Panoramica del processo

La formatura di parti metalliche mediante l'applicazione di elevate forze di compressione e trazione è comune in tutta la produzione industriale. Nelle operazioni di stampaggio, il metallo, il più delle volte sotto forma di fogli, nastri o bobine, viene formato in forme specifiche a temperatura ambiente mediante tranciatura, pressatura e stiramento tra stampi, solitamente in una serie di una o più fasi di impatto discrete. L'acciaio laminato a freddo è il materiale di partenza in molte operazioni di stampaggio che creano parti in lamiera nel settore automobilistico, degli elettrodomestici e in altri settori. Circa il 15% dei lavoratori dell'industria automobilistica lavora in operazioni o impianti di stampaggio.

Nella forgiatura, la forza di compressione viene applicata a blocchi preformati (grezzi) di metallo, solitamente riscaldati ad alte temperature, anche in una o più fasi di stampaggio discrete. La forma del pezzo finale è determinata dalla forma delle cavità nella matrice o nelle matrici metalliche utilizzate. Con stampi per impronte aperti, come nella forgiatura con martello a caduta, il pezzo grezzo viene compresso tra uno stampo attaccato all'incudine inferiore e il pistone verticale. Con stampi per impronte chiusi, come nella forgiatura a pressione, il pezzo grezzo viene compresso tra lo stampo inferiore e uno stampo superiore attaccato al pistone.

Le fucine a maglio a caduta utilizzano un cilindro a vapore o ad aria per sollevare il martello, che viene quindi lasciato cadere per gravità o azionato da vapore o aria. Il numero e la forza dei colpi di martello sono controllati manualmente dall'operatore. L'operatore tiene spesso l'estremità fredda del calcio mentre aziona il martello a caduta. La forgiatura con martello a caduta una volta comprendeva circa i due terzi di tutta la forgiatura eseguita negli Stati Uniti, ma oggi è meno comune.

Le presse fucine utilizzano un pistone meccanico o idraulico per modellare il pezzo con un unico colpo lento e controllato (vedi figura 1). La forgiatura a pressione è solitamente controllata automaticamente. Può essere eseguita a caldo oa temperature normali (forgiatura a freddo, estrusione). Una variazione della normale forgiatura è la laminazione, in cui vengono utilizzate continue applicazioni di forza e l'operatore gira il pezzo.

Figura 1. Forgiatura alla pressa

I lubrificanti per stampi vengono spruzzati o applicati in altro modo sulle facce dello stampo e sulle superfici grezze prima e tra i colpi di martello o pressa.

Parti di macchine ad alta resistenza come alberi, corone dentate, bulloni e componenti delle sospensioni dei veicoli sono prodotti comuni di forgiatura dell'acciaio. I componenti aeronautici ad alta resistenza come i longheroni delle ali, i dischi delle turbine e il carrello di atterraggio sono forgiati in alluminio, titanio o leghe di nichel e acciaio. Circa il 3% dei lavoratori del settore automobilistico lavora in operazioni o impianti di forgiatura.

Condizioni di lavoro

Molti pericoli comuni nell'industria pesante sono presenti nelle operazioni di stampaggio e forgiatura. Questi includono lesioni da sforzo ripetitivo (RSI) dovute a manipolazione e lavorazione ripetute di parti e al funzionamento di controlli della macchina come i pulsanti del palmo. Le parti pesanti mettono i lavoratori a rischio di problemi alla schiena e alle spalle, nonché di disturbi muscoloscheletrici degli arti superiori. Gli operatori di stampa negli impianti di stampaggio automobilistici hanno tassi di RSI paragonabili a quelli dei lavoratori degli impianti di assemblaggio in lavori ad alto rischio. Vibrazioni e rumori ad alto impulso sono presenti nella maggior parte delle operazioni di stampaggio e in alcune operazioni di forgiatura (ad es. vapore o martello pneumatico), causando perdita dell'udito e possibili malattie cardiovascolari; questi sono tra gli ambienti industriali più rumorosi (oltre 100 dBA). Come in altre forme di sistemi guidati dall'automazione, i carichi energetici dei lavoratori possono essere elevati, a seconda delle parti movimentate e dei cicli di lavoro della macchina.

