TECNOLOGIE DI FORMATURA DI LAMIERA

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1 Corso di Tecnologie Speciali II TECNOLOGIE DI FORMATURA DI LAMIERA Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale

2 Lavorazioni per deformazione plastica Le lavorazioni per deformazione plastica sono in genere le lavorazioni immediatamente successive alle lavorazioni di fonderia. Le lavorazioni per deformazione plastica possono essere categorizzate come lavorazioni massive o di lamiera: Formatura massiva: dimensioni del pezzo in lavorazione confrontabili nelle tre direzioni dello spazio cambiamenti di forma ottenuti prevalentemente mediante azioni di compressione Formatura delle lamiere: pezzo con una dimensione (spessore) molto minore di quelle nelle altre due direzioni dello spazio metallo deformato principalmente sotto l azione di tensioni di trazione

3 Formatura di lamiere Spin forming Incremental forming Creep forming/blow forming/vacuum Forming Hydroforming Hot stretch forming Magnetic pulse forming Explosive forming Altri processi

4 Spin forming/incremental forming Entrambe queste tecnologie, negli ambiti di nostro interesse, prevedono l utilizzo di un sistema di controllo numerico computerizzato (CNC): Il controllo numerico è una caratteristica delle macchine utensili; si dicono "macchine a controllo numerico" o macchine "CNC" quelle macchine utensili il cui movimento durante la lavorazione è diretto da un computer integrato nella macchina che ne comanda gli spostamenti e le funzioni secondo un ben definito programma di lavoro. Praticamente tutte le macchine CNC moderne sono "a circuito chiuso" (a catena chiusa o retroazionato): ogni asse è dotato di encoder (encoder rotativi oppure righe ottiche) che permettono al controllo di conoscere in ogni istante la posizione della testa di lavorazione rispetto al pezzo. L'uso di righe ottiche permette il recupero completo dei giochi della trasmissione misurando direttamente la posizione dell'asse. Riga ottica (encoder)

5 Spin forming Lo spin forming (noto anche come metal spin) è una tecnologia di formatura della lamiera che permette di ottenere componenti assialsimmetrici grazie alla combinazione della velocità di rotazione e di una forza impressa alla lamiera a mezzo di un utensile di opportuna geometria. Lo spin forming tradizionale è eseguito a mano su torni e permette di ottenere oggetti di stile.

6 Spin forming Recentemente si è sostituito l operatore umano con un utensile mosso da una macchina a controllo numerico; si migliora la velocità e la ripetibilità del processo. Quando lo spin forming è eseguito con un tornio a controllo numerico si parla di power forming, dato che con le macchine utensili è possibile applicare notevoli forze e conseguentemente formare componenti di notevole grandezza.

7 Spin forming Forme Con questo processo si realizza un enorme quantità di pezzi cavi rotosimmetrici di ogni materiale che sia conducibile ad uno stato di lamiera e che non sia eccessivamente tendente all incrudimento da deformazione a freddo.

8 Spin forming I materiali che presentano un forte incrudimento necessitano di ricotture intermedie durante il processo. È quindi necessario utilizzare torni capaci di accogliere pezzi preriscaldati e di lavorarli a caldo così da sfruttarne la maggiore deformabilità ed evitarne l incrudimento; per materiali a bassa temperatura di ricristallizzazione, il calore generato dal processo di deformazione è sufficiente a farli ricuocere. Per lastre di spessore elevato o materiali particolari si deve riscaldare la lastra prima di avviare la lavorazione; a volte per evitare tempi passivi per le ricotture intermedie, durante la lavorazione si scalda la lastra con cannelli a gas o a induzione o attraverso teste laser.

9 Spin forming Stato di sforzo

10 Spin forming La lastra metallica ha un diametro uguale a quello che sarà il diametro massimo del prodotto finito. Viene costretta ad adattarsi ad un mandrino rotante per rullatura il che comporta, in seguito al flusso plastico del materiale, una variazione di spessore.

