Forgiatura, estrusione e trancitura-punzonatura di lamine metalliche

Lavorazioni di deformazione plastica - forgiatura

Forgiatura

Forgiatura è un processo di produzione industriale atto alla deformazione plastica di pezzi metallici a sezione varia. Avviene a temperature alte (a caldo) e la deformazione è impressa mediante azione di magli/presse. Si divide in stampaggio e fucinatura.

Stampaggio (forgiatura in stampo chiuso)

Avviene a stampo chiuso e crea semilavorati o finiti. È una lavorazione prevalentemente a caldo. Gli stampi hanno forme già molto simili al pezzo finale, si forma bava come materiale in eccesso ma permette il corretto riempimento dello stampo e la riduzione degli urti, quindi nello stampo si prevede l’alloggiamento della bava che gira tutto intorno al pezzo.

Camera scarta bava: ha tre funzioni, ovvero accogliere il materiale in eccesso, essere più sottile lì dove il materiale si raffredda prima quindi offre più resistenza al passaggio del materiale, che quindi preferisce andare a mettersi in altre zone dello stampo. Inoltre, la bava funge da ammortizzatore così gli stampi non si urtano tra loro. Azione di compressione sul massello = metodo del concio.

Andamento della forza di stampaggio in funzione della distanza percorsa dalla parte mobile. Primo pezzo indica la fase dove non c’è contatto, nella parte centrale abbiamo la fase di deformazione plastica effettiva, l’inclinazione è data dall’incrudimento e nella parte finale si impenna perché si sta comprimendo la bava.

F = k * Y * A_p con Y : tensione di flusso del materiale
A: impronta del pezzo sul piano di separazione degli stampi comprensiva della bava
k costante: 3-5 forme semplici senza bava, 5-8 forme semplici con bava, 8-12 forme complesse con bava.

Progettazione del ciclo di stampaggio

A partire dal disegno dell’elemento finito da fabbricare, devo aggiungere le seguenti correzioni per avere il disegno del grezzo di stampaggio e quindi della forma della cavità dello stampo:

• Scelta piano di bava
• Calcolo sovrametalli
• Angoli di sformo
• Raggi di raccordo

Pertanto, noto che ho problematiche simili a quelle conosciute in fonderia, sia per forme transitorie che permanenti. A destra le problematiche che si presentano durante lo stampaggio e le soluzioni proposte: i problemi possono essere tecnologici, economici o posso avere soluzioni migliori di altre.

I sovrametalli devono tener conto di dimensioni del pezzo, ossidazione alta temperatura, difetti superficiali e incompleto riempimento, in modo che così tanto sovrametallo lo tolgo e non ho problemi al pezzo.

Gli angoli di sformo: 7-8° per pezzi normali, 10-12° per pezzi alti, servono per facilitare il riempimento (cioè ridurre pressione per lo stampaggio, cioè risparmio del costo energetico) ed evitare usura durante l’estrazione, cioè evitano di avere spigoli vivi e migliorano il flusso in entrata del materiale. Devo poi tenere conto di ritiro e angoli di raccordo, che servono per aiutare il distacco.

Per lo stampaggio ho costi elevati di stampi ed attrezzature, costo del lavoro da medio ad alto, esperienza operatore da media ad alta ed è quindi conveniente per grandi volumi di produzione. Quindi si utilizza per materiale ad alta definizione o se faccio molti pezzi con lo stesso stampo il costo è dato dal costo per l'attrezzatura e quindi per la progettazione e lavorazione per ottenere degli stampi e i relativi canali e camere di saldatura della bava.

Fucinatura (forgiatura in stampo chiuso)

Avviene a stampo aperto e genera semilavorati. Questo processo è anche chiamato ricalcatura.

Vantaggi: è una lavorazione semplice ed economica, è possibile ottenere un’ampia serie di forme utilizzando i medesimi stampi e lavorare pezzi di grandi/grandissime dimensioni (35 tonnellate), distribuzione delle fibre del materiale che incrementa le caratteristiche finali del pezzo prodotto.

Svantaggi: configurazione a ‘barile’ del pezzo dovuta alle sollecitazioni di attrito (tangenziali).

