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TECNOLOGIA MECCANICA

Parte 8

Lavorazioni per deformazione plas1ca

Processo di lavorazione che prevede la deformazione permanente del materiale allo stato solido so?o l’azione di forze esterne, eventualmente con l’ausilio della temperatura, per o?enere la forma desiderata dell’elemento funzionale. Rispe?o ai processi di fusione, con queste tecnologie si possono o?enere un numero limitato di geometrie relaGvamente semplici. Inoltre quesG processi possono essere uGlizzaG solo nei casi in cui il pezzo deve essere realizzato con un materiale che può essere so?oposto ad un elevato grado di deformazione senza comprome?ere le sue cara?erisGche. Queste lavorazioni possono essere divise in: Processi primari: uGlizzano materiali da fusione per o?enere prodoK tramite processi a caldo che sono desGnaG o all’uso dire?o (più raramente) o come semilavoraG per ulteriori processi. Processi secondari: uGlizzano semilavoraG come prodoK di partenza per o?enere prodoK desGnaG all’uGlizzo finale.


MECCANISIMI DI DEFORMAZIONE IN CAMPO ELASTICO

Nella deformazione elasGca non vengono coinvolG i legami tra gli atomi nel cristallo.

Università degli Studi di Perugia – Facoltà di Ingegneria 2

Lucidi di Tecnologia Meccanica Proprietà dei materiali e prova di trazione

Deformazione elastica a livello atomicoDeformazione elastica a livello atomico• Cella in configurazione

iniziale

• La cella soggetta a sollecitazione si deforma

• Al cessare della sollecitazione la cella riassume la sua configurazione originaria


MECCANISIMI DI DEFORMAZIONE PLASTICA – PER SCORRIMENTO

I materiali sono generalmente policristallini, quindi nell’analizzare il processo di deformazione plasGca, si devono tenere in considerazione i meccanismi all’interno del singolo grano cristallino e i meccanismi che legano diversi grani cristallini. All’interno del grano cristallino occorre considerare due situazioni diverse. -‐  Deformazione plasGca per scorrimento -‐  Deformazione plasGca in presenza di difeK

La presenza di piani cristallini di scorrimento dipende dalla configurazione cristallina del materiale (piani di massimo addensamento atomico

L’aKvazione dei piani dipende dalla sollecitazione applicata.



Deformazione plastica a livello atomicoDeformazione plastica a livello atomico

Cella in configurazione originariaPiano ad alta densità atomica

Soggetta a sollecitazione, la cella si deforma

I legami ortogonali ai piani ad alta densità atomica si rompono

I piani scorrono lungo il piano di scorrimento e i legami si riformano

Al cessare della sollecitazione la cella riassume la configurazione indisturbata

(deformazione per scorrimento)

Piano di scorrimento



I fenomeni di scorrimento sono fortemente influenzaG dalla presenza di difeK nei reGcoli cristallini. InfaK le forze necessarie per rompere i legami sono alGssime e nella praGca si riscontra invece una sollecitazione reale necessaria ad applicare deformazioni sempre inferiore a quella teorica (presenza di difeK).

Il movimento delle dislocazioni e quindi la deformazione plasGca, avvengono inizialmente in quei cristalli i cui piani di scorrimento delle dislocazioni sono orientaG in modo preferenziale rispe?o alla direzione di sollecitazione.





Deformazione plastica a livello di graniDeformazione plastica a livello di grani

All’interno di un singolo grano, vale il fenomeno dello scorrimento

In presenza di molti grani, i piani di scorrimento non sono orientati in maniera uniforme e la conformazione delle estremità dei grani influenza il comportamento plastico generale

Esempio: grani elongati in una direzione determinano una maggior resistenza ma minore deformabilità nella stessa direzione (anisotropia)

Gli atomi si organizzano in reticoli cristallini più o meno omogenei all’interno di macrostrutture chiamate “grani” (la formazione dei grani verrà spiegata più avanti nel corso). I grani sono meccanicamente “incastrati” tra di loro)


MECCANISIMI DI DEFORMAZIONE PLASTICA – A FREDDO I cristalli quindi non subiscono tuK il medesimo livello di deformazione plasGca. A temperature più elevate di quella ambiente, si possono avere anche scorrimenG sul bordo grano che creano a loro volta deformazioni plasGche. I grani di un materiale deformato plasGcamente risultano allungaG secondo la direzione di scorrimento, generando anisotropia nel materiale. La densità delle dislocazioni aumenta al crescere del livello di deformazione, questo implica la generazione di campi di tensione che diminuiscono la loro mobilità dando origine al fenomeno dell’incrudimento. Quindi una deformazione plasGca a freddo provoca un aumento della resistenza allo snervamento e della resistenza a ro?ura con una perdita in duKlità; inoltre le proprietà potrebbero risultare anisotrope. L’incrudimento è un fenomeno importanGssimo nelle deformazioni plasGche a freddo: -‐  Si può incrementare la resistenza meccanica del manufa?o


MECCANISIMI DI DEFORMAZIONE PLASTICA – A FREDDO

-‐  Per o?enere elevate deformazioni si devono eseguire diversi step di lavorazione per minimizzare le tensioni sulle a?rezzature che ne implicano una notevole usura.

-‐  Spesso risulta necessario introdurre step intermedi di rico?ura per eliminare gli effeK dell’incrudimento se le deformazioni da raggiungere sono parGcolarmente elevate.

MECCANISIMI DI DEFORMAZIONE PLASTICA – A CALDO

Generalmente, le lavorazioni si definiscono a caldo quando sono eseguite ad una temperatura superiore a quella di ricristallizzazione.

