Tecnologia delle costruzioni aeronautiche, TCA2, Daniele Fanteria

STAMPAGGIO

Lo stampaggio è una tecnica di formatura che consiste

nell’obbligare un metallo, riscaldato ad alta temperatura,

a riempire la cavità presente in uno stampo (quasi

sempre formato da stampo e controstampo)

deformandosi plasticamente. In figura una

rappresentazione schematica. I due semistampi vengono

chiusi applicando una forza con una pressa idraulica o

con un maglio. La compressione causa una espansione

laterale e verticale del massello che permette il

riempimento dello stampo. Il massello di partenza ha un

volume più elevato del volume del pezzo da costruire

perché durante lo stampaggio il materiale viene compattato e anche perché non è facile garantire

il perfetto riempimento dello stampo. Il metallo in eccesso fuoriesce in un apposito vano, detto

“canale di bava” che non solo serve per raccogliere il metallo in eccesso, ma anche quando il metallo

molto caldo entra nel canale, che ha spessore di pochi millimetri, si raffredda impedendo

parzialmente l’ulteriore scorrimento del metallo stesso nel canale. Così facendo, continuando la

chiusura dello stampo il metallo tende a riempire le cavità ancora vuote e a compattare il pezzo.

L’aspetto più interessante dello stampaggio è quello di formare

una struttura fibrosa nel materiale, fibre che non sono altro che

i grani allungati durante la deformazione plastica. Si osserva nei

forgiati una elevata resistenza nella direzione delle fibre.

Questo aspetto può essere sfruttato cercando di far coincidere

l’orientamento delle fibre con le direzioni di massima

sollecitazione. Elementi molto sollecitati sono sempre ottenuti

per stampaggio (per esempio i carrelli di atterraggio in campo

aeronautico).

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

I differenti tipi di stampaggio sono:

- formatura manuale, detta comunemente fucinatura. L’operatore, con uno o più attrezzi,

costruisce il pezzo deformandolo progressivamente. La fucinatura può essere interessante per

produzioni prototipali o per produrre preforme sbozzate da

utilizzare successivamente per lo stampaggio;

- stampaggio di sbozzatura, che produce pezzi sbozzati che

saranno poi lavorati alle macchine utensili. Lo sbozzato viene

ottenuto con un solo stampo (forti spessori e ampi raggi di

raccordo necessari);

- stampaggio convenzionale, generalmente ottenuto con almeno

due stampi (il primo è sbozzatore). Con questa tecnica è possibile

ottenere elementi più complessi e tolleranze più strette, con

spessori anche minori;

- stampaggio di precisione, ottenuto da più di 2 stampi. I raggi di

raccordo e gli spessori possono diminuire e le tolleranze sono più

strette;

- stampaggio per estrusione, che serve per stampare elementi di

forma tubolare aperti da almeno una parte (per esempio i

contenitori in alluminio per pomate);

- ricalcatura ed elettroricalcatura, che utilizza l’effetto Joule per

riscaldare localmente un pezzo. Serve per ottenere pezzi sbozzati

che saranno successivamente stampati. In campo aeronautico lo

stampaggio è prevalentemente

usato per l’elevata resistenza

meccanica dei pezzi stampati

rispetto a quella degli stessi

pezzi ottenuti con altre

tecnologie. Se non fosse per

questo motivo, difficilmente le

piccole serie caratteristiche

delle produzioni aeronautiche

giustificherebbero una tale

scelta.

Il primo aspetto importante di

un elemento stampato è la

linea di separazione dello

stampo, che generalmente

coincide con la massima

proiezione del componente e

può essere piana o irregolare. È

preferibile posizionarla sulla

massima periferia del pezzo

perché è più facile espandere il

metallo su un piano che non

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

forzarlo ad entrare in una cavità. Nella scelta del piano di separazione è opportuno considerare le

eventuali forze laterali che si generano a causa della non simmetria del pezzo da realizzare. Questo

problema può essere ovviato inserendo delle guide, o prevedendo un diverso piano di separazione

dello stampo.

Per poter estrarre un pezzo da uno stampo è

necessario che il pezzo presenti opportuni angoli di

spoglia, di circa 5°. I sottosquadri nello stampaggio

sono possibili solo se consentono l’apertura degli

stampi (anche per esempio in un solo semistampo se è

possibile estrarre il pezzo in una certa direzione). I raggi di raccordo dipendono dal tipo di

stampaggio, e devono essere tanto più grandi

quanto maggiore è la distanza dal piano di

separazione dello stampo. Raggi di raccordo

troppo piccoli possono causare rotture negli

stampi e problemi di saldatura fredda nel

materiale (basta guardare la figura, che mostra

le fasi di stampaggio di un componente

simmetrico se non per i raggi di raccordo, uno

più grande ed uno più

piccolo). Questi difetti sono

molto pericolosi per la

resistenza meccanica del

pezzo. Lo spessore delle

anime aumenta con la

dimensione del forgiato

stesso.

Lo stampo viene costruito in

acciaio ad elevata resistenza.

Viene formato per fonderia,

trattato termicamente e

successivamente lavorato alle

macchine utensili. In genere

sono molto

sovradimensionati, per

resistere alle elevate

sollecitazioni e per consentire

una nuova lavorazione degli

stampi (asportando uno strato

uniforme di materiale si può

riportare in tolleranza uno

stampo usurato).

