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Occorre innanzitutto distinguere tra tubi saldati e non. Questa differente procedura, infatti, porta a sensibili differenze meccaniche e di rendimento.Un tubo "saldato" non potrà mai avere le stesse caratteristiche di uno laminato a caldo e trafilato.
Basti pensare che difficilmente con un tubo saldato si arriva a carichi di rottura di 70 kg/mm2 (i più comuni vanno da 45 kg/mm2 a 65 kg/mm2), mentre i migliori tubi trafilati arrivano a 100-110 kg/mm2 per gli acciai.
Ma come si fa ad accorgersi che il telaio è fatto con tubi saldati piuttosto che laminati e trafilati?
A patto di non sobbarcarsi particolari e costose analisi chimico-metallurgiche non ci sono molti sistemi. In genere i tubi saldati di qualità (e prezzo) inferiore possono presentare all'interno una sorta di "venatura" longitudinale, che altro non è che la traccia della saldatura.
Un'occhiata controluce all'interno del tubo di sella può aiutare talvolta a capire.
Ma è difficile capire, se non si ha una pratica adeguata, per cui resta di fondamentale importanza rivolgersi a costruttori o artigiani di fiducia, specie se si hanno particolari esigenze.
Si lavorano sbozzati in acciaio e alluminio, con un ciclo produttivo che si differenzia in alcune fasi solo in funzione del tubo da produrre e del materiale utilizzato con l'inserimento di trattamenti termici ad hoc.
Dallo sbozzato, infatti, si ottengono:
tubi a spessore variabile: i tubi del triangolo principale del telaio |
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tubi conici: i foderi forcella, i posteriori orizzontali e verticali |
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megatube: i tubi oversize, progettati per offrire maggiore rigidezza ai telai |
Passo passo, ripercorriamo le tappe della produzione in Columbus:
Taglio degli spezzoni con macchina automatica |
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Immersione nelle vasche per le operazioni di pulitura, con sostanze sgrassanti e disossidanti; deposizione di sostanze lubrificanti per facilitare la trafilatura. |
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Appuntitura, ottenuta per chiusura di una estremità dello spezzone servendosi della pressatura: così facendo il tubo può essere posizionato sui mandrini |
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Prima trafilatura sui banchi a spinta multipla per la trafilatura dei pezzi su mandrino sagomato. L'alimentazione è automatica e lo scaricamento dei pezzi nelle stive è diretto. In questa fase nascono gli spessori variabili: qualunque sia la tecnologia scelta - Z.B.C., D.S.B., S.D.S. - la prima trafilatura è la tappa fondamentale, che influenzerà la vita futura del tubo. |
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Calibratura con differenti matrici di trafilatura e mandrini |
Taglio a misura con macchina automatica che esegue contemporaneamente due tagli |
Trattamento termico di distensione: indispensabile per allentare le tensioni interne del materiale e rendere accettabile l’allungamento del materiale |
Raddrizzatura con macchina a cilindri alimentata automaticamente. Dopo tante lavorazioni, infatti, i tubi hanno bisogno di un intervento "estetico"; per i tubi molto sottili si preferisce provvedere diversamente: il controllo avviene su un piano di riscontro e se il tubo necessita di raddrizzatura si utilizza una macchina a due rulli che corregge le imperfezioni. |
Smerigliatura con macchina a teste multiple e processo ad umido: dopo tante lavorazioni la superficie del tubo è piena di piccole impurità e di imperfezioni; la smerigliatura ad umido - il tubo è bagnato con una soluzione oleosa - gli restituisce lucidità e levigatezza. |
Controllo visivo di ogni pezzo. |
Protezione finale con sostanze oleose |
Nascono da un nastro laminato, deformato a freddo con gradualità fino ad ottenere la forma tonda; i due bordi sono saldati elettricamente (cioè senza apporto di materiale) in continuo, poi scordonati. A tubo ormai saldato si calibra il diametro servendosi di rulli sagomati. Dai tubi saldati nascono serie di gamma media. Serie resistenti, ma non leggerissime, adatte ad utilizzi turistici ed escursionistici ma mai esasperati.