La temperatura favorisce il moto delle dislocazioni, pertanto si ha un minore effe?o di incrudimento del pezzo. Il pezzo a parità di deformazione risulta più duKle del corrispondente deformato a freddo, ma ha un minore resistenza meccanica.

Inoltre si ha anche un effe?o della ricristallizzazione che avviene durante le fasi di lavorazione plasGca.

Esistono anche delle lavorazioni a caldo (definite lavorazioni intermedie) che avvengono a temperature maggiori di quella ambiente e inferiori alla ricristallizzazione (600-‐700°C per gli acciai).


DEFORMAZIONE DEI METALLI Il sistema cristallino influenza molto la capacità di deformarsi. Il sistema cubico a facce centrate è quello che amme?e un maggior numero di piani di scorrimento che facilitano la deformazione plasGca. Il sistema esagonale compa?o amme?e invece una sola serie possibile di piani di scorrimento, quindi lasciano meno deformabilità. In generale i metalli puri si deformano meglio delle rispeKve leghe (esistono eccezioni a seconda degli elemenG di lega).


TEST DI TRAZIONE



Comportamento di deformazione plasticaComportamento di deformazione plasticaAll’incremento della velocità di deformazione:

All’incremento di temperatura:e

V

e

V



Deformazione plastica al variare della temperaturaDeformazione plastica al variare della temperatura

• Se la temperatura aumenta:– Calano forza e lavoro di deformazione– Cala la precisione dimensionale– Cala la finitura superficiale– Aumenta la deformazione ottenibile– Aumenta il costo di produzione


TEST DI TRAZIONE


TENSIONI E DEFORMAZIONI IN CAMPO PLASTICO



K Coefficiente di resistenza n fa?ore di incrudimento



Nel caso di deformazione a caldo la velocità di deformazione diventa fondamentale in quanto è questa a determinare se prevale l’effe?o di addolcimento dovuto alla ricristallizzazione o l’effe?o di incrudimento dovuto alla deformazione


CRITERI DI PLASTICITA’ Nei casi reali di deformazione, non agisce una sola componente assiale di sollecitazione, ma esistono componenG che si sviluppano in modo pluriassiale.

Nello studio dei processi per deformazione plasGca occorre conoscere l’enGtà delle azioni esterne che provocano la deformazione plasGca sul materiale. Nel caso di sollecitazione uniassiale il criterio è semplice, e cioè si ha deformazione plasGca se le azioni esterne provocano una tensione pari (o maggiore) allo stress di snervamento. Nel caso di sollecitazioni pluriassiali bisogna fare ricorso a criteri di snervamento. I più noG sono i criteri di Tresca e Von Mises.


CRITERI DI PLASTICITA’ Criterio di Tresca Nelle ipotesi che: ü  La componente idrostaGca non influenzi la

plasGcizzazione ü  Il materiale sia omogeneo ed isotropo ü  Il volume possa ritenersi costante durante la

deformazione Si può ado?are il criterio di Tresca. Il criterio afferma che la plasGcizzazione si ha quando la massima tensione tangenziale raggiunge un valore criGco C

C può essere valutato considerando che, nel caso di tensione uniassiale si ha σ3=0, per cui


CRITERI DI PLASTICITA’ Criterio di Von Mises Il criterio afferma che si ha plasGcizzazione se l’energia di deformazione per scorrimento raggiunge un valore criGco


LAVORO DI DEFORMAZIONE

Il lavoro ideale di deformazione in una sollecitazione semplice come quella rappresentata dalla trazione è dato da:

UGlizzando la legge che lega tensione e deformazione

Il calcolo di questo lavoro è uGle per determinare le forze necessarie in una operazione di deformazione plasGca.


LAVORO DI DEFORMAZIONE Il calcolo si esegue con un equilibrio tra il lavoro delle forze esterne e l’energia assorbita dalla deformazione plasGca. Nel caso ideale si considera assenza di a?rito e una conversione totale del lavoro esterno in deformazione.

La pressione P applicata sulla sezione A0 di lunghezza L0 provoca la completa fuoriuscita del materiale a?raverso una sezione Af. Si considera assenza di a?rito.

Dato R il rapporto A0/Af, si ha che la deformazione vera è data da:



Caso semplificato di materiale perfe?amente plasGco (figura a). Il lavoro di deformazione plasGca per unità di volume e quindi l’energia assorbita per deformazione plasGca per unità di volume è pari a Y ε1.

Il lavoro fa?o dalla pressione esterna è: P A0 L0.

P A0 L0 = Y ε1 A0 L0

Da cui si ricava:

P = Y ε1 = Y lnR

Se il materiale non è perfe?amente plasGco il lavoro di deformazione plasGca per unità di volume è dato da



La pressione e quindi la forza calcolata con questo equilibrio è so?osGmata, infaK occorre considerare sia l’a?rito che l’energia assorbita dal materiale per dissipazioni dovute a distorsione interna per scorrimento.

Il rendimento del processo è dato quindi dal rapporto tra lavoro ideale e lavoro reale (quello cioè ideale con l’aggiunta del lavoro necessario per compensare gli a?riG e le dissipazioni interne).

EFFETTI DELL’ATTRITO L’a?rito è sempre presente nei processi di deformazione plasGca. L’a?rito può essere descri?o tramite il coefficiente di a?rito


EFFETTI DELL’ATTRITO

m* 0,05 – 0,15 per lavorazioni a freddo con lubrificante m* 0,2-‐0,4 per lavorazioni a caldo con lubrificante grafite m* 0,1-‐0,3 per lavorazioni a caldo con lubrificante vetro m* 0,7-‐1 in assenza di lubrificante



Nel caso di assenza di a?rito la deformazione è omogenea e la forma rimane analoga a quella iniziale con minore altezza e maggiore diametro. La tensione normale è esa?amente pari al flow stress.

