Classe 3^ - UdA n° 3: Metodi di fabbricazione - Lavorazioni delle lamiere
LAVORAZIONI DELLE LAMIERE
L’impiego delle lamiere, come materiali grezzi per la produzione di pezzi meccanici, é molto
esteso: i laminati sottili, in fogli o in rotoli o in nastri, superano il 50 % dell’utilizzazione
dell’acciaio nel mondo.
La tabella UNI 5866 prevede cinque qualità di lamiera, dalla Fe P 00 alla Fe P 04. Dalla prima
all’ultima l’acciaio ha carichi di rottura che diminuiscono, così pure la durezza, mentre aumenta
l’allungamento, risultando così capace di sopportare stampaggi via via più difficili.
Molto utilizzata per la designazione degli acciai per lamiere è la designazione americana AISI.
Tra le principali lavorazioni della lamiera ricordiamo il taglio (o cesoiatura), la
tranciatura/punzonatura, la piegatura, l’imbutitura, lo stampaggio. Il taglio può essere effettuato
anche mediante laser, plasma e water jet.
1) Taglio
Viene eseguito per mezzo di cesoie che, superando la resistenza del
materiale, recidono la lamiera secondo il piano in cui scorrono i taglienti.
Per evitare che gli spigoli taglienti delle lame (o coltelli) si incontrino
dopo aver eseguito il taglio, le lame sono montate in maniera che gli
spigoli taglienti scorrano, durante il lavoro, in due piani paralleli. Anche
se la distanza tra tali piani è limitata (qualche decimo di millimetro), le
due forze F applicate alle lame agiscono sempre con un braccio di leva e
pertanto la lamiera, oltre che al taglio, è sottoposta ad una coppia che
tende ad incurvare la lamiera stessa. Il materiale in
lavoro è quindi soggetto ad una sollecitazione composta
di taglio e flessione (essendoci gioco tra le lame).
Gli angoli caratteristici delle lame dipendono dalla
durezza del materiale da tagliare e dalla qualità del
materiale della lama. In genere, per lame di acciaio al
carbonio impiegate per il taglio di lamiera di acciaio
dolce, si adotta:
-
angolo di rilievo α = 4°
angolo di taglio β = 80°
angolo di spoglia superiore γ = 6°
La somma dei tre angoli è di 90°.
Le velocità di taglio sono limitate: 1 ÷ 3 [m/min].
Sforzo occorrente per il taglio
Lo sforzo occorrente per il taglio dipende dalla durezza del
materiale da tagliare e dalla sezione della lamiera (spessore e
lunghezza).
Le cesoie possono essere o a lame parallele o a lama inclinata.
Nel caso di cesoia a lama parallela, lo sforzo occorrente per il taglio
è dato dal prodotto della sezione tagliata per lo sforzo unitario di
taglio:
T = S · σt = a · s · σt [N]
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dove σt ≈ 1,6 · Rm per tener conto di flessione ed attrito (normalmente è σt ≈ 0,8 · Rm) con Rm il
carico di rottura (resistenza a trazione) del materiale da tagliare.
Si può assumere:
σt = 650 [N/mm2] nel caso di acciai dolce
σt = 1000 [N/mm2] nel caso di acciai duri
σt = 270 [N/mm2] nel caso di leghe leggere
Nel caso di cesoia a lama inclinata (o a ghigliottina) lo
sforzo occorrente per il taglio é circa un quarto di quello
necessario nel caso di cesoia a lama parallela:
T = 0,25 · S · σt = a · s · σt [N]
Essendo a = s/ tgλ, per λ = 10° si ha:
T = 1,4 · s2 · σt
Le lame sono normalmente costruite in acciaio speciale (X 200 Cr 13) e sono temprate (durezza
≈ 60 HRC) e rettificate sulle facce di taglio.
Lo spessore massimo di taglio dipende dalla potenza della macchina.
2) Tranciatura e Punzonatura
Consiste nel taglio di una lamiera che si estende simultaneamente o progressivamente ad una
linea chiusa avente la forma degli utensili impiegati: punzone e matrice.