Macchine usate per la forgiatura

• Presse (forze e energie fino a 2000 tonnellate, per pezzi medio-grandi)
  • Idraulica: il movimento della slitta è ottenuto con un fluido in pressione
  • Meccanica: il movimento è ottenuto con cinematismo biella-manovella
  • A vite: il movimento è ottenuto con cinematismo vite-madrevite

Questo è lo schema della camera di compressione e del ram in cui spingiamo ed è il mandrino che è l’elemento a cui è collegato lo stampo mobile. Nella tecnica della vite ho che lo stampo mobile è sollevato azionando la rotazione della vite che si svolge nella madrevite. Poi tolgo la frizione e ho che le presse meccaniche sono limitate nella cosa perché il ram può avere solo quella direzione, mentre le presse a vite sono limitate in energie perché dipende da quanto le sollevo. Le presse idrauliche sono limitate nella forza perché dipende dal fluido che entra in pressione e agisce forza su una superficie e io gestisco la forza.

Presse funzionano con sollevamento del solo stampo superiore che poi viene fatto rilasciare e cade per gravità e quindi trasforma energia potenziale in energia cinetica e quindi da lì colpo e si evolve in energia di deformazione plastica e calore che dissipato va a riscaldare il pezzo e ottengo prodotto semilavorato o finito.

• Magli (forze e energie inferiori rispetto alle presse 2000KN/m, usate per pezzi piccoli e hanno numero di colpi al minuto molto minori rispetto alle presse)
  • Effetto semplice: stesso effetto e procedimento delle presse, sollevamento dello stampo, caduta libera e deformazione
  • Doppio effetto: imprimo allo stampo superiore un’accelerazione e quindi energia con cui cade è molto maggiore rispetto a quella per sola gravità, è aumentata del valore che gli aggiungo io di accelerazione del pezzo; poi per il resto è stesso processo.
  • Contraccolpo: stampo superiore e quello inferiore che è chiamato incudine si muove anch’esso e quindi sono in moto relativo e vanno uno contro l’altro e quindi in questo caso le masse dell’incudine e del martello sono equivalenti (prima invece l’incudine che è stampo sottostante era maggiore per poter assorbire energia dell’urto della parte superiore).

Hanno forza e energie inferiori rispetto alle presse; effetto semplice o doppio effetto, contraccolpo (stampo superiore e inferiore si muovono entrambi andando uno verso l’altro). La massa del maglio è sollevata con meccanismi differenti e poi lasciata cadere. L’energia trasferita deriva dall’energia potenziale del maglio, è limitata, le velocità sono elevate e il raffreddamento è minimo.

Sollevamento a ingranaggi, sollevamento ram a cinghia.

Lavorazioni di deformazione plastica – estrusione

Estrusione: consiste nell’obbligare uno spezzone di barra a sezione generalmente circolare (massello) a fuoriuscire attraverso una matrice, mediante l’azione di una forza di compressione. Possono uscire più pezzi da una sola corsa dell’estrusore. Possono uscire più pezzi dalla corsa di una sola estrusione con prevalente sviluppo longitudinale, che tranciato di diverse misure mi permette di avere più pezzi dell’estrusione, con una sola cosa dell’estrusione: all’uscita sono un unico pezzo mentre poi io andrò a separate, tagliare, troncare, segare in base alle tipologie di operazioni e così ottengo più pezzi.

Ho il processo di estrusione diretta o inversa, molto diversi a livello di processo che viene svolto, ma con lo stesso risultato. L’estrusione diretta la direzione di sviluppo del pezzo coincide con la direzione di avanzamento del pistone, in quella inversa invece il pistone è forato e il materiale avanza in direzione opposta al moto del pistone e quindi mentre spinge il materiale fluisce nella direzione opposta con forma che impongo con la testa che ho.

Nel caso di estrusione diretta ho moto relativo tra pareti della camera di estrusione e prodotto e quindi perdiamo parte dell’energia impressa dal pistone in attriti, invece in quella inversa gli attriti sono quasi irrilevanti. È meno costoso perché più semplice l’impianto diretto. La luce di passaggio (matrice) del materiale è sagomata e fatta di un materiale diverso rispetto alla camera di estrusione, perché deve essere molto resistente a usura perché ho elevati differenze di temperatura e usura meccanica per scorrimento del materiale.

