PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA DI LAMIERE: IMBUTITURA

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1 PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA DI LAMIERE: IMBUTITURA 1 IMBUTITURA Trasformazione di una lastra piana di metallo laminato in un corpo cavo, procedendo con uno o più passaggi a seconda della profondità richiesta In teoria: spessore del laminato invariabile (superficie del pezzo prodotto equivalente a quella di partenza) Nella pratica: spessore variabile per la presenza di deformazioni secondarie Principali componenti dell attrezzatura: punzone matrice premilamiera 2 1

2 FASI DI UN PROCESSO DI IMBUTITURA posizionamento della lamiera sulla matrice abbassamento di premilamiera (che blocca la lamiera al bordo) e punzone azione del punzone che costringe la lamiera a scorrere entro la matrice risalita di punzone e premilamiera al raggiungimento della forma finale 3 SPESSORE DELL IMBUTITO Pezzi imbutiti definiti da due parti fondamentali: fondello parete cilindrica Spessore della lamiera di partenza: conservato solo al centro del fondello diminuisce considerevolmente ai bordi del fondello in conseguenza dell allungamento subito dal materiale (zona caratterizzata da elevata concentrazione di tensioni) cresce gradualmente verso l'alto procedendo fino al bordo superiore della parete cilindrica Andamento dello spessore correlato allo stato tensionale presente nelle varie zone dell imbutito durante il processo 4 2

3 Flangia STATO TENSIONALE Tensioni radiali (σ r ) di trazione: dovute all azione di trazione esercitata dal punzone Tensioni circonferenziali (σ θ ) di compressione: dovute alla progressiva riduzione di diametro senza premilamiera provocherebbero la formazione di grinze e aumento dello spessore Tensioni assiali (σ z ) di compressione: esercitate dal premilamiera Contrazione in direzione circonferenziale e allungamento in quella radiale 5 STATO TENSIONALE Parete cilindrica Tensioni assiali di trazione: dovute all azione di trazione esercitata dal punzone Tensioni circonferenziali di trazione: dovute alla presenza del punzone rigido che impedisce contrazioni di diametro Allungamento verticale con riduzione dello spessore 6 3

4 Fondello STATO TENSIONALE Stato tensionale biassiale bilanciato al centro Resta sostanzialmente rigido o al più subisce deformazioni limitate 7 STATO TENSIONALE Permette di introdurre i principali inconvenienti che possono manifestarsi in un processo di imbutitura: frattura dell imbutito formazione di grinze circonferenziali nella flangia 8 4

5 FRATTURA DELL IMBUTITO Forza necessaria per eseguire la lavorazione > resistenza offerta dalla parete cilindrica frattura dell imbutito in corrispondenza della zona di transizione tra fondello e parete cilindrica 9 FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA Dovuta alla presenza nelle flangia di tensioni circonferenziali di compressione Se tali tensioni raggiungono un livello sufficientemente elevato e la rigidezza della lamiera non è abbastanza grande nascita di fenomeni di instabilità plastica che determinano la formazione di grinze 10 5

6 FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA Problema risolto mediante l uso del premilamiera Pressione esercitata sulla flangia eccessiva: flusso radiale della flangia verso il foro della matrice ostacolato fino al completo arresto movimento del punzone a spese dello spessore della lamiera progressivo assottigliamento fino a rottura Nella pratica industriale valore della pressione applicata stabilito in modo tale che: pressione iniziale esercitata sulla flangia compresa tra 1 e 1.5% della σ 0 del materiale crescita della pressione con il procedere dell operazione dal momento che la lamiera è tirata verso la cavità della matrice e la superficie della flangia va diminuendo 11 FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA Rompigrinze Costituito da un risalto sulla matrice e da una corrispondente cavità sul premilamiera con la funzione di ostacolare il flusso radiale del materiale Risalto ricavato direttamente sulla matrice o, per aumentarne la resistenza all usura, riportando sulla matrice un anello costruito in materiale di maggior durezza 12 6

7 ANISOTROPIA Lamiere utilizzate nelle operazioni di imbutitura prodotte mediante laminazione Orientazione preferenziale dei grani in direzioni ben precise (tessiture) comportamento anisotropo Prove di trazione su provini orientati secondo direzioni diverse rispetto a quella di laminazione: proprietà meccaniche significativamente diverse rapporti tra le deformazioni che nascono durante la prova cambiano con l orientamento del provino 13 ANISOTROPIA Condizioni di anisotropia definite mediante due parametri: anisotropia normale anisotropia planare 14 7

