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7/23/2019 Incremental Forming
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Anno accademico 2003-2004
Corso di Tecnologie Speciali
prof.Matteo Strano
Studio delle deformazioni nel processo di formatura incrementale
Studente : Mattaroccia Gianluca
7/23/2019 Incremental Forming
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INDICE
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 1
Capitolo 1 Introduzione2
1.1 Obiettivo del presente studio..3
Capitolo 2 Principio di funzionamento e parametri di processo.4
2.1 Studio del meccanismo di deformazione42.2 Parametri di processo....8
2.2.1 Tipo di utensile Attrito.. 112.2.2 Velocit di avanzamento 122.2.3Dimensione dellutensile..... 132.2.4Anisotropia planare 14
Capitolo 3 Macchine, utensili e stampi...........................................................................16
Capitolo 4 Studio del fenomeno della deflessione...214.1 Studio del materiale214.2 Parametri e cause legate al premilamiera 26
Capitolo 5 Conclusioni.....................................................................................................29
Bibliografia 30
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Capitolo1 Introduzione
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/20042
Capitolo 1.Introduzione
La richiesta sempre pi accentuata di diversificazione dei modelli, il
proliferare di nicchie di prodotto, la contrazione dell'orizzonte produttivo da
prendere in considerazione hanno enfatizzato l'urgenza di maggiore flessibilit
anche nel settore delle lavorazioni per deformazione plastica, settore
tradizionalmente contraddistinto da elevati standarddi automazione rigida. Tra le
tecnologie innovative di stampaggio proposte per rispondere a tali esigenze, i
processi di formatura incrementale svolgono certamente un ruolo di grande
importanza. Questi processi sono realizzati mediante l'azione di un utensile,
tipicamente di piccole dimensioni e di geometria piuttosto semplice, il quale
deforma localmente ed in modo progressivo il semilavorato in modo da conferire a
quest'ultimo la forma finale desiderata. Nei processi di formatura incrementale
pertanto, a differenza delle pi tradizionali operazioni di stampaggio, la geometria
del prodotto finito dipende in modo principale non dalla geometria degli stampi,
ma dal moto relativo assegnato all'utensile rispetto al pezzo. La deformazione,
infatti, viene impressa progressivamente dall'utensile che agisce ad ogni istante su
una porzione piuttosto contenuta della superficie del semilavorato e che conferisce
a quest'ultimo la geometria finale in virt del moto relativo assegnatogli. Volendo
evidenziare i principali vantaggi e svantaggi tipici dei processi di formatura
incrementale si pu iniziare dicendo che si tratta di processi caratterizzati da
condizioni di flessibilit certamente non riscontrabili nei tradizionali processi di
stampaggio: utilizzando il medesimo utensile e modificando il moto relativo daquesto posseduto rispetto al semilavorato possibile ottenere forme finali
del tutto diverse. Nel caso dello stampaggio tradizionale, invece, la modifica della
geometria del componente finale richiede l'impiego di un nuovo stampo con
conseguenti ingenti costi. Inoltre, in virt dell'azione locale esercitata dall'utensile
sul semilavorato, la formatura incrementale richiede l'applicazione di forze molto
contenute rispetto ai processi tradizionali e, di conseguenza, un fabbisogno assaiminore di energia necessaria per la deformazione e, pertanto, l'utilizzo di macchine
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Capitolo1 Introduzione
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/20043
meno potenti e costose. A fronte di questi vantaggi, il principale
inconveniente
connesso ai processi di formatura incrementale risiede negli elevati tempi di
lavorazione, in particolare se confrontati con quelli tipici dello stampaggioindustriale. La loro applicazione quindi limitata a prodotti di nicchia,
caratterizzati da volumi di produzione ridottissimi, od a componenti di geometria
molto complessa. In questo ultimo caso, infatti, l'impiego di tecnologie di
stampaggio tradizionale richiederebbe un ciclo di lavorazione costituito da una
sequenza di numerosi passaggi e quindi comporterebbe un elevato costo per la
realizzazione delle attrezzature necessarie.
1.1 Obiettivo del presente studio
E stato osservato che durante un processo di formatura incrementale su una
lamiera di alluminio, si sono generate delle deflessioni indesiderate sul piano della
lamiera. Lobiettivo fondamentale di questo elaborato essenzialmente quello di :
Studiare il fenomeno e comprenderne le cause principali
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 4
Capitolo 2.Principio di funzionamento e parametri di processo
Nella formatura incrementale un
utensile di forma semplice impone unadeformazione plastica locale sulla
lamiera in modo progressivo. Un
esempio del processo mostrato in Fig.