Nel caso di a?rito di scorrimento le pressioni all’interfaccia sono maggiori ed esiste una tensione tangenziale che si oppone allo scorrimento radiale del materiale. La forma si spancia (da cilindro si passa ad una forma Gpo bo?e). La tensione normale è pari al flow stress all’estremità libera e diventa maggiore spostandosi verso il centro. La differenza è tanto maggiore quanto più elevato è l’a?rito. La pressione è valutabile con un calcolo definito Slab Analysis.

Compressione di un cilindro



Nel caso di a?rito adesivo le superfici sono bloccate, sono gli scorrimenG interni che danno luogo alla deformazione e si formano zone morte.

Compressione di un cilindro


SLAB ANALYSIS Consiste nell’imporre l’equilibrio su una parte di spessore infinitesimo considerando tute le forze che agiscono su di esso, compreso l’a?rito.

Si ricava una eq. differenziale che, una volta integrata, perme?e di risalire alle forze esterne e ad altre informazioni. Le ipotesi necessarie per applicare il metodo sono: -‐  Materiale isotropo ed omogeneo -‐  Sezioni del pezzo che rimangono inalterate in

termini di planarità durante la deformazione.

Esempio di applicazione su pezzo lavorato per compressione tra piani paralleli di un parallelepipedo di spessore unitario in condizioni di deformazione piana, con coefficiente di a?rito costante:

k tensione tangenziale di scorrimento individuata con il criterio di Tresca (1/2 tensione di snervamento)


SLAB ANALYSIS Per l’equilibrio dell’elemento infinitesimo:

La situazione di sollecitazione considerata

SosGtuendo nella precedente si ha

Integrando

Che rappresenta l’andamento di pressione illustrato.


LAMINAZIONE La laminazione si uGlizza per la trasformazione di materiale colato in lingoK o in colata conGnua in semilavoraG: -‐  Lamiere -‐  Barre e tondini -‐  Bramme -‐  Bille?e -‐  ecc. Le operazioni di laminazione si eseguono generalmente a caldo, tranne nel caso in cui si producano lamiere con spessore inferiore a 1mm che si producono a freddo. La laminazione trasforma la stru?ura cristallina in una forma più o meno allungata in funzione del livello di ricristallizzazione che si oKene per azione della temperatura.


LAMINAZIONE


LAMINAZIONE Il processo di laminazione può essere convenientemente analizzato considerando il caso relaGvamente semplice in cui un massello parallelepipedo venga fa?o passare a?raverso due cilindri controrotanG. Per semplificare si fa l’ipotesi che non ci sia flusso laterale di materiale: essa è generalmente ben verificata in quanto: •  La gabbia di laminazione stessa è

configurata in modo tale da impedire tale flusso.

•  L’allargamento percentuale è trascurabile rispe?o alla riduzione percentuale di altezza.

Si osservi che in virtù della costanza della portata, la velocità media in una sezione del laminato varia passando dall’ingresso all’uscita.


LAMINAZIONE


Lucidi di Tecnologia Meccanica Laminazione

VelocitVelocitàà in laminazionein laminazione

Z ROTv R const

21212211 , vvvvvvAvA ddz�

RȦ

v ROT

v1 v2v

IN GENERALE: vv ROT z

In parGcolare la velocità è più lenta rispe?o alla velocità periferica dei rulli nella zona di ingresso, passa per un punto in cui le velocità coincidono per poi crescere e diventare più alta della velocità dei rulli verso l’uscita (Curva 1). Nella realtà (a?rito presente) le velocità di laminato e rulli coincidono non solo in un punto, ma in una zona de?a zona di aderenza o di conta?o (curva 2).


LAMINAZIONE



VelocitVelocitàà in laminazionein laminazione

N

vROT > v1

vROT = vvROT < v2

v < vROT

v > vROT

ARCO DI CONTATTO

PUNTO NEUTRO

STRISCIAMENTO

ADERENZA

STRISCIAMENTO

N

Ȧ

~ȝ

~ȝ

FORZE DI ATTRITO

In virtù della differenza di velocità tra materiale e rulli, nel processo si generano delle azioni tangenziali dovute all’a?rito. Tali forze sono dire?e in senso opposto nella zona prima del punto neutro di aderenza e nella zona dopo. Le forze prima del punto neutro devono essere maggiori di quelle successive affinché la laminazione possa avvenire con un effeKvo avanzamento del materiale.


LAMINAZIONE Definiamo con r la riduzione di spessore del materiale

Per dimensionare il sistema e capire se le condizioni che garanGscono l’effeKva laminazione possono avvenire occorre calcolare la distribuzione delle pressioni all’interfaccia con i tools di laminazione

Nelle ipotesi che •  Coefficiente di a?rito costante •  Arco di conta?o circolare di raggio costante •  Deformazione dei cilindri trascurabile Si può eseguire il bilancio nell’elemento infinitesimo e poi integrare


LAMINAZIONE


LAMINAZIONE

SosGtuendo nell’equazione iniziale e integrando

H0 = H calcolato con φ = α

La pressione è massima in corrispondenza del punto neutro

Il punto neutro si sposta verso la zona di uscita al diminuire del coefficiente di a?rito e al diminuire della riduzione di spessore La pressione massima aumenta al crescere di coefficiente di a?rito e della riduzione dello spessore


LAMINAZIONE



Pressioni in laminazionePressioni in laminazione

P

ĳ

FR

RISULTANTE:


LAMINAZIONE

Dalla pressione di laminazione si può calcolare il valore della forza di laminazione e quindi della coppia necessaria nel processo. La forza totale di laminazione, considerando un laminato di larghezza W, può essere allora sGmata, trascurando la curvatura, come:

L è la lunghezza dell’arco di conta?o

La pressione media può essere calcolata con l’equazione

In cui C è la costante del criterio di tresca


LAMINAZIONE

Dalla forza si può quindi ricavare la coppia di laminazione

E da questa la potenza di laminazione

QuesG daG sono di fondamentale importanza per il dimensionamento complessivo del sistema di laminazione.


