ITBO940484A1 - Procedimento di formatura di cerhi per pneumatici in lega metallica reocolata. - Google Patents

Abstract

Trattasi di un procedimento di formatura tixotropica di cerchi per pneumatici in lega metallica reocolata a partire da lingotti (1) allo stato semisolido, comprendente sostanzialmente una fase di iniezione dei lingotti (1) semisolidi in uno stampo (5) avente cavità (7) di formatura del cerchio del pneumatico provvista di circuiti (6) di termoregolazione indipendenti; i circuiti (6) sono localizzati in adiacenza alla cavità (7) di formatura in modo da raffreddarne le zone (A) di maggiore spessore riscaldandone invece le zone (B) di spessore minore; la fase di iniezione dei lingotti (1) viene effettuata a velocità variabile controllata, correlata con la velocità di avanzamento, lungo la cavità (7) di formatura, e correlata alla geometria della cavità stessa di formatura; a seguito di tale fase di iniezione segue l'applicazione di pressioni elevate nell'interfaccia lega solidificata - lega semisolida fino alla completa solidificazione della lega.(Figg. 1, 1a, 1b, 1c).

Description

PROCEDIMENTO DI FORMATURA TIXOTROPICA DI

CERCHI PER PNEUMATICI IN LEGA METALLICA

REOCOLATA.

DESCRIZIONE

Il presente trovato concerne un procedimento di formatura tixotropica di cerchi di pneumatici in lega metallica reocolata, allo stato semisolido, particolarmente adatto per la fabbricazione di cerchi in lega di alluminio, intendendo indicare con il termine cerchi, le ruote.

I procedimenti di formatura impiegati nella tradizionale fabbricazione dei cerchi per pneumatici sono costituiti essenzialmente dalla forgiatura e dalla colata in stampi metallici, universalmente note per gli impieghi più generali della meccanica.

La forgiatura, come è noto, consente di effettuare la formatura della lega metallica allo stato solido. Tale caratteristica, riferita al particolare settore della fabbricazione dei cerchi per pneumatici, permette di ottenere prodotti di elevate proprietà meccaniche, ma è anche responsabile di un serie di inconvenienti rappresentati dal dover necessariamente impiegare leghe da lavorazione plastica, dalla impossibilità di conferire al prodotto forme geometricamente complesse, dalla necessità di dover prevedere una serie di passaggi consecutivi per pervenire al prodotto finito, soprattutto in presenza di spessori fortemente differenziati quali quelli che si riscontrano nella caratteristica geometria dei cerchi. Un ulteriore svantaggio è infine rappresentato dall'elevato costo del procedimento.

La colata in stampi metallici consente invece la formatura allo stato liquido, permettendo di ottenere, a basso costo e con poche fasi di lavorazione, prodotti di forma anche complessa. La qualità meccanica di tali prodotti risulta però inferiore a quella dei prodotti forgiati e, anche nel caso della colata in stampi metallici, occorre utilizzare leghe con caratteristiche intrinseche particolari, specificatamente finalizzate per tale procedimento tecnologico.

Più in particolare la minore qualità meccanica dei cerchi fusi dipende sia dalle caratteristiche strutturali proprie delle leghe da fonderia, sia da porosità e discontinuità che si generano nella struttura materiale del cerchio e che derivano dal particolare tipo di processo di fusione stesso.

Entrambi i procedimenti sopra richiamati si caratterizzano inoltre per il fatto di dar luogo a prodotti che abbisognano di cospicui soprametalli e che quindi necessitano di importanti ed ulteriori lavorazioni meccaniche prima di poter essere impiegati come prodotti finiti.

Di recente, è stata sviluppata la tecnologia della formatura tixotropica delle leghe metalliche allo stato semisolido o semiliquido, nelle quali cioè il massello o billetta da cui si dovrà ottenere il prodotto finito presenta una particolare struttura che, a livello macroscopico appare fisicamente omogenea, ma che a livello microscopico si rivela costituita da granuli solidi globulari immersi in una fase liquida. A seconda delle percentuali in peso delle frazioni di solido e di liquido, il massello assume carateristiche diverse; nel caso del semisolido esso assume un comportamento assimilabile a quello di un solido quando viene trasportato, ad esempio da una zona di riscaldamento ad una zona di utilizzo o di inietoformatura tixotropica, ma si comporta come un liquido viscoso quando viene inietato a pressione.