11 Spin forming Spessore della lamiera Il calcolo dello spessore della lamiera una volta formato sul mandrino è semplice, basta applicare il teorema del seno: s f = s 0 sinα s 0 : spessore iniziale s f : spessore finale α : angolo di semiapertura del mandrino conico

12 Spin forming Spessore della lamiera Quando la formatura avviene in più passate è possibile calcolare lo spessore della lamiera in ogni singola passata adoperando nella formula l angolo di piega adoperato per la specifica passata. Se il mandrino è sagomato lo spessore varia da punto a punto con legge sinusoidale (α è variabile). Per l uguaglianza dei diametri, il processo si caratterizza per spostamento radiale nullo di ciascun elemento rispetto alla posizione iniziale. Si hanno solo spostamento assiale e deformazione plastica.

13 Spin forming Forza di processo Si dispone di relazioni approssimate per valutare potenza e forza tangenziale di lavorazione. La forza ideale necessaria al processo si calcola con la seguente espressione: F t = u s0 f sinα F t : forza tangenziale u : energia specifica di deformazione s 0 : spessore iniziale f : avanzamento α : angolo di semiapertura del mandrino conico

14 Spin forming Spalmabilità All avanzare del rullo viene ridotto lo spessore del pezzo. La massima riduzione di spessore che si rileva alla rottura del pezzo è detta maximum spinning reduction per pass. La massima riduzione di spessore per spalmabilità è definita come: Riduzione massima di spessore = t t t 0 f 0 100% Dati sperimentali mostranti la relazione tra riduzione massima di spessore e riduzione di area in seguito a trazione del materiale originale. Si noti che una volta che il materiale presenta circa il 50% di riduzione di area in una prova di trazione, qualsiasi incremento della duttilità del materiale originale non ne migliora la spalmabilità.

15 Tube spinning DIRETTA INVERSA ESTERNA INTERNA

16 Spin forming Vantaggi Ottenimento di geometrie complesse senza l utilizzo di stampi e controstampi Non sono necessarie presse per l imbutitura del pezzo Il processo avviene di solito a freddo (se non è necessario incrementare la formabilità del materiale); questo comporta incrudimento del materiale L imbutitura di metalli è un metodo di produzione rapido ed economico per corpi cavi di rotazione. A seconda della precisione, grandezza della serie e dimensione dei pezzi, questi vengono prodotti su torni per imbutitura manuali oppure su macchine a controllo numerico CNC Gli utensili sono abbastanza economici vista la loro semplicità e sicuramente minori rispetto a quelli per esempio usati nello stampaggio

17 Spin forming Svantaggi Il processo non consente di ottenere tolleranze strette Finitura superficiale del pezzo estremamente scadente Solo particolari assialsimmetrici Se il prodotto realizzato richiede tolleranze strette è necessario eseguire lavorazioni successive Se il processo viene eseguito manualmente (non c è automazione del rullo) oltre che diventare più dispendioso rispetto ad altri tipi di tecnologie (quali ad esempio l imbutitura), la bontà del pezzo realizzato dipende molto dall esperienza dell operatore

18 Spin forming Campi di applicazione -Pre-serie o piccole serie -Realizzazione di prototipi, se non è stata ancora definita la conformazione definitiva -Rapida realizzazione rispetto ad altri metodi di produzione senza saldatura -Pezzi che possono essere difficilmente realizzati con altri procedimenti -Lavorazione di tutti i metalli e leghe deformabili

19 Spin forming Prodotti

20 Incremental forming Nell incremental forming, un utensile dalla forma semplice, comandato da una macchina a controllo numerico, impone localmente una deformazione plastica alla lamiera in maniera progressiva. L'utensile si muove sia orizzontalmente che verticalmente comandato da un programma con cui si setta il percorso di utensile, dando così forma alla lamiera.

