L'apparente semplicità della meccanica | Officina

"Capolavori" meccanici

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Per esempio una valvola di scarico è 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 è così. 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 semplicità esteriore ma di complessità “interiore”. 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 “box-n-box”, ma quelli dei motori più 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 così sembrerebbe facile, ma invece…

Cominciamo dicendo che definire la geometria dello stampo non è affatto facile, perché a contare è quella del pistone non a temperatura ambiente ma nelle condizioni di lavoro. Si dovrà quindi tenere conto delle temperature raggiunte nei vari punti del componente, del coefficiente di dilatazione del materiale impiegato, degli spessori… 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 “copiare” 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 densità e dall’elevata conducibilità termica, dalla modesta temperatura di fusione, dall’ottima colabilità (in genere) e agevolmente lavorabile. C’è però un punto debole ed è costituito dall’elevato coefficiente di dilatazione termica. Fortunatamente, però, 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 più impiegata per la produzione dei pistoni contiene il 12% di silicio più l’1% sia di magnesio che di nickel: si tratta della Mahle 124 (che in più ha soltanto un po’ di rame) e della giapponese AC 8A. La loro temperatura di fusione è 577° C (contro 660° C dell’alluminio).

Il coefficiente di dilatazione è oltre il 10% inferiore a quello dell’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 più difficile e determinano una peggiore lavorabilità.

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