LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA I materiali metallici subiscono variazioni permanenti di forma quando assoggettati a sollecitazioni superiori al limite elastico.
DIVERSI ANDAMENTI Elastico perfetto Elasto-plastico perfetto Plastico perfetto Elasto-plastico con incrudimento
IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA Il differente comportamento indica diversi meccanismi di deformazione: - al di sotto della temperatura di ricristallizzazione la velocità di incrudimento è superiore alla velocità di riassetto - al di sopra della temperatura di ricristallizzazione il fenomeno è opposto s T e Dal punto di vista della tecnologia: lavorazioni a caldo lavorazioni a freddo regola empirica: T = 0.5 T f [K]
IN FUNZIONE DELLA VELOCITÀ DI DEFORMAZIONE R e T A basse temperature : - alta resistenza meccanica - poco sensibile alla velocità di deformazione e. Ad alte temperature : - bassa resistenza - molto sensibile alla velocità di deformazione
TENSIONI EQUIVALENTI Nel caso di sollecitazioni composte è necessario individuare delle relazioni che permettano di determinare lo stato di sollecitazione monoassiale equivalente allo stato complesso triassiale: dal confronto di questa sollecitazione equivalente monoassiale con il carico di snervamento (determinato dalla prova di trazione) è possibile individuare il valore delle forze esterne applicate necessarie per avere deformazione plastica.
CLASSIFICAZIONE DEI PROCESSI DI FORMATURA CLASSIFICAZIONE SECONDO LE DIMENSIONI E LA FORMA DEL SEMILAVORATO (BULK FORMING SHEET FORMING), CLASSIFICAZIONE IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA DI PROCESSO, CLASSIFICAZIONE SECONDO LA TIPOLOGIA DEL PROCESSO NELL AMBITO DELL INTERO CICLO PRODUTTIVO (PROCESSI PRIMARI E PROCESSI SECONDARI) CLASSIFICAZIONE SECONDO IL MECCANISMO DI DEFORMAZIONE.
CLASSIFICAZIONE SECONDO LE DIMENSIONI E LA FORMA DEL SEMILAVORATO Processi di formatura massiva o di pezzi pieni (bulk metal forming processes) (processi relativi a semilavorati per i quali il rapporto tra la superficie e il volume è basso) sul pezzo vengono impresse elevate deformazioni (stato tensionale di compressione) lo studio è condotto con riferimento alla sola componente plastica della deformazione proprietà isotrope del materiale (semilavorati preliminarmente ricotti) Processi di formatura delle lamiere (sheet metal forming processes) (processi relativi a semilavorati caratterizzati da una dimensione più piccola rispetto alle altre due) deformazioni impresse contenute (stato tensionale di trazione) la componente elastica deve essere tenuta in considerazione caratteristiche meccaniche anisotrope
CLASSIFICAZIONE IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA DI PROCESSO La temperatura di ricristallizzazione è circa pari alla metà della temperatura di fusione (K). Processi a freddo (cold forming) (normalmente condotti a temperatura ambiente fino a 100-200 C) per produrre componenti finiti (livello di accuratezza dimensionale elevato) per produrre componenti di dimensioni non elevate (inferiore al Kg) in acciaio è richiesta una efficace lubrificazione (impatto ambientale riciclaggio liquidi esausti) Svantaggi: aumento della tensione di flusso plastico, riduzione della capacità di subire ulteriori deformazioni permanenti Processi a caldo (hot forming) (normalmente condotti a temperature comprese tra 0.7 T f e 0.9 T f ) (gli acciai sono forgiati a circa 1200 C) tensioni di flusso plastico modeste, elevata duttilità per produrre componenti di rilevanti dimensioni lubrificazione ad acqua Svantaggi: accuratezza dimensionale, formazione di ossidi sulle superfici dei pezzi lavorati (si richiede un processo di asportazione dello strato superficiale), costi connessi al riscaldamento Processi a tiepido (warm forming) (gli acciai al carbonio e gli acciai legati sono forgiati a tiepido tra 600 e 850 C)
LASSIFICAZIONE SECONDO LA TIPOLOGIA DEL PROCESSO ELL AMBITO DEL CICLO PRODUTTIVO LAVORAZIONI PRIMARIE E LAVORAZIONI SECONDARIE Lavorazioni primarie: il metallo ottenuto dall industria siderurgica o metallurgica a partire dal minerale, viene portato ad assumere la forma di blumi e billette; Lavorazioni secondarie convertono queste forme in semilavorati o prodotti finiti come barre, profilati metallici, tubi e lamiere. CLASSIFICAZIONE SECONDO IL MECCANISMO DI DEFORMAZIONE PROCESSI STAZIONARI E PROCESSI NON STAZIONARI Processi stazionari: tutte le parti del pezzo in lavorazione vengono sottoposte allo stesso meccanismo di deformazione, es. nel processo di estrusione e di trafilatura, le varie zone del semilavorato sono tutte costrette ad un flusso conico attraverso la matrice. I processi stazionari possono essere studiati con un approccio euleriano (volume di controllo): è necessario individuare un volume di riferimento. Processi non stazionari: la geometria del pezzo e le stesse caratteristiche meccaniche del materiale cambiano nel corso del processo. I processi non stazionari possono essere studiati con un approccio lagrangiano(segue la massa): è necessario seguire l intera geometria del pezzo in lavorazione per via incrementale.