Si parla di “tranciatura” nel caso
della produzione di dischi (la lamiera
residua è “sfrido”); si parla di
“punzonatura” nel caso della produzione
di lamiere forate (i dischi residui sono
“sfridi”).
Nella punzonatura, la matrice ha le
dimensioni richieste; il punzone è più
piccolo di una quantità pari al gioco.
Detto d il diametro del foro:
Dm = Dp + g · s
Dp = d + toll
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Nella tranciatura, il punzone ha le dimensioni richieste; la matrice è maggiorata del gioco:
Dm = d + toll
Dp = Dm – g · s
Il valore del giuoco, che dipende dalla qualità della lamiera e dallo spessore da recidere, si può
calcolare mediante formule. Per tranciature ordinarie, si può assumere:
Spessore s [mm]
0,3 ÷ 3,0
3 ÷ 10
10 ÷ 25
Gioco unilaterale in %
dello spessore
3÷6
6 ÷ 10
10 ÷ 15
In generale, si può assumere un giuoco g = (0,05 ÷ 0,12) • s.
Con le moderne macchine a CN si possono raggiungere tolleranze dell’ordine dei 3 centesimi di
mm.
Lamiera forata e disco tranciato non possono essere contemporaneamente “pezzo finito” in
quanto non è possibile ottenere precisione e buona finitura nel disco e nel foro
contemporaneamente.
Nel caso di attrezzature per punzonatura o
tranciatura, per impedire che, per effetto dell’attrito,
il punzone trascini la lamiera, é bene che la
macchina sia provvista di un apposito anello o
“disco premilamiera”, avente il compito di
mantenere il bordo del pezzo da tagliare aderente
alla matrice finché dura l’azione del punzone.
Per rendere possibile il movimento relativo tra
punzone e matrice deve esistere un certo gioco,
uguale lungo tutto il perimetro di taglio.
Punzone e matrice, costruiti in acciaio speciale
trattato, devono essere accuratamente rettificati;
inoltre per favorire il distacco della lamiera, la
matrice viene spogliata di un angolo (dipendente
dalla durezza del materiale da punzonare) che varia in media sa 1° a 2°.
Utensili per tranciare
Si possono così classificare:
-
-
utensili piani: l’estremità del punzone è piana e perciò, durante la
tranciatura, incontra contemporaneamente
la lamiera in tutto il suo contorno.
Utensili ad angolo: l’estremità del punzone
taglia gradualmente il pezzo di lamiera ed
esercità perciò una forza minore rispetto a
quella esercitata dall’utensile piano.
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La tranciatura con l’utensile ad angolo avviene nel tratto di corsa del punzone che inizia
quando il punto A tocca la lamiera e termina quando il punto B ha attraversato tutto lo spessore
della lamiera stessa. Con riferimento alla figura, la lamiera viene recisa nel tratto di corsa c = a + s.
Corsa attiva del punzone
La rottura ed il conseguente distacco della
lamiera avvengono per una corsa attiva c del
punzone inferiore allo spessore della lamiera.
In generale è:
c = 0,6 • s per materiali tenaci
c = 0,4 • s per materiali duri
Sforzo richiesto per la recisione
Lo sforzo necessario per effettuare il taglio “chiuso” è:
F = l · s · σt [N]
dove l è il perimetro del foro, s è lo spessore della lamiera e σt è il carico unitario di rottura a taglio.
L’azione di taglio avviene avviene contemporaneamente su tutto il profilo del tagliente del
punzone. Lo sforzo aumenta progressivamente durante il primo tratto della corsa di lavoro del
punzone ed il materiale, sottoposto ad una sollecitazione di compressione, subisce una
deformazione plastica.
Nel secondo tratto della corsa del punzone, raggiunto il carico di rottura a taglio del materiale,
si ha il distacco del pezzo.