Lesioni catastrofiche risultanti da movimenti imprevisti della macchina sono comuni nello stampaggio e nella forgiatura. Questi possono essere dovuti a: (1) guasto meccanico dei sistemi di controllo della macchina, come i meccanismi della frizione in situazioni in cui normalmente si prevede che i lavoratori si trovino all'interno del campo operativo della macchina (una progettazione del processo inaccettabile); (2) carenze nella progettazione o nelle prestazioni della macchina che invitano interventi non programmati del lavoratore come lo spostamento di parti inceppate o disallineate; o (3) procedure di manutenzione improprie e ad alto rischio eseguite senza un adeguato blocco dell'intera rete della macchina interessata, inclusa l'automazione del trasferimento delle parti e le funzioni di altre macchine collegate. La maggior parte delle reti di macchine automatizzate non è configurata per un blocco rapido, efficiente ed efficace o per la risoluzione sicura dei problemi.

Le nebbie degli oli lubrificanti delle macchine generate durante il normale funzionamento sono un altro pericolo generico per la salute nelle operazioni di stampaggio e forgiatura alimentate ad aria compressa, mettendo potenzialmente a rischio i lavoratori di malattie respiratorie, dermatologiche e digestive.

Problemi di salute e sicurezza

stampigliatura

Le operazioni di stampaggio presentano un elevato rischio di gravi lacerazioni a causa della manipolazione richiesta di parti con spigoli vivi. Possibilmente peggiore è la gestione degli scarti risultanti dai perimetri tagliati e dalle sezioni fustellate delle parti. I rottami vengono generalmente raccolti da scivoli e nastri trasportatori alimentati a gravità. Eliminare gli inceppamenti occasionali è un'attività ad alto rischio.

I rischi chimici specifici dello stampaggio derivano in genere da due fonti principali: composti di imbutitura (ad es. lubrificanti per stampi) nelle effettive operazioni di stampaggio ed emissioni di saldatura dall'assemblaggio delle parti stampate. I composti di imbutitura (DC) sono richiesti per la maggior parte dello stampaggio. Il materiale viene spruzzato o arrotolato sulla lamiera e ulteriori nebbie vengono generate dall'evento di stampaggio stesso. Come altri fluidi per la lavorazione dei metalli, i composti per trafilatura possono essere oli semplici o emulsioni di olio (oli solubili). I componenti includono frazioni di olio di petrolio, agenti lubrificanti speciali (ad es. derivati ​​di acidi grassi animali e vegetali, oli e cere clorurati), alcanolammine, solfonati di petrolio, borati, addensanti derivati ​​dalla cellulosa, inibitori di corrosione e biocidi. Le concentrazioni nell'aria di nebbia nelle operazioni di stampaggio possono raggiungere quelle delle tipiche operazioni di lavorazione, sebbene questi livelli tendano ad essere in media inferiori (da 0.05 a 2.0 mg/m³). Tuttavia, sono spesso presenti nebbia visibile e pellicola d'olio accumulata sulle superfici degli edifici e il contatto con la pelle può essere maggiore a causa della manipolazione estensiva delle parti. Le esposizioni che con maggiore probabilità presentano rischi sono gli oli clorurati (possibili tumori, malattie del fegato, disturbi della pelle), la colofonia o i derivati ​​degli acidi grassi del tallolio (sensibilizzanti), le frazioni del petrolio (tumori digestivi) e, possibilmente, la formaldeide (dai biocidi) e le nitrosammine (dai alcanolammine e nitrito di sodio, sia come ingredienti DC che nei rivestimenti superficiali dell'acciaio in entrata). Un aumento del cancro digestivo è stato osservato in due impianti di stampaggio automobilistici. Le fioriture microbiologiche nei sistemi che applicano i DC facendolo rotolare sulla lamiera da un serbatoio aperto possono comportare rischi per i lavoratori per problemi respiratori e dermatologici analoghi a quelli nelle operazioni di lavorazione.