La luce di passaggio nella matrice è formata in materiale autopreferenziale ed è sagomato, mentre la camera di estrusione è realizzata in materiale meno costoso.

Estrusione a impatto: somiglia a quella inversa, ho un basamento con impronta in cui metto un dischetto di materiale su cui faccio cadere il punzone da qui massello prende forma che voglio per impatto e materiale estrude attorno al punzone, quindi è comunque principio come quello dell’estrusione inversa. Moto del materiale è inverso opposto a quello del punzone.

Sopra: diretta, il picco è dovuto agli attriti, l’ultimo pezzo non lo estrudo perché mi servirebbe troppo forza quindi sconviene economicamente e la matrice si danneggia.

Sotto: inversa, pistone va da sx a dx mentre la billetta si svolge da dx a sx perché il pistone è cavo e quindi passa all’interno del pistone e viene estruso dalla luce del pistone (nel tipo a impatto invece pistone non è cavo, ma ha area

Qual è andamento delle forze al variare in funzione della corsa del pistone nel processo di estrusione?
Primo diagramma è quello del processo di estrusione diretta, mentre quello sotto è quella inversa.

In quella diretta c’è il picco perché ci sono attriti e quindi maggiori forze in gioco. Man mano che massello si riduce si ha che perché sto estrudendo, la superficie sottoposta ad attrito diminuisce ecco perché c’è andamento a calare delle forze, perché al diminuire della superficie su cui materiale scorre, ho meno creazione di attriti. Poi il tratto si impenna improvvisamente perché ho che le forze necessarie per estrudere l’ultima parte di materiale che è poco e proprio per questo che si tende a non estrudere mai ultima parte di materiale billetta (economicamente svantaggioso ma implica anche eccessiva usura e carichi sul sistema e la matrice si danneggia).

Disegno in alto fa riferimento a estrusione diretta in cui vedo un picco delle forza perché ho presenza di attriti e man mano che il massello viene estruso e si appiattisce è meno soggetto a attrito e quindi minor forza applicata. Ultimo pezzo non lo estrudo perché mi servirebbe una forza eccessiva e matrice si danneggia.

Il primo tratto della corsa del pistone non ho estrusione, ho sola deformazione della billetta e non ho ancora riempito la camera dell'estrusore, dal momento che la camera è piena parto con l’estrusione.

A) ho che la distorsione è bassa quindi attriti bassi e ho anche che è molto piccolo lo spezzone di billetta anche nel caso dell’estrusione diretta e ciò vuol dire aver messo lubrificanti ecc... Cioè zona morta non riesce a estrudere più, ma almeno mi velocizza estrusione dell’altro materiale.

Nel caso B e C ho forti distorsioni del materiale in prossimità della matrice e vedo delle zone morte che sono delle zone della camera occupate dalla billetta che non fluiscono perché già solidificate e anzi fanno da invito alle parti più interne della billetta, come se si fosse formato un cono naturale che favorisce afflusso del materiale all’interno a causa del raffreddandamento anticipato del materiale a contatto con le pareti, creando cono che convoglia più velocemente il materiale nella parte interna.

In questo caso mi aspetto che lo spezzone di billetta che alla fine non estrudo perché si impennano le forze, ho che è più piccolo, mentre se si formano zone morte ho più spezzone che non estrudo.

B) zone morte che sono occupate dalla billetta e non estrudono si forma un cono naturale che mi aiuta il materiale a fluire.

All’aumentare degli attriti ho che aumentano le forze necessarie per estrudere il materiale e aumenta anche la distorsione del pezzo in prossimità della matrice. All’aumentare dell’attrito accade più facilmente che si creino zone morte dove il materiale raffreddato non fluisce più ma crea cono per facilitare afflusso e aumenta distorsione.

Quando faccio estrusione a caldo con lubrorefrigerante problemi di degrado dell’olio quindi si usa il vetro fuso, a freddo più difficile. Inoltre quando ho un massello con rischio di inserimento nella camera di estrusione ossidata, si fa il pistone di diametro più piccolo del diametro della camera, più piccolo proprio dello spessore dello strato che io non voglio spingere nell’estrusione parte superficiale del materiale ossidato. Questo fa sì che si crei una crosta di billetta che è rimasta in camera di estrusione e che è proprio quella parte di billetta che era ossidata.