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Sheet Metal Forming

Tecnologie Industriali

Department of Mechanical, Energy and Management Engineering - University of Calabria

2Sheet Metal Forming

INTRODUZIONE

Anisotropia delle lamiere

Processo di tranciatura

Formabilità delle lamiere

Processo di piegatura

Processi di imbutitura

Processi innovativi (Spinning, Hydroforming,

Incremental forming, ecc.)



ANISOTROPIA DELLE LAMIERE Le lamiere sono ottenute mediante il processo di laminazione

Prima di questo processo le caratteristiche del materiale possono essere

considerate isotrope, con i grani cristallini orientati in modo casuale nello spazio

Per effetto della deformazione plastica i cristalli vengono orientati secondo

direzioni cristallografiche ben precise


Rolling Process

Sheet Metal

Deep Drawing

Bending Process

Shearing

Product


ANISOTROPIA DELLE LAMIERE

Indicando con el, ew ed et rispettivamente le deformazioni lungo la

direzione della lunghezza (direzione di laminazione), della

larghezza e dello spessore del provino sottoposto a trazione, il

rapporto

R = ew / et = ln (w0/wf) / ln (t0/tf) = ln (w0/wf) / ln (wflf / w0l0)

è definito come indice di anisotropia normale




Occorre far rilevare che la somma delle tre deformazioni deve essere

eguale a zero, dovendo essere in ogni caso soddisfatta la condizione di

invariabilità del volume che governa i processi per deformazione

plastica

Se il materiale presenta caratteristiche isotrope non vi è alcuna ragione

per cui le deformazioni nel senso della larghezza e dello spessore

debbano essere tra di loro diverse: si avrà quindi ew=et=0.5el ed R=1

Se invece le caratteristiche del materiale sono anisotrope le due

deformazioni lungo la direzione della larghezza e dello spessore saranno

diverse ed il valore di R sarà diverso dell’unità




In conseguenza di ciò se si ricavano dalla lamiera alcuni provini orientati

secondo direzioni diverse rispetto alla direzione di laminazione (ad esempio a 0°,

a 45° ed a 90°) e si effettuano su di essi prove di trazione, i risultati ottenuti

con riferimento al modulo di Young, alla tensione di scorrimento, alla

tensione di rottura ed all'allungamento percentuale a rottura

risulteranno anche significativamente diversi



ANISOTROPIA DELLE LAMIERERipetendo le prove su provini orientati a 0°, 45° e 90° rispetto alla direzione di laminazione,

le condizioni che possono verificarsi sono riconducibili alle quattro seguenti tipologie:

1. R0 = R45 = R90 = 1

in questo caso il materiale presenta caratteristiche completamente isotrope,indipendentemente dalla direzione lungo la quale è stato tagliato il provino

2. R0 = R45 = R90 1

in queste condizioni il materiale presenta anisotropia normale (la deformazione nelladirezione dello spessore è infatti minore o maggiore rispetto a quella nella direzione dellalarghezza del provino), ma non anisotropia planare: il valore di R, infatti, non dipendedall'angolazione del provino rispetto all'asse di laminazione

3. R0 R45 R90

è il caso in cui il materiale esibisce anche anisotropia planare, condizione alla quale ètipicamente associata, nel caso dell'imbutitura assialsimmetrica, la formazione di orecchie

4. R0 R45 R90 1

si tratta del caso più generale, in cui il materiale presenta sia anisotropia normale cheplanare




Alla luce della possibile contemporanea presenza di fenomeni di anisotropia normale e

planare, si suole definire un indice medio di anisotropia normale nella forma:

Rm = (R0 + R90 + 2R45) / 4

mentre una efficace misura della anisotropia planare è data dal parametro:

DR = (R0 + R90 - 2R45) / 4

E' evidente che nel caso di materiale completamente isotropo Rm=1 e DR=0,mentre un materiale che esibisca anisotropia normale, ma non anisotropia nel pianodella lamiera, sarà caratterizzato da:

Rm = R0 = R45 = R90 1 e da DR=0

In generale un acciaio laminato a freddo presenta un valore dell'indice medio dianisotropia normale compreso tra 1 ed 1.35, mentre per le leghe di alluminio sihanno valori di solito inferiori all'unità



PROCESSO DI TRANCIATURA


Punzoni di Tranciatura

Tranciatura

Lamiera Tranciata

È un’operazione in grado di tagliare sezioni piane prefissate di lamiera in quadrotti o nastri