Estrusione Estrusione diretta Estrusione inversa
Prodotti dell estrusione Sez. aperta Sez. semi-cava Sez. cava
Trafilatura Parti della trafila: - zona di imbocco - zona di trafilatura S o S 1 - parte di calibratura - cono di uscita
STAMPAGGIO Lo stampaggio viene eseguito assoggettando a compressione il materiale collocato entro uno stampo composto da due parti (stampo superiore ed inferiore), entrambe modellate in modo che la cavità che si ottiene con le due parti a contatto fra loro riproduca la forma del pezzo che si desidera ottenere. Lo stampaggio è generalmente un processo di deformazione plastica a caldo.
FUCINATURA La formatura si ottiene mediante una serie di deformazioni locali, prodotte martellando, posizionando ed orientando ripetutamente il pezzo appoggiato su un incudine con l impiego di un martello meccanico (maglio) di potenza adeguata a lavorare pezzi anche di grandi dimensioni. La fucinatura è generalmente un processo di deformazione plastica a caldo; spesso sono previste fasi intermedie di riscaldamento del pezzo in appositi forni elettrici.
Laminazione Le lavorazioni per laminazione sono impiegate per trasformare il materiale colato in forma di lingotti, in prodotti semilavorati o finiti e costituiscono le prime operazioni che vengono svolte in un ciclo di produzione. Processo di laminazione Un solido di sezione rettangolare viene trascinato tra due cilindri laminatori che ruotano in senso opposto, subendo uno schiacciamento, un allungamento e un allargamento.
Laminatoio
PRODOTTI DELLA LAMINAZIONE Bramme Billette Tondi Vergella
PRODOTTI DELLA LAMINAZIONE Le lamiere sono ottenute mediante laminazione a caldo o a freddo e vengono fornite in fogli piani generalmente quadrate o rettangolari
LAVORAZIONI DELLE LAMIERE Le lamiere possono essere lavorate secondo una o più lavorazioni consecutive che possono essere suddivise in processi di taglio o processi di formatura Processi di taglio Tranciatura Processi di formatura Piegatura Stampaggio Imbutitura
LA TRANCIATURA Ha lo scopo di ritagliare da un foglio o da un nastro di lamiera una figura geometrica piana di varie forme. La tranciatura delle lamiere è un particolare tipo di lavorazione per deformazione plastica in quanto la fase di formatura è seguita dalla frattura e dal distacco del tranciato dalla lamiera originaria: si tratta dunque di una lavorazione di confine tra i processi di formatura e quelli per asportazione di materiale. Punzonatura (piercing) Tranciatura (blanking)
LA PIEGATURA Durante la piegatura una o più parti della lamiera vengono piegate, secondo angoli prescelti, per deformazione plastica a freddo prodotta dall applicazione di una sollecitazione di flessione
STAMPAGGIO DI LAMIERA Nello stampaggio la lamiera è costretta ad assumere la forma finale mediante un operazione di pressatura tra due stampi (stampo e controstampo) Le sollecitazioni cui è soggetto il materiale durante lo stampaggio superano il limite elastico per consentire al metallo di conformarsi allo stampo e al controstampo. Tuttavia queste sollecitazioni non devono superare la resistenza a rottura del materiale per non produrre lesioni.
L IMBUTITURA E un processo che permette di passare da una lamiera di forma piana ad una di forma concava per effetto dell azione di un punzone che preme la lamiera verso un controstampo. Il punzone trascina la lamiera all interno della matrice e la costringe ad assumere la sua stessa forma.