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA -1-

3. LAVORAZIONI DELLE LAMIERE

LAVORAZIONI DELLE LAMIERE

La lavorazione delle lamiere è molto importante perché la gran parte della struttura portante di

molti velivoli è fatta di lamiere di alluminio.

TAGLIO DELLE LAMIERE

Taglio convenzionale Il taglio è la prima operazione di

interesse per una lamiera. Un taglio

dritto può essere effettuato con una

cesoia, macchina che concettualmente

lavora come un paio di forbici. Le lame

possono essere parallele (il taglio

avviene contemporaneamente su tutta

la lunghezza) o a ghigliottina (le lame

hanno un angolo di apertura che riduce

lo sforzo necessario). Le lame sono

costruite in acciaio duro. Presentano un angolo di taglio α (piccolo, serve per garantire il contatto

solo sul filo della lama) e uno di spoglia ϒ (per diminuire l’attrito tra lamiera e lame). Tra le due lame

viene creato un “gioco”, “g” in figura. Il suo valore dipende dallo spessore della lamiera (un gioco

troppo grande produce un taglio irregolare a causa della flessione della lamiera compresa tra le

lame, uno troppo piccolo è causa di eccessiva usura delle stesse). Per evitare che la lamiera si muova

durante il taglio, questa è pressata da una pressa idraulica. Il taglio

non avviene per penetrazione della lama nell’oggetto, ma per il

raggiungimento di una deformazione plastica eccessiva, infatti la

qualità di questo taglio non è accettabile per le costruzioni di tipo

aeronautico (il materiale deformato viene spalmato sulla superficie

fratturata infatti osservando al microscopio si osservano molti

piccoli difetti che possono essere punto di innesco di rotture per

fatica).

Volendo realizzare un taglio non rettilineo si può utilizzare una

cesoia a lame circolari, in grado di seguire profili curvi. La lamiera

viene spostata manualmente sotto le lame e questo causa scarsa

precisione.

Tagli realizzati con tolleranze strette possono essere ottenuti con

una roditrice, una macchina che utilizza come utensile un punzone

che si muove verticalmente in modo alternato. La lamiera si poggia

su una matrice che presenta un foro leggermente più grande del

profilo del punzone (come la quota “g” delle cesoie), e viene fatta

avanzare sotto di esso (infatti il movimento ricorda quello di una

macchina da cucire).

Piccole aperture nelle lamiere possono essere realizzate per

punzonatura, simile alla roditrice, con la

differenza che fa tutto il taglio in un solo

colpo. In questo caso il pezzo utile è la

lamiera e lo sfrido è la parte asportata. Se

viceversa la parte asportata costituisce il

pezzo utile, il processo prende il nome di

tranciatura. Di entrambi (punzonatura e -2-

3. LAVORAZIONI DELLE LAMIERE

tranciatura) il risultato può essere migliorato ricorrendo a un sistema di bloccaggio che consiste in

un dente che blocca la lamiera e che si trova nel premilamiera nel caso di tranciatura (tranciatura

fine), o nel punzone stesso nel caso di punzonatura (punzonatura fine). Il dente si troverà sempre

nello sfrido.

Dovendo realizzare un elevato numero di tagli, il taglio con

stampo e controstampo può essere la soluzione più

economica. Lo schema di taglio è simile a quello della

cesoia, ma il taglio viene effettuato con uno stampo che

segue il profilo desiderato, mentre la lamiera è appoggiata

su un controstampo. Le produzioni aeronautiche non sono

tali da giustificare la costruzione degli stampi; l’unica

tecnica che è stata utilizzata, simile a questa, è la

tranciatura con controstampo in gomma. In questo caso

invece del controstampo viene utilizzato un cuscino

formato da diversi strati di tessuto di gomma. La gomma

deformandosi consente allo stampo di tagliare la lamiera.

Qualunque sia il metodo utilizzato per scontornare una

lamiera di impiego aeronautico, la finitura dei bordi la si

ottiene per fresatura. Grazie alla lavorabilità dell’alluminio

e ai piccoli spessori delle lamiere di uso aeronautico,

solitamente si ricorre alla lavorazione simultanea di un

pacco di elementi al fine di diminuire i costi di lavorazione.

Taglio termico

Il taglio termico delle lamiere consiste nell’utilizzazione di una sorgente di calore per fondere

localmente il metallo. Le apparecchiature utilizzate sono anche quelle utilizzate nella saldatura,

quindi verranno più approfonditamente trattate dopo.

Il primo tipo di taglio è stato il taglio ossiacetilenico, dove la combustione di una miscela di ossigeno

e acetilene produce calore in grado di fondere l’acciaio. Rappresenta la tecnica più rapida ed

economica ma il bordo tagliato non è regolare e presenta una notevole ossidazione.

Il taglio laser permette di tagliare il metallo con un taglio molto netto, essendo possibile focalizzare

il raggio su un diametro molto piccolo. Oltre al taglio è adatto anche alla realizzazione di piccoli fori,

non realizzabili con le comuni punte da trapano.

Più economico è il taglio plasma, che però presenta una peggiore qualità dei bordi. Nella torcia si

ha un arco elettrico nel quale viene