Viene eseguita su una pressa grazie ad uno stampo composto da due parti:2) matrice vincolata alla tavola porta pezzo3) punzone solidale con la parte alta della pressa

Il punzone penetra nella lamiera e la attraversa asportando un profilo di materialedi sagoma pari alla sezione del punzoneLa parte asportata, attraverso un foro nella parte fissa della pressaviene raccolta come sfrido nella parte bassa della pressa per essereevacuato


VIDEO TRANCIATURA




La tranciatura costituisce un tipo assai particolare di lavorazione per deformazione

plastica nella quale, alla fase di formatura propriamente detta, segue la frattura e, quindi,

il distacco del pezzo tranciato dalla lamiera originaria.

Il parametro fondamentale per il controllo del processo è il gioco “g” tra matrice e

punzone che deve crescere se:


la lamiera è di spessore elevatola resistenza a trazione del materiale è elevata


Principio della TRANCIATURA


Si parla di tranciatura quando il pezzo tagliato è il prodotto e la parte rimanente è lo sfrido

Si parla invece di punzonatura quando la lamiera forata è il prodotto e lo sfrido è invece laparte asportata


Tranciatura Vs. Punzonatura


Dimensionamento:1) Nella punzonatura il diametro del foro è stabilito dal punzone e la matrice deve essere

maggiorata di 2g2) Nella tranciatura le dimensioni del pezzo sono quelle dalla matrice ed il punzone dovrà

essere ridotto di 2g

L’usura dello stampo può comportare:a) aumento giochi matrice-punzoneb) arrotondamento degli spigoli taglientic) scheggiatureLa deriva di tali fenomeni può portare progressivamente allo scarto dei pezzi tranciati


Fasi della TRANCIATURA



Sezione Tipica Pezzo Tranciato


La sezione del tondello tranciato presenta unamorfologia tipica caratterizzata da:1) Uno spigolo arrotondato caratteristico della

superficie opposta a quella ove interviene il punzone2) Una zona liscia nel tratto opposto a quello delpunzone che ha strisciato sulla matrice al momento deldistacco3) Una zona rugosa esemplificativa del fenomeno difrattura4) Uno spigolo rivolto verso il punzone presentantebave


Fasi di TRANCIATURAMECCANISMO DI FRATTURA

Meccanismo Ottimale: le duelinee di frattura convergono in unpunto

Problema terza linea di frattura:le due linee di frattura culminano suun’altra linea (pessima finiturasuperficiale: STRAPPAMENTO!!)

1° Deformazione Plastica 2° Rottura



Problema legato al ritorno elastico TRANCIATURA



Forza nella TranciaturaCARICO NECESSARIO PER ESEGUIRE IL PROCESSO

DI TRANCIATURA

spP r

r = 0.5 sr

p il perimetro della geometria da tranciares lo spessore della lamiera

Dal momento che il processo non genererà condizioni esclusive di taglio puro, alcuniautori proposero delle relazioni empiricamente diverse, quali r = 0.7 sr


La forza di tranciatura è influenzata dal tipo dipunzone e di matrice, è variabile durante ilprocesso e massima al momento della frattura

Carico Teorico


PROCESSO DI TRANCIATURA FINE


È realizzabile su presse apposite e consente di evitare costose operazioni di finitura su pezzi che necessitano di un certo grado di precisione (tolleranze dell’ordine di 0,025 mm).

È praticabile su presse apposite dotate di: a) Premilamiera;b) Punzone con punto morto inferiore regolabile c) Contropunzone di estrazione

In questo caso il gioco tra punzone e matrice èridotto a valori molto contenuti, tipicamente pariall’1% dello spessore della lamiera


FORMABILITA’ DELLE LAMIERE

Durante la fase di progettazione di un qualsiasi processo industriale, nasce l’esigenza di avere informazioni in merito alla

formabilità della lamiera



FORMABILITA’ DELLE LAMIERE

Tipologie diverse di tests

Test intrinseco: misura diretta delle caratteristiche del materiale riconducibili allaformabilità.

Test simulativo: sottoporre il materiale ad una deformazione che riproduce in parte il casoreale. (Erichsen- Olsen, etc.)