Perforazione del lingotto mediante due dischi tronco-conici ruotanti a 100 -200 giri/min tra i quali è interposto il lingotto stesso che, spinto contro un'apposita spina, viene perforato secondo lo stesso principio realizzato con i rulli Mannesmann. In tal modo si ottiene il "forato";
I tubi Mannesmann sono prodotti secondo due fasi ben distinte:
Le due fasi sono rappresentate nel disegno qui sopra: due rulli ad assi sghembi di forma, grosso modo, a doppio tronco di cono ruotano nello stesso senso stringendo tra essi un lingotto di acciaio a temperatura elevata (1300 °C). Così operando, al centro del lingotto si produce una spaccatura che può essere allargata e resa sufficientemente regolare spingendo il lingotto stesso contro una spina fatta passare internamente a esso. Nel disegno schematico a lato è rappresentato il modo secondo cui si produce all'interno di un materiale plastico una lacerazione. Com'è indicato nella figura, i due rulli in rotazione esercitano degli sforzi sul massello che diminuiscono andando verso l'interno ma che non si annullano al centro; pertanto in centro si hanno degli sforzi + F e -F,in senso contrario di tale intensità da provocare la spaccatura delle fibre del materiale e la formazione di una foratura.
Sotto sono rappresentati i due rulli RA e RB proiettati su un piano perpendicolare a quello del disegno delle fasi; come si vede i due rulli sono sghembi e sagomati in modo da facilitare l'entrata del massello tra di essi.
Quando il laminatoio Mannesmann è in funzione, il rullo RB esercita un'azione SB sul massello che, moltiplicata per il coefficiente d'attrito f, dà luogo alla forza tangenziale FB = f *SB perpendicolare all'asse B-B del rullo stesso. Analogamente il rullo RA dà luogo al- la forza FA= f .SA perpendicolare al- l'asse A-A del rullo. Se si scompone, come riportato nella figura sovrastante, la forza FB nelle sue due componenti FBa + FBr e la forza Fa nelle sue due componenti Faa + Far è evidente che l'azione dei due rulli Ra e RB sul mas- sello corrisponde a:
due forze Faa e FBa che spingono il massello contro la spina; |
due forze FBr e FAr che imprimono al massello un moto di rotazione. |
Per l'azione delle quattro forze suddette si produce un movimento di avanzamento elicoidale del massello contro la spina. Il massello, come è stato indicato, è divenuto un cilindro forato di grosso spessore e lunghezza relativamente limitata. Per trasformarlo in un tubo di dimensioni commerciali, bisogna allungarlo, aumentare il diametro interno, diminuire il suo spessore e renderlo uniforme.
Tutto ciò è realizzato con un laminatoio denominato "passo del pellegrino", costituito da due rulli scanalati a gole semicircolari aventi sezione trasversale e profondità variabili come indicato nel disegno schematico qui sotto.
Come si può notare dalla descrizione suddetta e dal succedersi delle fasi riportate nel disegno, il forato si trasforma in un tubo con movimenti alternati verso sinistra e, per una corsa maggiore, verso destra: da questo movimento alternato di una corsa indietro e una doppia corsa (circa) in avanti è derivata la denominazione "passo del pellegrino".Il tubo così ottenuto presenta:
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tolleranze dimensionali molto limitate; |
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una microstruttura fine e uniforme; |
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si ottengono tubi con diametri da 30 mm a 800 mm e di lunghezza che può raggiungere 30-40 m; |
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uno spessore limitatissimo. |
E' applicata soprattutto al titanio. Il procedimento, sopra presentato, si distingue nelle seguenti fasi:
Si preferiscono presse verticali per garantire coassialità perfetta tra il naso del mandrino pressatore e l' asse della matrice affinché il tubo esca con spessore uniforme.Segue trafilatura a freddo per aumentare le proprietà meccaniche e imporre le dimensioni volute.
