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Corso di Tecnologia Meccanica Modulo 3.8 Deformazione plastica LIUC - Ingegneria Gestionale

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Lavorazione a freddo della lamiera

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Lavorazione a freddo delle lamiere

È il processo più diffuso per la produzione di grande serie di componentistica metallica tipica del settore automobilistico, degli elettrodomestici e delle attrezzature in generale. Si compone di più lavorazioni quali: Tranciatura

o punzonatura

Piegatura Imbutitura Curvatura

o calandratura

Profilatura


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Tranciatura


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Tranciatura

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:

Matrice vincolata alla parte fissa della pressa Punzone solidale con la slitta

Il punzone penetra nella lamiera e la attraversa asportando un profilo di materiale di sagoma pari alla sezione del punzone La parte asportata, attraverso un foro nella parte fissa della pressa viene raccolta come sfrido nella parte bassa della pressa per essere evacuato Il gioco tra punzone e foro della matrice deve avere un certo gioco che deve essere tanto più grande quanto più:

La lamiera è di spessore elevato La resistenza a trazione del materiale è elevata LIUC - Ingegneria Gestionale

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Tranciatura


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Tranciatura e punzonatura 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 la parte asportata


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Punzonatura e tranciatura


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Schema di tranciatura

Esempio, lamiera di altezza pari a 5 mm 1. 2. 3. 4.

Il punzone comincia penetrare e deforma plasticamente il materiale A circa 1,3 mm viene superato il carico di resistenza del materiale Si creano delle fessure in corrispondenza del bordo di matrice e punzone A 1,5 mm basta un leggera pressione per distaccare il tondello


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Fasi di tranciatura


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Ritorno elastico del materiale


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Rottura in funzione del tipo di materiale


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Tranciatura

La sezione del tondello tranciato presenta una morfologia tipica caratterizzata da: Uno spigolo arrotondato caratteristico della superficie opposta a quella ove interviene il punzone Una zona liscia nel tratto opposto a quello del punzone che ha strisciato sulla matrice al momento del distacco Una zona rugosa esemplificativa del fenomeno di frattura Uno spigolo rivolto verso il punzone presentante bave


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Forma del profilo tranciato


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Gioco punzone-matrice

Il dimensionamento del gioco tra punzone e matrice è fondamentale per una buona tranciatura. Esso dipende da: Tipo di materiale utilizzato Spessore della lamiera

per spessori < 3mm g = 0,007 ⋅ s ⋅ kt per spessori > 3mm g = (0,007 ⋅ s − 0,005) ⋅ kt ove kt è la resistenza al taglio della lamiera LIUC - Ingegneria Gestionale

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Valore di Kt in funzione del materiale


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Gioco matrice-punzone


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Stampi di tranciatura

Dimensionamento: Nella punzonatura il diametro del foro è stabilito dal punzone e la matrice deve essere maggiorata di 2g Nella tranciatura le dimensioni del pezzo sono quelle dalla matrice ed il punzone dovrà essere ridotto di 2g

L’usura dello stampo può comportare: Aumento giochi matrice-punzone Arrotondamento degli spigoli taglienti Scheggiature

La deriva di tali fenomeni può portare progressivamente allo scarto dei pezzi tranciati


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Forza di tranciatura

La forza di tranciatura è influenzata dal tipo di punzone e di matrice, è variabile durante il processo e massima al momento della frattura La forza massima può essere determinata con la formula: Pmax = l s σk Ove l è il perimetro del profilo tranciato s è lo spessore del materiale σk è la resistenza specifica a taglio pari a 4/5 Rw essendo Rw la resistenza a trazione del materiale

È poi opportuno maggiorare il valore trovato di circa il 20% al fine di tenere conto dei fenomeni di attrito e di usura dello stampo Esistono diversi casi specifici


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Punzone e matrice piani

I piani taglienti di punzone e matrice sono paralleli Il valore della forza è massimo a circa il 30% dello spessore della lamiera La frattura si propaga immediatamente su tutto il perimetro e la forza cala poi bruscamente (non si annulla a causa dei fenomeni di strisciamento) Nel caso di gioco scorretto la forza necessariua risulta maggiore LIUC - Ingegneria Gestionale

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Forza ed energia F = kt ⋅ A ove kt è la resistenza al taglio del materiale da tranciare A è l' area della superficie su cui si esercita la forza E = λ ⋅F ⋅s ove

λ è il rapporto tra forza massima e media e dipende da ⇒ materiale tranciato ⇒ spessore della lamiera s è lo spessore della lamiera LIUC - Ingegneria Gestionale

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Punzone e matrice inclinati Il punzone o la matrice presentano piani taglienti inclinati Caratteristiche:

Forza

massima generalmente minore (in funzione dell’extra corsa del punzone) Energia richiesta invariata Evitare angoli di inclinazione eccessivi al fine di evitare rapida usura dei punzoni LIUC - Ingegneria Gestionale

