Bulloni e viti sono i componenti meccanici più basilari, ampiamente utilizzati in vari settori come quello automobilistico, dei macchinari industriali e dell'edilizia. A differenza della saldatura e della rivettatura, la caratteristica principale dei bulloni è che possono essere facilmente rimossi anche dopo il serraggio e possono essere riutilizzati stringendo nuovamente.
Processo di produzione di bulloni in titanio
Il materiale di fabbricazione dei bulloni è generalmente il filo a spirale. Dopo la lavorazione secondaria come decapaggio, lubrificazione, ricottura e trafilatura, la testa del bullone e le filettature vengono formate, trattate termicamente e trattate in superficie mediante forgiatura a freddo. A seconda del tipo di prodotto, alcuni richiedono un trattamento termico prima della formazione della filettatura, mentre altri no. La lavorazione secondaria viene generalmente eseguita da personale specializzato, ma talvolta viene effettuata nello stabilimento di produzione dei bulloni.
La formatura della testa del bullone si riferisce generalmente al processo di forgiatura a freddo della testa del bullone utilizzando macchinari di forgiatura come una macchina di ricalcatura o una macchina per spingitori, chiamata "ribaltamento". La forgiatura a freddo, detta anche spremitura a freddo, si riferisce alla lavorazione a temperatura ambiente. È un termine in contrasto con la lavorazione a caldo e a caldo, in cui il materiale viene riscaldato prima della lavorazione. Il processo di forgiatura prevede il taglio dell'acciaio a spirale in lunghezze adeguate e la successiva pressatura del materiale utilizzando diversi stampi di forgiatura. La forgiatura comprende quattro fasi: ricalcatura, imbutitura profonda, estrusione inversa e finitura. Il ribaltamento comporta la compressione del materiale da un'estremità per espanderlo oltre il suo diametro originale; l'imbutitura profonda, al contrario, comprime il materiale da un'estremità per ridurlo ad un diametro inferiore; l'estrusione inversa prevede la pressatura del materiale da un'estremità in una matrice di diametro inferiore, facendolo estrudere verso l'esterno e contemporaneamente creando un foro; la finitura prevede la rimozione dello spessore in eccesso mediante uno stampo di forgiatura. A seconda della forma del prodotto, questi metodi possono essere utilizzati separatamente o in combinazione. Forme più complesse richiedono più fasi di lavorazione per modellare gradualmente il prodotto, ma i normali bulloni possono essere formati in soli 2-5 passaggi.
Il processo di formatura della porzione filettata prevede l'utilizzo di una macchina di rullatura per forgiare a freddo e modellare la filettatura nel processo di formatura della filettatura del bullone. Il metodo di formatura è lo stesso utilizzato per la testa del bullone. La forma della filettatura viene formata bloccando il pezzo grezzo tra due serie di matrici di forgiatura, ruotando uno degli stampi mentre si ruota contemporaneamente il pezzo grezzo e modellandolo in un filo attraverso la formatura plastica. Gli stampi di forgiatura utilizzati per la rullatura sono chiamati "stampi di rullatura". Esistono tre tipi di macchine per profilatura: macchine per profilatura a stampo piatto, macchine per profilatura a stampo tondo e macchine per profilatura planetaria. Le macchine per la laminazione con stampi di forgiatura piatta utilizzano due normali matrici di laminazione; uno è fisso mentre l'altro si muove avanti e indietro per arrotolare e modellare il pezzo grezzo. Le macchine per la laminazione con stampi di forgiatura tonda utilizzano due matrici cilindriche parallele che ruotano nella stessa direzione per laminare e modellare il pezzo grezzo inserito tra i due stampi. Le macchine profilatrici planetarie bloccano il pezzo grezzo tra uno stampo di forgiatura cilindrico e uno stampo di forgiatura a forma di ventaglio-, quindi lo arrotolano e lo modellano ruotando lo stampo di forgiatura cilindrico.
I bulloni formati mediante stampaggio a freddo e trattamento termico sono generalmente realizzati con materiali con durezza adatta alla lavorazione della plastica. I materiali con un alto contenuto di carbonio o elementi leganti aggiunti sono intrinsecamente duri e difficili da lavorare, pertanto alcuni richiedono una ricottura per ammorbidirli. La maggior parte dei materiali non è in grado di soddisfare la resistenza richiesta in condizioni di forgiatura a freddo. Il trattamento termico, eseguito dopo la forgiatura a freddo, conferisce al bullone la resistenza e le proprietà meccaniche richieste ed è la fase più cruciale nella produzione del bullone. I bulloni sono classificati in vari gradi di resistenza a seconda della loro applicazione e utilizzo. Il trattamento termico è necessario per garantire che i bulloni formati possiedano le rispettive proprietà meccaniche richieste.