Nell'industria ciclistica esistono aziende specializzate nella creazione di tubazioni in acciaio specifiche, o meglio di "kit di tubazioni", per la costruzione di un telaio.
Vengono infatti creati dei veri e propri kit di montaggio rappresentati da una serie di tubi con caratteristiche ben precise, che una volta acquistati dal telaista necessitano "solo" della giunzione secondo le indicazioni dell'azienda produttrice di tubi. Tratteremo nel capitolo giunzioni questi aspetti.
Parlando di telaio non possono non sorgere queste domande:
Cosa succede ad un telaio pedalato con l'energia di uno scatto violento o di una salita fatta aggressivamente in fuorisella? |
Come si comporta sul fondo sconnesso di un pavé? |
Deve o non deve flettere? |
Deve "ammortizzare" le asperità o no? |
Ecco emergere subito le caratteristiche che debbono stare alla base di un buon tubo, che sono - e qui sta il bello - caratteristiche contrapposte: da una parte la rigidità torsionale, specie nella zona del movimento centrale, per resistere alla forze di flessione della pedalata e non disperdere energia, dall'altra la capacità di assorbire le asperità della strada per avere il necessario di comfort.
Il tutto senza compromettere la leggerezza dell'insieme.
Le sollecitazioni sono enormi.Basti ricordare che nei casi più estremi le due metà della bici, anteriore e posteriore, perdono temporaneamente la loro complanarità e persino il tubo di sella si piega. Sono queste, dunque, le "forze" con cui geometrie e materiali che definiscono i tubi devono fare i conti.
Tipo di trafila del tubo e trattamenti termici (ricottura, invecchiamento, ecc.) ne costituiscono la forza essenziale e la base del rendimento. Qui forniamo una lista dei principi fondamentali che presiedono alla realizzazione di un buon tubo. Per approfondimenti si invita a seguire i rispettivi link.
Solo le tubazioni più economiche hanno uno spessore costante!
Studio sollecitazioni
L’aspetto più interessante dell’approccio Z.B.C. è la mappatura dettagliata della distribuzione degli sforzi sul telaio: non esistono ancora modelli matematici, perciò le informazioni devono essere raccolte con misurazioni fisiche.
Sollecitazioni sul telaio + Rilevazione delle deformazioni indotte con sensori + Analisi matematica F.E.M. ( Elementi finiti) = Mappa
Columbus ha così inventato la mappa comportamentale della bicicletta: ha osservato che le sollecitazioni agiscono sul telaio soprattutto in alcuni punti; non sempre sono i più ovvi. Cosa ne direste, per esempio, della borraccia? La massa d'acqua si comporta come un carico concentrato sul telaio. Per questo in quella zona il tubo ha bisogno di spessori maggiori.
Identificate le aree più sollecitate ecco dunque l'intervento tecnologico: si variano gli spessori dei tubi per ottenere un telaio con spessori progettati in funzione delle effettive sollecitazioni.
Oltre allo spessore variabile, un altro punto di forza delle moderne tubazioni in alluminio è la forma geometrica. Alla resistenza, e alla "risposta" dinamica del tubo, specie nei punti critici del telaio, contribuisce anche la superficie lungo la quale viene distribuita la sollecitazione. Di qui uno studio al computer per individuale le forme più adatte alle singole esigenze di ciascun tubo in relazione al posizionamento sul telaio. Ed ecco tubi obliqui e orizzontali di forme varie (cilindriche, esagono irregolare,ellittiche e coniche) con spigoli arrotondati o a goccia e con rinforzi (a elica, ad alette, a placche, ecc.); tubi piantone e dello sterzo tondi; foderi posteriori orizzontali a sezione quadrata e rastremati verso i forcellini. Non è difficile costruire un telaio di medie dimensioni con un peso globale attorno al chilogrammo.