Non si conoscono, allo stato attuale, applicazioni di tale tecnologia alla fabbricazione di cerchi per pneumatici.

Dal momento che, sia la forgiatura, sia la fusione riferiti alla fabbricazione dei cerchi per pneumatici presentano distinti vantaggi ed inconvenienti, lo scopo del presente trovato, così come caraterizzato dalle rivendicazioni, è quello di eliminare gli inconvenienti carateristici di ciascuna tecnica di formatura riunendone invece i vantaggi.

Tale scopo viene raggiunto dalla presente invenzione mediante un procedimento di formatura tixotropica di cerchi per pneumatici in lega metallica reocolata, le cui carateristiche tecniche sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotoriportate ed i vantaggi della stessa risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue.

In particolare il procedimento secondo il trovato ha il vantaggio di permetere di realizzare cerchi in lega metallica a geometria complessa ove spessori piccoli possono alternarsi a spessori grandi nel modo più generale possibile, carateristiche queste proprie delle tecniche di fusione ottenute per colata in stampi metallici.

Ulteriori vantaggi e carateristiche dell'invenzione saranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati in cui :

le fig. 1, la, Ib e le illustrano schematicamente la successione di fasi di un ciclo integrale di fabbricazione di cerchi per pneumatici otenuti per formatura tixotropica;

la fig. 2 illustra schematicamente una vista pianimetrica di insieme di un impianto realizzante il procedimento secondo il trovato;

la fig. 3 illustra schematicamente ed in sezione parziale rimpianto di fig.2, effettuata secondo la linea ΙΠ-Ι1Ι, rappresentata con alcuni particolari asportati per meglio evidenziarne altri;

la fig. 4 illustra schematicamente un particolare relativo alla fase di iniezione del procedimento secondo l'invenzione.

Con riferimento alle figure allegate il procedimento in oggetto per la fabbricazione di cerchi o ruote per pneumatici in lega metallica reocolata, prevede di utilizzare, secondo metodologie note, delle billette di materiale crudo reocolato ottenute a partire da pani in lega metallica di alluminio aventi struttura dendritica che vengono portati a fusione. La lega liquida così ottenuta, dopo aver attraversato un filtro, perviene ad un dispositivo di colata provvisto di un agitatore e di una testa di refrigerazione, in attraversamento dei quali la lega liquida solidifica dando luogo alla formazione delle billette aventi microstnittura reocolata. Successivamente, le billette vengono tagliate in lingotti 1 di peso predeterminato, i quali subiscono un riscaldamento controllato ad una temperatura compresa nell'intervallo di solidificazione della lega che li porta allo stato semi solido tixotropico caratterizzato a livello microstrutturale (come visibile in figura la) dalla presenza di una fase liquida 14, costituita dai componenti a minore temperatura di fusione della lega nella quale sono immersi granuli solidi 15 sostanzialmente rotondeggianti.

In tale condizione, i lingotti 1 semisolidi vengono prelevati, ad esempio da mezzi di manipolazione 23 automatica (come visibile in figura 2), ed introdotti uno alla volta in una camera 3 di iniezione di una macchina 4 di iniettoformatura tixotropica (figg.l, 2 e 3) operante in combinazione con uno stampo 5 per la formatura vera e propria del cerchio 2.

Come meglio osservabile dalle fig. 1 e 3, lo stampo 5 presenta una cavità 7 di formatura sagomata sostanzialmente complementarmente al cerchio 2 e provvista di circuiti 6 di termoregolazione percorsi da un fluido caldo, ad esempio olio, alimentato da una centralina non rappresentata nelle figure. Nella camera di iniezione opera un pistone 22 mosso di moto alternativo e variabile da una macchina per inietto formatura tixotropica 4 che verrà meglio descritta in seguito.

