Guida alla forgiatura dell'alluminio: Tipi, Materiali, Vantaggi, Applicazioni

2. Cos'è la forgiatura dell'alluminio?

Forgiatura è un processo di produzione in cui il metallo viene modellato mediante pressatura, martellare, o rotolante.

A differenza di fusione, che prevede il versamento del metallo fuso negli stampi, O lavorazione, che rimuove il materiale per ottenere una forma, la forgiatura utilizza il calore e la pressione per formare e affinare la struttura del metallo.

Forgiatura dell'alluminio si riferisce specificamente al processo di riscaldamento dell'alluminio fino a renderlo malleabile (tipicamente tra 350°C e 500°C) e quindi applicando la forza per modellarlo nella forma richiesta.

Questo processo affina la struttura del grano, migliorando le proprietà meccaniche del metallo.

3. Tipi di processi di forgiatura dell'alluminio

Forgiatura a stampo aperto

Forgiatura a stampo aperto, noto anche come forgiatura libera, è un processo di lavorazione dei metalli versatile e ampiamente utilizzato. Modella l'alluminio utilizzando matrici che non racchiudono completamente il materiale.

In questo processo, viene stampata una billetta di alluminio, martellato, e pestato finché non si conforma alla forma dello stampo.

Poiché il materiale non è completamente confinato, i componenti finiti vengono tipicamente sottoposti a lavorazione secondaria per ottenere la forma finale desiderata.

Questo metodo è ideale per produrre componenti semplici come i dischi, maniche, cilindri, e alberi.

Uno dei principali vantaggi della forgiatura a stampo aperto è la sua capacità di migliorare la struttura dei grani dell'alluminio attraverso impatti ripetuti, che migliora la resistenza alla fatica e la robustezza complessiva.

Come altre tecniche di forgiatura, elimina efficacemente i vuoti che potrebbero compromettere le prestazioni di una parte.

Nella forgiatura a stampo aperto, il pezzo è libero di muoversi lateralmente, consentendo la realizzazione di componenti molto grandi del peso di diverse tonnellate.

Questo processo è adatto per cicli di produzione brevi e prodotti personalizzati, spesso serve come fase preliminare per modellare i lingotti prima dell'ulteriore lavorazione.

Inoltre, la forgiatura a stampo aperto migliora la lavorabilità dell’alluminio, il risultato sono componenti con maggiore resistenza all'usura e proprietà meccaniche che competono con quelle dei prodotti lavorati o fusi.

Die chiuso (Stampo per impressione) Forgiatura

La forgiatura a stampo chiuso assomiglia molto alla forgiatura a stampo aperto, ma la differenza fondamentale sta nella funzionalità dello stampo.

Nella forgiatura a stampo chiuso, le metà dello stampo racchiudono completamente la billetta o il pezzo grezzo, consentendo la produzione di forme più complesse.

Questo processo può avvenire in una o più fasi, a seconda della complessità del prodotto finale.

Le leghe di alluminio utilizzate nella forgiatura a stampo chiuso subiscono un trattamento termico a temperature specifiche adattate alla loro composizione.

Durante la forgiatura a stampo chiuso, una billetta o un pezzo grezzo viene posizionato tra la metà superiore e quella inferiore dello stampo, con la metà inferiore appoggiata su un'incudine e la metà superiore collegata ad un martello.

La deformazione viene attentamente controllata per allineare il flusso del grano con la direzione dello stress, che affina la microstruttura del materiale.

La forgiatura a stampo chiuso offre un'eccezionale precisione dimensionale, spesso riducendo al minimo la necessità di lavorazioni secondarie per ottenere tolleranze strette.

Ogni prodotto forgiato mantiene dimensioni costanti, con conseguente forgiati di alluminio che presentano eccellenti proprietà meccaniche e integrità strutturale.

Come soluzione economica per grandi volumi di produzione, la forgiatura a stampo chiuso migliora l’efficienza riducendo la necessità di ulteriori lavorazioni meccaniche e accelerando i ritmi di produzione.