Esistono anche tubazioni con sezione maggiorata (oversize), e ovalizzata: hanno spessori molto ridotti (0,4 millimetri), che permettono la realizzazione di strutture rigide e leggere.con rinforzi (a elica, ad alette, a placche, ecc.).
Tutte queste variabili, non sono semplici esempi di stile, ma mirano ad alleggerire quanto più possibile il prodotto finito, senza penalizzare la rigidità e la robustezza della struttura.
Riportiamo come esempio il progetto "Megatube" sviluppato da Columbus.
egatube classico, destinato a sostituire il tubo obliquo del telaio, nasce da un tubo di diametro 42 mm, in lega di alluminio con zinco e magnesio, trafilato a freddo per ottenere il profilo desiderato, a goccia. Il suo asse maggiore è lungo 50 mm, quello minore 35 mm; gli spessori sono differenziati, in modo che alle estremità si abbiano sezioni di 1,9 mm e 1,3 mm.
Nel tempo Columbus ha creato una vera e propria famiglia di Megatube, differenziando profili e materiali in funzioni delle esigenze dei ciclisti. Oggi è possibile scegliere il Megatube più adatto al telaio da assemblare: peso, rigidezza e Cx (coefficiente di penetrazione nell’aria, indice di aerodinamicità) sono i criteri selettivi per orientarsi nella scelta.
Perchè si aumenta la rigidezza, scegliendo sezioni a goccia?
Structural Foam Injection consiste nell'iniezione di una schiuma atossica, bi-composta in forma fluida ed in grado di solidificarsi ed espandersi in modo da aderire alle superfici di contenimento. In questo processo, a seguito dell'iniezione, il telaio è posto in una speciale macchina che garantisce una perfetta adesione del materiale iniettato alle pareti.
Dopodiché, si solidifica a temperatura ambiente ed entro 24 ore si trasforma in una schiuma aderente alle pareti interne delle tubazioni. Il risultato è un significativo vantaggio in termini di rigidezza e di vita fatica. Grazie ad una densità specifica di soli 0.27 kg/dm3 (circa un decimo della densità specifica dell’alluminio), l’aumento totale di peso di un telaio trattato con Structural Foam Injection è inferiore ai 20 grammi.
La validità del nuovissimo progetto Structural Foam Injection è suffragata dai severi test di laboratorio (la "macchina della tortura" per test a fatica ha dimostrato un aumento del numero di cicli prima della rottura da 10.000 a 20.000; il test per deflessione zona movimento centrale ha accertato una diminuzione della flessione trasversale di 1 mm. a parità di carico).
In pratica, questi selettivi test di verifica e controllo, effettuati dal Centro Ricerca e Sviluppo Bianchi e direttamente in corsa da Marco Pantani e dal suo team, hanno permesso di verificare ed accertare due fattori importantissimi:
- la vita del telaio risulta mediamente raddoppiata nella zona scatola centrale per quanto riguarda la resistenza a fatica;
- l'aumento della resistenza alle sollecitazioni è incrementata del 15% nella zona movimento centrale.
EV4 é un prototipo di un telaio di lega di alluminio superleggera con innovative caratteristiche di peso, rigidità e vita fatica durante l’uso. Con soli 808 gr. (peso del telaio grezzo, nella misura utilizzata da Marco Pantani) si raggiungono livelli di deformazione sensibilmente inferiori ai migliori telai presenti sul mercato attualmente. Le caratteristiche meccaniche si avvicinano a quelle dei migliori acciai al cromomolibdeno. EV4 é uno studio che Bianchi ha sviluppato da diversi mesi che ha la tecnologia del "Structural Foam Injection" progettato realizzato e brevettato da Reparto Corse Bianchi. Questo sistema consiste nell’iniezione di un rinforzante strutturale in forma fluida in grado di solidificarsi ed espandersi all’interno del telaio aumentandone la rigidità e la resistenza.
L’EV4 ha portato a un salto generazionale per i prodotti destinati alle competizioni.