8 ANISOTROPIA ε l : deformazione lungo la direzione della lunghezza (direzione di laminazione) ε t : deformazione lungo la direzione dello spessore ε w : deformazione lungo la direzione della larghezza Indice di anisotropia normale (R): w 0 w ln ln 0 ε = w w = f = w R f εt t 0 w f l ln ln f tf w0 l0 Materiale con caratteristiche isotrope: ε t e ε w uguali (ε t = ε w = 0.5 ε l ) R = 1 Materiale con caratteristiche anisotrope: ε t e ε w diversi R 1 15 ANISOTROPIA Eseguendo prove di trazione in diverse direzioni (0, 45 e 90 ) rispetto a quella di laminazione si possono verificare quattro diverse tipologie di condizione: 1. R = R 45 = R 90 0 = 1 2. materiale con caratteristiche di isotropia normale (R=1) e planare (R indipendente dalla direzione) R = R 45 = R 90 0 materiale con anisotropia normale (R 1) ma isotropia planare

9 ANISOTROPIA R 0 R 45 R 90 materiale con caratteristiche di anisotropia planare (R dipendente dalla direzione) R R 45 R 90 0 caso più generale in cui il materiale presenta sia anisotropia normale che planare 1 17 ANISOTROPIA Indice medio di anisotropia normale: R0 + R90 + 2R m = 4 Indice di anisotropia planare: R 45 R R 2R R Δ = 45 4 Materiale isotropo: R m = 1 ΔR = 0 Materiale con anisotropia normale ma isotropia planare: R 90 m = R0 = R45 = R 1 ΔR =

10 ANISOTROPIA Effetto dell anisotropia planare: formazione delle orecchie (earings) bordo ondulato eliminato con conseguente sfrido di materiale Difetto assente quando ΔR=0 Altezza delle orecchie crescente con ΔR 19 ANISOTROPIA Effetto dell anisotropia normale: al diminuire di R m aumenta la sensibilità del materiale alla riduzione dello spessore e quindi all assottigliamento cresce il pericolo di incorrere in fratture duttili della lamiera 20 10

11 ANISOTROPIA Lamiere adatte all imbutitura: elevati valori di R: si evita eccessivo assottigliamento bassi valori di ΔR: si evita la formazione di orecchie elevati valori di n: si aumenta la lavorabilità 21 D: diametro della lamiera d p : diametro del punzone RAPPORTO DI IMBUTITURA β = D d p Al crescere di β aumento della severità dello stato tensionale e quindi del carico necessario per eseguire l operazione Esiste un valore limite di β (LDR) oltre il quale si può verificare la rottura dell imbutito Acciai da imbutitura profonda: LDR=1.8 2 Leghe di Al: LDR=

12 CONDIZIONI DI LUBRIFICAZIONE Interfacce premilamiera lamiera e matrice lamiera Presenza di elevate tensioni tangenziali di attrito: azione di ostacolo sul flusso radiale della flangia aumento della forza di lavorazione Necessità di lubrificazione Interfaccia punzone lamiera Non è conveniente una lubrificazione molto spinta Valori di β più grandi senza pericolo di rotture nell imbutitura eseguita con punzone rugoso o con lubrificazione della sola zona della flangia 23 RAGGI DI RACCORDO DI PUNZONE E MATRICE Esercitano una notevole influenza sul processo Raggi di raccordo piccoli: deformazione imposta alla lamiera troppo severa (pericolo di tranciatura) aumento delle forze di lavorazione necessità di operare con bassi valori di β Raggi di raccordo elevati: lasciano molta lamiera non guidata formazione di grinze tra punzone e matrice 24 12

13 GIOCO TRA PUNZONE E MATRICE Scelta del valore del gioco derivante dal compromesso tra: pericolo di formazione di ondulazioni sulla parete laterale dell imbutito per la mancanza di superfici di guida rischio di assottigliamento (ironing) Espressione usata per il calcolo del gioco: g = s + C 10 s C: costante (0.07 per acciai e 0.02 per leghe di Al) 25 CALCOLO DEL NUMERO DI PASSAGGI DI IMBUTITURA Noto D si deve verificare se il componente può essere ottenuto in un solo o con più passaggi: se D/d p < LDR operazione eseguita in un solo passaggio se D/d p > LDR necessità di eseguire un treno di imbutiture suddividendo la deformazione totale in più passaggi D dp1 dpn 1 D d p1 = dp2 =... dpn = = LDR LDR LDR n (LDR) 26 13