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Forza dall' espressione dell' energia E = λ ⋅ F '⋅( s + H ) ove

λ è il rapporto tra forza massima e media e dipende da ⇒ materiale tranciato ⇒ spessore della lamiera s è lo spessore della lamiera h è l' extracorsa del punzone da cui F'= F ⋅

s s+H LIUC - Ingegneria Gestionale

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Spinta laterale


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Energia E = λ '⋅F '⋅( s + H ) ove λ ' è pari a ⇒ 0,5 - 0,6 per H = s ⇒ 0,7 - 0,8 per H = 2s s è lo spessore della lamiera LIUC - Ingegneria Gestionale

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Tranciatura con stampi

Caratteristiche dello stampo:

Matrice e punzone prodotti con acciai per utensili ad alto contenuto di carbonio e trattati termicamente e spigoli a raggio nullo Piastre di sostegno in acciaio standard Presenza di premilamiera per evitare deformazioni non volute Disposizione dei pezzi a minimizzare lo sfrido Codoli di riferimento per il passo da tenere nel caso di nastri Guide per tenere il nastro aderente alla matrice e evitare fuoriuscite dalla sede Presse generalmente meccaniche Produzione garantita anche di più di 100.000 pezzi previa riaffilatura ogni 10.000 – 20.000 battute


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Stampo di tranciatura


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Stampo “progressivo”


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Stampo “progressivo”


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Punzonatura prograssiva


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Tranciatura su centri di lavorazione lamiere

I centri di lavoro a controllo numerico vengono utilizzati per piccoli lotti di pezzi ove non risulta conveniente un grande investimento in stampi Il deposito di punzoni e matrici del centro consente di ottenere con una traiettoria definita punto-punto su un piano x-y una grande varietà di sagome anche complesse di tranciatura. Esistono anche teste di taglio laser per sagome molto complesse LIUC - Ingegneria Gestionale

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Centro di lavorazione lamiera


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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: Premilamiera Punzone

con punto morto inferiore regolabile Contropunzone di estrazione


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Tranciatura “fine”


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Centro di lavorazione lamiera


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Piegatura


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Piegatura

Consiste nella deformazione plastica di una sezione di spessore s secondo un angolo α per l’azione di un punzone di raggio Rp È normalmente l’operazione seguente la tranciatura nel caso in cui il pezzo preveda una sagoma non piana Esistono due tipi di piegatura: 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 In stampo nel momento cui la sagoma non è banale e necessita di uno stampo vero e proprio composto da matrice e punzone


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Piegatura libera


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Piegatura ad U


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Progettazione dello stampo Il materiale ha un ritorno elastico per cui gli angoli di piega dello stampo dovranno prevedere una maggiorazione rispetto agli angoli di piega del pezzo Esistono dei raggi minimi di curvatura al di sotto dei quali non è possibile andare senza rompere o fessurare la lamiera Calcolo del raggio minimo di piegatura:

Rmin = 50s/A – s/2 Ove s = spessore della lamiera A = allungamento massimo percentuale del materiale Conviene prevedere una maggiorazione del 40% al fine di mantenere un certo margine di sicurezza


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Piegatura lamiere


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Ritorno elastico

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

di materiale e suo stato di lavorazione Tipo di piegatura attuata Pressione esercitata (coniatura, etc…) Raggio di piegatura Rp Velocità di deformazione LIUC - Ingegneria Gestionale

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Piegatura e ritorno elastico


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Recupero elastico del materiale


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Distanza della fibra neutra


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Angoli di piegatura


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Raggio di piegatura


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Stato di sollecitazione

La lamiera deformata presenta due lati soggetti a sollecitazioni opposte: Il

lato vicino al punzone soggetto a forze di compressione Il lato opposto soggetto a sollecitazioni di trazione

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


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Piegatura

Nella progettazione di un pezzo piegato occorre valutare anche lo sviluppo della lamiera necessaria a produrlo dato che la fibra neutra interna allo spessore tende a spostarsi sul lato della lamiera soggetto a compressione La forza di piegatura può essere determinata teoricamente solo facendo delle ipotesi circa la configurazione del pezzo, oppure, molto più verosimilmente mediante l’ausilio di software dedicati in grado di mettere in evidenza anche le aree sottoposte a maggior rischio di rottura come nel caso dell’imbutitura


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Parametri di piegatura


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Calcolo dello sviluppo


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Bordatura ed arricciatura


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Piega con matrice elastica


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Piegatura in più passaggi


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Piegatura tangenziale


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Energia di deformazione E = m ⋅ F ⋅ c + Fp ⋅ c ove F è la forza massima di piegatura Fp è la forza esercitata dal premilamiera c è la corsa del punzone m è un fattore correttivo ⇒ m = 0,33 per pieghe a V ⇒ m = 0,66 per pieghe ad U LIUC - Ingegneria Gestionale

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Forza di piegatura


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