21 Incremental forming Il processo, partendo dal file in formato STL del componente da realizzare, si articola nei seguenti punti: Il software di gestione, dopo aver importato il file STL e averlo orientato correttamente, effettua lo slicing del componente determinando il percorso dell utensile di formatura per le varie sezioni. Lo spessore dello strato può essere impostato dall operatore per privilegiare, a seconda delle necessità, la velocità di formatura o la precisione del particolare; Il foglio piano di lamiera viene staffato sul piano di lavoro della macchina. Per limitare l attrito ed evitare lacerazioni del foglio di lamiera, sulla superficie di quest ultima viene inserito un lubrificante;

22 Incremental forming L utensile di formatura, guidato da un controllo numerico almeno a 3 assi, con una serie di movimenti concentrici deforma permanentemente il foglio di lamiera. Viene impiegata la strategia di lavorazione nota come Z costante: l utensile di formatura viene posizionato ad una quota Z e successivamente si muove nel piano XY, ultimata la sezione viene abbassato di una quantità pari allo spessore dello slicing.

23 Incremental forming L unica attrezzatura necessaria è il punzone. Esso viene tipicamente realizzato in resina colata o fresata in quanto è sottoposto a sollecitazioni meccaniche modeste. Miglioramento dell'accuratezza del processo tramite l ottimizzazione dell attrezzatura e dei punzoni. Al termine della fase di formatura, è possibile separare l elemento deformato dalla parte di lamiera indeformata mediante taglio laser.

24 Incremental forming Punzone singolo

25 Incremental forming Doppio punzone

26 Incremental forming Traiettorie SPIRALE STEP

27 Incremental forming Parametri di processo f z f [mm/rev] z r [mm] α [rad] α r

28 Incremental forming Componenti

29 Incremental forming Componenti

30 Incremental forming È una tecnologia che può essere utilizzata per la produzione di prototipi, di piccoli lotti o di parti di ricambio Può essere utilizzata come un economico metodo per preformare lamiere che dovranno subire successive lavorazioni per deformazione La formabilità viene accresciuta da una deformazione incrementale e localizzata Il percorso dell utensile deve essere ottimizzato al fine di migliorare le prestazioni del processo

31 Incremental forming Vantaggi e svantaggi Vantaggi Alta formabilità Assenza di stampi e attrezzature dedicate Le tolleranze dimensionali ottenibili sui particolari sono del tutto confrontabili con quelle dei processi produttivi convenzionali Svantaggi Lentezza del processo Notevole difficoltà di determinazione di traiettorie ottimizzate

32 Creep forming/blow forming/vacuum forming Creep forming, Blow forming e Vacuum forming sono tre tecnologie di formatura di lamiere che bene si prestano a sfruttare le caratteristiche di superplasticità di alcune leghe metalliche. L unica differenza tra questi tre sistemi di formatura è la presenza o meno di una pressione dall esterno sulla lamiera in lavorazione, ma spesso sono tra loro confuse. La lamiera è riscaldata a temperature alle quali lo scorrimento per creep è non trascurabile, si applica una pressione e si forma la lamiera contro uno stampo.

33 Creep forming/blow forming/vacuum forming VANTAGGI Ottenimento di geometrie complesse con un unico processo di formatura Possibilità di sfruttare le caratteristiche di superplasticità di alcune leghe SVANTAGGI Temperature elevate Processo molto sensibile ai parametri

34 Hydroforming L idroformatura (o hydroforming) è una tecnologia di stampaggio di lamiere ed elementi a parete sottile con l utilizzo di un mezzo liquido (come l acqua) per applicare il carico deformante. Ne esistono due varianti: L idroformatura di tubi (THF) L idoformatura di lamiere (SHF) La qualità superficiale della lamiera a contatto con il fluido è assolutamente ineguagliabile rispetto ad altri sistemi di stampaggio. Il componente idroformato risulta insensibile al fenomeno del ritorno elastico ai fini della stabilità dimensionale dopo stampaggio. Infatti, la lamiera si deforma uniformemente e al cessare della pressione idraulica d'idroformatura, il ritorno elastico è uniforme su tutta la superficie del pezzo facendola rimanere stabile e non distorcendo la geometria del componente.

