Engineering

Bielle

Bielle: ciclo operativo per realizzare una biella in acciaio per motori 4 tempi

Come abbiamo detto alla pagina "materiali" le bielle in acciaio vengono realizzate nella stragrande maggioranza dei casi per stampaggio. L'acciaio che più si presta per questa lavorazione è quello da bonifica. Si procede come segue:

1) Il materiale di partenza è fornito sotto forma di barre ottenute per laminazione. I cristalli del materiale hanno una struttura anisotropa.

2) Stampaggio in stampo preriscaldato a 150-200°C della billetta. Anche la billetta viene preriscaldata a circa 900-1000°C.

3) Sbavatura.

4) Trattamento termico di normalizzazione e ricottura. Raffreddamento controllato per evitare disuniformità strutturali. Se si dovessero formare delle zone a maggiore durezza sarebbe infatti molto difficile procedere alle successive lavorazioni.

5) Sabbiatura o pallinatura. Le sfere utilizzate in tale trattamento devono essere dimensionate in proporzione al materiale. Possono essere di acciaio o vetro. Una pallinatura ben eseguita migliora fino al 25% la resistenza a fatica della biella.

6) Lavorazioni meccaniche. Si tratta di fresatura, tornitura, foratura delle parti atte all'accoppiamento con gli altri organi. Affinché le lavorazioni possano essere agevolmente eseguite risulta fondamentale l'impiego degli "elementi di alligazione".

7) Trattamento termico di "bonifica" ovvero "tempra+rinvenimento" della biella.

8) Finiture superficiali della biella laddove sono richieste rugosità minime.

Bielle: ciclo operativo per realizzare una biella in acciaio per motori 2 tempi

Il processo risulta anologo a quello delle bielle in acciaio (stampaggio), per motori a 4 tempi, sino alla fase della sabbiatura o pallinatura (5). Le successive fasi invece consistono in:

6) Bagno galvanico per procedere alla ramatura del grezzo di biella.

7) Asportazione truciolo nelle zone da cementare.

8) Trattamento termico di cementazione (eseguito a gas).

Bielle in acciaio ottenute per processo fusorio

Anche le bielle in acciaio possono essere ottenute per fusione con getti di precisione, tuttavia si tratta di una tecnica molto complicata e costosa. Occorrono infatti particolari materiali refrattari e temperature di fusione molto elevate. Si tratta di un processo non particolarmente affidabile. Esistono comunque dei trattamenti per migliorare il risultato ottenuto. E' il caso della compattazione isostatica H.I.P. (Hot Isostatic Pressing) o della L.H.I.P. (Liquid Hot Isostatic Pressing). Trattasi ovviamente di processi particolarmente costosi ma necessari per l'ottimale resistenza della biella in acciaio ottenuta per fusione. Le bielle ottenute per fusione hanno una struttura definita isotropa per compensazione. Questo significa che pur essendo ogni cristallo anisotropo non bisogna dimenticare che l'orientamento in modo casuale conferisce in fin dei conti una sostanziale isotropia. Tale comportamento isotropo delle fibre può essere compromesso solo da difetti nella fusione con formazione di dendriti.

Bielle ottenute per Sinterforgiatura

Ford e BMW utilizzano un particolare processo per ottenere bielle con leghe di acciaio: la sinterforgiatura. Questo processo consiste in una prima fase di sinterizzazione atta ad ottenere il grezzo; successivamente si procede a compattare il grezzo, per aumentarne la densità e quindi la robustezza, in uno stampo ad elevata precisione e con una forma molto prossima a quella del pezzo finale. Questo procedimento ha per contro il carattere anisotropo (già presente nelle barre ottenute per laminazione che vengono impiegate per la realizzazione delle bielle) che le bielle mantengono anche dopo l'intero processo di realizzazione. Bisogna pertanto considerare l'entità degli sforzi di taglio normali all'orientamento delle fibre sul fusto della biella.

Bielle ottenute per Microfusione a cera persa

Il processo di microfusione a cera persa per ottenere bielle in acciaio è senza dubbio il processo più costoso e pregiato attualmente disponibile. Le bielle che ne derivano sono molto più rifinite (mi riferisco alla finitura superficiale) e precise (tolleranze dimensionali) rispetto a quelle stampate. Il progettista inoltre può "osare" maggiormente nel disegnare la geometria della biella non sussistendo problemi legati a sottoquadri ed angoli di sformo. In questo modo è stato possibile progettare bielle con particolari nervature nelle zone più sollecitate: testa di biella e piede di biella.