2.1 e Fig. 2.2 , dove un utensile a testa
sferica montato su una fresatrice a
controllo numerico CNC. Lutensilesi muove orizzontalmente e verticalmente
seguendo traiettorie generate dal programma
della macchina realizzando la forma
desiderata.
2.1 Studio del meccanismo di deformazione
In Fig. 2.3 schematizzata una vista
in sezione di come avviene la formatura
incrementale con un utensile a testasferica. Allo scopo di analizzare le
deformazioni subite dalla lamiera,
consideriamo un modello di
deformazione piana (Fig. 2.4),
ipotizzando che la lamiera a contatto con lutensile venga stirata uniformemente.
Fig. 2. 1
Fig. 2. 2
Fig. 2. 3
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 5
Il raggio dellutensile, il raggio di curvatura
interno dello stampo, langolo di contatto, la
distanza tra i lati opposti della cavit dello stampo,
laltezza della gobba formata e le coordinate delcentro della sfera dellutensile sono espressi in
termini di Rb, Rd, , 2L, h e xb.
Da semplici considerazioni geometriche derivano le seguenti relazioni:
( )
+
+=
x
z
zx
db
h
h
hh
1
21
22
1 tansin
02
1tRbb += 02
1tRdd +=
bdx xRLh += hh dbz +=
bxl =1 bl =2
dzx hhl += sincos3
Utilizzando lintero arco di contatto l2, le deformazioni uniformi x, y, t, sullasse
delle x sono pari a :
+
==
31
2lnllRL
l
d
tx 0=y
In Fig. 2.5 viene rappresentata la forma in equilibrio
sotto lazione della forza di formatura F e lo sforzo
di trazione T. Nel modello di deformazione piana la
sollecitazione derivante dalla piegatura e la forza di
attrito possono essere trascurate.
Fig. 2. 4
Fig. 2. 5
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 6
Lo sforzo di trazione a cui sottoposto il metallo pu scriversi come segue:
n
xxc
n
BtFBtT )exp(3
20
1
==
+
dove B( 2Rb ) e t sono la larghezza e lo spessore della lamiera stirata; n il
coefficiente di incrudimento che rappresenta un indice di sensibilit alla
deformazione del materiale; numericamente rappresenta la deformazione reale nel
punto di massima tensione. Questo parametro pu essere facilmente determinato da
una prova di trazione monoassiale. Considerando le condizioni di equilibrio, le forze
di formatura Fx e Fy possono essere espresse come:
Fx = T ( 1- cos )
Fz = T sin
Laltezza massima della gobba hmax pu essere
calcolata utilizzando il diagramma dei limiti di
formatura. Per esempio in figura 2.6 riportatol FLD per un foglio di alluminio ricotto ( t0 =
0.3 mm , pz = 0.5 mm) ottenuto con il metodo
del bulging test (Fig. 2.7).
Il limite espresso da t = tB dove tB
rappresenta la deformazione a cui si verifica la
frattura, in condizioni di deformazione piana.Successivamente i risultati forniti da questa
analisi teorica sono stati confrontati con quelli
ricavati da unanalisi agli elementi finiti. Nelle
figure seguenti vengono riportati alcuni
confronti tra le due analisi.
Fig. 2. 6
Fig. 2. 7
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 7
Fig. 2. 8 Distribuzione della deformazione lungo lasse x Fig. 2.9 Relazione tra la forza di formatura
e laltezza della gobba realizzata
Esse mostrano una buona concordanza dei risultati
ottenuti dalle due analisi. Tuttavia queste analisi
andrebbero condotte considerando i principali
parametri di processo quali, dimensione e tipo di
utensile, condizioni di contatto tra utensile e
lamiera, velocit di avanzamento, ecc.
Fig. 2. 10 Relazione tra la
riduzione dello spessore e
laltezza della gobba
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 8
2.2Parametri di processoAllo scopo di capire quali sono i parametri di processo e come loro influenzano
la formatura incrementale, riportiamo uno studio sperimentale svolto da due
ricercatori Coreani dellUniversit di Hong-Ik.
