STAMPAGGIO DELLE LAMIERE

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1 STAMPAGGIO DELLE LAMIERE Le lamiere sono ottenute mediante il processo di laminazione Prima di questo processo le caratteristiche del materiale possono essere considerate isotrope, con i grani cristallini orientati in modo casuale nello spazio Per effetto della deformazione plastica i cristalli vengono orientati secondo direzioni cristallografiche ben precise In conseguenza di ciò se si ricavano dalla lamiera alcuni provini orientati secondo direzioni diverse rispetto alla direzione di laminazione (ad esempio a 0, a 45 ed a 90 ) e si effettuano su di essi prove di trazione, i risultati ottenuti con riferimento al modulo di Young, alla tensione di scorrimento, alla tensione di rottura ed all'allungamento percentuale a rottura risulteranno anche significativamente diversi 1

2 ANISOTROPIA Indicando con ε, l ε w ed ε t rispettivamente le deformazioni lungo la direzione della lunghezza (direzione di laminazione), della larghezza e dello spessore del provino sottoposto a trazione, il rapporto R = ε w / ε t = ln (w 0 /w f ) / ln (t 0 /t f ) = ln (w 0 /w f ) / ln (w f l f / w 0 l 0 ) è definito come indice di anisotropia normale Occorre far rilevare che la somma delle tre deformazioni deve essere eguale a zero, dovendo essere in ogni caso soddisfatta la condizione di invariabilità del volume che governa i processi per deformazione plastica Se il materiale presenta caratteristiche isotrope non vi è alcuna ragione per cui le deformazioni nel senso della larghezza e dello spessore debbano essere tra di loro diverse: si avrà quindi ε w =ε t =0.5ε l ed R=1 Se invece le caratteristiche del materiale sono anisotrope le due deformazioni lungo la direzione della larghezza e dello spessore saranno diverse ed il valore di R sarà diverso dell unità 2

3 Ripetendo le prove su provini orientati a 0, 45 e 90 rispetto alla direzione di laminazione, le condizioni che possono verificarsi sono riconducibili alle quattro seguenti tipologie: 1. R 0 = R 45 = R 90 = 1 in questo caso il materiale presenta caratteristiche completamente isotrope, indipendentemente dalla direzione lungo la quale è stato tagliato il provino 2. R 0 = R 45 = R 90 1 in queste condizioni il materiale presenta anisotropia normale (la deformazione nella direzione dello spessore è infatti minore o maggiore rispetto a quella nella direzione della larghezza del provino), ma non anisotropia planare: il valore di R, infatti, non dipende dall'angolazione del provino rispetto all'asse di laminazione 3. R 0 R 45 R 90 è il caso in cui il materiale esibisce anche anisotropia planare, condizione alla quale è tipicamente associata, nel caso dell'imbutitura assialsimmetrica, la formazione di orecchie 4. R 0 R 45 R 90 1 si tratta del caso più generale, in cui il materiale presenta sia anisotropia normale che planare Alla luce della possibile contemporanea presenza di fenomeni di anisotropia normale e planare, si suole definire un indice medio di anisotropia normale nella forma: R m = (R 0 + R R 45 ) / 4 mentre una efficace misura della anisotropia planare è data dal parametro: R R = (R 0 + R 90-2R 45 ) / 4 E' evidente che nel caso di materiale completamente isotropo R m =1 e R= R=0, mentre un materiale che esibisca anisotropia normale, ma non anisotropia nel piano della lamiera, sarà caratterizzato da: R m = R 0 = R 45 = R 90 1 e da R=0 In generale un acciaio laminato a freddo presenta un valore dell'indice medio di anisotropia normale compreso tra 1 ed 1.35, mentre per le leghe di alluminio si hanno valori di solito inferiori all'unità 3

4 Effetto dell anisotropia planare (earings assenti se R=0) e dell anisotropia normale (al crescere di R si riduce la sensibilità alla riduzione di spessore e quindi all assottigliamento) RITORNO ELASTICO R C Spessore [mm] Tensioni [MPa] α = R R c f α = α( R c,spessore, σ f, E) 4