Bielle in titanio: Stampaggio

Si tratta del procedimento di realizzazione più utilizzato. Le lavorazioni successive sono assai costose per l'elevata difficoltà di lavorazione di questo materiale. Ad esempio le viti in acciaio, che fissano il cappello di biella alla testa di biella, tendono ad ingranare con il titanio. Si ricorre pertanto ad un trattamento superficiale di riporto sui filetti per evitare grippaggi delle viti stesse nelle relative sedi. Anche le zone di contatto tra biella e spallamenti dell'albero motore hanno problemi di ingranamento che vengono però risolti con riporti di nitruri di titanio o di wolframio.

Bielle in titanio: Microfusione

Un processo quasi mai scelto per le delle bielle in titanio a causa della scarsa affidabilità e della scarsa costanza della qualità ottenuta.

 

Pistoni

Pistoni ottenuti per fusione

Si tratta della fusione in conchiglia. Un procedimento sicuramente economico ed adatto ai motori destinati all'uso stradale. Il rischio di questo tipo di lavorazione è che si possano creare difetti quali la porosità e la disuniformità che riducono la resistenza del pistone stesso.

Pistoni ottenuti per stampaggio

Un processo più costoso ed adatto all'uso agonistico dei motori. Il prodotto finito che si ricava ha un'elevata resistenza e affidabilità. Le fibre dell'alluminio diventano direzionali ed il materiale è compresso garantendo l'assenza di porosità.

Principali lavorazioni dedicate ai pistoni stampati

Dopo aver ottenuto il nostro pistone per stampaggio è necessario procedere realizzando un corretto accoppiamento con la canna del cilindro e con lo spinotto. Si dovranno poi ricavare le sedi destinate agli anelli di tenuta, asportare il materiale in eccesso che aumenta il peso dell'organo. Infine sarà necessario ottenere le dovute ovalità nella zona sottostante il cielo del pistone per compensare le dilatazioni termiche. Nei motori più performanti si ricavano persino dei passaggi per l'olio con lo scopo di lubrificare e raffreddare le zone del pistone maggiormente sollecitate dal calore. La superficie del mantello deve essere perfettamente levigata. Stesso dicasi per la sede dello spinotto. Nelle suddette zone vengono eseguite opportune rettifiche e trattamenti superficiali.

Trattamenti superficiali destinati ai pistoni ottenuti per stampaggio

Oltre alle operazioni di rettifica, il mantello e l'alloggiamento dello spinotto, vengono trattati con "diamantatura ad alta velocità" o "trattamenti anodici". Se una volta si usava sottoporre i pistoni ad un bagno nel piombo o nello stagno per favorire l'adattamento del pistone in fase di rodaggio, oggi questi bagni sono eseguiti nella grafite. Tali processi evitano il grippaggio pistone-cilindro specie durante i primi chilometri di rodaggio. Il cielo del pistone viene trattato con un riporto ceramico di allumina Al2O3. Questo trattamento viene soprannominato "scudo termico" in quanto aumenta l'adiabaticità della camera di combustione. Vi è tuttavia lo sgradevole rischio che i differenti coefficienti di dilatazione termica, dell'alluminio rispetto all'allumina, portino ad un distacco del riporto con le ovvie conseguenze per la salute del motore.

 

Fasce elastiche

Fusione o taglio di tubi

Gli anelli possono essere ottenuti per fusione oppure ricavati dal taglio di tubi ottenuti per fusione centrifuga. Fondamentali i trattamenti superficiali atti a garantire l'affidabilità di questo organo. Il primo segmento viene ricoperto di Molibdeno per tutta l'altezza della superficie che andrà a contatto con il cilindro. Il Molibdeno ha un basso coefficiente di attrito. Questo da un particolare vantaggio specie nelle canne che contengono Nichel. La porosità di questo riporto migliora la lubrificazione della sua superficie.

 

Albero motore

Alberi a gomito ottenuti per stampaggio

Gli alberi motore realizzati in acciaio vengono ottenuti per stampaggio che può essere eseguito addirittura in quattro passaggi. La fase successiva consiste nella fresatura dei contrappesi nella zona laterale e nella zona vicina ai perni. In seguito si procede con i trattamenti termici di normalizzazione (per ottenere una struttura cristallina omogenea) e ricottura per ottenere una buona lavorabilità alle macchine utensili. Si prosegue poi con la tornitura e la foratura (per ottenere i canali per il passaggio olio). Si ritorna poi ai trattamenti termici di tempra e rinvenimento. Le lavorazioni si concludono con la rettifica dei perni di banco e di biella. L'equilibratura è indispensabile per garantire l'assenza di vibrazioni e la precoce usura, se non rottura, dell'albero motore (trattandosi di un organo che deve ruotare ad un regime piuttosto elevato). I perni di banco e di biella richiedono un indurimento superficiale; esso può essere ottenuto tramite un trattamento di termico di cementazione oppure tramite una tempra superficiale ad induzione.