Saranno analizzati gli effetti dovuti al tipo, alla dimensione e alla velocit
davanzamento dellutensile, lattrito tra utensile e lamiera e infine, sar analizzata
linfluenza dellanisotropia planare sul meccanismo di deformazione.
Sono stati testati due tipi di utensili, con e senza lubrificazione: uno a testa sferica e
laltro a testa emisferica, con diametri di 5, 10, 15 mm e velocit davanzamento di0.1, 0.3 e 0.5 mm, riferita alla distanza tra lutensile, che si muove verticalmente, e la
lamiera. Infine gli effetti della dimensione dellutensile saranno testati in due
direzioni (Fig. 2.11): una (RD Rolling Direction) concorde al verso di laminazione
della lamiera, laltra (TD Transverse Direction) in direzione ortogonale.
Dobbiamo eseguire il test secondo due direzioni perch le propriet di un materiale
deformato plasticamente non sono uguali in tutte le direzioni a causa del grado di
anisotropia che il materiale ha ricevuto dalla sua deformazione.
RD RD
TD TD
Solco di formaturaS Start Point
E End Point
Fig. 2.11
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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Mentre lutensile si muove con traiettoria rettilinea su un piano orizzontale, la
deformazione che si verifica ai punti iniziali (Start Point) e finali (End Point) di
questo solco risulta essere biassiale. La
deformazione che avviene, invece, tra questidue punti fondamentalmente una
deformazione piana. E stato osservato che
allaumentare del raggio di curvatura delle
superfici realizzate dallutensile, la
deformazione sempre pi biassiale. Come
mostrato in Fig. 2.12, la FLC( Forming Limit Curve), che rappresenta la formabilit in termini di deformazione
maggiore e minore, espressa da una retta con pendenza negativa. Specialmente per
una lamiera di alluminio, la formabilit pu essere quantificata come un numero
scalare di ( major + minor ). Sempre da
questa figura si pu notare come la
FLC, nella formatura incrementale,risulti essere pi in alto rispetto alla
FLC dei processi di formatura
convenzionali; questo perch il
meccanismo di deformazione
fortemente localizzato e progressivo.
Allo scopo di misurare la deformazione
della lamiera, sono state applicate su di
essa una serie di griglie rettangolari e circolari, come mostra la Fig. 2.13.
Durante il test lutensile si muove avanti e indietro lungo una traiettoria rettilinea di
40 mm con una velocit davanzamento costante fino a quando non si verifica la
rottura; dopodich, dalla lamiera viene staccata la griglia e vengono misurate le
deformazioni maggiori e minori. Ovviamente vanno misurate le griglie lontane dai
lati del solco deformato. I risultati ottenuti sono riportati in Fig. 2.14.
Fig. 2. 12
Fig. 2. 13
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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Fig. 2. 14
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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2.2.1 Tipo di utensile-Attrito
Quando stato usato lutensile a punta sferica, il valore di ( major + minor ) era 0.72
con lubrificazione e 0.73 senza lubrificazione. Con lutensile a testa emisferica,
invece, il valore era di 0.67 con lubrificazione e 0.69 senza lubrificazione. In Fig.2.15 possibile osservare gli effetti di queste prove sulla superficie della parte
formata.
(a) Utensile sferico con lubrificazione (b) Utensile sferico senza lubrificazione
(c) Utensile a testa emisferica con (d) Utensile a testa emisferica senza
lubrificazione lubrificazione
Fig. 2.15
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 12
I due casi limiti sono riportati in Fig. 2.15 (a) e (d); utilizzando un utensile a testa
sferica e lubrificando le parti a contatto, la superficie del metallo risulta essere poco
alterata. Nel caso in cui si utilizza un utensile a testa emisferica senza lubrificare, la
superficie del metallo presenta delle forti striature. In questo caso il metallo vienestirato o addirittura strappato; infatti la formabilit degli utensili emisferici risulta
minore di quelli sferici, proprio perch stirando la lamiera ne riducono la capacit di
deformarsi oltre certi limiti.
Lattrito tra utensile e lamiera fa aumentare la pressione esercitata dallutensile e
provoca una diminuzione dello stato di stress a cui sottoposto il metallo ; il risultato
che viene ritardato il verificarsi delle rotture e migliorata la formabilit. Tuttavialattrito non pu superare certi valori, altrimenti, come visto prima, la lamiera tende a
strapparsi.