Simile ad altri prodotti in alluminio, i componenti forgiati a stampo chiuso vantano un elevato rapporto resistenza/peso e una struttura lavorata che garantisce resistenza agli urti e alla fatica.

Il processo elimina anche vuoti e porosità, ottenendo superfici lisce e uniformi.

Forgiatura a freddo

La forgiatura a freddo è un metodo altamente efficace per modellare le leghe di alluminio in disegni complessi. Questo processo consente la formazione di forme complesse senza ridimensionamento,

impiegando pressioni più basse e utilizzando stampi mantenuti alla stessa temperatura del pezzo.

Sfruttando la plasticità dell’alluminio, ovvero la sua capacità di deformazione permanente a temperatura ambiente, la forgiatura a freddo consente una produzione efficiente e precisa..

A differenza dei metodi di taglio, che può richiedere molto lavoro e generare rifiuti sotto forma di trucioli, lo stampaggio a freddo è più veloce e non produce scarti.

Può creare disegni bidimensionali complessi, comprese funzionalità come i buchi, smussi, perni, pinne, e passaggi, tutto in un'unica operazione.

Il principio fondamentale della forgiatura a freddo prevede la deformazione di una billetta di alluminio, sbarra, o altri pezzi a temperature inferiori al punto di ricristallizzazione, tipicamente intorno alla temperatura ambiente.

Questa tecnica economica consente di ottenere parti in alluminio completamente formate che spesso richiedono una finitura minima.

Presse verticali, sia manuale che automatico, esercitare una forza significativa sul pezzo, comprimendolo tra le matrici superiore e inferiore fino a quando non corrisponde alla forma desiderata.

La forgiatura a freddo è versatile, consentendo la produzione di una vasta gamma di componenti in alluminio,

compresi gli alternatori, ingranaggi, motorini di avviamento, parti di motociclette, alberi cavi, valvole, interruttori, ed elementi antivibranti.

Stampaggio a caldo

La forgiatura a caldo dell’alluminio ne esalta notevolmente le proprietà, ottenendo un rapporto resistenza-peso che supera l'acciaio.

I produttori spesso optano per lo stampaggio a caldo per la sua versatilità nella produzione di varie finiture superficiali, dalle texture lisce a quelle irregolari, a differenza delle tipiche finiture ottenute tramite stampaggio a freddo.

Ciò rende i componenti in alluminio forgiato a caldo molto ricercati in diversi settori per la loro convenienza, appeal estetico, e versatilità progettuale.

Nel processo di stampaggio a caldo, l'alluminio viene riscaldato alla sua temperatura di ricristallizzazione, che varia da 350°C a 500°C (662°F a 932°F).

Una volta riscaldato, il pezzo in alluminio viene posto sotto pressione da un'attrezzatura di forgiatura che lo batte e lo martella in uno stampo.

Questa tecnica si traduce in prodotti che vantano una resistenza migliorata, durabilità, e granulometria più fine.

La qualità leggera, elevato rapporto resistenza/peso, e l'eccellente conduttività termica ed elettrica dell'alluminio forgiato a caldo contribuiscono ulteriormente alla sua popolarità.

Mantenere la giusta temperatura e pressione è fondamentale durante lo stampaggio a caldo.

Temperature elevate vengono mantenute durante tutto il processo per prevenire l'incrudimento durante la deformazione.

Gli stampi di forgiatura vengono riscaldati per raggiungere o scendere leggermente al di sotto della temperatura del pezzo, garantendo una distribuzione uniforme del calore.

Il pezzo in alluminio viene ripetutamente martellato o stampato finché non si adatta alla forma desiderata, con la trafila riscaldata che facilita il flusso del materiale.

Forgiatura a caduta

La forgiatura a goccia modella i componenti in alluminio martellando un pezzo riscaldato tra due metà di uno stampo, rendendolo ideale per la produzione di grandi volumi.

Il dado superiore è attaccato a un martello, mentre lo stampo inferiore poggia su un'incudine.

