede 19, preferibilmente di forma conica, a livello dell'apertura di sommità in modo da chiudere il canale di iniezione, come mostrato nelle figure 3d e 3e.

Esternamente al pistone otturatore 18 è montato un pistone forgiatore 20. Il pistone forgiatore è coassiale al pistone otturatore ed è scorrevole rispetto ad esso tra una posizione arretrata, nella quale non occupa la camera di distribuzione - come mostrato nelle figure 3b-3d, e una posizione avanzata, in corrispondenza della quale occupa almeno in parte la camera di distribuzione - come mostrato nella figura 3e. Pistone otturatore e pistone forgiatore sono movibili in direzione verticale indipendentemente l'uno dall'altro. Dal momento che il pistone otturatore mantiene chiuso il canale di iniezione, il materiale liquido contenuto nel volume della camera di distribuzione viene forzato nello stampo, o negli stampi. Questo volume di materiale aggiuntivo serve a compensare il ritiro, nella fase di solidificazione, del materiale inizialmente presente in ciascuno stampo, e ad aumentare la pressione del materiale presente in ciascuno stampo per forzare la solidificazione dello stesso e per ottenere un getto 11 sostanzialmente privo di imperfezioni, avente una struttura metallurgica molto fine e uniforme.

Il canale di iniezione è provvisto di mezzi di riscaldamento - non mostrati - per evitare la solidificazione del materiale liquido 14 durante la fase di iniezione.

Per agevolare il posizionamento di ciascuno stampo 4 nell'apparato 2 di forgiatura liquida, il pistone otturatore 18 e il pistone forgiatore 20 possono vantaggiosamente essere montati su una testa trasiante 21. La testa traslante è movibile in direzione verticale verso il basso - come indicato dalla freccia in figura 3a - tra una posizione rialzata e una posizione ribassata; nella posizione rialzata la testa traslante si trova allontanata da ciascuno stampo, il pistone otturatore e il pistone forgiatore sono lontani dalla camera di distribuzione ed è quindi possibile posizionare ogni stampo sulla piastra di reazione; nella posizione ribassata la testa traslante si appoggia sul semi-stampo superiore di ciascuno stampo, in modo da garantirne la chiusura durante la fase forgiatura.

Durante la fase di forgiatura ciascuno stampo scarica la forza esercitata dalla testa traslante e dal materiale liquido sulla piastra di reazione.

Alla fine della fase di forgiatura la testa traslante è movibile in direzione verticale verso 1'alto - come indicato dalla freccia in figura 3f - dalla posizione ribassata alla posizione rialzata per consentire la rimozione di ciascuno stampo.

La testa trasiante può essere scorrevole su guide 22, e può essere a movimentazione idraulica.

Il pistone forgiatore 20 è solidale alla testa trasi ante 21 e può traslare relativamente ad essa in direzione verticale per esercitare pressione sul metallo liquido presente nella camera di distribuzione .

Il pistone otturatore 18 è anch'esso solidale alla testa traslante 21 , può traslare relativamente ad essa, è concentrico al pistone forgiatore 20, e può scorrere al suo interno per chiudere il canale di iniezione dopo che lo stampo è stato riempito di metallo liquido.

Vantaggiosamente 1'impianto 1 di forgiatura liguida può comprendere anche una tavola rotante 23 atta ad alloggiare almeno un semi-stampo inferiore , mezzi di movimentazione - non mostrati - per la sua rotazione in diverse posizioni corrispondenti ad altrettante stazioni di lavoro 24, 25, 26, 27 e almeno un braccio di supporto 28, di preferenza un braccio di supporto per ogni stazione di lavoro, come mostrato in figura 1. Per alloggiare ciascun semi-stampo inferiore la tavola rotante può essere provvista di una o più sedi non mostrate nelle figure.