Tali circuiti 6 sono localizzati in adiacenza alla cavità 7 di formatura, sono indipendenti tra loro e sono distribuiti in modo da raffreddare o più correttamente riscaldare meno le zone A' di maggiore ampiezza della cavità 7 rispetto invece alle zone B' di ampiezza minore che vengono riscaldate maggiormente. Con il termine ampiezza si vuole indicare le dimensioni di passaggio della sezione della zona della cavità 7.

Il tutto come vedremo meglio nel seguito della trattazione, allo scopo di assicurare il completo e regolare riempimento dello stampo 5.

Infatti, data la caratteristica variabilità dello spessore dei cerchi per pneumatici e data raltemanza nella loro geometria di zone B a spessore ridotto con zone A a spessore maggiore ed accentuato, il riempimento dello stampo 5 con lega allo stato semisolido risulta particolarmente critico. Il completo riempimento è reso possibile infatti solamente evitando che la fase liquida della lega semisolida (peraltro presente in quantità minore del solido) abbia a solidificare nelle zone di minore ampiezza B' della cavità 7 occludendo completamente il passaggio al fronte della lega metallica semisolida in arrivo afl'intemo della cavità 7 spinta dal pistone 22 prima che la parte dello stampo 5 posta a valle dell’occlusione sia stata completamente riempita. In altre parole è necessario che l'interfaccia tra la lega solidificata e la fase liquida della lega metallica semisolida progredisca regolarmente avanzando nella cavità 7 di formatura dello stampo 5 dalle zone del cerchio più lontane verso le zone più vicine alla camera 3 di iniezione.

In ottemperanza con l'invenzione il procedimento di formatura tixotropica di cerchi o ruote per pneumatici in lega metallica reocolata prevede di utilizzare lingotti 1 già sottoposti ad una fase di preriscaldamento al termine della quale il lingotto 1 si trova nel suo stato semisolido uniforme.

Prima di continuare con l'esposizione del procedimento è necessario precisare che nei cerchi 2 si individuano zone a maggiore spessore A costituite da un disco 9 centrale costituito da un mozzo centrale 9a dal quale si dipartono delle razze 10 alternate a rispettivi vani 11, Sono presenti anche zone a minore spessore B costituite da una superficie laterale 12 cilindrica o canale che viene definita da una porzione interna 13 ed una esterna 16. Le due porzioni sono a loro volta delimitate da un bordo interno 17 e rispettivamente da uno esterno 18

Il procedimento comprende dunque una fase di iniezione dei lingotti 1 in lega metallica allo stato tixotropico semisolido entro la cavità 7 di formatura dello stampo 5.

In una forma di realizzazione dei cerchi 2, visibile nelle figure 1 e le, la cavità 7 presenta almeno la sua zona a minore ampiezza B', che corrisponde alla porzione interna 13 della superficie laterale 12 del cerchio 2, realizzata con un'ampiezza Zi maggiore dell'ampiezza Zd necessaria per la formatura definitiva della corrispondente porzione interna 13. In altre parole la porzione 13 presenta al termine della fase di iniezione uno spessore Si maggiore dello spessore definitivo Sd finale ottenuto con l'intero procedimento in oggetto.

Durante la fase di iniezione viene attuata una fase di termoregolazione dello stampo 5 ad opera dei circuiti 6 che come sopra già detto eseguono un maggiore relativo riscaldamento delle zone B' di minore ampiezza di detta cavità 7 ed un contemporaneo minore relativo riscaldamento delle zone A' di maggiore ampiezza di detta cavità 7.

Durante la medesima fase di iniezione viene controllata e variata la velocità di iniezione dei lingotti 1 nel senso che viene controllata e variata la velocità di avanzamento del pistone 22 con conseguente regolazione e controllo della variazione della velocità di avanzamento del fronte di detta lega metallica allo stato semisolido all'interno della cavità 7. Tale variazione di velocità è funzione delle differenti sezioni di passaggio delle zone A' di maggiore e B' di minore ampiezza della cavità 7 e viene eseguita fino al suo completo riempimento. Tale fase permette una maggiore velocità di avanzamento del fronte della lega entro le zona A’ di maggiore ampiezza, ed una minore velocità entro le zone B' di minore ampiezza. Tutto ciò allo scopo di rendere quanto più possibile laminare il moto della lega tixotropica all'interno della cavità 7.