LAMINAZIONE

Condizioni di imbocco e di trascinamento

La forza che complessivamente agisce sul materiale nella condizione di imbocco può essere scomposta in una componente normale al cilindro di laminazione e in una componente tangenziale. A sua volta queste componenG possono essere scomposte nelle componenG secondo la direzione di laminazione e nelle componenG ortogonali alla direzione di laminazione

Le componenG normali alla direzione di laminazione non influenzano la condizione di imbocco del materiale. Sono solo le componenG in direzione di laminazione che giocano un ruolo fondamentale. In parGcolare affinché l’imbocco avvenga deve essere che:


LAMINAZIONE


Dalla definizione di a?rito

ρ Angolo di a?rito

SosGtuendo

Se si considera che

Si ha che

Quindi affinché si abbia un effeKvo imbocco, la riduzione di spessore massima dipende dal diametro del cilindro e dal coefficiente di a?rito


LAMINAZIONE


Con un bilancio analogo si possono determinare le condizioni di trascinamento:

Quindi la condizione di imbocco è più restriKva della condizione di trascinamento.


STAMPAGGIO E FUCINATURA Lo stampaggio è un procedimento uGlizzato per o?enere manufaK mediante deformazione plasGca, generalmente a caldo, per compressione, a?uato in apposite macchine (magli e presse). I principali parametri cara?erizzanG tali macchine sono: •  Energia totale disponibile per compiere il lavoro di deformazione •  Forza massima disponibile (limite stru?urale della macchina) •  Rendimento: generalmente il rapporto tra l’energia effeKvamente fornita al pezzo in

lavorazione e quella totale disponibile •  Tempo di conta?o so?o carico (influenza lo scambio termico e quindi il raffreddamento

del pezzo – più il pezzo si raffredda maggiori sono le forze necessarie a deformarlo) •  Velocità di applicazione del carico (influenza il tempo di conta?o) •  Potenzialità o produKvità della macchina.


STAMPAGGIO E FUCINATURA


Lucidi di Tecnologia Meccanica Deformazione con magli o presse

Deformazione plastica con magli o presseDeformazione plastica con magli o presse

MAGLIO:� Deformazione plastica per urto (e. cinetica)� Rapida deformazione plastica�Mobile: MAZZA

Fissa: INCUDINE� Interfaccia: determina la geometria finale

PRESSA:� Deformazione plastica per compressione� Lenta deformazione plastica�Mobile: SLITTA

PARTE MOBILE

INTERFACCIAPEZZO

PARTE FISSA

Interfaccia: STAMPO (DIE)


STAMPAGGIO E FUCINATURA I Magli I magli sono cosGtuiG da una parte mobile (mazza) e una fissa (incudine). La deformazione plasGca del manufa?o avviene grazie all’energia cineGca della mazza. •  Magli a semplice effe6o (o a gravità): Il peso della mazza conferisce la necessaria energia

cineGca •  Magli a doppio effe6o (a vapore, ad aria compressa): il fluido in pressione conferisce

l’energia cineGca necessaria In queste due Gpologie di magli l’incudine è generalmente molto maggiore di quella della mazza

•  Magli a contraccolpo: l’incudine è sosGtuito da una seconda mazza mobile. Ciò porta ad un maggiore rendimento, ad una notevole diminuzione delle vibrazioni trasmesse, ad una maggiore produKvità. (minore precisione del pezzo o?enuto)


STAMPAGGIO E FUCINATURA Le presse Le presse sono macchine nelle quali un organo mobile (sli?a), dotato di un moto alternaGvo, è in grado di esercitare un certo sforzo sul pezzo in lavorazione durante la corsa aKva.

Si disGnguono:

Presse meccaniche ad eccentrico: sono basate sul cinemaGsmo biella-‐manovella; l’energia disponibile è accumulata in un volano e resGtuita al momento opportuno mediante l’innesto di un meccanismo a frizione. Sono dotate sempre di freno per evitare la ripeGzione del colpo. La lavorazione può essere eseguita se la forza richiesta è, in ogni istante, minore di quella disponibile (variabile in ogni punto della corsa) e se l’energia complessivamente disponibile è sufficiente per compiere il lavoro globale di deformazione (si noG che entrambi i criteri devono essere soddisfaK!).


STAMPAGGIO E FUCINATURA Le presse

Presse meccaniche a vite: la sli?a portastampo è collegata alla base di una grossa vite verGcale sulla cui sommità è cale?ato un volano sulla cui periferia è previsto del materiale da frizione. Due dischi solidali con un albero orizzontale sono disposG ai laG opposG del volano e, posG alternaGvamente in conta?o con quest’ulGmo, lo pongono in rotazione per a?rito. Ciò provoca la discesa del sistema con conseguente esecuzione del colpo.