Ciascun braccio di supporto 28 è solidale alla tavola rotante per essere spostato in corrispondenza di ciascuna delle stazioni di lavoro 24, 25, 26, 27. Ciascun braccio di supporto è provvisto di mezzi - non mostrati - per trattenere almeno un semi-stampo superiore 6, e di eventuali mezzi di apertura/chiusura 29 per movimentare ciascun semi-stampo superiore 6, in modo da avvicinare o allontanare i semi-stampi tra loro per effettuare rispettivamente la chiusura e 1'apertura del corrispondente stampo 4; i mezzi di apertura/chiusura 29 comprendono mezzi di movimentazione 30 per alzare o abbassare ciascun braccio di supporto 28 secondo necessità.

Ciascun braccio di supporto è movibile tra le seguenti stazioni di lavoro;

- una stazione di carico 24 nella quale i semi-stampi di ciascuno stampo vengono fissati, a inizio produzione, al braccio di supporto 28 e sulla tavola rotante; tale operazione viene effettuata mantenendo lo stampo aperto, in modo manuale o automatico; in questa stazione può essere anche previsto il posizionamento nello stampo di anime o di eventuali componenti metallici, se presenti;

- una stazione di forgiatura 25, nella quale ciascuno stampo viene posizionato e mantenuto chiuso all'interno dell'apparato di forgiatura sulla piastra di reazione durante la forgiatura liquida;

- una stazione di scarico 26, nella quale il getto viene rimosso dal relativo stampo; tale operazione di scarico dei pezzi dopo la loro formatura viene effettuata a stampo aperto, in modo manuale o automatico;

- una stazione di raffreddamento e lavaggio 27, nella guaie ogni stampo viene raffreddato e lavato mediante spruzzatura di una miscela distaccante; il lavaggio e il raffreddamento vengono effettuati a stampo aperto.

Per effettuare il raffreddamento e il lavaggio degli stampi, 1'impianto comprende una vasca di accumulo 31 e un apparato di lavaggio 32, provvisto di ugelli 33 per la diffusione del liquido di lavaggio su tutte le superfici dello stampo. Il liquido di lavaggio può essere costituito da una miscela di acqua e di liquido distaccante; la vasca di accumulo ha la funzione di serbatoio di accumulo e di recupero del liquido di lavaggio in eccesso dopo la spruzzatura degli stampi.

In aggiunta, per il suo corretto funzionamento, 1'impianto comprende un sistema di pressurizzazione 34 del forno di attesa che determina la spinta del metallo liguido per effettuare l iniezione nello stampo e la formatura del getto; un guadro di comando 35 per impostare la pressurizzazione del forno, la temperatura del materiale liquido, il riempimento di stampo e della camera di distribuzione, le movimentazioni del pistone otturatore e del pistone forgiatore, per impostare la movimentazione della tavola rotante, della testa traslante, del meccanismo di apertura/chiusura degli stampi e dei mezzi per alzare e abbassare ciascun braccio meccanico, e per gestire 1'apparato di lavaggio; una centralina oleodinamica 36, gestita dal guadro di comando, per la movimentazione di attuatori idraulici 37 per muovere il forno 13 di attesa, della tavola rotante 23, della testa trasiante 21 e dei pistoni otturatore 18 e forgiatore 20; e un sistema di gestione 38 per la pressurizzazione e il mantenimento della temperatura del liquido di raffreddamento dei pistoni otturatore e forgiatore.

La produttività di un tale impianto di forgiatura liquida è di 3-4 cicli di stampaggio al minuto, a seconda delle dimensioni dei getti; tale produttività è doppia rispetto alle tecnologie in essere.

Vantaggiosamente 1'impianto di forgiatura liquida può avere una struttura 39 a portale - come mostrato nelle figure 1 e 2 per integrare al meglio i vari componenti. L'apparato di forgiatura liquida sopra descritto permette di realizzare oggetti a partire da un materiale allo stato liquido. Il materiale è un metallo o una lega di metalli e può essere portato e mantenuto allo stato liquido mediante il forno 13.