La saldatura delle parti stampate viene spesso eseguita negli impianti di stampaggio, solitamente senza lavaggio intermedio. Questo produce emissioni che includono fumi metallici e prodotti di pirolisi e combustione da trafilatura e altri residui superficiali. Le tipiche operazioni di saldatura (principalmente a resistenza) negli impianti di stampaggio generano concentrazioni totali di particelle nell'aria comprese tra 0.05 e 4.0 mg/m³. Il contenuto di metalli (come fumi e ossidi) di solito costituisce meno della metà di quel particolato, indicando che fino a 2.0 mg/m³ è un residuo chimico scarsamente caratterizzato. Il risultato è una foschia visibile in molte aree di saldatura degli impianti di stampaggio. La presenza di derivati ​​clorurati e altri ingredienti organici solleva serie preoccupazioni sulla composizione dei fumi di saldatura in questi ambienti e richiede fortemente il controllo della ventilazione. L'applicazione di altri materiali prima della saldatura (come primer, vernici e adesivi epossidici), alcuni dei quali vengono poi saldati, aggiunge ulteriore preoccupazione. Le attività di riparazione della produzione di saldatura, solitamente eseguite manualmente, spesso comportano esposizioni più elevate a questi stessi contaminanti dell'aria. Sono stati osservati tassi eccessivi di cancro ai polmoni tra i saldatori in un impianto di stampaggio automobilistico.

Forgiatura

Come lo stampaggio, le operazioni di forgiatura possono comportare elevati rischi di lacerazione quando i lavoratori maneggiano parti forgiate o tagliano bave o bordi indesiderati dalle parti. La forgiatura ad alto impatto può anche espellere frammenti, scaglie o strumenti, causando lesioni. In alcune attività di forgiatura, il lavoratore afferra il pezzo da lavorare con le pinze durante le fasi di pressatura o di impatto, aumentando il rischio di lesioni muscoloscheletriche. Nella forgiatura, a differenza dello stampaggio, i forni per il riscaldamento delle parti (per la forgiatura e la ricottura) nonché i contenitori dei forgiati a caldo si trovano solitamente nelle vicinanze. Questi creano il potenziale per condizioni di stress da calore elevato. Ulteriori fattori di stress da calore sono il carico metabolico del lavoratore durante la movimentazione manuale dei materiali e, in alcuni casi, il calore prodotto dai prodotti della combustione dei lubrificanti per stampi a base di olio.

La lubrificazione dello stampo è richiesta nella maggior parte della forgiatura e ha la caratteristica aggiuntiva che il lubrificante entra in contatto con parti ad alta temperatura. Ciò provoca pirolisi e aerosol immediati non solo negli stampi ma anche successivamente dalle parti fumanti nei contenitori di raffreddamento. Gli ingredienti del lubrificante per stampi di forgiatura possono includere impasti di grafite, addensanti polimerici, emulsionanti solfonati, frazioni di petrolio, nitrato di sodio, nitrito di sodio, carbonato di sodio, silicato di sodio, oli siliconici e biocidi. Questi vengono applicati come spray o, in alcune applicazioni, mediante tampone. I forni utilizzati per il riscaldamento del metallo da forgiare sono solitamente alimentati a petrolio o gas, oppure sono forni a induzione. Le emissioni possono derivare da forni alimentati a combustibile con tiraggio inadeguato e da forni a induzione non ventilati quando lo stock di metallo in ingresso presenta contaminanti superficiali, come olio o inibitori di corrosione, o se, prima della forgiatura, era lubrificato per tranciatura o segatura (come in il caso del grezzo in barra). Negli Stati Uniti, le concentrazioni totali di particolato nell'aria nelle operazioni di forgiatura variano tipicamente da 0.1 a 5.0 mg/m³ e variano ampiamente durante le operazioni di forgiatura a causa delle correnti di convezione termica. È stato osservato un elevato tasso di cancro ai polmoni tra i lavoratori di forgiatura e trattamento termico di due stabilimenti di produzione di cuscinetti a sfera.