Al fine di assicurare una maggiore compattazione della lega metallica aH'intemo della cavità 7, successivamente alla sua fase di iniezione completa e durante la sua fase di solidificazione si applica aUa stessa, per mezzo della macchina di inietto formatura tixotropica 4 che agisce sul pistone 22, una forza di pressione moltiplicata e quindi molto più elevata rispetto alla forza di pressione di iniezione. La fase successiva alla solidificazione prevede l'estrazione del cerchio 2 così ottenuto dallo stampo 5 ed una fase di imbutitura per compressione a caldo della porzione interna 13 della superfìcie laterale 12. Tale fase è atta a far assumere a detta porzione interna 13 il suo spessore definitivo Sd minore del precedente spessore Si ottenuto nella fase di iniezione e visibile in figura Ic a tratto discontinuo. Questa fase di imbutitura permette di ottenere almeno per tale porzione 13 del cerchio 2 una maggiore resistenza meccanica ed inoltre permette di compattare ulteriormente la lega metallica così da evitare che, successivamente alla lavorazione meccanica a prodotto ultimato che prevede di lavorare il cerchio per asportazione di materiale per renderlo finito, all'interno della lega si creino delle cavità passanti che potrebbero compromettere la buona tenuta del cerchio con il pneumatico.

In una ulteriore forma di realizzazione indicata in figura lb il procedimento prevede che entrambe le zone a minore ampiezza della cavità 7 corrispondenti alla detta superficie laterale 12 del cerchio 2 presentino un'ampiezza Zi maggiore dell’ampiezza Zd necessaria per la formatura definitiva come già descritto con riferimento alla figura le. Una volta dunque estratto il cerchio 2 così ottenuto, la superficie laterale 12 è sottoposta ad una fase di imbutitura per pressione a caldo atta a farle assumere i rispettivi spessori definitivi Sd minori dei precedenti spessori Si ottenuti nella fase di iniezione, come per il caso precedentemente descritto.

In una ulteriore forma di realizzazione illustrata in figura 3 il procedimento prevede che lo stampo 5 abbia una cavità 7 che presenti geometrie, sezioni e dimensioni uguali alle geometrie, alle sezioni e alle dimensioni definitive di detto cerchio 2. In tale caso il cerchio 2, una volta estratto dallo stampo 5 non subisce la lavorazione per imbutitura.

Nel caso della fase di preriscaldamento dei lingotti 1, il procedimento prevede di sottopporre tali lingotti 1 ad un trattamento termico in cui essi, che si trovano allo stato solido, vengano immersi in flussi convettivi di aria riscaldata che li lambiscono per un periodo di tempo e ad una temperatura sufficienti a portarli allo stato semisolido tixotropico.

Per gli scopi sopracitati la fase di iniezione dei lingotti 1 semisolidi viene effettuata in generale a bassa velocità per consentire il moto laminare della lega tixotropica, e viene inoltre effettuata con velocità ciclicamente variabile in modo tale da consentire il regolare avanzamento della interfaccia sopraddetta.

Dalla fig.3 si osserva più in particolare che la macchina 4 di iniezione prevede il pistone 22 alternativamente mobile, che consente di spingere il lingotto 1 da una prima posizione X di introduzione nella camera 3 di iniezione ad una seconda posizione Y di introduzione della lega nello stampo 5. Nel passaggio dall'ima all'altra di tali posizioni, il lingotto 1 viene spinto ad una velocità molto bassa in modo tale da impedire che l'aria venga imprigionata tra la parete 21 della camera 3 ed il lingotto 1 prevedendo poi, nella successiva iniezione, nella cavità 7 di formatura dello stampo 5.

