Introduzione

Le lavorazioni meccaniche

Si definisce tecnologia l’insieme dei processi necessari per trasformare una materia prima in un prodotto finito. In particolare la tecnologia meccanica studia i processi di fabbricazione sia di oggetti non destinati all’accoppiamento sia soprattutto di organi di macchine e parti di strutture, compresi i procedimenti successivi di assemblaggio.

I materiali che interessano tali processi di fabbricazione sono numerosi, ed anzi in continuo aumento, basti citare le plastiche, i materiali compositi ed i ceramici; tuttavia tra questi, i materiali metallici (metalli e loro leghe) occupano ancor oggi un posto di rilievo, tanto che di norma le trattazioni fanno riferimento prevalentemente a tali materiali.

Le operazioni necessarie per fabbricare un organo meccanico o pezzo come genericamente lo si suole definire, possono essere di diversa natura e si sogliono raggruppare in categorie per omogeneità di trattazione; esse comprendono le lavorazioni di formatura (o per deformazione plastica) e quelle ad asportazione di truciolo, ed inoltre la fonderia, la saldatura (o più in generale i procedimenti di giunzione), le lavorazioni non convenzionali (quali i procedimenti di fresatura elettrochimica, l'elettroerosione, le lavorazioni al plasma e quelle al laser etc.) e alcune tecnologie particolari (quali la metallurgia delle polveri o la tecnologia dei materiali compositi); un capitolo a parte  infine è costituito dall'assemblaggio dei singoli pezzi costituenti una macchina.

I processi di fabbricazione che convenzionalmente vengono compresi nella tecnologia meccanica non comprendono per converso i processi a monte necessari per trasformare i minerali nei materiali utilizzati dall'industria meccanica ed in particolare anche i procedimenti metallurgici utilizzati per trasformare un minerale in un metallo o in una lega metallica.

II campo di azione della tecnologia meccanica risulta in conseguenza perfettamente definito; cosi ad esempio, con riferimento ai materiali metallici, tale campo di azione è delimitato a monte dai prodotti dell'industria metallurgica, costituiti in genere da lingotti di prima fusione ed a valle dai "prodotti finiti" che si possono fabbricare partendo da "tale materia prima" e cioè organi di macchina, profilati, elementi di strutture, oggetti vari richiesti dal mercato.

La sequenza di operazioni, o ciclo di lavorazione, necessaria per la trasformazione della materia prima in un prodotto finito dipende dalle caratteristiche dell'oggetto da fabbricare ed in particolare dalla forma e dalla precisione dimensionale e microgeometrica richieste.

Nella maggioranza dei casi però (escludendo cioè pezzi che richiedono l'impiego di tecnologie particolari) la fabbricazione di pezzi meccanici richiede fondamentalmente due tipi di lavorazione: quelle per deformazione plastica (o per fusione) e quelle ad asportazione di truciolo.

Dipendentemente dalle caratteristiche dell'oggetto da fabbricare è possibile che siano necessarie solo lavorazioni del primo tipo (ad  esempio  fabbricazione di barre e profilati o fucinatura di pezzi per meccanica di precisione media o grossolana), oppure sia lavorazioni del primo che del secondo tipo, oppure infine lavorazioni solo del secondo tipo, (nel qual caso però la "materia prima" è costituita da spezzoni di barre o profilati prodotti con lavorazioni del primo tipo).

In sostanza nella fabbricazione di un pezzo si tenta preliminarmente di "approssimarne" la forma definitiva con operazioni di formatura o di fusione, salvo poi "finire" il pezzo, o soltanto le parti di esso destinate all'accoppiamento, con ulteriori lavorazioni ad asportazione di truciolo che consentano precisioni dimensionali e microgeometriche adeguate a quelle richieste dal progetto.