2.2.2. Velocit di avanzamento
In figura 2.16 e 2.17 sono riportate le curve FLCottenute usando tre diversi valori di velocit di
avanzamento: 0.1, 0.3 e 0.5 mm, in direzione RD
e TD. Si vede che quando la velocit cresce da 0.1
a 0.5 mm, il valore di ( major + minor ) decresce da
0.92 a 0.68 nella direzione di laminazione RD e
decresce da 0.82 a 0.7 in direzione ortogonale TD.
In questo modo chiara linfluenza
dellanisotropia e che la formabilit sempre pi
alta quanto pi bassa la velocit di avanzamento.
Tuttavia i valori della velocit di avanzamento non
possono essere troppo bassi altrimenti aumentano i
tempi di formatura.
Fig. 2. 16
Fig. 2. 17
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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2.2.3 Dimensione dell utensile
Sono stati usati tre diversi utensili a testa emisferica : da 5,10,15 mm di diametro, con
una velocit di avanzamento mantenuta a 0.1 mm. Dopo la formatura sono state
misurate, sulla griglia deformata, le deformazionimaggiori e minori e i valori di ( major + minor )
sono stati riportati in Fig. 2.18 e 2.19. Quando
lutensile si muove parallelamente a RD, il valore
trovato stato 0.92, 0.92 e 0.7 per un diametro
dellutensile di 5, 10, 15 mm, rispettivamente;
nettamente differenti,invece, risultano i valori indirezione TD: 0.82, 0.9 e 0.8, Allaumentare della
dimensione dellutensile, la zona di deformazione
o di contatto cresce e il livello di deformazione
decresce; si ha, quindi, come risultato un aumento
dellaltezza hmax di formatura. Le rotture sono
parallele alla direzione di movimento dellutensilenei casi degli utensili di 5 e 10 mm. Invece, per
lutensile da 15 mm, le rotture sono parallele alla
direzione TD, quale che sia la direzione di avanzamento dellutensile.
Allo scopo di comprendere meglio landamento delle deformazioni, stata condotta
unanalisi agli elementi finiti con un codice commerciale : PAM-STAMP.
Le deformazioni maggiori e minori previste dal codice sono riportate in Fig. 2.14,
nella quale i valori ottenuti dalla superficie a contatto con lutensile sono stati
denotati upper, mentre i valori ottenuti per le superfici opposte a quella di contatto
con lutensile sono state denotate lower. Da questa analisi stato riscontrato che:
- Lo spessore grande al centro e piccolo agli estremi della traiettoria. Tuttavia,la differenza di spessore diminuisce allaumentare della dimensione
dellutensile.
Fig. 2.18
Fig. 2. 19
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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- La deformazione pi grande sulla superficie lower che sulla superficieupper, ma la differenza diminuisce allaumentare della dimensione
dellutensile.
- La deformazione minore piccola al centro e grande allestremit dellatraiettoria, ma la differenza diminuisce allaumentare della dimensione
dellutensile.
- Nel caso dellutensile da 5 mm, la deformazione maggiore lungo Rd pigrande di quella lungo TD, come mostrano le Fig. 2.14 (a) e (b). Il contrario
avviene per lutensile da 15 mm, dove la deformazione maggiore in TD pi
grande di quella in RD ( Fig. 2.14 (e) e (f) ). Volendo analizzare la formabilitpossiamo dire che essa grande in RD, usando lutensile da 15 mm, inoltre la
formabilit secondo RD e TD dovrebbe essere la stessa per lutensile da
10mm.
2.2.4 Anisotropia planare
Sappiamo che le lavorazioni per deformazione plastica delle lamiere vengonocondotte su semilavorati ottenuti mediante precedenti processi di laminazione su
tavola piana; tali processi determinano notevoli fenomeni di incrudimento sul
materiale, in particolare lungo la direzione 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. In
conseguenza di ci 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
allallungamento percentuale a rottura risulteranno anche significativamente diversi.