IL SISTEMA PUNZONE MATRICE PREMILAMIERA
IL PROCESSO Nel caso semplice di realizzazione di un contenitore cilindrico da un disco di lamiera, la trasformazione geometrica richiede che il materiale costituente i triangoli tratteggiati venga eliminato per ottenere le pareti verticali del prodotto finale. Durante l operazione, il margine della lamiera viene premuto da un apposito premilamiera: esso controlla la deformazione e lo scorrimento della lamiera verso l interno della matrice impedendo il formarsi di grinze, grazie anche ad un idonea lubrificazione.
STATI TENSIONALI E DI DEFORMAZIONI
PARAMETRI DI PROCESSO I raggi di arrotondamento di punzone e matrice Gioco tra matrice e punzone Condizioni di lubrificazione Pressione del premilamiera Carico totale di imbutitura Il rapporto di imbutitura D/d
PARAMETRI DI PROCESSO Gioco tra matrice e punzone: il valore ottimo del gioco è scelto come compromesso tra il rischio di formazione di ondulazioni o di irregolarità sulle pareti dell imbutito ed il pericolo di assottigliamento della lamiera. Con K=costante (0,07 per acciaio-0,02 per leghe di Al-0,04 per altri materiali) s=spessore della lamiera g s K 10s Raggio di arrotondamento di punzone e matrice: Raggi di raccordo troppo stretti possono indurre a tranciature o comunque piegature troppo severe della lamiera. Raggi di raccordo troppo ampi lasciano molta lamiera non guidata facendo rischiare la formazione di grinze tra punzone e matrice. D=diametro del disco di lamiera da cui si parte, d=diametro del punzone K=costante adimensionale (0,8-0,9), s=spessore della lamiera r m K 5s r p D d 0,3d s
PARAMETRI DI PROCESSO Condizioni di lubrificazione: È essenziale mantenere un ottima lubrificazione all interfaccia lamiera-matrice e lamierapremilamiera diminuendo lo sforzo di imbutitura e aumentando la durata dello stampo. I lubrificanti più usati sono una miscela di grafite e olio per gli acciai, vaselina per leghe leggere. Pressione del premilamiera: Il valore ottimo viene ancora una volta scelto come compromesso tra il pericolo di rotture a trazione e quello di formazione di pieghe. I valori tipici sono: p=1,2 [N/mm 2 ] per leghe leggere p=2,5 [N/mm 2 ] per acciaio
PARAMETRI DI PROCESSO Il rapporto di imbutitura D/d: Al crescere di tale rapporto si assiste ad un generale aggravamento dello stato tensionale e quindi del carico necessario per condurre il processo. Esiste un rapporto limite di imbutitura (LDR), raggiunto il quale, il carico richiesto eccede la capacità di resistenza del materiale e può verificarsi la frattura dell imbutito. Nella pratica industriale si utilizzano dei precisi valori di LDR calcolati in funzione di n e di r m. Carico totale di imbutitura: Esso dipende dal materiale imbutito, dalla lubrificazione, dalla geometria dei componenti dello stampo, dalla pressione del premilamiera, dalla velocità di imbutitura. Esso viene valutato con la seguente relazione sperimentale: P D dssr 0, 7 d
DIMENSIONI DELLA LAMIERA DI PARTENZA Il diametro D del disco primitivo di lamiera deve essere opportunamente calcolato partendo dall imbutito che si desidera realizzare. È evidente che a parità di diametro finale, un imbutito più profondo richiederà un diametro del disco primitivo maggiore. Il calcolo viene condotto sulla base dell invariabilità del volume.
DETERMINAZIONE DEL NUMERO DI IMBUTITURE SUCCESSIVE È possibile verificare se il componente finale può essere ottenuto in un unico passaggio di imbutitura o se invece è necessario suddividere il processo di deformazione in più passaggi. Se D/d < LDR l operazione di imbutitura può essere eseguita in un unico passaggio con un unico stampo. Se D/d > LDR sarà necessario eseguire un treno di imbutiture suddividendo la deformazione finale in più passate.
CAMPI DI APPLICAZIONE Date le elevate cadenze produttive l imbutitura ha raggiunto una grande diffusione! prodotti per l alimentazione (lattine per bevande, pentole, contenitori di ogni forma e dimensione).
ESEMPIO Processo di produzione di lattine in alluminio.