Alberi a gomito ottenuti per fusione

Gli alberi motore per motori particolarmente prestanti possono essere ricavati per fusione a cera persa. Bisogna però assicurarsi che il baricentro termico della fusione cada al di fuori dello stesso albero mediante l'uso di opportune materozze. Le garanzie migliori però si possono avere solo con lo stampaggio che permette di orientare le fibre dell'organo nel modo migliore possibile.

 

Basamento

Fusione del basamento

La complessa geometria di un componente come il basamento di un motore obbliga, per forza di cose, all'utilizzo della fusione in terra in conchiglia o sotto pressione. La Microfusione è il processo per ottenere basamenti destinati ad esempio alla Formula 1 nei quali sono richiesti spessori ridotti e migliore qualità superficiale. Trattasi ovviamente di un processo molto costoso. Ciclo operativo per realizzare una basamento per motori 4 tempi: dopo aver ottenuto dal processo di fusione il pezzo grezzo e trattato si procede come segue:

1) Tornitura interna dei cilindri oppure delle sedi dove andranno inserite le canne riportate.

2) Spianatura dei piani dove andranno ad accoppiarsi la testata e la coppa dell'olio. Spianatura delle superfici dove andranno inseriti gli accessori del motore, ovvero: pompe e coperchi vari.

3) Foratura e maschiatura per l'alloggiamento dei prigionieri.

4) Foratura per i condotti di lubrificazione a meno che non vengano già ricavati dal processo di fusione.

5) Barenatura delle sedi per i cuscinetti di banco.

6) Rettifica della superficie interna delle canne dei cilindri.

 

Canne cilindri

Fusione delle canne dei cilindri

Le ghise al Nichel devono essere sottoposte all'indurimento superficiale di Nitrurazione tramite vapori di ammoniaca. Tali ghise vengono utilizzate prevalentemente per le canne riportate in basamenti di alluminio. Non possono essere rettificate e, non appena si trovano fuori tolleranza, vanno sostituite. Anche le canne (mi riferisco a quelle riportate ovviamente) dei cilindri vengono ottenute per fusione in terra in conchiglia o sottopressione.

 

Testata

Fusione della testata

La complessa geometria di un componente come la testata di un motore obbliga al solo ed unico utilizzo della fusione in sabbia o in conchiglia.

G-AlSi9Mg

La lega G-AlSi9Mg (di cui abbiamo parlato alla pagina Materiali) è trattata con una Tempra da soluzione (temperatura attorno ai 150-170°C con preriscaldamento che va dalle 3 alle 6 ore) e un invecchiamento artificiale a 150-175°C per un arco di tempo pari a 12-20 ore a regime. I getti della lega G-AlSi9Mg (colati in sabbia) vengono solitamente modificati con sali alcalini (NaF, KF, NaCl, KCl) per migliorare le caratteristiche tensili della lega stessa e la lavorabilità alle macchine utensili. Anche il trattamento termico di bonifica è utile per migliorare la lavorabilità alle macchine utensili; inoltre permette di ottenere migliori rugosità e tolleranze dimensionali. Infine una permanenza della testata negli appositi forni a temperature di circa 350-360°C, per 4-8 ore, porta la lega ad una completa ricottura. Tuttavia con quest'ultimo passaggio si perdono le caratteristiche acquisite precedentemente.

G-AlCu5NiCoSbZr (chiamata anche RR350)

Il trattamento che solitamente si esegue su questa lega consiste nel riscaldare il getto a 535-545°C per un arco temporale compreso tra le 10 e le 15 ore. Successivamente si procede al raffreddamento in acqua a 80°C. Segue l'invecchiamento ottenuto a temperature di 210-220°C per circa 12-16 ore. In alternativa si può effettuare anche solo il trattamento di stabilizzazione alla temperatura di 340-360°C per 4-8 ore all'aria. I corretti valori delle temperature va scelto in base agli spessori e dalla geometria del pezzo da trattare. Sembrerà assurdo ma variazioni di soli 2°C portano a differenti caratteristiche meccaniche. Come la stragrande maggioranza degli studi meccanici inerenti la fonderia ed i trattamenti termici, i migliori risultati si ottengono dopo una moltitudine di prove sperimentali. Le fonderie che eseguono queste prove, ne custodiscono gelosamente i segreti.