Fastener: come sono fatti? I principali processi di produzione di viti, dadi e bulloni

Introduzione generale sui dispositivi di fissaggio

I fastener e gli elementi di fissaggio sono diventati parte integrante della vita quotidiana. I più comuni sono viti, bulloni, dadi e rondelle, disponibili in una grande varietà di forme e dimensioni. I fissaggi sono solitamente costituiti da filo o da barre tonde in acciaio da stampaggio a freddo, acciaio legato, leghe di rame come l'ottone e il bronzo, leghe di alluminio, leghe di titanio e leghe a base di nichel.

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Processi produttivi

In generale, le principali tecniche di produzione dei fastener sono 3: stampaggio a freddo, stampaggio a caldo o lavorazioni per asportazione di truciolo. A seconda della tipologia di fissaggio da produrre e del metallo di cui è composto, sarà preferibile impiegare l’uno o l’altro metodo. Gli elementi di fissaggio standard sono comunemente prodotti mediante stampaggio a freddo, vale a dire senza riscaldare il materiale.

Stampaggio a freddo

Questo processo consente la produzione ad alta velocità di parti di parti finite (net shape) o semifinite (near net shape) con ottime proprietà meccaniche e una finitura superficiale di alta qualità. Un altro vantaggio dello stampaggio a freddo rispetto allo stampaggio a caldo o alle lavorazioni per asportazione di truciolo è l'incrudimento. Durante le deformazioni plastiche a freddo, la struttura cristallina del materiale subisce profondi cambiamenti. Il risultato è un pezzo finito molto più resistente con migliori proprietà fisiche e meccaniche. Lo stampaggio a freddo presenta però anche alcune limitazioni: più grandi i pezzi, maggiore sarà la forza applicata necessaria per ottenere la forma desiderata. Pertanto, nel caso di fissaggi di grandi dimensioni, potrebbe essere preferibile ricorrere ad altri metodi. Le prestazioni delle stampatrici a freddo dipendono, tra le altre cose, dalle misure dei fastener da produrre. Alcune macchine possono raggiungere una velocità di 300 pezzi o più al minuto. Le viti e i bulloni più piccoli, utilizzati per componenti elettronici e orologeria, hanno un diametro inferiore a 0,5 mm, mentre le viti più grandi fabbricabili con lo stampaggio a freddo possono raggiungere un diametro di circa 30 mm.

Stampaggio a caldo

Lo stampaggio a caldo è il metodo comunemente utilizzato per la produzione di bulloni di grandi dimensioni a partire da una filettatura di circa M36, e una lunghezza di circa 300 mm. In particolare, un fascio di barre viene riscaldato ad alte temperature per rendere il metallo più malleabile e poi diretto in una pressa di stampaggio. Le temperature dipendono dal materiale, dalla geometria e dalle tolleranze delle barre.Con questo processo, è possibile produrre anche profili complessi. Lo stampaggio a caldo è la tecnica di produzione preferibile per la formatura di fastener in titanio e in leghe a base di nichel. Una caratteristica tipica dei pezzi stampati a caldo è la struttura superficiale grezza. Anche lo stampaggio a caldo ha i suoi svantaggi, dal momento che è un’operazione piuttosto laboriosa. A differenza delle lavorazioni per asportazione di truciolo, lo stampaggio a freddo e a caldo non generano scarti.

Lavorazioni per asportazione di truciolo

Con il termine “lavorazioni per asportazione di truciolo” si intendono quelle tecniche di produzione in cui il materiale in eccesso viene rimosso mediante un utensile di maggior durezza attraverso un processo meccanico controllato. Queste operazioni sono molto dispendiose in termini di tempo e producono notevoli scarti; pertanto, sono adatte solo per elementi di fissaggio non standard e per piccole quantità.

Stampaggio a freddo di sbozzati per viti e bulloni

Solitamente, una macchina per lo stampaggio a freddo è una pressa orizzontale che lavora a temperatura ambiente. Lo stampaggio a freddo si effettua generalmente a partire da filo metallico. Questo viene svolto per mezzo di un dispositivo di alimentazione, raddrizzato e immesso direttamente nella pressa, dove viene tranciato secondo una lunghezza fissa. Le barre risultanti, chiamate sbozzati, vengono raccolte da un dispositivo di trasferimento e trasportate attraverso le diverse stazioni di lavoro, ciascuna composta da un punzone e da uno stampo. Gli utensili di punzonatura di ogni stazione danno forma agli sbozzati fino ad arrivare al profilo desiderato (fino ad ottenere una testa e un gambo).