Dopo il processo di laminazione, quindi, le caratteristiche del materiale sono
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Capitolo2 Principio di funzionamento e parametri di processo
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fortemente anisotrope, cio
variano al variare della
direzione secondo cui
vengono valutate.Indicando con l, w ed t
rispettivamente le deformazioni lungo la direzione della lunghezza (direzione di
laminazione), della larghezza e dello spessore del provino sottoposto a trazione,
occorre far rilevare che la somma delle tre deformazioni deve essere necessariamente
uguale a zero, dovendo essere in ogni caso soddisfatta la condizione di invariabilit
del volume, condizione che governa i processi di deformazione plastica. Lindice dianisotropia viene definito dalla relazione :
=
==
00
0
0
0
ln
ln
ln
ln
lw
lw
w
w
t
t
w
w
Rff
f
f
f
t
w
Se un materiale, sottoposto ad uno sforzo di trazione, isotropo, le deformazioni, nel
senso della larghezza e dello spessore, saranno tra loro coincidenti e lindice di
anisotropia r avr valore unitario; viceversa, se il materiale ha caratteristiche
anisotrope, le deformazioni t ed w saranno differenti ed r diverso dallunit.
Linfluenza dellanisotropia sul meccanismo di deformazione semplice da valutare
e quantificare, basta, infatti, osservare, nei vari grafici proposti, la differenza tra i
valori assunti dai principali parametri di processo nelle direzioni RD ( direzione dilaminazione) e TD ( direzione ortogonale al quella di laminazione).
t
w
l
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Capitolo 3 Macchine, Utensili e Stampi
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 16
Capitolo 3.Macchine, utensili e stampi
Una macchina da formatura
incrementale costituita, nella sua
schematizzazione pi semplice, da tre
elementi fondamentali :
-stampo (die)-punzone (punch)-premilamiera(blankholder frame)
Lo stampo, riproducendo la geometria delloggetto, deve avere:
buona resistenza, per evitare rotture; buona superficie di finitura, per produrre pezzi con bassa
rugosit superficiale.
La presenza di uno stampo completo sotto la lamiera molto
importante allo scopo di permettere la realizzazione di superfici
che rispettino le tolleranze geometriche e dimensionali imposte
dal particolare impiego e stabilite a priori.
Il punzone costituito da un corpo cilindrico con unatesta sferica o emisferica .Il raggio della testa funzione della
geometria del pezzo finale. A volte nella fase di pre-forming,
possono essere impiegati utensili a testa larga allo scopo di
incrementare la formabilit della lamiera, mentre in fase di
finitura il raggio dellutensile sar uguale o minore del raggio di
curvatura pi piccolo del pezzo da realizzare.
Fi . 3. 1
Fig. 3. 2
Fig. 3. 3
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Capitolo 3 Macchine, Utensili e Stampi
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 17
Infine, il premilamiera un semplice telaio squadrato in
acciaio che blocca la lamiera perifericamente. Durante la
deformazione, il sistema di bloccaggio deve mantenere la
lamiera nella giusta posizione permettendo flusso di metallosecondo la direzione del punzone, evitando rotture mentre il
punzone si muove e formazione di grinze sulla periferia della
lamiera. Risulta molto importante, perci, scegliere il giusto
carico da applicare al premilamiera. Lobiettivo sarebbe quello
di trovare un compromesso tra la necessit di bloccare la lamiera e di favorire
lincremento del flusso di materiale durante il processo di formatura.
A livello mondiale sono ancora pochissimi i costruttori di macchine per la
formatura incrementale. Attualmente quelle pi sviluppate e maggiormente usate
sono due, una (Fig. 3.5) costruita e commercializzata dalla societ giapponese
Amino Corporation e laltra (Fig. 3.6) sviluppata dal centro IFUM (Institute For
Metal Forming and Metal Forming Machine Tools) dellUniversit di Hannover inGermania.
Fig. 3. 4
Fig. 3. 5 Fi . 3. 6
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Capitolo 3 Macchine, Utensili e Stampi
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 18
La differenza sostanziale tra queste due macchine il modo in
cui viene effettuata la formatura. In fig. 3.7 e fig. 3.8 viene
evidenziato il principio di funzionamento della macchina
AMINO; si nota subito che la parte da realizzare vienepraticamente spinta verso lalto da un pistone posto al di sotto
della lamiera. Questo significa che lutensile
non dotato di movimento verticale e
ovviamente pu muoversi solo
orizzontalmente. Con questa macchina si
realizzano formature positive ed come sela geometria realizzata subisse una
estrusione verso lalto.