Sostanzialmente il metodo prevede di:

- iniettare un volume di materiale nello stampo, o negli stampi, e nella camera di distribuzione attraverso il canale di iniezione;

abbassare il pistone otturatore in modo da chiudere il canale di iniezione;

- abbassare il pistone forgiatore fino ad occupare almeno una parte della camera di distribuzione per forzare nello stampo, o negli stampi, almeno parte del materiale liquido inizialmente presente nella camera distribuzione , fino a che non viene raggiunta una pressione prestabilita nel materiale liquido;

far solidificare il materiale nello stampo, o negli stampi , per ottenere almeno un getto corrispondente uno o più oggetti.

Per posizionare in maniera più agevole lo/gli stampo/i nell' apparato di forgiatura liquida, si può predisporre una testa traslante portante il pistone otturatore e il pistone forgiatore, come sopra descritto, e mantenerla in posizione rialzata durante il posizionamento dello stampo, per poi abbassarla successivamente in modo da mantenere chiuso ciascuno stampo durante le fasi di iniezione e forgiatura.

Una volta ottenuto il getto/i il pistone otturatore viene riportato nella sua posizione iniziale , allontanato dal canale di iniezione ; il pistone forgiatore viene riportato nella sua posizione arretrata; e la testa traslante viene allontanata dal semi-stampo superiore per poter rimuovere lo stampo dall' apparato e scaricare il getto.

Sono quindi previste le seguenti fasi:

FASE 1: ciascun semi-stampo inferiore è in posizione di lavoro, allineato con la testa traslante e i pistoni forgiatore e otturatore; il semi-stampo superiore viene accoppiato al semi-stampo inferiore e la testa traslante si trova in posizione rialzata, quindi staccata dal semistampo superiore (v. figura 3a).

FASE 2: i semi-stampi sono accoppiati tra loro, la testa traslante viene abbassata fino ad appoggiare sul semi-stampo superiore; il pistone forgiatore, insieme al pistone otturatore, scende con la testa traslante e si accoppia con il semi-stampo superiore determinando la chiusura della camera di iniezione (v. figura 3b).

FASE 3: il forno viene pressurizzato e il metallo liquido sale attraverso il canale di iniezione riempiendo le cavità dello stampo o degli stampi e la camera di distribuzione, in modo da formare il getto; la testa traslante preme sul semi-stampo superiore per garantire la chiusura dello stampo e impedire la fuoriuscita del metallo (v. figura 3c).

FASE 4: quando il riempimento dello stampo è completato, il pistone otturatore scende in modo da chiudere il canale di iniezione e arrestare 1'ingresso di materiale liquido; contemporaneamente il forno viene depressurizzato in modo da garantire il ritorno del metallo in eccesso al suo interno; la testa traslante preme sul semi-stampo superiore per garantire la chiusura dello stampo e impedire la fuoriuscita del metallo (v. figura 3d).

FASE 5: una volta completata la discesa del pistone otturatore viene attivato il pistone forgiatore che scende a sua volta affondando nel metallo liquido presente nella camera di distribuzione, forzando lo spostamento di parte del metallo nell'impronta o nelle impronte di ogni stampo attraverso i canali di alimentazione ; la pressione esercitata sul metallo in fase di incipiente solidificazione, accelera la solidificazione del metallo e ne compensa il ritiro; la testa trasiante continua a premere sul semi-stampo superiore per garantire la chiusura dello stampo durante 1'azione di forgiatura(v. figura 3e).

FASE 6: una volta solidificati i getti, il pistone forgiatore e il pistone otturatore si sfilano dalla camera di distribuzione e, successivamente, la testa trasiante viene spostata verso 1'alto svincolando il semi-stampo superiore (v. figura 3f).

La sequenza delle fasi di forgiatura liquida è così conclusa; a guesto punto può essere azionata la tavola rotante per portare i semi-stampi alla stazione successiva per lo scarico dei getti e successivamente alle altre stazioni per completare il ciclo di lavorazione e per portare un nuovo stampo nell'apparato di forgiatura liquida.