Nella realtà, tenendo conto degli attriti, dei giuochi tra matrice e punzone, dello stato di
affilatura del punzone, lo sforzo reale è maggiore e assumibile a:
Fr = 1,5 • F [N]
Con l’utensile ad angolo, lo sforzo massimo di taglio è ridotto perché il contorno viene tagliato
progressivamente:
F’r < Fr
Aumenta però la corsa di taglio del punzone (c = s + a). Per cui, considerando che il lavoro
compiuto da un utensile ad angolo è uguale a quello compiuto da un utensile piano, cioè:
Fr • s = F’r • (s + a)
si ha: F’r = (Fr • s) / (s + a) = Fr • [s / (s + a)] [N]
Poiché la frazione [s / (s + a)] < 1 si ha che F’r < Fr
Potenza necessaria per la recisione
Tenendo conto che la potenza è il lavoro nell’unità di tempo e che il lavoro è una forza per uno
spostamento, indicando con c la corsa attiva del punzone, si ha:
P = (Fr · c) / t [W] (=J/s)
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dove Fr è la forza di recisione in [N], t è il tempo in secondi e c la corsa attiva del punzone in [m].
Il motore dovrà possedere una potenza maggiore. Considerato un rendimento η ≈ 0,8, la
potenza di targa della piegatrice dovrà essere:
PM = P / η
3) Piegatura
Consiste nel sottoporre la lamiera ad una sollecitazione di
flessione con una forza (applicata mediante un punzone) che
deformi permanentemente la lamiera stessa (senza romperla),
in modo da costringerla ad assumere la forma prefissata della
matrice.
Si deve considerare la sollecitazione al limite di
snervamento, perché il materiale non deve rompersi ma solo
deformarsi plasticamente.
La piegatura si
esegue
con
macchine che, nell’aspetto, somigliano molto alle cesoie a
lame parallele con la differenza che la lama superiore é
sostituita da un punzone con le superfici di lavoro
corrispondenti all’angolo diedro della piegatura che si
vuol ottenere, mentre al posto della lama inferiore si ha
uno stampo (matrice) che riproduce in negativo la forma
del punzone.
- Sollecitazione nel materiale durante la piegatura
D
opo la
piegat
ura, il
materiale dalla parte del punzone risulta
compresso mentre nella faccia opposta risulta in
trazione, per cui le fibre interne risultano
accorciate e le fibre esterne allungate.
La situazione inversa si verifica nell’altro
piano: la larghezza della lamiera risulta
incrementata in corrispondenza della superficie
interna e ridotta sulla superficie esterna.
Ciò significa che la sezione della lamiera in
corrispondenza della piegatura risulta distorta
(tranne che nel “piano neutro” dove le fibre non
sono né tese né compresse).
Sperimentalmente è stato accertato che
l’asse neutro passa esattamente a metà spessore
quando lo spessore stesso della lamiera non
supera il millimetro. Nel caso di spessori
maggiori, l’asse neutro é spostato verso il centro
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di curvatura (cioè é più vicino alla zona compressa) tanto più quanto minore é il rapporto Ri/s con
Ri il raggio di curvatura interno della lamiera ed s lo spessore della lamiera stessa.
- Raggio interno di piegatura e ritorno elastico
I raggi di piegatura interni devono essere uguali o maggiori dello
spessore della lamiera da piegare. Se, per esempio, la lamiera ha
spessore di 1 mm, il raggio di curvatura non potrà essere inferiore a
1 mm: ciò per evitare che le fibre esterne alla piegatura siano
eccessivamente sollecitate.
Gli spigoli vivi sono assolutamente da evitare.
Per raggio interno di
piegatura Ri si intende il
valore minimo del raggio di
curvatura: esso é variabile e
precisamente é minimo nella
zona di contatto con il filo
della lama del punzone ed aumenta, dapprima lentamente e poi rapidamente, procedendo verso gli
appoggi.
Il grafico a fianco mette in
correlazione il raggio interno
di piegatura e lo spessore della
lamiera in funzione del
rapporto L/s con L la distanza
tra gli appoggi ed s lo
spessore della lamiera.