Il materiale utilizzato è la nuova lega Hyperalloy EV4 della nuova generazione XL, con disegno ottimizzato secondo criteri di progettazione Bianchi Reparto Corse. È un insieme di leghe Zinco — Magnesio ottimizzate per soddisfare il carico di esercizio dei singoli componenti del telaio. Le tubazioni sono a triplo spessore con rinforzi disegnati secondo determinate specifiche geometriche, con spessori variabili da max 1,15 mm. — min.0,6 mm. Lo sterzo é il Compact Steering System e i forcellini sono interamente lavorati a CNC con attacco cambio in ergal.
Il trattamento termico é di fondamentale importanza sia nella fase di solubilizzazione che nell’invecchiamento con temperature che superano i 400 C°.
La lega è arricchita di particolari elementi che contribuiscono al raggiungimento di carichi di rottura compresi tra 600/650 N/mm 2.
Il telaio inoltre viene sottoposto a un trattamento di fosfocromatazione per prevenire la corrosione.
XL Aluminium sloping EV2
E' un telaio in alluminio della serie esclusiva 7000 trattato termicamente e prodotto secondo precise specifiche Bianchi con un carico di rottura di 470 N/mm2. È composto dai seguenti elementi di lega: silicio, rame, magnesio, zinco, cromo, ferro, manganese e titanio. Le forme sono quelle del tubo obliquo Megapro e cioè con 1.2mm di spessore all’estremità superiore, 0.7mm di spessore al centro e 1.0mm di spessore all’estremità inferiore. I tubi sono uniti con un singolo passaggio di saldatura, largo non più di 7mm, con inizio e fine verso l’asse neutro del tubo per ridurre le sollecitazioni derivanti dalla saldatura.
La generazione è quella XL, con disegno esclusivo Bianchi Reparto Corse. Tubazioni in alluminio triplo spessore; trattamento di solubilizzazione e di invecchiamento del telaio, secondo precise specifiche Bianchi.
Lo sterzo è il nuovo Compact Steering System, i forcellini sono ricavati dal pieno mediante lavorazione CNC; il telaio ha la tecnologia del nuovo Structural foam Injection e il carro posteriore è ad alto rendimento ZfS.
E' proprio grazie a questo trattamento dei tubi che l'alluminio ha fatto enormi progressi in campo ciclistico, al punto da diventare il materiale "principe" nella costruzione dei telai moderni. Esso si basa sullo sfruttamento dell'energia cinetica.
Ecco come funziona. Particelle con formula chimica gelosamente custodita dagli inventori del metodo (Dedacciai) vengono "sparate" velocissimamente sulla superficie del tubo e con differenti inclinazioni. La velocità di impatto, di poco inferiore a quella del suono, produce una modificazione della struttura della superficie del tubo per una profondità di circa 0,2 mm. Ed è come se, per quello spessore, si formasse una leggerissima "crosta" indurita che conferisce una durezza in superficie maggiore del 30% circa (stime Dedacciai) rispetto a tubi non trattati K.E.T. Il tutto si risolve, poi, praticamente in una maggiore resistenza del tubo alla fatica, quindi ad una costanza di prestazioni e durata notevolmente superiore.
Un trattamento, dunque, che rende l'alluminio straordinariamente resistente e duraturo. Difatti, i tubi così trattati presentano un carico unitario di rottura alla trazione pari a R = 470 N/mm2. Un valore superiore addirittura a quello dei migliori acciai al carbonio, rispetto ai quali, però, presenta una maggiore percentuale di allungamento: A = 11 - 13. Se si pensa che i tubi in lega di alluminio presentano un peso specifico (g/cm3) addirittura inferiore a certe leghe di titanio e a certi acciai microlegati, si comprende bene come il rapporto leggerezza-prestazione sia particolarmente felice.
Fonte: http://www.ing.unitn.it/~colombo/telai/word/3%20TUBI.doc
Sito web da visitare: http://www.ing.unitn.it/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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