I bulloni utilizzati nei motori automobilistici spesso aderiscono all'olio lubrificante, quindi non arrugginiscono anche senza trattamento superficiale. Si tratta però solo di una piccola porzione di spit; la maggior parte viene utilizzata in ambienti corrosivi e pertanto arrugginisce rapidamente senza trattamento superficiale. Se i bulloni arrugginiti non vengono trattati, la corrosione ne impedirà lo svitamento e, nei casi più gravi, potrebbero rompersi, provocando gravi incidenti. Pertanto, i bulloni utilizzati in ambienti corrosivi richiedono trattamenti superficiali come la galvanica. I trattamenti superficiali dei bulloni possono essere sostanzialmente suddivisi in galvanica e rivestimento. Il metodo più utilizzato è la galvanica, che presenta i vantaggi di un basso costo e di una buona resistenza alla corrosione. Quando è richiesta una maggiore resistenza alla corrosione rispetto alla galvanica, è possibile utilizzare la galvanoplastica in leghe come ferro zincato e zinco-nichel oppure è possibile applicare un rivestimento composito di zinco-alluminio.
Direzione dello sviluppo dei bulloni per autoveicoli
Negli ultimi anni, le case automobilistiche hanno richiesto costi ridotti dei componenti, peso più leggero e maggiore resistenza. Allo stesso tempo, per affrontare le questioni ambientali, è necessario ridurre le emissioni di CO2 e, per ridurre il consumo di carburante, il peso del veicolo deve essere ridotto al minimo. Nei costi di produzione dei bulloni, il costo del grezzo rappresenta una parte importante; pertanto, il metodo più efficace è ridurre il costo del materiale stesso. Le case automobilistiche giapponesi stanno studiando l'uso di materiali esteri poco costosi per ridurre i costi di fornitura dei materiali. Per soddisfare le esigenze dei clienti, i produttori di bulloni hanno anche condotto vari studi sulla riduzione del peso dei bulloni. Come misura per ridurre il peso del bullone, alcuni utilizzano metalli leggeri come alluminio o titanio, mentre altri riducono le dimensioni del bullone. Sebbene la riduzione delle dimensioni del bullone possa ridurre il peso, se la dimensione del bullone viene ridotta a parità di grado di resistenza, la forza di serraggio del bullone diminuirà a causa della ridotta area della sezione trasversale.
Pertanto, per garantire lo stesso livello di resistenza riducendo al contempo le dimensioni del bullone, la resistenza del bullone deve essere aumentata. Gli attuali standard pubblici come JIS e gli standard delle case automobilistiche specificano solo i requisiti per i bulloni con un grado di resistenza inferiore a 12,9. Per i normali bulloni bonificati, le caratteristiche di frattura ritardata peggiorano drasticamente quando il grado di resistenza supera 12,9. In alcune applicazioni in cui sono già in uso bulloni ad alta resistenza di 10,9 o 12,9, per ottenere una riduzione del peso attraverso la riduzione delle dimensioni è necessario utilizzare bulloni con un grado di resistenza superiore a 12,9 e impiegare metodi per migliorare le caratteristiche di frattura ritardata. Per ottenere un'elevata resistenza, alcuni bulloni bonificati migliorano le caratteristiche di frattura ritardata aggiungendo elementi di lega. Sebbene l’aggiunta di elementi di lega possa migliorare in una certa misura le caratteristiche di frattura ritardata, il prezzo elevato di questi elementi inevitabilmente aumenta i costi.
Un altro approccio consiste nell'utilizzare bulloni non-bonificati. I bulloni non-bonificati non richiedono trattamento termico dopo la formatura; la loro resistenza è garantita principalmente dall'incrudimento. La microstruttura dei bulloni non bonificati- è completamente diversa da quella dei bulloni bonificati e mostra una forte resistenza alla frattura ritardata. I bulloni non-temperati utilizzano materiali con un contenuto di carbonio più elevato rispetto ai bulloni temprati. Attraverso il raffreddamento controllato e il trattamento termico durante la fase della billetta, è possibile ottenere un'elevata riduzione dell'area. Dopo l'incrudimento tramite trafilatura, un ulteriore incrudimento durante la fase di formatura del bullone garantisce la resistenza del bullone. Sebbene i bulloni normali non vengano temperati dopo la formatura, devono essere sottoposti a brunitura per eliminare la tensione interna attraverso la forgiatura a freddo. Lo svantaggio è che la durezza del materiale è superiore a quella dei bulloni temprati, il che li rende molto difficili da modellare. Attualmente, la resistenza dei bulloni non-temprati utilizzati nei motori è di 1600 MPa, mentre la resistenza dei bulloni non-temprati utilizzati nelle carrozzerie dei veicoli ha raggiunto 1400 MPa. Si prevede che la domanda di questi bulloni ad alta-resistenza si espanderà ulteriormente in futuro.