Dopo la piegatura si
manifesta il fenomeno di una
parziale raddrizzatura dovuta
al fatto che le zone in
prossimità della fibra neutra
della lamiera sono state,
durante
la
piegatura,
sollecitate elasticamente, cioè
molto al di sotto del limite di
snervamento; di conseguenza,
tolto il punzone, queste
tendono a riprendere la forma
primitiva trascinando anche le
zone snervate.
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Se un pezzo di lunghezza
iniziale A-B é portato ad una
lunghezza A-C e poi rilasciato,
esso riprenderà la sua lunghezza
originaria A-B.
Se invece A-B viene allungato
oltre il limite di proporzionalità L
(punto M) sulla curva σ-ε (cioè
tensione - deformazione) fino a
fargli assumere la lunghezza A-D e
poi viene scaricato, la sua
lunghezza finale sarà A-E.
Il
ritorno
elastico
é
rappresentato, in questo caso,
dall’accorciamento D-E.
Il fenomeno del ritorno elastico è
variabile a seconda del materiale,
dello spessore e dell’angolo di
piegatura.
Il ritorno elastico può essere
corretto sovrapiegando il materiale
(aumentando l’angolo del punzone o
diminuendo quello della matrice).
Piegatura semplice e multipla
La piegatura lineare può essere
semplice o multipla.
La piegatura si dice “semplice”
quando la pressa piegatrice ha un
solo punzone ed un’unica matrice,
per cui si ottiene il prodotto finale
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effettuando una piegatura alla volta.
Nel caso di piegatura “multipla” punzone e matrice sono costruite appositamente per un tipo di
piegatura, che consente di effettuare contemporaneamente più piegature. Al costo più elevato di
matrice e punzone corrisponde una riduzione dei tempi di lavorazione.
Piegatura rispetto alla direzione delle fibre
Quando l’angolo di piegatura é di 90°,
per evitare la rottura del materiale, é bene
piegare la lamiera secondo una linea
perpendicolare
alla
direzione
di
laminazione delle fibre.
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Calcolo dello sforzo di piegatura
Si considera la lamiera come una trave appoggiata alle
estremità e sollecitata in mezzeria.
L’equazione di stabilità a flessione é:
σ = Mf / W f
dove: σ = sollecitazione unitaria di snervamento a flessione
della lamiera
≈ 2/3 · Rm con Rm il carico di rottura del materiale
Mf = momento flettente esercitato dal punzone per
piegare la lamiera
Wf = modulo di resistenza a flessione
Poiché:
Mf = (P · a)/4
dove P = sforzo totale di piegamento
a = larghezza dell’incavo nella lama inferiore
e:
Wf = (b · s2)/6
dove b = lunghezza del tratto da piegare
s = spessore della lamiera
sostituendo, si ha:
σ = [(P · a)/4] / [(b · s2)/6] = [(P · a)/4] · [6/(b · s2)]
Quindi, lo sforzo P necessario per la piegatura risulta:
P = (2/3) · [(b · s2 · σ)/a] kg (o N)
Esempio:
Si debba piegare una lamiera di acciaio con resistenza a flessione σ = 60 kg/mm2, lunga 2 metri,
dello spessore di 3 mm, mediante una pressa piegatrice con lama inferiore avente un incavo di 80
mm.
Si ha:
σ = 60 kg/mm2
b = 2000 mm
s = 3 mm
a = 80 mm
Per cui: P = (2/3) · [(2000 · 32 · 60)/80] ≈ 9 000 [kg] ≈ 90 000 [N] ≈ 90 [kN]
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4) Imbutitura
Consiste nella trasformazione a freddo di un pezzo
di lamiera piana in un pezzo cavo a fondo piano,
conformato a scodella, scatola, come le pentole, le
padelle ecc.
Anche per questa operazione, che può avvenire in
più fasi a seconda della profondità dell’oggetto da
imbutire, si impiegano presse attrezzate con
appropriati stampi costituiti da un punzone, una
matrice ed un premilamiera.