Ciascun getto verrà poi sottoposto ad un'operazione di taglio meccanico per ottenere il prodotto finale.

Tale impianto permette di ridurre drasticamente anche i costi di manodopera e i rischi per gli operatori: il ruolo dell'operatore si riduce, infatti, alla supervisione dell'isola di colata e al controllo del prodotto ottenuto.

Il prodotto ottenuto mediante 1'apparato di forgiatura liquida sopradescritto e risulta sostanzialmente privo di ossidazioni e di difetti superficiali.

Il prodotto finito, infatti, grazie all'elevata pressione esercitata sul materiale liquido in fase di solidificazione, ha una struttura metallurgica molto fine e uniforme e, conseguentemente, caratteristiche meccaniche incrementate rispetto ai prodotti ottenibili con le tecnologie ad oggi conosciute. Questo permette di ridurre al minimo il fabbisogno di materia prima, in quanto si possono ridurre gli spessori; per esempio, nel caso di corone, è possibile ridurre il loro spessore a parità di coppia e potenza trasmesse, garantendo allo stesso tempo una migliore resistenza all'usura; questo permette di ridurre significativamente, fino al 30%, il costo della corona e del prodotto finito.

I getti ottenuti hanno una finitura superficiale che dipende solo dal grado di finitura dello stampo: infatti la pressione di forgiatura obbliga il materiale a scorrere sulle pareti dello stampo, riducendo al minimo 1'interazione fra il materiale liquido e la superficie dello stampo, che risulta essere la maggiore causa di difetti superficiali .

Con la tecnologia della forgiatura liquida si possono ottenere prodotti aventi forme complesse e cavità interne, privi di difetti interni e superficiali e con elevate caratteristiche meccaniche e di tenuta delle loro super fici.

In particolare i vantaggi dell'apparato di forgiatura liquida secondo la presente invenzione possono essere così riassunti :

1) Possibilità di realizzare particolari di qualsiasi tipologia : monocomponenti , bicomponenti , con cavità interne e di forma complessa;

2) Ottenere prodotti con caratteristiche meccaniche superiori rispetto al quelli ottenuti mediante la formatura a gravità e bassa pressione;

3) Avere tempi ciclo di processo inferiori rispetto ai processi a gravità e bassa pressione, con conseguente aumento della produttività e riduzione dei costi di trasformazione ;

4) Utilizzare la minima quantità di metallo per la formatura del getto in quanto con la forgiatura liquida viene iniettato il materiale strettamente necessario all' ottenimento del getto;

5) Ottenere particolari con finiture superficiali in funzione solo della finitura degli stampi e senza la formazione di ossidi superficiali ;

6) Ridurre al minimo i difetti di fusione dei getti ottenuti con le tecnologie tradizionali , in particolare cavità da ritiro, porosità superficiali e interne, mancata tenuta alla pressione;

7) Ridurre drasticamente il livello di emissioni in atmosfera: tutte le fasi del processo (fusione del metallo, iniezione, forgiatura, raffreddamento e spruzzatura del distaccante ) vengono effettuate in ambiente chiuso riducendo al minimo le emissioni e la necessità di installare impianti di captazione e abbattimento.

La tabella seguente confronta le caratteristiche del processo secondo la presente invenzione, con lo stato dell' arte.

Caratteristiche Fusione a Formatura a Forgiatura tecniche gravità bassa pressione Liquida Peso del getto 2,5 volte il 1,2 volte il 1 volta il peso peso del finito peso del finito del finito