Nella macchina dellIFUM notiamo una netta differenza nel modo in cui avviene
la lavorazione. Osservando la Fig. 3.9 possiamonotare che in questo caso il punzone pu avere
solo spostamenti verticali, mentre tutto il
sistema lamiera-premilamiera-stampo a
muoversi orizzontalmente e che quindi la
macchina realizza formature negative.
Esiste una versione un po pi complessa di
questa macchina, la quale, come mostrato in Fig.
3.10, anzich avere uno stampo convenzionalmente
statico ne possiede uno mobile capace di muoversi
su traiettorie parallele e ortogonali alla lamiera e di
ruotare per permettere la formatura di parti dotate di
una certa angolatura.
Fig. 3. 7
Fig. 3. 8
Fig. 3. 9
Fig. 3. 10
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Capitolo 3 Macchine, Utensili e Stampi
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Volendo analizzare i vantaggi e gli svantaggi dei due tipi di formatura riportiamo il
caso di formatura di un cono rettangolare.
Fig. 3. 11 Cono rettangolare realizzato con formatura Fig. 3.12 Cono realizzato con formatura positiva.
negativa.
E evidente come la diversit di questi due
metodi di formatura comporti stati
deformativi molto diversi tra loro. Con
riferimento alla Fig. 3.13 possiamo affermare
che :
1. La formabilit del metallo in questione alta quando la deformazione piana
2. Con il metodo della formaturanegativa, a causa di un modo di deformazione biassiale, pi difficile
realizzare angoli e lati oltre certi limiti, in quanto facilmente si verificano dellerotture.
3. Con il metodo della formatura positiva, invece, possibile realizzare forma conangoli abbastanza severi, in quanto il meccanismo di deformazione dominante
quello piano.
4. Nel metodo della formatura positiva, la colonna di supporto, appositamenteprogettata, dipende dalla complessit della forma da realizzare.
Fig. 3. 13
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Capitolo 3 Macchine, Utensili e Stampi
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 20
Negli anni pi recenti sono state presentate alcune applicazioni di formatura
incrementale condotte su macchine fresatrici a controllo numerico.
Queste applicazioni, inizialmente proposte in Giappone, hanno trovato rapido
riscontro in Europa e negli Stati Uniti, e lasciano intravedere promettenti sviluppisoprattutto nel settore della prototipazione rapida. Il foglio di lamiera posizionato
sulla tavola porta-pezzo della fresatrice ed incastrato lungo tutto il perimetro; in luogo
della fresa, sul mandrino viene fissato un punzone a testa emisferica di piccolo
diametro. La traiettoria del punzone comandata tramite controllo numerico e
permette di imprimere sulla lamiera la deformazione necessaria per ottenere il
desiderato prodotto finale. E evidente che ilmoto relativo nasce dalla composizione degli
spostamenti (ed eventualmente delle
rotazioni) del punzone lungo gli assi
controllati della macchina utensile. La figura
3.14 riporta una caratteristica applicazione di
incremetal forming su una fresatrice dotata ditre assi controllati: in questo caso il moto
relativo utensile-lamiera deriva dalla composizione delle
traslazioni lungo i tre assi controllati (X ed Y sul piano della
lamiera, Z in direzione perpendicolare ad esso) e dovr essere
tale da provocare la deformazione necessaria per ottenere la
geometria voluta sul pezzo. La figura 3.15 riporta, a titolo di
esempio, alcuni componenti realizzati su fresatrice nel corso
di una campagna di prove di laboratorio. a controllo
numerico.
Fig. 3. 14
Fig. 3. 15
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Capitolo 4 Studio del fenomeno della deflessione
Corso di Tecnologie Speciali Mattaroccia Gianluca A/A 2003/2004 21
Capitolo 4. Studio del fenomeno della deflessione
A seguito di una lavorazione per formatura incrementale effettuata in laboratorio
stato osservato il manifestarsi di un difetto superficiale caratteristico delle
lavorazioni per deformazione plastica delle lamiere: lingobbamento o deflessione.
Questo fenomeno stato riscontrato su fogli di Alluminio 2024 allo stato ricotto dello
spessore di 0.3 mm. Lapparecchiatura utilizzata per svolgere la lavorazione un
robot che monta sulla sua testa un punzone a testa sferica del diametro di 10 mm. La
formatura realizzata in aria, vale a dire senza uno stampo.