Prova di trazione Durezza


TEST DI ERICHSEN – OLSEN

Svantaggi:

meccanismo di deformazione

presenza attrito (non c’è nel bulge test – liquido in pressione)

stretching assialsimmetrico


Lamiera incastrata con un premilamiera (P=1 ton)

Foro matrice D=27mm

Punzone d=20mm (lubrificato)

Deformazione biassiale e bilanciata

Raggiunto una corsa del punzone, la lamiera rompe

La corsa registrata è il numero di Erichsen


DOME TEST

E’ la prova sperimentale che consente di costruire il forming limit diagram (FLD), particolare

diagramma che esprime il campo di formabilità di un materiale



FORMING LIMIT DIAGRAMS

Dopo la prova, i cerchi si trasformano in ellissi. La direzione

delle deformazioni è indicata dall’asse maggiore e minore

dell’ellisse



COSTRUZIONE DEI FORMING LIMIT DIAGRAMS

E’ necessaria l’esecuzione di una serie di prove di imbutitura su fogli di lamiera rettangolari di

dimensione variabile



COSTRUZIONE DEI FORMING LIMIT DIAGRAMS

Risultati:

Biaxial Minor strain>0 Minor strain<0Minor strain=0




Necked Points

Safe Points

Necking affected points



PROCESSO DI PIEGATURA La piegatura è una delle operazioni tecnologiche più diffuse che consente di ottenere una

lamiera con un desiderato raggio di curvatura per i successivi impieghi (costruzione di

serbatoi, tubi saldati, profilati ad “L”, ecc..)

Consiste nella deformazione plastica di una sezione di spessore s secondo un angolo a per

l’azione di un punzone di raggio Rp



Tipi DI PIEGATURA Esistono due tipi di piegatura:

1) Libera ovvero senza l’uso di uno stampo specifico, bensì solo mediante l’appoggiatura della

lamiera su dei supporti e l’azione deformante di un punzone

2) In stampo nel momento cui la sagoma non è banale e necessita di uno stampo vero e

proprio composto da matrice e punzone (con o senza premilamiera)



PROCESSO DI PIEGATURA

Tuttavia occorre aver presente che le deformazioni provocate dagli organi operatori è la

somma di una parte elastica e di una parte plastica, solo quest’ultima, ovviamente, di tipo

permanente

Il ritorno elastico del materiale, una volta cessata l’azione del punzone dipende da molteplici

fattori quali:

1) Tipo di materiale e suo stato di lavorazione

2) Tipo di piegatura attuata

3) Pressione esercitata (coniatura, etc…)

4) Raggio di piegatura Rp

5) Velocità di deformazione


coniatura

Volendo, ad esempio, ottenere un piego conun angolo a’ occorrerà costruire l’attrezzaturaadatta all’esecuzione di un angolo a minore dia’ (tecnica dell’overbending)


Stato di sollecitazione - PIEGATURA


La lamiera deformata presenta due lati soggetti a sollecitazioni opposte:1) lato vicino al punzone soggetto a forze di compressione2) lato opposto soggetto a sollecitazioni di trazione

Esiste una fibra interna detta neutra in quanto non soggetta ad alcuno stato disollecitazione


Parametri di PIEGATURA I parametri fondamentali della piegatura sono:

1. Il raggio massimo di piegatura “Rmax” è quello al di sopra del quale la lamiera,una volta scaricata, torna nella posizione originale, avendo subito solo deformazionielastiche

2. Il raggio minimo di curvatura “Rmin”, di converso, è il raggio al di sotto del qualela zona più sollecitata della lamiera cede strutturalmente

La deformazione, nel caso della piegatura, non è costante lungo

la sezione: vi sarà una zona a deformazione negativa (quella

interna) in corrispondenza delle fibre compresse, una zona in cui

le fibre non subiranno allungamenti (asse neutro) ed una zona a

deformazione positiva in corrispondenza delle fibre tese

La deformazione lungo la sezione è indicata dal rapporto:

e = y / R

dove “y” è la distanza dall’asse neutro ed “R” il raggio dicurvatura

appare chiaro che il raggio massimo di curvatura è quelloche fa raggiungere il limite elastico alle fibre più sollecitate chesono poste in corrispondenza di y = t / 2



Lo studio può essere effettuato ricorrendo all’analogia con

il caso di carico monoassiale (tipo prova di trazione)

Si ha deformazione plastica quando si supera la

deformazione (ey) corrispondente alla tensione di

snervamento (sy)

Il raggio minimo di curvatura è quello che fa raggiungere il limite di rottura alle fibre più

sollecitate. Lo studio si riconduce ancora al caso monoassiale considerando che si ha la

rottura quando le fibre superano l’allungamento percentuale critico A%:

ER

t y

y

se

max2 y

tER

s2max

100

%

2 min

A

R

t

%

50min

A

tR

E’ possibile, almeno teoricamente, ripiegare la lamiera su se stessa se viene soddisfatta la

condizione: Rmin <= t/2

In realtà, ciò è possibile solo per piccoli angoli di piegatura, ossia quando l’asse di simmetria

coincide effettivamente con l’asse neutro


Parametri di PIEGATURA


Carico nella PIEGATURA

Il carico necessario per la piegatura della lamiera viene calcolato mediante la seguente

espressione:

dove k è un’opportuna costante che dipende dal tipo di piegatura desiderata (ad “U”, a “V”,

ecc.), w è la larghezza della lamiera, l rappresenta la distanza tra gli appoggi della matrice, s

è lo spessore ed infine σ0 è la tensione di snervamento del materiale della lamiera

l

swkP

2

0 s



PIEGATURA in più passaggi



PROCESSO DI IMBUTITURA L’imbutitura può definirsi l’operazione mediante la quale un laminato piano viene trasformato

in una geometria tridimensionale. Si pensi, ad esempio, al disco di lamiera che diviene il

corpo di una pentola da cucina

L’imbutitura utilizza ampiamente le proprietà plastiche del materiale, chiamato a subire

profonde deformazioni senza raggiungere la rottura



Variabili nell’IMBUTITURA

Le variabili significative che ci interessano nell’imbutitura sono:• proprietà della lamiera• rapporto tra il diametro del pezzo di lamiera da formare e del punzone• spessore della lamiera• il gioco tra punzone e stampo (o stampo e controstampo, punch and die)• il raggio di curvatura degli spigoli di stampo e controstampo• la forza sui blocchi di trattenimento• attrito e lubrificazione di punch, die e interfaccia pezzo• velocità del punzone



Stato tensionale - IMBUTITURA


Da un punto di tensionale:

il fondo del bossolo è sottoposto ad uno stato di tensione biassiale bilanciato le pareti laterali ad intense tensioni assiali di trazione sulla flangia, sulla parte cioè della lamiera ancora piana che non ha iniziato a

fluire all'interno del foro della matrice, è presente uno stato tensionalecaratterizzato da tensioni radiali di trazione e tensioni circonferenziali dicompressione. La flangia è infatti tirata radialmente verso il foro della matriceed è, pertanto, costretta ad una continua riduzione di diametro


Difetti nell’IMBUTITURA formazione di grinze circonferenziali nella flangia

La flangia è infatti soggetta a tensioni circonferenziali di compressione che determinanoin ogni caso un ispessimento della flangia stessa. Se tali tensioni raggiungono un livellosufficientemente elevato e se la rigidezza della lamiera (evidentemente legata allospessore ed alle caratteristiche meccaniche) non è sufficiente, possono determinarsifenomeni di instabilità plastica che determinano la formazione di grinze



Grinze nell’IMBUTITURA

Premilamiera per evitare formazione delle grinze L'utilizzo del premilamiera deve, d'altra parte, tenere conto di alcune limitazioni per

quanto riguarda l'entità della pressione da quest'ultimo esercitata sulla lamiera Infatti, una pressione eccessiva potrebbe ostacolare il flusso radiale della flangia verso il

foro della matrice fino ad un completo arresto dello stesso. In tali condizioni - cosiddette di stretching - il movimento del punzone avviene a spese

dello spessore della lamiera che pertanto subisce un progressivo assottigliamento finoalla rottura



Difetti nell’IMBUTITURA

Frattura del componente Il carico viene applicato dal punzone sul fondo del bossolo e trasmesso alla restante

lamiera attraverso le pareti laterali. Pertanto, il raggio di raccordo in corrispondenza delfondo dell’imbutito risulta essere la zona maggiormente stressata e, quindi, la zona dovefratture duttili possono verificarsi.



Parametri di processo - IMBUTITURA I parametri fondamentali per il controllo del processo sono:

pressione (p) sul premilamiera, variabile tra 1-1.5% della tensione di snervamentodel materiale in lavorazione

rapporto tra diametro iniziale lamiera (D0) e diametro punzone (Dp), dettoappunto rapporto d’imbutitura (LDR), che giunge, in condizioni normali, sino a valori di1.8-2 per acciai da imbutitura e 1.7 per alluminio

condizione di lubrificazione, la quale deve molto efficace tra lamiera e premilamierae tra lamiera e matrice, mentre conviene non che non vi sia lubrificante tra punzone elamiera, in modo da favorire l’azione di trascinamento della lamiera da parte dellasuperficie cilindrica del punzone riducendo al quanto gli sforzi sul colletto



Parametri di processo - IMBUTITURA I raggi di raccordo del punzone e della matrice

raggi di raccordo troppo ristretti possono condurre al pericolo della tranciatura od, inogni caso, impongono una piegatura troppo severa alla lamiera.