5 RITORNO ELASTICO dipende da raggio di curvatura sotto carico (il quale alla fine della fase di carico viene a coincidere con il raggio di curvatura del punzone): al crescere di R c, la piegatura impressa è più dolce e conseguentemente è maggiore la porzione della lamiera che rimane in campo elastico; spessore della lamiera, s: la deformazione impressa sulla generica fibra posta a distanza y dalla fibra neutra è pari ad y/r, essendo R il raggio di piegatura; la deformazione massima si verifica sul bordo esterno della lamiera e sarà pari ad s/2r. Più piccolo è s, minori saranno le deformazioni; in definitiva, bassi valori di s svolgono un ruolo concorde a quello che caratterizza elevati valori del raggio di piegatura: è possibile cioè racchiudere i due parametri in un unico parametro geometrico R c /s, al cui crescere si riduce la drasticità della deformazione impressa e conseguentemente aumenta l'entità del ritorno elastico alla fine della fase di carico; rapporto tra la tensione di flusso plastico del materiale σ f ed il modulo di Young: analizzando la curva tensioni - deformazioni desumibile da una prova di trazione si evidenzia che l'entità della deformazione elastica recuperata durante la fase dello scarico cresce al crescere della tensione di flusso plastico ed al diminuire del modulo di elasticità longitudinale. Pertanto l'entità del ritorno elastico è funzione del parametro σ f /E, il quale evidentemente dipende anche dalle caratteristiche di incrudimento del materiale. Dipendenza da E Dipendenza da σ f R R 3 f c f + f Rcσ = 4 se Rcσ 3 se 1 5

6 FORMABILITA DELLE LAMIERE Capacità del materiale, di subire deformazioni permanenti senza arrivare alla frattura =F(n, R,...) lamiera incastrata su uno stampo piano circolare mediante l'azione di un premilamiera che applica un carico totale pari a 1000kg; il foro della matrice ha un diametro di 27mm, il punzone, di forma sferica, ha un diametro di 20 mm. La superficie del punzone è adeguatamente lubrificata. Test di Erichsen Lo stato deformativo che si desta è costituito da un allungamento biassiale bilanciato Test di Erichsen Deformazione a spese dello spessore (flusso radiale inibito) fino a rottura Si applica con metodi fotografici o chimici, una griglia di cerchietti di dimensioni convenientemente piccole sulla superficie inferiore della lamiera, quella cioè dalla parte opposta rispetto all azione del punzone, detti cerchietti risulteranno uniformemente dilatati. Raggiunto un certo valore di corsa, funzione della formabilità del materiale, sull estradosso della lamiera si formerà una frattura duttile: la corsa raggiunta in quell'istante costituisce il numero di Erichsen caratteristico del materiale. Test valido per precise condizioni di deformazione e lubrificazione (non comuni in processi industriali) BULGE TEST (liquido sotto pressione) 6

7 Forming Limit Diagrams Prove di imbutitura su fogli rettangolari (blanks) con diversi rapporti tra le dimensioni; Punzone emisferico, foro matrice circolare, rompigrinze per incastro lamiera (stretching) Forming Limit Diagrams Attraverso una griglia di cerchietti si osserva, al variare del rapporto tra le dimensioni iniziali dei lati della lamiera, il verificarsi di stati deformativi completamente differenti: per un rapporto tra i lati eguale ad uno (e cioè per un blank iniziale quadrato), il rompigrinze agisce su tutto il contorno della lamiera e si determinano le condizioni di stretching biassiale completamente bilanciato tipiche del test di Erichsen, al variare del rapporto tra i lati, e quindi, man mano che l'azione del rompigrinze si esplica su una sempre più limitata parte del contorno della lamiera, le condizioni di stretching sono sempre più sbilanciate 7

8 Minor strain <0 Minor strain =0 Minor strain>0 Via via che il rapporto tra le dimensioni iniziali tra i lati cresce si tende pertanto ad uno stato deformativo analogo a quello che si desta in una prova di trazione, in cui, per un materiale isotropo, la deformazione nella direzione della larghezza del provino (peraltro uguale a quella agente nella direzione dello spessore) è di segno opposto ed è pari alla metà di quella nella direzione della trazione Per ciascuna delle condizioni investigate sono misurati i valori della deformazione maggiore (presente lungo la direzione dell'asse maggiore dell'ellissi e certamente sempre positiva) e della deformazione minore (quest'ultima positiva o negativa, dipendentemente dal meccanismo di deformazione determinatosi sul provino) al momento del manifestarsi della frattura duttile. I punti così ottenuti sono riportati su un piano cartesiano che ha in ordinate le deformazioni maggiori ed in ascisse le deformazioni minori: nel loro complesso essi definiscono un luogo di punti rappresentativo delle condizioni di formabilità del materiale al variare dello stato di deformazione. Biaxial Minor strain>0 Minor strain=0 Minor strain<0 8