35 Tube Hydroforming L idroformatura di tubi prevede l utilizzo di uno stampo e controstampo, oltre al fluido in pressione per esercitare lo stato tensionale utile ad ottenere la deformazione plastica desiderata. Il tubo (a) viene caricato nello stampo, (b) chiuso da entrambi i lati e (c, d) riempito di acqua o altro liquido. Nella fase di formatura vera e propria viene data sia una pressione P al fluido sia una forza F assialmente al tubo per garantire il riempimento della forma. La tempistica di processo è cruciale per l ottenimento di un pezzo formato correttamente senza difetti.

36 Tube Hydroforming Parametri di processo Il valore della pressione e della forza assiale vanno determinati in modo da ricadere in una zona di sicurezza per ottenere la corretta formatura del prodotto.

37 Tube Hydroforming FLD

38 Tube Hydroforming Difetti

39 Tube Hydroforming Vantaggi e svantaggi Vantaggi Formatura di componenti di geometria complessa in un unico pezzo (no giunti di saldatura no elementi di collegamento) Leggerezza Resistenza strutturale Elevata accuratezza geometrica e dimensionale dei contorni, assicurata dalla pressione di calibrazione Svantaggi maggior costo degli impianti e delle attrezzature tempo di ciclo elevato Fasi di progettazione degli stampi molto complessa

40 Sheet Hydroforming La lamiera viene deformata plasticamente grazie all azione di un fluido (acqua o olio) che direttamente o tramite una membrana elastica, esercita una pressione idrostatica sulla lamiera stessa. La forma finale del pezzo idroformato è determinata dal contatto con una matrice. (a) idroformatura a punzone fluido (b) idroformatura a matrice fluida

41 Sheet Hydroforming Come già illustrato l idroformatura può A-A S essere classificata a seconda che il fluido giochi il ruolo di punzone oppure di F matrice: nel primo caso il fluido deve essere pressurizzato tramite l azione di PUNZONE A A un intensificatore di pressione; nel PREMILAMIERA secondo caso, che prende spesso il ANELLO di nome di imbutitura idromeccanica TENUTA VALVOLA di (hydromechanical deep-drawing), la SCARICO FLUIDO pressione del fluido viene generata dalla LAMIERA discesa del punzone stesso e può essere VASCA di regolata tramite una valvola di scarico CONTROPRESSIONE controllata. INTENSIFICATORE

42 Hydromechanical deep drawing La pressione P che è necessario mantenere nella vasca dipende sicuramente dal materiale che si sta formando ed è tanto maggiore quanto maggiore è la resistenza del materiale in lavorazione. La spinta complessiva che il fluido esercita sul punzone e quindi la forza F richiesta dalla pressa è semplicemente espressa dal prodotto tra la pressione del fluido P e l area determinata dalla proiezione della superficie del punzone su un piano orizzontale S. Quando il punzone ha terminato la sua corsa e si trova nel punto morto inferiore è possibile che la lamiera non sia ancora aderita ad esso perfettamente specie nelle zone con piccolo raggio di raccordo. La pressione massima per calibrare il pezzo, cioè per far aderire la lamiera anche agli spigoli concavi, è tanto maggiore quanto maggiore è lo spessore della lamiera e quanto minore è il raggio di curvatura dello spigolo.

43 Hydromechanical deep drawing Vantaggi Il principale vantaggio tecnologico di questo processo, se confrontato con l imbutitura tradizionale, è che il materiale aderisce sin dalle prime fasi al punzone ed è compresso contro di esso. Questo comportamento inibisce molto gli assottigliamenti localizzati tipici dell imbutitura, specie in corrispondenza degli spigoli convessi del punzone. La maggiore uniformità degli spessori garantisce l ottenimento di un rapporto di imbutitura fino al 50% superiore rispetto all imbutitura convenzionale: con una sola operazione di idroformatura è spesso possibile ottenere parti che altrimenti sarebbero ottenibili solo con più passaggi successivi.

44 Hydromechanical deep drawing Svantaggi 1. Rigonfiamento localizzato (bulging) del materiale nello spazio tra il punzone e le pareti della vasca in prossimità del piano del premilamiera soprattutto nei pezzi di forma conica 2. Costo notevole dei sistemi 3. Relativa lentezza

45 Hydromechanical deep drawing Applicazioni

46 Sheet Hydroforming Un secondo criterio di classificazione è dato dal tipo di contatto tra fluido e lamiera che può essere diretto oppure mediato dall interposizione di una membrana elastica: in questo caso il processo prende il nome di flexforming. Il fluido può agire come matrice o come punzone e, in questo secondo caso, è pressurizzato tramite l applicazione di un sistema esterno di intensificazione.