Pratiche di salute e sicurezza

Pochi studi hanno valutato gli effetti sulla salute effettivi nei lavoratori esposti a stampaggio o forgiatura. Non è stata effettuata una caratterizzazione completa del potenziale di tossicità della maggior parte delle operazioni di routine, inclusa l'identificazione e la misurazione degli agenti tossici prioritari. La valutazione degli effetti sulla salute a lungo termine della tecnologia di lubrificazione degli stampi sviluppata negli anni '1960 e '1970 è diventata fattibile solo di recente. Di conseguenza, la regolamentazione di queste esposizioni si basa su standard generici di polvere o particolato totale come 5.0 mg/m³ negli Stati Uniti. Sebbene probabilmente adeguato in alcune circostanze, questo standard non è dimostrabilmente adeguato per molte applicazioni di stampaggio e forgiatura.

Una certa riduzione delle concentrazioni di nebbie di lubrificante per stampi è possibile con un'attenta gestione della procedura di applicazione sia nello stampaggio che nella forgiatura. L'applicazione a rullo nello stampaggio è preferibile quando possibile e l'utilizzo di una pressione minima dell'aria negli spray è vantaggioso. Dovrebbe essere esaminata la possibile eliminazione di ingredienti pericolosi prioritari. Gli involucri con collettori di nebbia e pressione negativa possono essere molto efficaci ma possono essere incompatibili con la movimentazione delle parti. Il filtraggio dell'aria rilasciata dai sistemi di aria ad alta pressione nelle presse ridurrebbe la nebbia d'olio della pressa (e il rumore). Il contatto con la pelle nelle operazioni di stampaggio può essere ridotto con l'automazione e un buon abbigliamento protettivo personale, fornendo protezione sia contro la lacerazione che contro la saturazione del liquido. Per la saldatura degli impianti di stampaggio, il lavaggio delle parti prima della saldatura è altamente auspicabile e le coperture parziali con LEV ridurrebbero sostanzialmente i livelli di fumo.

I controlli per ridurre lo stress termico nello stampaggio e nella forgiatura a caldo includono la riduzione al minimo della quantità di movimentazione manuale del materiale nelle aree ad alto calore, la schermatura dei forni per ridurre la radiazione di calore, la riduzione al minimo dell'altezza delle porte e delle fessure del forno e l'utilizzo di ventole di raffreddamento. La posizione delle ventole di raffreddamento dovrebbe essere parte integrante della progettazione del movimento dell'aria per controllare l'esposizione alla nebbia e lo stress da calore; in caso contrario, il raffreddamento può essere ottenuto solo a scapito di esposizioni più elevate.

La meccanizzazione della movimentazione dei materiali, il passaggio dal martello alla forgiatura a pressione quando possibile e l'adeguamento della velocità di lavoro a livelli ergonomicamente pratici possono ridurre il numero di lesioni muscoloscheletriche.

I livelli di rumore possono essere ridotti attraverso una combinazione di passaggio dal martello alla pressa quando possibile, involucri ben progettati e silenziamento dei soffianti del forno, delle frizioni pneumatiche, dei cavi dell'aria e della movimentazione delle parti. Dovrebbe essere istituito un programma di conservazione dell'udito.

I DPI necessari includono protezione per la testa, protezione per i piedi, occhiali, protezioni per l'udito (intorno a rumori eccessivi), grembiuli e gambali resistenti al calore e all'olio (con uso intenso di lubrificanti per stampi a base di olio) e protezione per gli occhi e il viso a infrarossi (intorno forni).

Rischi ambientali per la salute

I rischi ambientali derivanti dagli impianti di stampaggio, relativamente minori rispetto a quelli di alcuni altri tipi di impianti, includono lo smaltimento di residui di trafilatura e soluzioni di lavaggio e lo scarico dei fumi di saldatura senza un'adeguata pulizia. Alcuni impianti di forgiatura storicamente hanno causato un grave degrado della qualità dell'aria locale con fumi di forgiatura e polvere di scaglie. Tuttavia, con un'adeguata capacità di depurazione dell'aria, ciò non è necessario. Lo smaltimento degli scarti di stampaggio e delle scaglie di forgiatura contenenti lubrificanti per stampi è un altro potenziale problema.

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