A fronte della criticità del fenomeno della solidificazione della fase liquida della lega semi soli da sopra richiamato, si osserva tuttavia che allorché la lega reocolata viene iniettata nella cavità 7 di formatura quasi il 50-60 % di detta lega è allo stato solido, ciò consente vantaggiosamente di avere ritiri di solidificazione modesti e shock termici limitati.

Come detto i lingotti 1 possiedono peso predeterminato. Più in particolare detto peso è maggiore della quantità di lega contenibile nella cavità 7 di formatura. Ciò consente di avere al termine della fase di iniezione del lingotto 1 nello stampo 5 una parte residua 8 del materiale semisolido che viene a solidificare esternamente allo stampo 5 tra quest'ultimo e la camera 3 di iniezione (vedi figura 3).

La presenza di tale parte residua 8 del lingotto 1 risulta particolarmente utile per l'omogeneità e la qualità del cerchio. In essa infatti, per effetto del restringimento della sezione 25 di ingresso nello stampo 5 incontrato dal lingotto 1 nel passaggio dalla camera 3 di iniezione allo stampo 5, viene a raccogliersi lo strato corticale 20 del lingotto 1 che è fisicamente e chimicamente deteriorato dalla intensa azione ossidante esercitata dall'aria, soprattutto sulla fase liquida del materiale reocolato, all’atto della sua introduzione in camera 3 di iniezione (vedi figura 4).

Terminata la fase di iniezione del materiale, dopo la solidificazione della lega, tale parte 8 residua di lingotto 1 deve essere tranciata, pertanto il procedimento prevede una specifica fase di tranciatura ad opera di una lama 19 che viene azionata dopo il distacco della camera 3 di iniezione dallo stampo 5.

1 cerchi suddetti sono ottenuti in un'unica fase operativa e a motivo della viscosità della lega semisolida e alla variabilità della velocità di iniezione e della successiva fase di imbutitura risultano privi di porosità rispetto agli analoghi cerchi colati in stampi metallici, inoltre possiedono, rispetto a questi, tolleranze dimensionali più strette per il fatto che i ritiri di solidificazione che interesserebbero la sola frazione liquida della lega semisolida, sono compensati dalla applicazione di elevate forze di pressione nell'interfaccia solido-liquido, richiedendo di conseguenza ridotte lavorazioni meccaniche.

I cerchi così ottenuti raggiungono elevate caratteristiche meccaniche proprie della forgiatura, una superiore qualità rispetto ai procedimenti di colata che contribuisce a migliorare ulteriormente la resistenza a fatica e la tenacità dei cerchi ed una migliore qualità estetica.

Un'ulteriore caratteristica dei cerchi ottenuti con il procedimento secondo il trovato è infine rappresentata da una elevata omogeneità strutturale del loro materiale costitutivo.

II trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti.