Fabbisogno Occorre fondere Occorre fondere Occorre fondere energetico una quantità di una quantità di una quantità di metallo pari a metallo pari a metallo pari a 2,5 volte 1,2 volte 1 volta rispetto al rispetto al rispetto al peso del finito peso del finito peso del finito Produttività Massimo 4 pezzi Fino a 8 pezzi Fino a 16 pezzi al minuto per al minuto per al minuto per getti di peso getti di peso getti di peso inferiore a 2 inferiore a 2 inferiore a 2 kg kg kg Parametri di Dipendono anche Completamente Completamente colata dalla destrezza controllati dal controllati dal dell'operatore sistema e sistema e retroazionati retroazionati Ciclo di Necessaria una Non necessario Non necessario lavorazione operazione il taglio della il taglio della specifica di materozza materozza e taglio della operazioni di materozza sgrossatura Grado di Necessarie Necessarie Riduzione del finitura operazioni operazioni 60-70% del superficiale galvaniche e galvaniche e ciclo di meccaniche per meccaniche per lavorazione eliminare i eliminare i cioè dei costi difetti difetti di superficiali superficiali trasformazione Caratteristiche Non Incrementabili Oltre il 30% di meccaniche del modificabili del 10-20% dopo incremento getto messa a punto atteso dei parametri

di iniezione

Caratteristiche Fusione a Formatura a Forgiatura tecniche gravità bassa pressione Liquida Emissioni da Presenti per Non presenti Non presenti combustione l'utilizzo del grazie alla grazie alla forno di pressurizzazion pressurizzazion attesa a gas e del forno e del forno di attesa e di attesa e della della tecnologia a tecnologia a induzione resistenza Emissioni di Utilizzo di Utilizzo di Possibilità di polveri polvere di polvere di utilizzare grafite come grafite come distaccanti non distaccante distaccante polverosi senza emissione di polveri Sicurezza Rischio di Nessun rischio Nessun rischio infortunio per per gli per gli gli operatori operatori operatori