STAMPAGGIO E FUCINATURA Le presse

Presse oleodinamiche: Il principio di funzionamento si basa sull’azione di pistoni idraulici. La massima forza in queste macchine è disponibile in qualsiasi punto della corsa della sli?a


STAMPAGGIO E FUCINATURA Nei pezzi di piccole dimensioni si preferisce l’uGlizzo del maglio, mentre nella produzione di pezzi di grandi dimensioni si preferisce l’uso delle presse.

In alcuni casi, a causa della relaGva fragilità del materiale, i pezzi non possono essere lavoraG al maglio per via delle elevate velocità di deformazione.





Deformazione plastica al variare del tipo di interfacciaDeformazione plastica al variare del tipo di interfacciaATTRITO

ATTRITO

ATTRITO

ATTRITO

ATTRITO

ATTRITO

INTERFACCIA = “STAMPO”

“APERTA”

“CHIUSA”

MAGGIORE ATTRITO (RIEMPIMENTO DELLO STAMPO)

LAVORO TOTALE : + LAVORO DI DEFORMAZIONE

LAVORO PER VINCERE L’ATTRITO





Alcuni processi di deformazione plasticaAlcuni processi di deformazione plasticaFUCINATURA:

� A CALDO

� FORMA APERTA

STAMPAGGIO:

� A CALDO O A FREDDO

� FORMA CHIUSA (STAMPO)

CONIATURA:

� A FREDDO

� FORMA CHIUSA (STAMPO) + PRECISIONE


STAMPAGGIO E FUCINATURA La fucinatura Il processo di fucinatura è un processo che generalmente si applica a prezzi di grandissime dimensioni nei quali non si hanno parGcolari richieste di finitura e precisione dimensionale (spesso si o?engono con post lavorazioni cara?erisGche dimensionali e di finitura oKmali). Le macchine sono montate con utensili molto semplici per effe?uare operazioni di schiacciamento, arrotondamento, piegatura, taglio, ecc.


STAMPAGGIO E FUCINATURA Lo stampaggio Nello stampaggio, un massello metallico è costre?o a riempire, grazie ad un’azione di compressione esercitata da un maglio o da una pressa, la cavità formata da due semistampi. Il massello subisce sia uno schiacciamento che un allargamento per poter riempire lo stampo. Il materiale in eccesso fuoriesce un apposito serbatoi ricavato nello stampo de?o canale di bava. Tale materiale viene poi asportato in lavorazioni successive.

La lavorazione viene normalmente effe?uata a caldo per limitare le forze generate e per favorire la deformabilità del greggio.

Lo stampaggio richiede la costruzione di stampi e l’uso di a?rezzature costose: è pertanto una lavorazione ada?a alle produzioni di grandi serie.


STAMPAGGIO E FUCINATURA Lo stampaggio Il processo di stampaggio tende ad accrescere le cara?erisGche meccaniche del pezzo; infaK un pezzo stampato ha in genere una stru?ura cristallina ‘fibrosa’ con grani allungaG che tendono a copiare la forma del pezzo stesso. Un analogo pezzo o?enuto in colata ha un orientamento dei grani del tu?o casuale. L’azione della pressione tende inoltre a compa?are ulteriormente il materiale eliminando micro-‐difeK interni. Per avere un riempimento oKmale dello stampo si privilegiano i seguenG fa?ori: -‐  Lavorare con materiali altamente deformabili -‐  Favorire lo scorrimento del materiale eventualmente anche con uso di lubrificanG -‐  Riscaldamento dello stampo -‐  Cercare di non lavorare con forme lunghe e soKli (il rapido raffreddamento di una tale

geometria diminuisce la deformabilità e la capacità di scorrimento del materiale).


STAMPAGGIO E FUCINATURA Anisotropia delle proprietà dei pezzi prodoK per stampaggio o fucinatura



Anisotropia del materiale deformato plasticamenteAnisotropia del materiale deformato plasticamenteANISOTROPIA MONODIREZIONALE

ANISOTROPIA ACCENTUATA NELLE ZONE A FORTECURVATURA


STAMPAGGIO E FUCINATURA La forza di stampaggio


STAMPAGGIO E FUCINATURA La forza di stampaggio Più nel de?aglio il valore di K va da 3 a 5 per forme semplici senza canale di bava; da 5 a 8 per forme semplici con canale di bava e da 8 a 12 per forme complesse. Si osservi che nelle valutazioni fa?e il termine “medio” si riferisce alla sezione del manufa?o, mentre tu?e le grandezze di deformazione e sforzo sono legate alla fase finale della deformazione di un cilindro che si considera equivalente al pezzo in lavorazione. Ciò in quanto la forza di stampaggio è massima nell’istante finale del processo.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Il problema presenta notevoli analogie con quanto visto riguardo ai procedimenG di produzione per fusione. Si tra?a di effe?uare, una serie di scelte e dimensionamenG che, nei casi più semplici, possono essere così riassunG: •  Scelta del piano di bava, ovvero del piano di divisione degli stampi •  Dimensionamento dei sovrametalli •  Dimensionamento di angoli di sformo e raccordi •  Dimensionamento del canale di bava •  Dimensionamento degli stampi (riGri) •  Impiego di sbozzaG intermedi •  Calcolo dei parametri di processo (forza, energia)



ProgeDazione nel processo di stampaggio Scelta del piano di bava E’ il problema analogo a quello della scelta del piano di divisione delle staffe nella lavorazione per fusione: si tra?a di risolvere il problema dei so?osquadri. La situazione è complicata dai seguenG faK: •  Non è possibile ado?are soluzioni proge?uali quali inserG mobili, ecc. •  La lavorazione degli stampi è costosa e quindi la geometria va oKmizzata tenendo

presente questo fa?ore (ad es., dove possibile, è conveniente lavorare solo uno dei due semistampi).

