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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.)
Tecnologie Industriali
3Sheet Metal Forming
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
Tecnologie Industriali
Rolling Process
Sheet Metal
Deep Drawing
Bending Process
Shearing
Product
4Sheet Metal Forming
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
Tecnologie Industriali
5Sheet Metal Forming
ANISOTROPIA DELLE LAMIERE
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
Tecnologie Industriali
6Sheet Metal Forming
ANISOTROPIA DELLE LAMIERE
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
Tecnologie Industriali
7Sheet Metal Forming
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
Tecnologie Industriali
8Sheet Metal Forming
ANISOTROPIA DELLE LAMIERE
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
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9Sheet Metal Forming
PROCESSO DI TRANCIATURA
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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
10Sheet Metal Forming
VIDEO TRANCIATURA
Tecnologie Industriali
11Sheet Metal Forming
PROCESSO DI 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:
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la lamiera è di spessore elevatola resistenza a trazione del materiale è elevata
12Sheet Metal Forming
PROCESSO DI TRANCIATURA
Tecnologie Industriali
13Sheet Metal Forming
Principio della TRANCIATURA
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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
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Tranciatura Vs. Punzonatura
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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
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Fasi della TRANCIATURA
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16Sheet Metal Forming
Sezione Tipica Pezzo Tranciato
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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
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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
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18Sheet Metal Forming
Problema legato al ritorno elastico TRANCIATURA
Tecnologie Industriali
19Sheet Metal Forming
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
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La forza di tranciatura è influenzata dal tipo dipunzone e di matrice, è variabile durante ilprocesso e massima al momento della frattura
Carico Teorico
20Sheet Metal Forming
PROCESSO DI TRANCIATURA FINE
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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
21Sheet Metal Forming
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
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22Sheet Metal Forming
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.)
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Prova di trazione Durezza
23Sheet Metal Forming
TEST DI ERICHSEN – OLSEN
Svantaggi:
meccanismo di deformazione
presenza attrito (non c’è nel bulge test – liquido in pressione)
stretching assialsimmetrico
Tecnologie Industriali
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
24Sheet Metal Forming
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
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25Sheet Metal Forming
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
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26Sheet Metal Forming
COSTRUZIONE DEI FORMING LIMIT DIAGRAMS
E’ necessaria l’esecuzione di una serie di prove di imbutitura su fogli di lamiera rettangolari di
dimensione variabile
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27Sheet Metal Forming
COSTRUZIONE DEI FORMING LIMIT DIAGRAMS
Risultati:
Biaxial Minor strain>0 Minor strain<0Minor strain=0
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28Sheet Metal Forming
FORMING LIMIT DIAGRAMS
Necked Points
Safe Points
Necking affected points
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29Sheet Metal Forming
FORMING LIMIT DIAGRAMS
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30Sheet Metal Forming
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
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31Sheet Metal Forming
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)
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32Sheet Metal Forming
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
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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)
33Sheet Metal Forming
Stato di sollecitazione - PIEGATURA
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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
34Sheet Metal Forming
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
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35Sheet Metal Forming
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
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Parametri di PIEGATURA
36Sheet Metal Forming
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
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37Sheet Metal Forming
PIEGATURA in più passaggi
Tecnologie Industriali
38Sheet Metal Forming
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
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39Sheet Metal Forming
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
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40Sheet Metal Forming
Stato tensionale - IMBUTITURA
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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
41Sheet Metal Forming
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
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42Sheet Metal Forming
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
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43Sheet Metal Forming
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.
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44Sheet Metal Forming
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
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45Sheet Metal Forming
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
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46Sheet Metal Forming
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
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47Sheet Metal Forming
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
Tecnologie Industriali
48Sheet Metal Forming
Legame tra LDR e Rm
Tecnologie Industriali
49Sheet Metal Forming
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
Tecnologie Industriali
50Sheet Metal Forming
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…
Tecnologie Industriali
51Sheet Metal Forming
Processi Flessibili
Deep DrawingProcess
Spinning
Hydroforming
IncrementalForming
Time
Tecnical Flexibility
Tecnologie Industriali
52Sheet Metal Forming
Spinning
Tecnologie Industriali
53Sheet Metal Forming
SPINNING
Molte parti simmetriche possono essere fatte di Spinning
Tecnologie Industriali
54Sheet Metal Forming
Processi Flessibili
Deep DrawingProcess
Spinning
Hydroforming
IncrementalForming
Time
Tecnical Flexibility
Tecnologie Industriali
55Sheet Metal Forming
Hydroforming
Tecnologie Industriali
56Sheet Metal Forming
HYDROFORMING
CLASSIFICAZIONE:
Hydroforming di Lamiere
Tecnologie Industriali
Hydroforming di Bilamiere
Hydroforming di Tubi
57Sheet Metal Forming
HYDROFORMING
Tecnologie Industriali
58Sheet Metal Forming
HYDROFORMING PROCESS
Bollitore in acciaio Forcella motocicletta
Spillatore per birraElemento del sistema di scarico
Tecnologie Industriali
59Sheet Metal Forming
Processi Flessibili
Deep DrawingProcess
Spinning
Hydroforming
IncrementalForming
Time
Tecnical Flexibility
Tecnologie Industriali
60Sheet Metal Forming
Incremental Forming
Tecnologie Industriali
61Sheet Metal 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
Tecnologie Industriali
62Sheet Metal Forming
INCREMENTAL FORMING
Industria Automobilistica
Industria Ferroviaria
Tecnologie Industriali
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