Nel presente lavoro saranno analizzati i fattori che potrebbero influenzare il
fenomeno, derivanti sia dal materiale che dalle attrezzature.
4.1 Studio del materiale
Fig. 4.1
Quando un metallo subisce una profonda
deformazione a freddo (ad esempio di
laminazione, come nel nostro caso), che lorende incrudito, gran parte dellenergia
spesa per la deformazione plastica viene
conservata nel metallo stesso sotto forma di
difetti di linea, cio dislocazioni. Quindi un
metallo incrudito ha unenergia interna pi
elevata di uno non incrudito. Per addolcire equindi aumentare la duttilit di un metallo
Fig. 4.2
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sottoposto a deformazione plastica a freddo viene eseguito un trattamento termico di
ricottura, trattamento che consiste nel riscaldare, ad una temperatura sufficientemente
alta e per un tempo adeguato, il metallo incrudito. Questo trattamento annulla molte
dislocazioni oppure le porta in condizioni di minore energia. Come possiamo notaredalla Fig. 4.2 durante la fase di ricupero, diminuisce la resistenza del metallo
incrudito, mentre di solito viene notevolmente aumentata la sua duttilit.
Infatti, se mettiamo a confronto
(Tabella 4.1) le caratteristiche
meccaniche di una lega di alluminio allo
stato TN (tempra di soluzione coninvecchiamento naturale) e una allo stato
O (ricotto) notiamo proprio quello precedentemente detto. I valori del 2024-O, allo
stato ricotto, sono molto incoraggianti, in quanto notiamo subito un carico di
snervamento abbastanza basso ed un allungamento percentuale a rottura alto, il che ci
fa pensare ad una lega adatta alle lavorazioni per deformazione plastica.
Nel processo di formatura incrementale le modalit base di formatura della lamiera
sono essenzialmente due:
- flessione plastica (bending), in cui la deformazione si verifica soltanto nellazona in cui si modifica il raggio di curvatura. Lo stato di deformazione tipico
della flessione plastica corrisponde allesistenza, nel piano della lamiera, di una
direzione di deformazione piana coincidente con lasse di flessione.
- espansione (stretching), in cui la lamiera viene deformata in una certa regione,mentre risulta completamente bloccata dallazione di un premilamiera nella
zona che circonda la regione deformata.
Il concetto di flessione plastica ci porta a riflettere su un altro importante fenomeno
legato alla deformazione delle lamiere da parte di un punzone, e cio il fenomeno del
ritorno elastico (springback).
R
N/mm2RS0. 2%
N/mm2A
%
HB
min
AL 2024-TN 390 290 10 115
AL 2024-O 195 80 14 45
Tabella 4.1
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Lentit di tale ritorno elastico risulta essere funzione dei seguenti parametri:
- Il raggio di curvatura sotto carico Rc, il quale alla fine della fase di caricoviene a coincidere con il raggio di curvatura del punzone: al crescere del raggiodi curvatura Rc, la piegatura impressa pi dolce e conseguentemente
maggiore la porzione della lamiera che rimane in campo elastico;
- Lo spessore della lamiera, s: bassi valori dello spessore svolgono un ruoloconcorde a quello che caratterizza
elevati valori del raggio di
piegatura; questo perch: facendo
riferimento ad un modellosemplificato monoassiale, la
deformazione impressa sulla
generica fibra posta a distanza y
dallasse neutro pari a y/R, essendo R il raggio di piegatura; la deformazione
massima si verifica sul bordo esterno della lamiera e sar pari a s/2R. Ci vuol
dire che pi piccolo s e minori saranno le deformazioni. E possibileracchiudere i due parametri in un unico parametro geometrico Rc /s, al cui
crescere si riduce la drasticit della deformazione impressa e
conseguentemente aumenta lentit del ritorno elastico alla fine della fase di
carico.
- Infine particolarmente rilevante linfluenza delle propriet meccaniche delmateriale, con riferimento al rapporto tra la tensione di flusso plastico del
materiale ( carico di snervamento) s ed il modulo di Young: analizzando la
Fig. 4.3 Fig. 4.4
Fig. 4.5
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curva tensioni-deformazioni, di Fig. 4.3 e 4.4, si evidenzia che lentit della
deformazione elastica recuperata durante la fase dello scarico cresce al crescere
della tensione di snervamento ed al diminuire del modulo di elasticit
longitudinale.