•  La scelta del piano di bava influenza la direzione della fibratura nel pezzo o?enuto e quindi la sua capacità di resistere alle sollecitazioni meccaniche

•  E’ possibile uGlizzare più piani di suddivisione del pezzo al fine di risolvere il problema dei so?osquadri



ProgeDazione nel processo di stampaggio



ProgeDazione nel processo di stampaggio Dimensionamento dei soprametalli I moGvi per l’adozione di opportuni sovrametalli sono i seguenG: •  Necessità di conferire parGcolari cara?erisGche alle superfici funzionali mediante

lavorazioni successive per asportazione di truciolo •  RiGri termici •  Perdite di metallo per ossidazione a caldo •  Compensazione di eventuali difeK di riempimento, delle tolleranze dimensionali Gpiche

del processo, dei difeK superficiali •  Generalmente il valore del sovrametallo da ado?are aumenta con le dimensioni del pezzo

ed i valori consigliaG sono riportaG in apposite tabelle presenG nelle norme di riferimento.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Angoli di sformo E’ consigliabile, per facilitare la fuoriuscita del pezzo dallo stampo ed il riempimento dello stesso (in quanto si aumenta la sezione per il flusso plasGco del materiale e si aumenta il suo volume e con esso la capacità termica), l’adozione di angoli di spoglia (o di sformo) per le superfici che, altrimenG, sarebbero perpendicolari al piano di bava. In generale tali angoli dovrebbero essere maggiori per le parG concave del pezzo, il cui distacco non è favorito, come in quelle convesse, dal riGro naturale del pezzo in fase di raffreddamento. In generale tali angoli possono variare da 6÷7 a 10 ÷12 gradi a seconda delle dimensioni dei pezzi e di quanto esse risultano allungate. Dal punto di vista dell’analisi economica valgono le considerazioni già fa?e: maggiore è l’angolo di spoglia e maggiore sarà probabilmente l’enGtà dei cosG delle lavorazioni di finitura e la quanGtà di materiale scartato.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Raccordi L’adozione di opportuni raggi di raccordo al posto degli spigoli vivi è fondamentale perché: •  Si facilita il flusso plasGco del materiale e quindi il riempimento dello stampo. •  Si evitano le concentrazioni di stress nello stampo e si prolunga, quindi, la sua vita. •  Si evitano le concentrazioni di stress nel pezzo finito e possibili fenomeni di sopradosso

(incollature)



ProgeDazione nel processo di stampaggio Canale di Bava Il canale di bava è una cavità praGcata sulla superficie dei due semistampi che circonda completamente l’impronta del pezzo. Le sue funzioni sono essenzialmente le seguenG: •  GaranGre il riempimento della cavità: quando il materiale, per effe?o dello

schiacciamento, fluisce nel canale di bava, si raffredda velocemente grazie al modesto spessore e quindi la sua plasGcità diminuisce. Si forma quindi, a?orno alla cavità, una corona di materiale freddo che si oppone al moto centrifugo di ulteriore materiale, favorendo lo scorrimento verGcale ed il riempimento della cavità.

•  Accogliere il materiale in eccesso. •  ConsenGre, mediante l’adozione di opportuni solchi, l’espulsione dell’aria. •  AmmorGzzare gli urG tra i due semistampi, diminuendo l’usura ed il pericolo di ro?ure.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Costruzione degli stampi Gli stampi vengono costruiG in acciai da utensili ad elevata resistenza alle alte temperature, all’usura ed agli shock termici. ParGcolare cura viene prestata dai produ?ori di acciai da stampi nel controllo delle impurezze presenG, in quanto ogni disconGnuità microstru?urale cosGtuisce un potenziale innesco di cricca. Viene inoltre posta parGcolare cura nell’assicurare l’assenza di tensioni interne nel materiale, le quali potrebbero comprome?ere la geometria delle cavità in seguito all’effe?uazione di successivi tra?amenG termici. Normalmente, sugli stampi finiG, viene effe?uato un tra?amento di bonifica uGlizzando forni ad atmosfera controllata per evitare reazioni chimiche superficiali (es.: ossidazioni) che porterebbero a perdite o a degrado del materiale. Talvolta, per aumentare la durata degli stampi, è consigliabile effe?uare opportuni tra?amenG superficiali (es.: nitrurazione, rivesGmenG PVD, ecc.) per aumentare la durezza superficiale –e conseguentemente la resistenza all’usura-‐ pur mantenendo elevata la tenacità del materiale bulk.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Costruzione degli stampi La finitura superficiale degli stampi è importante sopra?u?o per il contenimento dei valori del coefficiente di a?rito tra superficie delle impronte e materiale in fase di deformazione plasGca e, in ulGma analisi, per assicurare il corre?o riempimento delle cavità mantenendo basse le forze di stampaggio. L’adozione di rivesGmenG duri e la finitura superficiale sono, in questo senso, parGcolarmente benefici. Si ado?a spesso, per controllare la temperatura degli stampi, per contenere l’usura, per evitare l’adesione e ridurre l’a?rito, la lubrificazione delle superfici delle impronte mediante grafite, bisolfuro di molibdeno o altri prodoK adaK allo scopo. Le impronte vengono ricavate in genere mediante lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo, ado?ando, sempre più spesso sistemi integraG CAD-‐CAM o mediante altre tecniche quali l’ele?roerosione.