L'alluminio riscaldato viene posizionato nello stampo inferiore, e la pressione continua comprime il materiale fino a riempire la cavità dello stampo.

Qualsiasi eccesso di alluminio, denominato flash, viene spremuto attraverso gli spazi vuoti dello stampo e raccolto per il riciclaggio.

La natura leggera dell'alluminio lo rende una scelta eccellente per la forgiatura, in particolare utilizzando le leghe del 6000 E 7000 serie.

Dopo il processo di forgiatura, il flash viene rimosso, e il pezzo può essere sottoposto a trattamenti aggiuntivi secondo necessità.

Questo metodo aumenta la forza, tenacità, e resistenza alla fatica dell'alluminio. Garantisce precisione dimensionale precisa e uniformità riducendo al minimo gli sprechi.

Inoltre, la forgiatura a goccia consente la produzione di forme complesse e intricate in modo economicamente vantaggioso.

Forgiatura di anelli laminati

La forgiatura di anelli laminati è un processo specializzato per la creazione di anelli senza saldatura da billette o cilindri.

Si inizia ribaltando la billetta, riducendone l'altezza aumentandone il diametro per ottenere le dimensioni dell'anello desiderate.

Questa tecnica utilizza un metodo a matrice aperta, riscaldare la billetta al di sopra della sua temperatura di ricristallizzazione per migliorare la duttilità.

Durante la fase sconvolgente, la pressione orizzontale viene applicata lungo la lunghezza della billetta, facendolo espandere. Il riscaldamento del materiale lo ammorbidisce, alterare la struttura dei grani del metallo per migliorare la lavorabilità.

Per formare l'anello, mediante punzonatura o tranciatura viene creato un foro centrale, risultando in un pezzo a forma di ciambella che si adatta a un mandrino.

Questo mandrino, o sella, deve essere abbastanza robusto da sopportare le pressioni di forgiatura.

Nella forgiatura di anelli laminati, il pezzo viene riscaldato a una temperatura flessibile al di sotto del suo punto di ricristallizzazione.

Mentre il pezzo ruota, viene premuto contro un rullo motore, regolazione dei diametri interno ed esterno per soddisfare le specifiche finali.

Il mandrino preme contro l'interno della ciambella, comprimendo le pareti per ridurre lo spessore.

La tenacità dell’alluminio, resistenza alla trazione, e la resistenza alla fatica lo rendono adatto alla forgiatura di anelli laminati.

Inoltre, l'alluminio forgiato offre una finitura superficiale superiore, liscia ed esteticamente gradevole.

Le applicazioni per i pezzi fucinati di anelli laminati in alluminio includono motori a reazione, turbine, mulini a vento, cartiere, riduttori per elicotteri, e strumenti progettati per ambienti pericolosi.

4. Leghe di alluminio chiave per la forgiatura

Varie leghe di alluminio offrono proprietà e vantaggi unici su misura per applicazioni specifiche:

• 6061 Lega di alluminio: Noto per la sua versatilità, questa lega è ampiamente utilizzata per la sua eccellente resistenza alla corrosione, buona saldabilità,
  e alta resistenza. È ideale per componenti strutturali nei settori aerospaziale ed edile.
• 6063 Lega di alluminio: Spesso indicato come alluminio architettonico, questa lega è apprezzata per la sua finitura superficiale liscia e la facilità di estrusione, rendendolo perfetto per applicazioni edili e strutture decorative.
• 6082 Lega di alluminio: Questa lega fornisce elevata resistenza ed eccellente lavorabilità, rendendolo adatto a varie applicazioni strutturali, particolare nel settore dei trasporti.
• 7075 Lega di alluminio: Riconosciuta come una delle leghe di alluminio più resistenti disponibili, 7075 è ampiamente utilizzato nelle applicazioni aerospaziali grazie al suo notevole rapporto resistenza/peso e alla resistenza alla tensocorrosione.
  I suoi gradi di temperamento, come T6 e T651, migliorarne ulteriormente le prestazioni.
• 2014 Lega di alluminio: Questa lega offre un elevato rapporto resistenza/peso ed è particolarmente apprezzata nelle applicazioni pesanti, compresi i settori aerospaziale e militare.