9 Pericolo della frattura duttile è particolarmente rilevante quando la deformazione minore è nulla: in questo caso, infatti, per la condizione di invariabilità del volume la deformazione lungo lo spessore deve essere eguale ed opposta alla deformazione maggiore agente sul piano della lamiera: si avrà quindi un rilevante assottigliamento che può portare rapidamente alla strizione della lamiera ed alla frattura. E' possibile invece imprimere valori più elevati di deformazioni di trazione, senza che si manifestino fratture, se esse sono accompagnate da deformazioni minori di compressione PROGETTAZIONE PROCESSI Se il punto rappresentativo dello stato deformativo rimane costantemente al di sotto della curva limite di formabilità, il processo potrà avvenire senza pericolo di fratture: in caso contrario sarà necessario un qualche aggiustamento dei parametri operativi atto a modificare il meccanismo di deformazione in modo da mantenere il cammino di deformazione nella zona di sicurezza TRANCIATURA Carico [kn] Corsa [mm] P = τ p t P = carico di tranciatura p = perimetro t = spessore τ = tensione R R tang di rottura 9

10 SCELTA DEL GIOCO Materiali molto deformabili (leghe di alluminio allo stato ricotto): il gioco va contenuto entro il 2,5% dello spessore; Materiali mediamente deformabili (bronzo, acciai a basso tenore di carbonio): il gioco sarà scelto intorno al 5% dello spessore; Materiali poco deformabili (acciai a medio ed alto tenore di carbonio): saranno adottati valori del gioco pari al 7,5% dello spessore del foglio di lamiera. Tranciatura fine PIEGATURA Piegatura con lamiera ferma Raggio massimo di piegatura: quel valore del raggio di curvatura al di sopra del quale non si raggiunge deformazione plastica della lamiera, cioè, in altre parole, cessata l'applicazione del carico la lamiera ritorna alla sua configurazione originaria ε = y R Raggio minimo di piegatura: quel valore del raggio di piegatura al di sotto del quale si ha la frattura della lamiera. 50s R min = A% R = Es max 2σ 0 10

11 Profilatura mediante rulli (roll forming) Schema del processo di roll forming Stazione di profilatura a rulli.(1) nastro raccoglitore lamiera. (2) unità di alimentazione. (3) profilatrice a rulli. (4) unità per il taglio. (5) banco a rulli di scarico Profilatura mediante rulli (roll forming) Il range di applicazione di questo tipo di processo è limitato a spessori della lamiera compresi tra 0,125 mm e 20 mm. I rulli sono generalmente in acciaio al carbonio con eventualmente la presenza di cromo per aumentarne la resistenza all usura e migliorare la finitura superficiale del prodotto. La velocità di avanzamento della lamiera è generalmente mantenuta sotto i 0,5 m/s, ma può raggiungere valori maggiori nel caso di talune applicazioni particolari. La profilatura mediante rulli richiede una attenta progettazione della sequenza di passaggi di piegatura. Il problema che ci si pone è cioè quello di stabilire il numero di passaggi necessari per ottenere il profilo finale desiderato e l entità della deformazione che è possibile applicare in ciascun passaggio x y y sequenza di profilatura industrialmente utilizzata per la produzione di tubi in acciaio del diametro di 300mm x 11

12 IMBUTITURA E STAMPAGGIO Punzone e matrice devono essere caratterizzati da spigoli ben arrotondati al fine di evitare pericoli di taglio della lamiera (R p ed R d ) Azione del punzone è esercitata sul fondo del bossolo, il quale resta sostanzialmente rigido - od al più subisce limitate deformazioni - e tira la lamiera circostante costringendola a scorrere entro la matrice. STATI TENSIONALI: fondo del bossolo è sottoposto ad uno stato di tensione biassiale bilanciato, pareti laterali ad intense tensioni assiali di trazione mentre sulla flangia, sulla parte cioè della lamiera ancora piana che non ha iniziato a fluire all'interno del foro della matrice, è presente uno stato tensionale caratterizzato da tensioni radiali di trazione e tensioni circonferenziali di compressione. La flangia è infatti tirata radialmente verso il foro della matrice ed è, pertanto, costretta ad una continua riduzione di diametro. Occorre ancora aggiungere che in corrispondenza del raggio di raccordo della matrice la lamiera è soggetta a flessione e successivo raddrizzamento. Criticita se il carico necessario per effettuare la lavorazione - carico che deriva dalla sommatoria delle aliquote richieste per comprimere la lamiera circonferenzialmente nella zona della flangia, piegare e raddrizzare la lamiera in corrispondenza del raggio di raccordo della matrice e vincere gli attriti che si destano al contatto tra la lamiera e i vari componenti dell'attrezzatura impiegata - supera la capacità di resistenza offerta dalla parete del bossolo, si arriva alla frattura del componente medesimo, generalmente localizzata in corrispondenza della zona di transizione tra il fondo e le pareti. Il carico, infatti, come già osservato in precedenza è applicato dal punzone sul fondo del bossolo e trasmesso alla restante lamiera attraverso le pareti laterali 12