47 Flexforming La forza di chiusura F necessaria è sempre pari al prodotto PxS, dove S questa volta è l area della parete superiore della cella fluida. F può assumere valori molto elevati, ma la resistenza richiesta è di tipo statico ed è quindi ottenibile semplicemente con strutture molto rigide e robuste. Esistono impianti da flexforming capaci di resistere ad una forza di apertura di ben 80000ton (la forza di chiusura normalmente disponibile alle presse da imbutitura idromeccanica varia da 1000 a 3500 ton).

48 Flexforming Vantaggi e svantaggi VANTAGGI Semplicità e costo contenuto delle attrezzature Intensificatore di pressione esterno Pressione elevata ed uniforme SVANTAGGI Assenza del Premilamiera (La lamiera è tenuta in posizione grazie alla pressione ricevuta dalla membrana elastica a sua volta compressa dal fluido) Processo poco controllabile Membrana elastica Pezzi di forma complessa Hydropiercing Sottosquadri Tolleranze geometriche strette Limitazioni sui raggi di curvatura (la membrana difficilmente può penetrare all interno di cavità e spigoli concavi di piccole dimensioni poichè per resistere alle elevate pressioni deve possedere uno spessore non trascurabile, spesso maggiore di quello della lamiera)

49 Sheet Hydroforming Lamiere contrapposte È stata ideata come un metodo brillante per risolvere i problemi di tenuta idraulica dei processi di idroformatura senza membrana e di aumentare la bassa produttività dei metodi di formatura a fluido. Prevede che due lamiere contrapposte di uguali dimensioni (piane o preformate, ma non necessariamente dello stesso spessore o materiale) vengono saldate lungo la periferia, posizionate tra due semi-stampi e infine idroformate a punzone fluido. La tenuta idraulica del sistema è garantita dalla forza di chiusura dei 2 semi-stampi e agevolata dalla presenza della saldatura: la linea di saldatura è interrotta solo in un punto, dove viene inserito il sistema di iniezione del fluido.

50 Sheet Hydroforming Lamiere contrapposte Il metodo è particolarmente indicato per la produzione di componenti scatolati, di forma anche complessa. Poiché la periferia della lamiera è saldata e serrata dalla forza di chiusura, che a sua volta dipende dal valore di pressione all interno della cavità, la possibilità di controllo del draw-in di materiale è molto limitata. Per ovviare a questo inconveniente, talvolta si preferisce inibire del tutto il draw-in del materiale e far avvenire la deformazione per stiramento bidirezionale della lamiera.

51 Sheet Hydroforming Esempi di componenti

52 Sheet Hydroforming Vantaggi e svantaggi I vantaggi principali del processo, rispetto ai metodi di imbutitura e stampaggio convenzionali, sono legati ai seguenti aspetti: Economicità degli stampi (in genere è necessario solo una matrice o solo un punzone ma non entrambi) Migliore finitura superficiale delle parti in contatto con il fluido Migliore distribuzione degli spessori e delle tensioni residue nel prodotto formato Migliore accuratezza dimensionale Maggiori rapporti di imbutitura ottenibili Gli svantaggi principali del processo, rispetto ai metodi di imbutitura e stampaggio convenzionali, sono legati ai seguenti aspetti: Costo notevole dei sistemi (presse, intensificatori di pressione ) specie per parti di grandi dimensioni Relativa lentezza del processo

53 Hot stretch forming Nell hot stretch forming una lamiera o semilavorato rettilineo viene formato contro un mandrino mentre è tenuto in tensione da degli afferraggi; è una tecnologia molto adoperata in campo aeronautico per la formatura di superleghe e del titanio

54 Hot stretch forming VANTAGGI Ridotte forze in gioco rispetto alle tecniche di formatura classiche Ridotte tensioni residue SVANTAGGI Temperature elevate Limitate geometrie ottenibili

55 Magnetic pulse forming Tecnica di formatura ad alta velocità di lamiere sottili; a causa delle correnti indotte tra magnete e pezzo in lavorazione si forma un campo magnetico tra lamiera e bobina che tende a spingere la lamiera verso il mandrino.