5. Vantaggi della forgiatura dell'alluminio

I vantaggi della forgiatura dell’alluminio ne fanno la scelta preferita in vari settori:

• Finitura superficiale: Le parti forgiate possono ottenere superfici lisce o strutturate, a seconda della finitura desiderata, migliorando sia l'estetica che la funzionalità.
• Flessibilità di progettazione: La forgiatura consente la creazione di forme e geometrie complesse, accogliere progetti complessi che potrebbero essere difficili da realizzare con altri metodi.
• Elevato rapporto resistenza/peso: La forgiatura dell'alluminio produce componenti leggeri ma resistenti, rendendoli ideali per applicazioni in cui ridurre al minimo il peso è fondamentale,
  come nel settore aerospaziale e automobilistico.
• Proprietà meccaniche migliorate: La forgiatura affina la struttura della grana del metallo, con conseguente miglioramento della tenacità, resistenza alla fatica, e prestazioni complessive.
• Resistenza alla corrosione: La resistenza intrinseca dell'alluminio alla corrosione rende le parti in alluminio forgiato resistenti e durevoli, particolarmente in ambienti difficili.
• Efficienza dei costi: Mentre i costi iniziali degli utensili per la forgiatura possono essere elevati, il costo complessivo per unità diminuisce in modo significativo per i grandi cicli di produzione, rendendolo economico per la produzione di massa.
• Durata e affidabilità: I componenti in alluminio forgiato sono noti per la loro robustezza e resistenza all'usura, garantendo che funzionino in modo affidabile nel tempo.
• Precisione dimensionale: La forgiatura di precisione produce parti che soddisfano specifiche rigorose con uno spreco di materiale minimo, riducendo i costi di produzione.
• Produzione in grandi volumi: La forgiatura è particolarmente adatta per la produzione in grandi volumi, garantendo una qualità costante su grandi lotti di parti.

6. Applicazioni della forgiatura dell'alluminio

La forgiatura dell’alluminio svolge un ruolo fondamentale in vari settori, con applicazioni che richiedono robustezza, proprietà leggere, e durata:

• Aerospaziale: Utilizzato nelle strutture degli aerei, carrello di atterraggio, e componenti del motore, le parti in alluminio forgiato contribuiscono in modo significativo alle prestazioni e alla sicurezza complessive.
• Automobilistico: Componenti come sistemi di sospensione, ruote, e le parti del telaio beneficiano della resistenza e delle proprietà leggere dell'alluminio forgiato, migliorare l'efficienza del carburante e la manovrabilità.
• Attrezzature industriali: L'alluminio forgiato viene utilizzato nei componenti di macchinari pesanti, utensili, e infissi, garantendo longevità e affidabilità in ambienti esigenti.
• Costruzione: Le applicazioni architettoniche sfruttano la resistenza alla corrosione e l’aspetto estetico dell’alluminio forgiato, rendendolo popolare per la costruzione di telai, travi, ed elementi decorativi.
• Dispositivi medici: La natura leggera e durevole dell'alluminio forgiato lo rende adatto per strumenti chirurgici e altri dispositivi medici che richiedono prestazioni elevate.
• Prodotti di consumo: L'alluminio forgiato si trova comunemente nelle attrezzature sportive, biciclette, ed elettrodomestici, dove le caratteristiche di resistenza e leggerezza sono essenziali.

7. Confronto tra alluminio forgiato e alluminio forgiato. Fusione di alluminio

Comprendere le differenze tra alluminio forgiato e alluminio pressofuso è fondamentale per selezionare il giusto processo di produzione:

• Alluminio forgiato: Noto per le sue proprietà meccaniche superiori, l'alluminio forgiato presenta una resistenza maggiore e un peso inferiore rispetto all'alluminio pressofuso.
  È particolarmente adatto per applicazioni ad alto stress, come nel settore aerospaziale e automobilistico.
• Fusione di alluminio: Questo metodo consente forme e design più complessi ma spesso si traduce in una resistenza e una durata inferiori rispetto all'alluminio forgiato.
  L'alluminio pressofuso è più adatto per applicazioni in cui sono richieste forme complesse ma dove l'elevata resistenza non è fondamentale.