Le fasi dell’operazione sono le seguenti:
1) il premilamiera si appoggia sulla parte
marginale del disco da imbutire
2) il punzone si abbassa, eseguendo l’imbutitura, mentre i
margini del fisco scivolano gradatamente sotto il
premilamiera
3) terminata l’imbutitura, il punzone si solleva
4) si solleva il premilamiera
5) un estrattore si solleva all’interno della matrice, facendo
uscire dalla matrice stessa il pezzo imbutito
La lamiera assume la forma voluta, anche ricorrendo a più
passaggi, in diversi stampi, nel caso di stampaggi profondi,
sfruttando la malleabilità del materiale.
Giuoco tra matrice e punzone, raggio di curvatura
Per garantire il funzionamento dello stampo ed evitare riduzioni di spessore della lamiera
durante l’imbutitura, il gioco viene scelto maggiore o uguale allo spessore del materiale.
Punzone e matrice devono avere un raggio di curvatura. Per tutte le imbutiture, esclusa l’ultima,
si può assumere Rp = Rm. Per l’ultima imbutitura il raggio del punzone deve essere uguale al
raggio del fondo del pezzo finito. In generale è:
Rm = (4 ÷ 10) · s nel caso di acciai dolci
Rm (3 ÷ 5) · s nel caso di alluminio
Forze e lavoro di imbutitura
La forza globale richiesta in un’operazione di imbutitura è data dalla somma della forza
necessaria per deformare il metallo e della forza necessaria a vincere l’attrito che si sviluppa tra
metallo e matrice (da ciò la necessità di utilizzare lubrificanti).
E’ ovvio che la pressione di imbutitura P, che viene trasmessa al disco, deve essere minore della
resistenza R offerta dalla lamiera che altrimenti si strapperebbe:
R = π · d · s · σR con σR = carico di rottura del materiale
P = 4 · σs · s · (D0 – d) con σs = resistenza alla deformazione (limite di snervamento del materiale)
≈ 220 [N/mm2] per gli acciai dolci
≈ 180 [N/mm2] per gli acciai inossidabili
≈ 100 [N/mm2] per l’alluminio
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Detta h l’altezza del pezzo da imbutire, il lavoro di imbutitura risulta:
Li = P · h
La forza di serraggio esplicata dal premilamiera può essere calcolata con:
Fs = p · A
con A = Area di contatto tra premilamiera e disco
p = pressione di serraggio = 2 ÷ 3 [N/mm2] per gli acciai dolci
In definitiva, considerando che l’area su cui si esercita la pressione è una corona circolare con il
diametro maggiore D0 e il diametro minore d, si ha:
Fs = p · A = p · π/4 · (D02– d2)
Dimensione della lamiera di partenza
Nel caso frequente di solidi di rotazione, è sufficiente calcolare l’area superficiale totale del
pezzo:
A = π/4 · D02
da cui D0 = 1,13 √A = diametro del disco di lamiera di partenza
Nel caso di imbutitura di un cilindro di diametro d ed altezza h, si ha:
Area del disco di partenza = area della superficie laterale del cilindro + area del fondo del cilindro
Cioè: π/4 · D02 = (π · d · h) + (π · d2/4) = π/4 (d2 + 4 · d · h)
da cui: D0 = √(d2 + 4 · d · h)
5) Stampaggio
Per stampaggio della lamiera s’intende la lavorazione di
deformazione plastica che trasforma mediante una pressa e
apposite attrezzature una lamiera piana in un pezzo a superficie
curvilinea.
Lo
stampaggio
non
differisce
sostanzialmente
dall’imbutitura se non per il fatto che sono stampo e
controstampo, al posto di punzone e matrice, a costringere la
lamiera ad assumere la forma voluta.
Un disco di lamiera è sottoposto all’azione di un
controstampo/punzone che entra in uno stampo/matrice e
costringe il disco di lamiera a occupare lo spazio compreso tra
punzone e matrice. La profondità è limitata.
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