Filettatura

Prima di arrivare allo step successivo, la filettatura, gli sbozzati devono essere puliti e lucidati tramite un dispositivo specifico. Il filetto viene solitamente formato in una macchina filettatrice, dove le parti sono posizionate tra una coppia di pettini filettatori – uno fisso e l'altro che esegue un movimento alternativo – o tra 2-3 rulli. Questi ultimi hanno una superficie scanalata corrispondente al filetto da formare. Grazie al movimento combinato, i pettini o i rulli formano il filetto sullo sbozzato. Questo processo dà origine a filettature esterne uniformi e precise, senza alterare l’integrità microstrutturale del fastener. La filettatura può essere realizzata anche con un maschiatore o con una madrevite. Al contrario del precedente, questo processo comporta una variazione della struttura a grana del pezzo. I filetti ottenuti in questo modo sono adatti per qualsiasi tipo di applicazione finale. Tuttavia, molte viterie preferiscono la filettatura a rulli o a pettini poiché genera filetti più resistenti e con una superficie più uniforme. La filettatura viene solitamente eseguita prima dei trattamenti di tempra.

Stampaggio a freddo dei dadi

I dadi sono pezzi metallici quadrati, rotondi o esagonali con un foro filettato corrispondente alla filettatura esterna di un bullone. Come per la produzione di viti e bulloni, anche in questo gli sbozzati vengono tranciati dal filo e sagomati in una stampatrice a freddo (v. sopra). I dadi possono anche essere fabbricati tranciando uno sbozzato da una barra esagonale e praticando un foro filettato al centro. La filettatura interna viene eseguita su una macchina specifica dotata di maschiatore a vite.

Trattamenti termici e superficiali

In molti casi, gli elementi di fissaggio vengono sottoposti a trattamenti termici che influiscono sulla loro microstruttura e quindi sulle loro proprietà fisiche, come la resistenza e la duttilità. Le fasi del processo dipendono dalle caratteristiche metallurgiche. Nel caso di fastener in acciaio, si procede a riscaldare le parti e a mantenerle a una temperatura specifica in funzione del loro contenuto di carbonio per un certo periodo di tempo. Successivamente, i fissaggi vengono raffreddati in acqua o in olio per incrementarne resistenza e durezza. Dopodiché, si passa ad un’ulteriore fase di riscaldo (a una temperatura più bassa) per donare ai pezzi maggiore duttilità con meno distorsioni nella microstruttura. Una linea completa di trattamento per elementi di fissaggio in acciaio è dotata di stazioni di lavaggio, sgrassaggio, tempra, risciacquo, ricottura e verniciatura. Solitamente, si tratta di forni a nastro, in cui i fastener vengono condotti attraverso i vari passaggi a una velocità preimpostata. Talvolta, possono essere necessari ulteriori trattamenti superficiali per migliorare ancora di più le proprietà dei componenti. In particolare, nel caso di viti autofilettanti e viti autoperforanti si ricorre spesso a processi di cementazione. Le parti vengono riscaldate e conservate per un certo tempo in atmosfera carbonica. Il carbonio filtra nei vari strati di superficie, aumentando il contenuto di carbonio locale. Infine, le viti vengono temprate e quindi indurite nelle zone superficiali. Di conseguenza, la superficie finale risulta piuttosto dura, mentre l’interno rimane duttile. Possono anche essere applicati rivestimenti speciali per migliorare la resistenza alla corrosione: un classico esempio è la zincatura. Terminate le fasi di trattamento, gli elementi di fissaggio vengono sottoposti a una pulizia finale. Da qui si passa al reparto logistico, che si occuperà dell’imballaggio e del trasporto verso il cliente finale.

Bibliografia

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Industrial Fasteners Institute. Independence OH, 2018.
https://www.indfast.org/shop/display_products.asp?cat=8.

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https://b-ok.cc/book/808081/ea1282

Metal Forming Handbook. Schuler GmbH. Springer, 1988.
ISBN 978-3-642-63763-6
eBook ISBN 978-3-642-58857-0
https://www.springer.com/gp/book/9783642637636

Le informazioni sono state redatte dall'Ing. Konrad Dengler, giornalista tecnico e traduttore specializzato in argomenti industriali.