Raggi di raccordo troppo ampi, d'altro canto, lasciano molta lamiera non guidata e si puòmanifestare il pericolo del puckering, cioè della formazione di grinze tra il punzone e lamatrice

La relazione normalmente utilizzata nella pratica per quanto riguarda il raggio diraccordo della matrice è quella proposta da Kaczmarek

nella quale D0 e Dp sono rispettivamente il diametro iniziale della lamiera ed ildiametro del punzone, s è lo spessore della lamiera e K è una costante adimensionaleil cui valore dipende dal materiale impiegato ed è di norma di poco inferiore all’unità

sDDKR p0d



Parametri di processo - IMBUTITURA il gioco tra matrice e punzone (g); anche in questo caso il valore ottimo del

gioco deriva dal compromesso tra il pericolo di formazione di ondulazioni sullepareti laterali dell’imbutito dovuto alla mancata guida del materiale ed il rischio diassottigliamento (ironing) ancora una volta per la scelta del gioco si ricorre a formule euristiche tra le quali

particolarmente valida è risultata la seguente:

essendo C una costante che vale 0.07 per gli acciai e 0.02 per le leghe di alluminio Infine, nel caso di lamiere circolari, una valida stima del carico totaled’imbutitura è ottenibile dalla relazione sperimentale:

dove sr è la tensione di rottura del materiale della lamiera ed s il suo spessore

s10Csg

7.00

p

rpD

DsDP s



IMBUTITURA - Verifica di Fattibilità Procedura per verificare se il componente

finale desiderato può essere ottenuto in ununico passaggio di imbutitura o se è invecenecessario suddividere il processo dideformazione in più passaggi

confrontare il valore del rapporto D0/Dp (D0 èil diametro iniziale (primitivo), mentre Dp è ildiametro del punzone che evidentementecoincide con il diametro dell’imbutitodesiderato) con il rapporto limite diimbutitura prima descritto

Se D0/Dp < LDR l’operazione di imbutiturapuò essere eseguita in un solo passaggio,con un solo stampo, senza che la lamieravenga sollecitata al limite di rottura

se, invece, D0/Dp > LDR, sarà necessarioeseguire un treno di imbutiture suddividendola deformazione totale in più passaggi



Legame tra LDR e Rm



PROCESSO DI IMBUTITURA

Alcune volte, per superare i limiti legati alrapport limite di imbutitura, vengonoprogrammati una serie di processi di imbutitura

Per esempio, una forma a piramide:

Aumento progressivo dell’angolo di imbutitura , f



PROCESSO DI IMBUTITURA

In conclusione…

Vantaggi

Svantaggio

+ Velocità di Produzione elevata

+ Produzione di scala

+ Conoscenza elevata del processo

- Alto costo delle attrezzature

- Bassa Flessibilità

- “time to market” elevato

Nuove soluzioni…



Processi Flessibili

Deep DrawingProcess

Spinning

Hydroforming

IncrementalForming

Time

Tecnical Flexibility



Spinning



SPINNING

Molte parti simmetriche possono essere fatte di Spinning



Processi Flessibili

Deep DrawingProcess

Spinning

Hydroforming

IncrementalForming

Time




Hydroforming



HYDROFORMING

CLASSIFICAZIONE:

Hydroforming di Lamiere


Hydroforming di Bilamiere

Hydroforming di Tubi


HYDROFORMING



HYDROFORMING PROCESS

Bollitore in acciaio Forcella motocicletta

Spillatore per birraElemento del sistema di scarico



Processi Flessibili

Deep DrawingProcess

Spinning

Hydroforming

IncrementalForming

Time




Incremental Forming



INCREMENTAL FORMING

Introdotto agli inizi degli anni novanta con l’obiettivo di sviluppare un’alternativatecnologica altamente flessibile che consentisse la produzione di particolari dalla formacomplessa eliminando la presenza di uno stampo dedicato

IDEA DI BASE:

L’idea è quella di ottenere la forma desiderata attraverso il movimento progressivo di unutensile deformatore



INCREMENTAL FORMING

Industria Automobilistica

Industria Ferroviaria


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