ProgeDazione nel processo di stampaggio Costruzione degli stampi Dato l’elevato costo degli acciai da stampi, si ado?a l’accorgimento di costruire con tali materiali solo il volume relaGvo all’impronta. Il resto dello stampo (sistemi di guide, di centraggio, a?acchi, ecc.) viene realizzato in normali acciai da costruzione che oltre a risultare meno costosi, sono anche più facilmente lavorabili. Stampi Sbozzatori E’ spesso necessario, al fine di eseguire una prefissata trasformazione, deformare il semilavorato iniziale in più passaggi. Ciò è de?ato da esigenze di: •  Corre?o riempimento dello stampo •  Corre?a disposizione delle fibre del materiale In ogni caso, tra le varie fasi di stampaggio, viene prevista -‐ a meno che il volume del pezzo e quindi la sua capacità termica non sia sufficiente -‐ una fase di riscaldamento intermedio, in modo tale da poter operare sempre in condizioni oKmali.


ESTRUSIONE E TRAFILATURA

L’estrusione è un processo di deformazione plasGca a caldo o a freddo che perme?e di o?enere prodoK (generalmente semilavoraG) anche di sezione complessa

In questo processo una bille?a o in generale un massello viene so?oposto ad una forza di compressione a?raverso una pressa orizzontale e obbligato a fuoriuscire da una MATRICE la cui sezione corrisponde a quella del prodo?o da realizzare.



Tale lavorazione viene impiegata prevalentemente per la trasformazione di leghe leggere ed o?oni, ma anche (a caldo) per gli acciai. La produKvità e le riduzioni di sezione o?enibili sono notevoli.

Il procedimento più comune è quello a caldo (400° ÷ 500° per leghe leggere, 900°÷1300° per gli acciai) a?uato mediante l’ausilio di apposiG lubrificanG (materiali vetrosi, grafite, bisolfuro di molibdeno, talco, ecc.). L’uso della temperatura consente di lavorare con minori forze, ma occorre fare a?enzione all’ossidazione a caldo dei metalli.


Lucidi di Tecnologia Meccanica Estrusione

EstrusioneEstrusione

A1

v1A2

v2

v1A1 = v2A2

CILINDROMATRICE

PISTONE

L’estrusione a freddo, pur comportando condizioni di lavoro più gravose, perme?e di o?enere migliori finiture superficiali e tolleranze dimensionali più ristre?e, nonché migliori cara?erisGche meccaniche in virtù dell’incrudimento introdo?o.



Si disGnguono solitamente due metodi di estrusione: -‐  Dire?a -‐  Inversa.



Estrusione Dire?a

Fase A: la forza cresce a causa dell’a?rito di primo distacco della bille?a dalle pareG della camera di estrusione e del progressivo riempimento di quest’ulGma. Fase B: la forza diminuisce perché diminuisce l’area della superficie di conta?o bille?a-‐camera e quindi la forza d’a?rito dinamico che è necessario vincere. Il moto del materiale è prevalentemente assiale

Il materiale non può essere completamente estruso a causa del notevole aumento della forza necessaria nella fase C, per cui: •  Si elimina una parte della bille?a •  Si inserisce in camera di estrusione un’altra bille?a e si prosegue l’estrusione. Questo

procedimento porta spesso alla necessità di scartare parte del prodo?o finito a causa di difeK di incollaggio.

Fase C: Il materiale fluisce radialmente, cosicché la superficie d’a?rito complessiva – e quindi la forza necessaria -‐ tende ad aumentare.



Estrusione Inversa

Fase A: la forza cresce a causa del progressivo riempimento della camera di estrusione (non vi è distacco tra materiale e pareG della camera). Il valore della forza raggiunta è minore che nel caso dell’estrusione dire?a Fase B: la forza si manGene pressoché costante. Fase C: Il materiale fluisce radialmente, cosicché la superficie d’a?rito complessiva – e quindi la forza necessaria -‐ tende ad aumentare.

Gli argomenG esposG porterebbero a concludere che, in ogni caso, sia favorevole ado?are la tecnica di estrusione inversa grazie, in parGcolare, alla minore enGtà della forza necessaria ed alla sua costanza nella fase di estrusione. Tu?avia bisogna tenere presenG i maggiori cosG legaG all’uso del pistone cavo ed alle conseguenG complicazioni nella macchina a?uatrice oleodinamica.



Matrice

Viene generalmente realizzata in acciaio da utensili ad alta resistenza (di cara?erisGche simili a quelle degli acciai da stampi) o in carburi sinterizzaG. Data la complessità della forma è quasi sempre necessario effe?uare la lavorazione della matrice, o perlomeno la sua finitura, mediante ele?roerosione. Generalmente la matrice è suddivisa in almeno tre zone: una di imbocco e riduzione, una di calibrazione ed infine una di uscita.



Matrice

Il dimensionamento effeKvo deve tenere conto fra l’altro: Nel caso di estrusione a caldo, dei riGri termici Nel caso di estrusione a freddo, del ritorno elasGco. In questo caso è importante prevedere una zona di raccordo all’uscita della matrice per evitare la formazione di criccature della medesima.



La trafilatura è una lavorazione per deformazione plasGca a freddo nella quale il materiale in lavorazione viene forzato a fuoriuscire da una matrice di sezione opportuna (filiera) mediante forze di trazione. La trafilatura viene considerata un’operazione di finitura in quanto le tolleranze dimensionali e le proprietà superficiali o?enibili sono eccellenG. Le proprietà del materiale risultante sono oKme grazie alla deformazione direzionale del grano e del grado di incrudimento introdo?o. A volte risulta necessario eseguire più passaggi di trafilatura in serie al fine di o?enere i diametri richiesG: in tal caso può essere necessaria una rico?ura intermedia del materiale. Fondamentale per la riuscita del processo è la lubrificazione, effe?uata depositando un film di materiale opportuno (grasso, olio, saponi) sulla superficie della vergella prima dell’ingresso in filiera.