14 ESEMPIO DI IMBUTITURA IN PIÙ PASSAGGI 27 IMBUTITURA DI PEZZI NON ASSIALSIMMETRICI Difficile da studiare in modo teorico Metodi per la definizione della geometria degli stampi basati: sulla misura sperimentale delle deformazioni con la tecnica della griglia di cerchi tracciati sulla lamiera sulla simulazione numerica (FEM) su un approccio combinato 28 14

15 IMBUTITURA DI PEZZI NON ASSIALSIMMETRICI 29 FORMABILITÀ DELLE LAMIERE Rappresenta la capacità del materiale di subire deformazioni plastiche senza arrivare alla frattura Necessaria per la progettazione del processo Funzione delle: caratteristiche del materiale: coefficiente di incrudimento indice medio di anisotropia normale condizioni nelle quali il processo si evolve Metodi utilizzati: prova di Erichsen bulge test curve limite di formabilità 30 15

16 PROVA DI ERICHSEN Lamiera incastrata mediante premlamiera con forza pari a 1000 kg Punzone di forma sferica con superficie lubrificata Stato deformativo biassiale perfettamente bilanciato con deformazioni sulla lamiera positive ed eguali tra loro Raggiunta una certa corsa del punzone formazione di una frattura duttile sull estradosso della lamiera Corsa a frattura: numero di Erichsen caratteristico di quel materiale 31 PROVA DI ERICHSEN Aspetti critici: lamiera completamente incastrata sul bordo esterno (flusso radiale impedito) deformazione a spese dell assottigliamento (condizione di stretching) fino alla rottura della lamiera misura della formabilità per un unico stato tensionale e deformativo che difficilmente si verifica nelle operazioni di stampaggio ove l assottigliamento deve essere evitato 32 16

17 BULGE TEST Meccanismo di deformazione identico a quello della prova di Erichsen Differenza sostanziale tra le due prove: punzone sostituito da liquido in pressione Permette di risolvere i problemi relativi all attrito Permangono le perplessità relative al meccanismo di deformazione indotto sulla lamiera 33 CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ Tracciate eseguendo una serie di prove di imbutitura su fogli di lamiera rettangolari (con cerchi fotoincisi) al variare del rapporto tra lunghezza e larghezza Punzone di forma emisferica Foro della matrice circolare Presenza sulla matrice di un rompigrinze con dimensioni tali da causare un incastro sulla lamiera condizione di stretching 34 17

18 CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ Stati deformativi diversi al variare del rapporto tra le dimensioni iniziali dei lati della lamiera: rapporto uguale all unità azione del rompigrinze su tutto il contorno della lamiera condizione di stretching biassiale completamente bilanciato rapporto crescente azione del rompigrinze su una parte del contorno della lamiera sempre più piccola condizioni di stretching sempre più sbilanciate 35 CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ Deformazione minore < 0 Deformazione minore = 0 Deformazione minore > 0 Al crescere del rapporto tra i lati del rettangolo si passa da una condizione di stretching biassiale bilanciata a quella della prova di trazione 36 18

19 CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ Misura per ogni condizione, al manifestarsi della frattura duttile: della deformazione maggiore della deformazione minore Punti riportati su un piano deformazione minore deformazione maggiore per definire il luogo dei punti rappresentativo delle condizioni di formabilità del materiale al variare dello stato deformativo 37 CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ Pericolo di frattura duttile maggiore quando la deformazione minore è nulla (deformazione lungo lo spessore = ed opposta alla deformazione maggiore) Deformazione di trazione più elevate se accompagnata da deformazioni minori negative 38 19

20 APPLICAZIONE DELLE CURVE LIMITE DI FORMABILITÀ ALLA PROGETTAZIONE DEI PROCESSI Valutazione del cammino di deformazione nelle zone maggiormente sollecitate Rappresentazione del cammino sul diagramma Se il punto rappresentativo dello stato deformativo rimane costantemente nella zona di sicurezza processo senza pericolo di rotture In caso contrario aggiustamento dei parametri operativi per modificare lo stato deformativo 39 20