56 Magnetic pulse forming VANTAGGI Ritorno elastico molto limitato Tolleranze molto strette Non sono necessari lubrificanti o altri fluidi Assenza di contatto tra le superfici SVANTAGGI Non è possibile lavorare grandi lamiere Necessarie correnti elevate e tensioni notevoli

57 Explosive forming É un processo simile all idroformatura di lamiere; l utilizzo di una carica esplosiva permette di raggiungere velocità di deformazione elevate. Il vuoto fa si che la lamiera sia già deformata contro lo stampo all atto dell esplosione

58 Explosive forming Si adopera in campo aerospaziale per la formatura di componenti dello space shuttle

59 Explosive forming Il picco di pressione generato nel fluido è dato dalla seguente espressione: p = K 3 W R a p = Picco di pressione K = Costante dipendente dal tipo di esplosivo W = R = Peso dell' esplosivo Distanza dell' esplosivo a = Costante (generalme nte 1.15) dal componente (standoff) Influenza della distanza di standoff e della tipologia di mezzo di trasmissione dell energia sul picco di pressione usando 1.8 kg (4 lb) di TNT. Per essere efficace, il mezzo deve avere alta densità e bassa comprimibilità. In pratica, l acqua è il mezzo comunemente usato.

60 Explosive forming VANTAGGI Tolleranze molto precise Alternativa economica alla formatura superplastica SVANTAGGI Pericoli notevoli per gli operatori Operazione da eseguire all aperto

61 Operazioni comuni di piegatura con stampo Operazioni comuni di piegatura con stampo, mostranti la dimensione W impiegata per il calcolo della forza di piegatura che, escludendo l attrito, è pari a: F max = k ( UTS) L t W UTS è la resistenza ultima del materiale, L e t sono lunghezza e spessore del materiale e k è una costante che vale per stampi a V, per stampi a U e per wiping die. 2

62 Operazioni di piegatura in press brake Illustrazione schematica di varie operazioni di piegatura in press brake (pressa frenata).

63 Ulteriori operazioni di piegatura Diverse operazioni di piegatura.

64 Bead forming Bead forming: (a) con singolo stampo (b) con due stampi

65 Flanging Operazioni di flanging: (a) Flange su lamiere piane (b) Dimpling (c) Piercing di lamiere metalliche (d) Flange su tubi

66 Roll forming process Roll forming process Stages in un processo di roll forming per la realizzazione di un telaio di una porta in lamiera metallica.

67 Piegatura di tubi Metodi di piegatura di tubi. L impiego di mandrini interni o il riempimento dei tubi con materiali tipo sabbia è spesso necessario per prevenire il collasso dei tubi durante la piegatura.

68 Bulging di parti tubolari (a) Bulging di parti tubolari con tamponi flessibili. Brocche per l acqua possono essere realizzate in questo modo. (b) Produzione di raccordi per impianti idraulici attraverso espansione di lamiere tubolari mediante pressione interna. (c) Produzione di soffietti.

69 Forming with a flexible pad Esempi di piegatura e goffratura di lamiere metalliche con punzone metallico e stampo femmina flessibile.

70 DB/SPF Due tipologie di strutture realizzate mediante il processo combinato di diffusion bonding e superplastic forming su lamiere metalliche. Tali strutture presentano un elevato rapporto rigidezza/peso.

71 Peen forming Attrezzatura per peen forming, per la realizzazione di grandi componenti in lamiera metallica, come pannelli di aeromobili. La lamiera è stazionaria, mentre la macchina avanza.

72 Produzione di Honeycomb Metodi di produzione di Honeycomb: (a) processo di espansione (b) processo di corrugazione (c) realizzazione di un sandwich con Honeycomb.