Il Gpico profilo di una filiera prevede qua?ro zone simili a quelle di una matrice da estrusione: -‐  a Zona di imbocco -‐  b zona conica di trafilatura -‐  c zona cilindrica di calibrazione -‐  d cono di uscita del trafilato La filiera deve avere elevata resistenza all’usura e a compressione; si uGlizzano molto spesso acciai per utensili e carburi sinterizzaG (in questo caso la filiera vera e propria viene inglobata in una matrice metalliche). Un importante limite da considerare è quello secondo cui la forza di trafilatura deve essere tale da non causare lo snervamento del materiale:



Dalle condizioni di equilibrio su un elemento infinitesimo di materiale che è so?oposto a trafilatura si può ricavare l’equazione che fornisce il valore della tensione di trafilatura

A questo va poi aggiunto il contributo della deformazione interna del materiale che empiricamente può essere sGmato con la seguente relazione:

Lo sforzo sulla sezione d’uscita è funzione crescente del rapporto di riduzione: esisterà pertanto un valore limite per tale parametro al di sopra del quale il materiale, all’uscita, si deformerà plasGcamente per lo sforzo di trazione necessario.



Il valore di tale sforzo, com’era da aspe?arsi, è funzione decrescente del coefficiente d’a?rito. Il valore dello sforzo di trazione diminuisce all’aumentare di α. Sembrerebbe quindi conveniente operare con valori di α grandi (in effeK in tale modo la superficie della filiera in conta?o con il materiale è più piccola e quindi più piccole sono le forze d’a?rito generate). Purtroppo bisogna tenere presente che, all’aumentare di α, aumentano gli sforzi legaG alle deformazioni interne del materiale. Esisterà dunque un valore dell’angolo α oKmo per ogni valore del rapporto di riduzione tale che lo sforzo generato sarà minimo.


Lavorazione delle lamiere

La gamma e la diffusione di prodoK derivanG dalla lavorazione delle lamiere sono molto vaste (se?ore automobilisGco, ele?rodomesGci, ecc.). I processi più importanG e che verranno consideraG sono: •  Tranciatura •  Piegatura •  ImbuGtura

Tranciatura (o Punzonatura) Con l’operazione di tranciatura è possibile o?enere figure geometriche piane ritagliandole, da un nastro o da un foglio di metallo. La lavorazione si esegue alla pressa secondo il principio illustrato in figura. Si osservi la presenza degli angoli di spoglia, i quali perme?ono la libera caduta dello sfrido.



Tranciatura (o Punzonatura) Tra punzone e matrice deve esserci un gioco sufficientemente grande da evitare eccessivi sforzi di tranciatura, ma non tanto da provocare deformazioni eccessive del materiale lavorato (bave). In genere il gioco aumenta all’aumentare dello spessore della lamiera e all’aumentare della resistenza meccanica del materiale. La forma del manufa?o dipende quindi dalla forma di punzone e matrice. Tale operazione molto spesso è la prima di un ciclo che prevede poi ulteriori fasi come piegatura e imbuGtura. La forza di tranciatura si può valutare, de?o l il perimetro del contorno tranciato, s lo spessore della lamiera e τ la resistenza specifica al taglio, (approssimaGvamente 4/5 del valore di σuts), come:



Tranciatura (o Punzonatura) La forza, in realtà, varia durante il processo, in quanto il punzone inizialmente penetra nella lamiera e la deforma (forza crescente) dopodiché si forma una fra?ura ed il punzone spinge lo sfrido finché esso cade (forza calante e costante una volta avvenuto il completo distacco e fino alla caduta dello sfrido). Il prodo?o o?enuto presenta sempre dei difeK, facilmente spiegabili pensando alla modalità di esecuzione del processo.



Piegatura L’operazione di piegatura segue Gpicamente quella di tranciatura; essa perme?e di o?enere elemenG la cui forma deve corrispondere ad una superficie geometricamente sviluppabile in piano. Essa consiste nel so?oporre la lamiera a flessione nel campo delle deformazioni plasGche. Nel proge?are le matrici di piegatura è necessario tenere presente il ritorno elasGco del materiale: i valori correKvi sono catalogaG in funzione della geometria che si intende o?enere e del materiale lavorato. Si osservi che il raggio di curvatura o?enibile ha un limite minimo, al di so?o del quale l’allungamento delle fibre tese del materiale in lavorazione diventa tale da provocarne la fra?ura. Il calcolo delle forze di piegatura si esegue semplicemente considerando le lamiere come travi che risultano appoggiate o incastrate a seconda del sistema di piegatura uGlizzato.



Piegatura



Piegatura Il caso a) può essere visto come una flessione su tre punG

Valida se l vale 6-‐12 volte s e il raggio di curvatura è pari allo spessore o al massimo il doppio dello spessore Il caso b) invece può essere visto come una trave incastrata; pertanto:



ImbuLtura E’ una lavorazione effe?uata Gpicamente alla pressa che consente di o?enere oggeK cavi a parGre da lastre piane madianite deformazione a freddo in zona di plasGcità. Per evitare la formazione di pieghe nella lamiera si dispone, sopra la medesima, un premilamiera che la solleciG con un opportuno carico di compressione contro la matrice. A causa delle complesse sollecitazioni che si sviluppano nel materiale durante l’imbuGtura il pezzo non mostra spessori omogenei e costanG nel passare dalle pareG al fondo dell’ogge?o imbuGto

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