Esistono organi meccanici che possono sembrare facili da realizzare, ma la realtà è differente: è il caso dei pistoni

L'apparente semplicità della meccanica | Officina

In campo meccanico molte cose possono sembrare semplici ma spesso non lo sono affatto. E alcuni componenti hanno una geometria che pu&ograve; apparire quasi banale.

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<h2>"Capolavori" meccanici</h2>
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Per esempio una valvola di scarico &egrave; un autentico capolavoro di metallurgia. Basta pensare alle condizioni nelle quali deve lavorare, svolgendo impeccabilmente la sua funzione mentre il veicolo percorre decine e decine di migliaia di chilometri. Ovvero, per milioni di cicli. Per realizzarla si potrebbe pensare che bastino un tornio e una rettificatrice ma non &egrave; cos&igrave;. E in quanto al materiale, quelli che vengono oggi impiegati sono il risultato di decenni di ricerche e sperimentazioni. Insomma, si tratta di un tipico caso di semplicit&agrave; esteriore ma di complessit&agrave; &ldquo;interiore&rdquo;. Tra gli organi meccanici che possono sembrare facili da realizzare ci sono i pistoni. Quelli dei motori di altissima potenza specifica hanno una struttura con traversini di irrigidimento tra le pareti laterali, nota come &ldquo;box-n-box&rdquo;, ma quelli dei motori pi&ugrave; tranquilli in genere hanno il mantello soltanto sfiancato esternamente in corrispondenza delle portate per lo spinotto. Si potrebbe pensare che una volta definito il disegno e il dimensionamento di massima la realizzazione sia relativamente agevole. In fondo si tratta di colare del metallo fuso in uno stampo avente la corretta geometria, realizzato tenendo conto della variazione dimensionale causata dal passaggio dalla fase liquida a quella solida e dal raffreddamento. Messa cos&igrave; sembrerebbe facile, ma invece&hellip;
Cominciamo dicendo che definire la geometria dello stampo non &egrave; affatto facile, perch&eacute; a contare &egrave; quella del pistone non a temperatura ambiente ma nelle condizioni di lavoro. Si dovr&agrave; quindi tenere conto delle temperature raggiunte nei vari punti del componente, del coefficiente di dilatazione del materiale impiegato, degli spessori&hellip; In esercizio il pistone deve sopportare sollecitazioni meccaniche e termiche molto elevate delle quali in fase di progettazione si deve tenere debito conto. Tra gli obiettivi fondamentali ovviamente spicca il contenimento del peso. Una volta nelle normali condizioni di lavoro il mantello deve avere una forma che gli consenta di &ldquo;copiare&rdquo; al meglio la canna del cilindro, con un gioco per quanto possibile contenuto, in modo da ridurre al minimo i movimenti secondari e consentire ai segmenti di lavorare correttamente. Per quanto riguarda la scelta del metallo, non ci sono dubbi: deve essere una lega di alluminio, materiale dalla ridotta densit&agrave; e dall&rsquo;elevata conducibilit&agrave; termica, dalla modesta temperatura di fusione, dall&rsquo;ottima colabilit&agrave; (in genere) e agevolmente lavorabile. C&rsquo;&egrave; per&ograve; un punto debole ed &egrave; costituito dall&rsquo;elevato coefficiente di dilatazione termica. Fortunatamente, per&ograve;, non tutte le leghe sono uguali. In questo caso ci interessano quelle al silicio, elemento che riduce il coefficiente in questione e migliora le caratteristiche meccaniche. La lega di gran lunga pi&ugrave; impiegata per la produzione dei pistoni contiene il 12% di silicio pi&ugrave; l&rsquo;1% sia di magnesio che di nickel: si tratta della Mahle 124 (che in pi&ugrave; ha soltanto un po&rsquo; di rame) e della giapponese AC 8A. La loro temperatura di fusione &egrave; 577&deg; C (contro 660&deg; C dell&rsquo;alluminio).
Il coefficiente di dilatazione &egrave; oltre il 10% inferiore a quello dell&rsquo;alluminio puro. Si tratta di una lega eutettica che ha una precisa temperatura di fusione e non un intervallo di solidificazione come le altre leghe, che hanno composizioni differenti. Percentuali di silicio maggiori riducono ulteriormente il coefficiente di dilatazione ma rendono il lavoro di fonderia via via pi&ugrave; difficile e determinano una peggiore lavorabilit&agrave;.

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<h2>Meccanica: le tecniche</h2>
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La tecnica fusoria adottata per i pistoni (con l&rsquo;ovvia eccezione di quelli ottenuti per forgiatura) &egrave; la colata per gravit&agrave; in conchiglia metallica. Grazie a essa &egrave; possibile ottenere una rapida solidificazione e, quindi, una struttura a grana fine del materiale (vantaggiosa ai fini delle caratteristiche meccaniche). Il numero delle piccole porosit&agrave; presenti nel metallo &egrave; molto ridotto. Ci&ograve; rende possibile il trattamento termico, che non si pu&ograve; invece effettuare sui pezzi ottenuti per pressofusione e per colata in terra a causa della loro microporosit&agrave; assai maggiore (tali processi fusori non sono impiegabili per realizzare i pistoni). Per ottenere la parte interna conferendole la voluta geometria si utilizzano anime che possono essere in acciaio e in pi&ugrave; parti. Il processo pu&ograve; essere agevolmente automatizzato. Per i pistoni dei motori di altissime prestazioni (ovvero quelli delle supersportive e delle moto da competizione) si impiega di norma una lega al rame, la RR 2618A (corrispondente alla gloriosa RR 58), dalle caratteristiche meccaniche superiori, e il procedimento produttivo utilizzato &egrave; lo stampaggio a caldo (ovvero la forgiatura). Le lavorazioni necessarie per arrivare al componente finito sono dunque pi&ugrave; numerose e comportano l&rsquo;asportazione di una maggiore quantit&agrave; di materiale. Esistono anche alcuni pistoni da corsa ottenuti mediante lavorazione dal pieno e vi sono pure rari esempi di pistoni realizzati mediante squeeze casting, processo che prevede il riempimento lento dello stampo, con il metallo liquido che fluisce con tranquillo moto laminare e viene quindi messo sotto una pressione dell&rsquo;ordine di 1000 bar, mantenuta durante il processo di solidificazione.
Molto importante &egrave; il trattamento termico: grazie a esso, infatti, sia la durezza che la resistenza a trazione aumentano assai sensibilmente. Di norma &egrave; costituito da una tempra di solubilizzazione seguita da un invecchiamento artificiale. Le modalit&agrave; possono variare, anche sensibilmente, da costruttore a costruttore. In genere comunque la tempra si effettua portando il pezzo a oltre 500&deg; C, mantenendolo a tale temperatura per 4-8 ore e raffreddandolo poi bruscamente; l&rsquo;invecchiamento ha luogo mantenendolo a 190-250&deg; C per 4-8 ore.
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