Nella pratica sono ovviamente possibili delle modifiche e/o delle migliorie rientranti comunque nell'ambito delle seguenti rivendicazioni.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di formatura tixotropica di cerchi per pneumatici in lega metallica reocolata a partire da lingotti (1) sottoposti ad una fase di preriscaldamento in modo tale da portare la microstruttura metallica globulare della lega reocolata allo stato semisolido uniforme su tutto il lingotto (l), cerchi (2) nei quali si individuano zone a maggiore spessore (A) costituite da un disco (9) su cui sono ricavate delle razze (10) alternate a rispettivi vani (11) e zone a minore spessore (B) costituite da una superficie laterale (12) cilindrica o canale definita da una porzione interna (13) ed una esterna (16) delimitate da un bordo interno (17) ed uno esterno (18), caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - iniezione di detti lingotti (1) in lega metallica allo stato tixotropico semisolido in uno stampo (5) avente cavità (7) di formatura del cerchio (2) presentante zone a maggiore ampiezza (Α') corrispondenti alle zone di maggiore spessore (A) di detto cerchio (2) e zone di minore ampiezza (Β') corrispondenti alle zone di minore spessore (B) di detto cerchio (2), almeno la zona a minore ampiezza di detta cavità (7) corrispondente alla porzione interna (13) di detta superficie laterale (12) di detto cerchio (2) presentando un'ampiezza (Zi) maggiore dell'ampiezza (Zd) necessaria per la formatura definitiva della corrispondente porzione interna (13); - termoregolazione dello stampo (5) con contemporaneo maggiore relativo riscaldamento delle zone (Β') di minore ampiezza di detta cavità (7) e contemporaneo minore relativo riscaldamento delle zone (Α') di maggiore ampiezza di detta cavità (7); - contemporaneo controllo e variazione della velocità di iniezione di detti lingotti (1) con conseguente regolazione e controllo della variazione della velocità di avanzamento del fronte di detta lega metallica allo stato semisolido all'intemo della cavità (7) in funzione delle differenti sezioni di passaggio delle zone (A1) di maggiore e (Β') di minore ampiezza di quest'ultima fino al suo completo riempimento atto a consentire una maggiore velocità di avanzamento del fronte della lega entro le zone (Α') di maggiore ampiezza; - successiva applicazione di una forza di pressione elevata rispetto alla forza di pressione di iniezione alla lega metallica durante la sua fase di solidificazione all’intemo della detta cavità (7) atta a consentire una maggiore compattazione della stessa; - estrazione del cerchio (2) così ottenuto dallo stampo (5) ed imbutitura per compressione a caldo della porzione interna (13) di detta superficie laterale (12) atta a far assumere a detta porzione interna (13) il suo spessore definitivo (Sd) minore del precedente spessore (Si) ottenuto nella fase di iniezione.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di iniezione prevede l'utilizzo di lingotti (1) presentanti volume e massa maggiore del volume e della massa della quantità di lega contenibile nella cavità (7) di formatura così che detta fase di iniezione termini prima del completo inserimento di tutta la massa del lingotto all'interno di detta cavità (7) in modo tale che una parte residua (8) di detto lingotto (1) solidifichi in posizione intermedia tra la bocca di ingresso (28) dello stampo (5) e di una camera (3) di iniezione raccogliendovi il materiale dello strato (20) corticale di detto lingotto (1 ), detto procedimento comprendendo una fase di tranciatura di detta parte residua (8), anterioriormente alla estrazione del cerchio del pneumatico dalla cavità (7) di formatura dello stampo (5).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le zone a minore ampiezza di detta cavità (7) corrispondenti alla detta superficie laterale (12) di detto cerchio (2) presentano un'ampiezza (Zi) maggiore dell'ampiezza (Zd) necessaria per la formatura definitiva delle corrispondenti porzioni interna (13) ed esterna (16) di detta superficie laterale (12) e dal fatto che, una volta estratto il cerchio (2) così ottenuto, la detta superficie laterale (12) è sottoposta ad una fase di imbutitura per pressione a caldo atta a far assumere a detta porzione interna (13) e detta porzione esterna (16) i rispettivi spessori definitivi (Sd) minori dei precedenti spessori (Si) ottenuti nella fase di iniezione.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere nella fase di iniezione uno stampo (5) avente una cavità (7) presentante geometrie, sezioni e dimensioni uguali alle geometrie, alle sezioni e alle dimensioni definitive di detto cerqhio (2) e dal fatto che detto procedimento manca della fase di imbutitura per compressione.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di termoregolazione dello stampo (5) avviene disponendo perimetralmente alla detta cavità (7) e ad una camera di iniezione (3) di detti lingotti (1) una pluralità di circuiti (6) di termoregolazione reciprocamente indipendenti percorsi da un fluido di riscaldamento.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la fase di preriscaldamento consiste in un trattamento termico in cui detti lingotti (1) allo stato solido vengono immersi in flussi convettivi di aria riscaldata che li lambiscono per un periodo di tempo e ad ima temperatura sufficienti a portarli allo stato semisolido tixotropico.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta lingotti (1) di lega metallica tixotropica allo stato semisolido sono costituiti da una fase solida in una percentuale variabile da 50 a 60% e da una fase liquida in una complementare percentuale variabile da 50 a 40%.
8. 8. Procedimento secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure degli uniti disegni e per gli accennati scopi.