La scelta tra alluminio forgiato e pressofuso dipende in ultima analisi da fattori specifici come il costo, esigenze prestazionali, e complessità progettuale.

La forgiatura è l'opzione preferita quando la forza è fondamentale, mentre la fusione è ideale per forme altamente dettagliate.

8. Sfide nella forgiatura dell’alluminio

• Elevati costi iniziali di attrezzatura: Soprattutto per la forgiatura a stampo chiuso, il costo di stampi e matrici può essere significativo.
  Tuttavia, questi investimenti iniziali spesso ripagano nel lungo periodo grazie ad una maggiore efficienza e alla riduzione degli sprechi.
• Controllo della temperatura: La regolazione precisa della temperatura è fondamentale per evitare difetti come crepe o crescita eccessiva del grano.
  Tecnologia moderna, quali sensori avanzati e sistemi di controllo, aiuta a mantenere le condizioni ottimali.
• Proprietà dei materiali: L’elevata conduttività termica dell’alluminio richiede un attento controllo del calore durante il processo di forgiatura per mantenere condizioni ottimali.
  Le corrette tecniche di preriscaldamento e raffreddamento sono essenziali per garantire i migliori risultati.

9. Conclusione

La forgiatura dell’alluminio è un processo di produzione versatile e robusto che offre numerosi vantaggi, compresa l'alta resistenza, leggero, ed eccellenti proprietà meccaniche.

Comprendendo i diversi tipi di forgiatura, leghe chiave, e i vantaggi unici di ciascuno, i produttori possono prendere decisioni informate per soddisfare le loro esigenze applicative specifiche.

Dall'aerospaziale ai beni di consumo, i componenti in alluminio forgiato sono apprezzati per le loro elevate prestazioni e affidabilità.

Poiché i progressi tecnologici continuano a migliorare il processo di forgiatura, la forgiatura dell’alluminio è destinata a rimanere un metodo fondamentale per la produzione di alta qualità, parti economicamente vantaggiose in futuro.

Domande frequenti

Q: Quali sono i vantaggi della forgiatura dell’alluminio rispetto ad altri processi di formatura?

UN: Le parti in alluminio forgiato offrono una maggiore resistenza, proprietà meccaniche superiori, e maggiore resistenza alla corrosione rispetto alle parti fuse o lavorate.

Q: In che modo la forgiatura dell'alluminio migliora la durabilità del prodotto?

UN: Il processo di forgiatura affina la struttura dei grani del metallo, risultando in parti più resistenti, più resistente all'usura, e meno suscettibile alla fatica nel tempo.

Q: Quali sono le principali differenze tra la forgiatura a stampo aperto e quella a stampo chiuso?

UN: La forgiatura a stampo aperto utilizza stampi semplici che non racchiudono completamente il pezzo, consentendo la produzione di grandi dimensioni, parti pesanti e forme personalizzate.

Al contrario, la forgiatura a stampo chiuso utilizza stampi che contengono completamente il pezzo, consentendo la creazione di complessi, parti di alta precisione.

Q: Quale lega di alluminio è la migliore per le applicazioni aerospaziali?

UN: 7075 la lega di alluminio è molto apprezzata nelle applicazioni aerospaziali grazie al suo eccezionale rapporto resistenza/peso e alla resistenza alla tensocorrosione.

Q: L'alluminio forgiato può essere utilizzato in applicazioni criogeniche?

UN: Mentre alcune leghe di alluminio, come 7075-T6, potrebbe non essere adatto per applicazioni criogeniche a causa della minore tenacità, altri stati come 7075-T73 potrebbero essere più appropriati.

Tuttavia, sono necessari un'attenta considerazione e test per garantire che il materiale soddisfi i requisiti specifici dell'ambiente criogenico.