La ragione di tale successione è giustificata da considerazioni di carattere economico: infatti con i procedimenti di formatura (o di fusione) si riescono ad ottenere pezzi di forma molto prossima a quella finale con lavorazioni il cui costo, anche se talora elevato, è tuttavia inferiore a quello relativo alle operazioni ad asportazione di truciolo necessario per produrre lo stesso semilavorato partendo dal pieno. Così ad esempio, anche senza passare a valutazioni quantitative, risulta evidente la convenienza di fabbricare per fucinatura lo sbozzato di un albero a gomiti piuttosto che per asportazione di materiale partendo da un pezzo prismatico pieno. Analoghe considerazioni valgono con riferimento alla fabbricazione per fusione di un banco in ghisa per macchina utensile o di un monoblocco per motore a combustione interna.

L'aver ripetutamente indicato operazioni di fonderia in alternativa a lavorazioni di formatura potrebbe far nascere il sospetto di una equivalenza tra i due processi. In realtà si tratta di due procedimenti sostanzialmente diversi e la scelta tra i due è dettata da limitazioni tecnologiche connesse con la particolare forma dei pezzo o con le caratteristiche del materiale prescritto per il particolare impiego considerato.

Infatti alcuni materiali, cosiddetti fusibili, quali ad esempio le ghise, si prestano particolarmente ad operazioni di fonderia nel senso che riempiono bene le forme e forniscono getti sani o con una distribuzione di difetti mediamente accettabile. Tali materiali per contro non si prestante ad operazioni di fucinatura sia a freddo che a caldo: a freddo perché l'intervallo di plasticità, inteso come differenza tra le deformazioni in corrispondenza dei carichi di scorrimento e di rottura, è talmente limitato da non consentire deformazioni apprezzabili prima della frattura; a caldo perché tali materiali passano bruscamente dallo stato solido allo stato liquido ed a temperature intermedie non mostrano apprezzabili intervalli di plasticità, tali da consentire operazioni di fucinatura.

Altri materiali, quali ad esempio gli acciai, sono fucinabili ma, pur non possedendo le caratteristiche di fusibilità delle ghise, sono tuttavia con particolari accorgimenti idonei al getto. Con tali materiali, se la forma dell'oggetto da fabbricare è molto complicato, (ad esempio valvole per fluidi ad ala pressione, girano di turbine Pelton, etc...) la scelta del getto fuso diventa obbligata; negli altri casi è preferibile adottare lavorazioni di fucinatura che garantiscono tra l'altro una migliore qualità del semilavorato, esente o quasi da vuoti e soffiature interne, eliminati, o dimeno fortemente ridotti, dalle alte pressioni di formatura.

Si osservi inoltre che le operazioni di fucinatura provocano una deformazione e un benefico orientamento dei grani cristallini del pezzo secondo la direzione del flusso locale del materiale, dando luogo alla formazione di fibre (ben visibili ad esempio nelle macrografie di una sezione del pezzo fucinato) disposte secondo direzioni in genere coincidenti con quelle delle isostatiche relative ai carichi di esercizio; al contrario le lavorazioni ad asportazione di truciolo tagliando le fibre interrompono tale orientamento con effetti non certamente positivi sul comportamento del pezzo in esercizio.

Conseguentemente la fabbricazione di pezzi con sole operazioni di formatura sarebbe altamente desiderabile sia per il risparmio che ne conseguirebbe sia per i benefici effetti sul comportamento del pezzo in esercizio. Tuttavia, malgrado i notevoli sforzi compiuti negli ultimi anni in tale direzione (net shape forming) ed i buoni risultati sinora ottenuti, con l'aumentare della precisione richiesta al pezzo (e cioè con il diminuire sia dell'ampiezza del campo di tolleranza che della rugosità) risulta ancor oggi indispensabile far seguire alle operazioni di formatura, limitatamente alle superfici su cui tale precisione è richiesta, lavorazioni ad asportazione di truciolo su macchine di caratteristiche adeguate alla precisione richiesta.