PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA DI LAMIERE: … · tranciatura) • aumento delle forze di...
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PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA DI LAMIERE:
IMBUTITURA
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• 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
IMBUTITURA
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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
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• 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)
SPESSORE DELL’IMBUTITO
• 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
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Flangia• Tensioni radiali (σr) di trazione:
• dovute all’azione di trazione esercitata dal punzone• Tensioni circonferenziali (σθ) di compressione:
• dovute alla progressiva riduzione di diametro• senza premilamiera provocherebbero la formazione di
grinze e aumento dello spessore• Tensioni assiali (σz) di compressione:
• esercitate dal premilamiera
STATO TENSIONALE
Contrazione in direzione circonferenziale e allungamento in quella radiale
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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
STATO TENSIONALE
Allungamento verticale con riduzione dello spessore
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Fondello• Stato tensionale biassiale bilanciato al centro
STATO TENSIONALE
Resta sostanzialmente rigido o al più subisce deformazioni limitate
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• Permette di introdurre i principali inconvenienti che possono manifestarsi in un processo di imbutitura:
• frattura dell’imbutito• formazione di grinze circonferenziali nella flangia
STATO TENSIONALE
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• 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
FRATTURA DELL’IMBUTITO
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• Dovuta alla presenza nelle flangia di tensioni circonferenziali di compressione
• Se tali tensioni raggiungono un livello sufficientemente elevatoe la rigidezza della lamiera non è abbastanza grande ➠ nascita di fenomeni di instabilità plastica che determinano la formazione di grinze
FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA
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• 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 σ0 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
FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA
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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 laresistenza all’usura, riportando sulla matrice un anello costruito in materiale di maggior durezza
FORMAZIONE DI GRINZE CIRCONFERENZIALI NELLA FLANGIA
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• 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 diverserispetto a quella di laminazione:
• proprietà meccaniche significativamente diverse• rapporti tra le deformazioni che nascono durante la prova
cambiano con l’orientamento del provino
ANISOTROPIAANISOTROPIA
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• Condizioni di anisotropia definite mediante due parametri:• anisotropia normale• anisotropia planare
ANISOTROPIAANISOTROPIA
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• εl: deformazione lungo la direzione della lunghezza (direzione di laminazione)
• εt: deformazione lungo la direzione dello spessore• εw: deformazione lungo la direzione della larghezza• Indice di anisotropia normale (R):
• Materiale con caratteristiche isotrope:• εt e εw uguali (εt = εw = 0.5·εl) ➠ R = 1
• Materiale con caratteristiche anisotrope:• εt e εw diversi ➠ R ≠ 1
ANISOTROPIA
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⋅
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛
=εε
=
00ff
f0
f0
f0
tw
lwlwln
wwln
ttln
wwln
R
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• 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.
materiale con caratteristiche di isotropia normale (R=1) e planare (R indipendente dalla direzione)
2.
materiale con anisotropia normale (R≠1)ma isotropia planare
ANISOTROPIA
1RRR 90450 ===
1RRR 90450 ≠==
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3.
materiale con caratteristiche di anisotropia planare (R dipendente dalla direzione)
4.
caso più generale in cui il materiale presenta sia anisotropia normale che planare
ANISOTROPIA
90450 RRR ≠≠
1RRR 90450 ≠≠≠
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• Indice medio di anisotropia normale:
• Indice di anisotropia planare:
• Materiale isotropo:
• Materiale con anisotropia normale ma isotropia planare:
ANISOTROPIA
4R2RRR 45900
m++
=
4R2RRR 45900 −+
=Δ
0R 1Rm =Δ=
0R 1RRRR 90450m =Δ≠===
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• Effetto dell’anisotropia planare: • formazione delle orecchie (earings)• bordo ondulato eliminato con conseguente sfrido di
materiale
ANISOTROPIA
• Difetto assente quando ΔR=0• Altezza delle orecchie
crescente con ΔR
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• Effetto dell’anisotropia normale:• al diminuire di Rm aumenta la sensibilità del materiale alla
riduzione dello spessore e quindi all’assottigliamento ➠cresce il pericolo di incorrere in fratture duttili della lamiera
ANISOTROPIA
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• 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
ANISOTROPIA
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D: diametro della lamieradp: diametro del punzone
• Al crescere di β ➠ aumento della severità dello stato tensionalee 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=1.7
RAPPORTO DI IMBUTITURA
pdD
=β
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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
CONDIZIONI DI LUBRIFICAZIONE
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• 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
RAGGI DI RACCORDO DI PUNZONE E MATRICE
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• 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:
• C: costante (0.07 per acciai e 0.02 per leghe di Al)
GIOCO TRA PUNZONE E MATRICE
s10Csg ⋅+=
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CALCOLO DEL NUMERO DI PASSAGGI DI CALCOLO DEL NUMERO DI PASSAGGI DI IMBUTITURAIMBUTITURA
• Noto D si deve verificare se il componente può essere ottenuto in un solo o con più passaggi:
• se D/dp < LDR ➠ operazione eseguita in un solo passaggio• se D/dp > LDR ➠ necessità di eseguire un treno di imbutiture
suddividendo la deformazione totale in più passaggi
n1pn
pn1p
2p1p)LDR(
DLDRd
d .... LDRd
d LDR
Dd ==== −
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ESEMPIO DI IMBUTITURA ESEMPIO DI IMBUTITURA IN PIIN PIÙÙ PASSAGGIPASSAGGI
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IMBUTITURA DI PEZZI NON ASSIALSIMMETRICIIMBUTITURA 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
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IMBUTITURA DI PEZZI NON ASSIALSIMMETRICIIMBUTITURA DI PEZZI NON ASSIALSIMMETRICI
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FORMABILITFORMABILITÀÀ DELLE LAMIEREDELLE 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
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PROVA DI ERICHSENPROVA 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
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PROVA DI ERICHSENPROVA 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
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BULGE TESTBULGE 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
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CURVE LIMITE DI FORMABILITCURVE LIMITE DI FORMABILITÀÀ• 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
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CURVE LIMITE DI FORMABILITCURVE LIMITE DI FORMABILITÀÀ• 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 biassialecompletamente bilanciato
• rapporto crescente ➠azione del rompigrinze su una parte del contorno della lamiera sempre piùpiccola ➠ condizioni di stretching sempre piùsbilanciate
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CURVE LIMITE DI FORMABILITCURVE LIMITE DI FORMABILITÀÀ
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
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CURVE LIMITE DI FORMABILITCURVE LIMITE DI FORMABILITÀÀ
• 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
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CURVE LIMITE DI FORMABILITCURVE LIMITE DI FORMABILITÀÀ
• Pericolo di frattura duttile maggiore quando la deformazione minore è nulla (deformazione lungo lo spessore = ed opposta alla deformazione maggiore)
• Deformazione di trazione piùelevate se accompagnata da deformazioni minori negative
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APPLICAZIONE DELLE CURVE LIMITE DI APPLICAZIONE DELLE CURVE LIMITE DI FORMABILITFORMABILITÀÀ ALLA PROGETTAZIONE DEI PROCESSIALLA 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