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un apparato (2) di forgiatura liquida per la formatura di oggetti, con almeno un materiale allo stato liquido (14), detto materiale essendo un metallo, o una lega di metalli, comprendente: almeno uno stampo (4) definito da un semi-stampo inferiore (5) e un semi-stampo superiore (6) che insieme definiscono un getto (11), comprendente una o più impronte (7, 8, 9, 10); - un canale di iniezione (12) nell'almeno uno stampo del materiale allo stato liquido proveniente da un forno (13); - un pistone otturatore (18) per la chiusura di detto canale di iniezione (12); caratterizzato dal fatto di comprendere: - una camera di distribuzione (16) del materiale fuso (14), in comunicazione di fluido con il canale di iniezione (12) del materiale e con ciascuna impronta (7, 8, 9, 10) di detto almeno uno stampo (4); - un pistone forgiatore (20), montato esternamente al pistone otturatore (18), in modo coassiale, e scorrevole rispetto ad esso tra una posizione arretrata, in corrispondenza della quale non occupa la camera di distribuzione, e una posizione avanzata, in corrispondenza della quale occupa almeno in parte la camera di distribuzione per spingere in ciascuna impronta (7, 8, 9, 10) dello stampo (4), o degli stampi se più d'uno, e mantenere in pressione il materiale liquido presente.
2. 2. Apparato di forgiatura secondo la rivendicazione 1, in cui il canale di iniezione (12) ha un orientamento verticale per un'immissione dal basso del metallo liguido nella camera di distribuzione e in ciascuno stampo.
3. 3. Apparato di forgiatura secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il pistone otturatore (18) e il pistone forgiatore (20) hanno orientamento verticale e sono disposti da parte opposta al canale di iniezione (12) rispetto alla camera di distribuzione (16); e in cui il pistone otturatore e il pistone forgiatore sono movibili in direzione verticale, congiuntamente o separatamente.
4. 4. Apparato di forgiatura secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un unico stampo (4) provvisto di una o più impronte (7, 8, 9, 10), oppure una pluralità di stampi disposti radialmente intorno alla camera di distribuzione.
5. 5. Apparato di forgiatura secondo la rivendicazione 4, in cui è previsto un unico stampo provvisto di una o più impronte, nel guaie è ricavata la camera di distribuzione, dette una o più impronte essendo disposte intorno a detta camera di distribuzione e collegate ad essa mediante rispettivi canali di alimentazione (17).
6. 6. Apparato di forgiatura secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il canale di iniezione (12) è collegato a un forno (13) pressurizzato ed è provvisto di mezzi di riscaldamento per mantenere liquido il materiale durante 1'iniezione.
7. 7. Apparato di forgiatura secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il pistone otturatore (18) e il pistone forgiatore (20) sono montati su una testa trasiante (21) movibile, in direzione verticale, tra una posizione rialzata nella quale risulta allontanata dall'almeno uno stampo, per il posizionamento di detto almeno uno stampo, e una posizione ribassata, nella quale si appoggia sul semi-stampo superiore di detto almeno uno stampo, per garantire la chiusura di detto almeno uno stampo.
8. 8. Un metodo per realizzare oggetti mediante forgiatura liquida partendo da un materiale allo stato liquido, detto materiale essendo un metallo o una lega di metalli, comprendente le fasi di: a) predisporre un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6; b) attraverso il canale di iniezione, iniettare un volume di materiale allo stato liquido nello stampo, o negli stampi se più d'uno, e nella camera di distribuzione; c) chiudere il canale di iniezione mediante il pistone otturatore; d) forzare l ingesso nello stampo, o negli stampi se più d'uno, di almeno parte del materiale liguido inizialmente presente nella camera di distribuzione muovendo il pistone forgiatore per occupare almeno una parte della camera di distribuzione, fino al raggiungimento di una pressione prestabilita nel materiale liguido; e) per effetto della pressurizzazione del metallo liguido forzare la solidificazione rapida del materiale nello stampo, o negli stampi, per ottenere detti oggetti.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui antecedentemente alla fase b) sono previste le fasi: a') mantenere la testa traslante in posizione rialzata; a") posizionare 1'almeno uno stampo; a'" )abbassare la testa traslante in posizione ribassata per mantenere chiuso ciascuno stampo durante le fasi b) - e).
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui successivamente alla fase e) sono previste le fasi: f) portare il pistone otturatore nella sua posizione iniziale, nella guaie risulta allontanato dal canale di iniezione; g) portare il pistone forgiatore nella sua posizione arretrata; h) portare la testa trasiante nella sua posizione rialzata; i) rimuovere lo stampo per scaricare il getto.
11. 11. Impianto di forgiatura liquida comprendente un apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7 e comprendente inoltre: un forno (13) chiuso provvisto di mezzi di pressurizzazione per effettuare 1'iniezione del materiale liquido attraverso il canale di iniezione; una tavola rotante (23), portante almeno un semistampo inferiore e provvista di mezzi di movimentazione in diverse posizioni corrispondenti ad altrettante stazioni di lavoro (24, 25, 26, 27); almeno un braccio di supporto (28), solidale alla tavola rotante per essere portato in successione in ciascuna delle stazioni di lavoro, e provvisto di mezzi per trattenere almeno un semi-stampo superiore, e di mezzi di chiusura/apertura (29) di ciascuno stampo.
12. 12. Impianto di forgiatura liquida secondo la rivendicazione 11, in cui detto almeno un braccio supporto (28) è movibile, insieme alla tavola rotante (23), tra una stazione di carico (24) dei semi-stampi sul braccio di supporto e sulla tavola rotante; una stazione di forgiatura (25) per il posizionamento di detto almeno uno stampo nell'apparato di forgiatura; una stazione di scarico (26) del getto da detto almeno uno stampo; e una stazione di raffreddamento e lavaggio (27) di detto almeno uno stampo.
13. 13. Impianto di forgiatura liquida secondo la rivendicazione il o 12, in cui alla tavola rotante sono associati più bracci di supporto (28) posizionabili, insieme alla tavola rotante, ciascuno in corrispondenza di una diversa stazione di lavoro e di volta in volta movibili nella stazione successiva per effettuare contemporaneamente le operazioni previste in ciascuna stazione.