13 Criticita Formazione di grinze circonferenziali nella flangia. La flangia è infatti soggetta a tensioni circonferenziali di compressione che determinano in ogni caso un ispessimento della flangia stessa. Se tali tensioni raggiungono un livello sufficientemente elevato e se la rigidezza della lamiera (evidentemente legata allo spessore ed alle caratteristiche meccaniche) non è sufficiente, possono determinarsi fenomeni di instabilità plastica che determinano la formazione di grinze (PREMILAMIERA) Influenza della pressione sul premilamiera Imbutitura senza premilamiera può essere effettuata solo per valori assai bassi del rapporto di imbutitura D 0 /D p fino ad un massimo pari a 1,2 Nella pratica industriale il valore della forza applicata dal premilamiera viene stabilito in modo tale da ottenere una pressione iniziale sulla flangia compreso tra l,0% e 1,5% della tensione di snervamento del materiale della lamiera 13

14 Altri parametri operativi: rapporto di imbutitura D 0 /D p : al crescere di tale rapporto si assiste ad un generale aggravamento dello stato tensionale e quindi, in definitiva, del carico necessario per condurre il processo. Esiste quindi un rapporto limite di imbutitura (limiting drawing ratio, LDR): gli acciai da imbutitura profonda ammettono valori di LDR compresi tra 1.8 e 2.0, mentre per le leghe di alluminio è non superiore a 1.7 condizioni di lubrificazione: è essenziale mantenere una ottima lubrificazione all'interfaccia lamiera-premilamiera e lamieramatrice (per evitare carico eccessivo dovuto ad attriti) Viceversa non è conveniente avere una lubrificazione spinta all'interfaccia materiale - punzone: ivi infatti può risultare conveniente che una parte del carico di imbutitura venga trasmesso dal punzone alla lamiera per attrito sulle pareti laterali del punzone Altri parametri operativi: raggi di raccordo del punzone e della matrice: troppo ristretti possono condurre al pericolo della tranciatura od, in ogni caso, impongono una piegatura troppo severa alla lamiera. Pertanto il carico richiesto per l'imbutitura aumenta, senza che d'altra parte cambi la capacità di resistenza delle pareti del bossolo: aumenta quindi il pericolo di formazione di fratture ed è necessario lavorare con valori più bassi del rapporto di imbutitura. Raggi di raccordo troppo ampi, d'altro canto, lasciano molta lamiera non guidata e si può manifestare il pericolo del puckering, cioè della formazione di grinze tra il punzone e la matrice. gioco tra matrice e punzone: compromesso tra il pericolo di formazione di ondulazioni sulle pareti laterali dell imbutito dovuto alla mancata guida del materiale ed il rischio di assottigliamento (ironing) D 0 P = πd σ 0, 7 Ps R DP 14

15 Esempi di calcolo del diametro iniziale del blank Esempio di sequenza industriale di imbutitura 15

16 Imbutitura di vaschette a sezione quadrata Nelle zone degli spigoli, il meccanismo non è molto diverso dal caso dell imbutitura di lamiere assialsimmetriche, con un flusso radiale del materiale, tensioni circonferenziali di compressione agenti sulla flangia e conseguente pericolo della formazione di grinze. Lungo i lati rettilinei, invece, il materiale subisce semplicemente un meccanismo di piegatura e successivo stiramento. Tali considerazioni mostrano che anche il ruolo del premilamiera ha una diversa peculiarità nell imbutitura di vaschette rettangolari: lungo i lati rettilinei esso ha esclusivamente una funzione di guida per la lamiera che scorre verso la cavità della matrice, mentre torna ad avere un ruolo di controllo e di impedimento della formazione di grinze nelle zone degli spigoli. 16

17 IDROFORMATURA DI LAMIERE Q P P re m ila m ie ra L am ier a A cq u a Idroformatura a punzone d acqua Idroformatura a matrice d acqua Idroformatura di bilamiera Q P IDROFORMATURA DI TUBI Idroformatura a bassa pressione P Idroformatura ad alta pressione 17

18 P Axial load Stretching Buckling Process window Leakage Internal pressure PROCESSI DI FORMATURA INCREMENTALE Processi di spinning 18

19 Spinning puro Shear spinning (fluotornitura) s 1 =s 0 sinβ Tube spinning Processi incremental forming su fresatrici a controllo numerico e major [%] e minor [%] Conventional FLC Incremental FLC 19