Ora, se osserviamo gli effetti del trattamento termico
di ricottura, in Fig. 4.6, ci rendiamo subito conto che
lalluminio ricotto, avendo un carico di snervamento pi
basso, sar soggetto in maniera meno sensibile, al
fenomeno del ritorno elastico rispetto ad uno temprato;inoltre dato che, in precedenti processi di formatura
incrementale effettuati in laboratorio, su lamiere di
Alluminio non ricotto, risulta assente il fenomeno di
deflessione, oggetto del presente studio, possiamo
affermare che la distorsione della lamiera non provocata direttamente dal fenomeno
del ritorno elastico. possibile, per, che altri fattori, che pi in seguitoanalizzeremo, possano sommare i loro effetti a lievi fenomeni di ritorno elastico e
quindi accentuare la deformazione.
Essendo molto accentuata la riduzione di spessore subita dalla lamiera, i grani
cristallini subiscono un forte schiacciamento e quindi un notevole allungamento nella
direzione di laminazione come mostrato in Fig. 4.7.
Il trattamento termico di ricottura delle leghe di alluminio molto particolare:
bastano, infatti, piccole variazioni dei valori ottimali di temperatura, pressione e
Fig. 4.6
Fig. 4.7 Allungamento dei grani nella direzione di laminazione
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tempo di trattamento per ottenere strutture cristalline completamente differenti da
quelle desiderate. Durante la fase di ricristallizzazione, (Fig. 4.8) pu quindi accadere
che i nuovi grani formati crescano in modo anomalo generando ulteriori tensioni
residue apparentemente in equilibrio.
Questo momentaneo equilibrio viene a mancare non appena interviene uno sforzo
esterno, provocando, cos, una deformazione in qualche direzione preferenziale e
generando delle variazioni di forma della lamiera inaspettate.
Fig. 4.8 Crescita dei grani durante il trattamento di ricottura
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4.2 Parametri e cause legate al premilamiera
Dal punto di vista meccanico, il processo di
deformazione, nella formatura incrementale, simileal processo di spinning. Tale processo pu essere
diviso in tre categorie, come mostrato in Fig. 4.9.
- Over spinning- Shear spinning- Under spinning
Poich nella formatura incrementale tutta la periferia della lamiera bloccata dalpremilamiera lecito ipotizzare che essa sia deformata da una sollecitazione di taglio
dominante, uguale a quella che agisce nello shear spinning.
Analizzando lapparecchiatura di
formatura utilizzata in laboratorio, stato
osservato che il bloccaggio della lamiera
realizzato tramite una serie di morsetti, comeschematizzato in Fig. 4.10. Ci significa che
durante la formatura, lo stato tensionale, a cui
sottoposto il metallo, non unicamente di trazione e che quindi la deformazione che
si verifica non completamente a spese dello spessore delle pareti del componente
deformato. Se lo stato di deformazione non unicamente di trazione, possono
verificarsi deflessioni della superficie della lamiera e la tendenza al verificarsi di
questi difetti viene amplificata ogni volta che nel processo esistono condizioni tali da
permettere alla lamiera di muoversi liberamente, quindi in tutte le zone in cui la
presenza del premilamiera viene a mancare.
Inoltre, le zone della lamiera sottoposte allazione dei morsetti non sono tutte
soggette allo stesso stato tensionale, dato che, i morsetti vengono serrati manualmente
e quindi, tutti, con differenti carichi di coppia.
Appoggio
LamieraMorsetto
Fig. 4.10
Fig. 4.9
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Senza fare alcuna analisi numerica, la quale certamente evidenzierebbe ci che
accade nel materiale in queste condizioni, ovvio prevedere una situazione simile a
quella mostrata in Fig. 4.11: il punzone (in zona centrale O )
sottopone a stretching la lamiera, e si vede, anche se inmodo troppo accentuato, il fenomeno delle diverse bande di
flusso. Le uniche zone sottoposte unicamente a trazione
sono quelle in corrispondenza delle quali agisce il morsetto.
Questo potrebbe essere anche valutato sperimentalmente, ad
esempio, imprimendo sulla superficie della lamiera una pellicola con una griglia di
cerchietti di convenienti dimensioni, ricordando che al variare della dimensione dellagriglia varia landamento dellFLD.
Analizzando eventuali cerchietti posti sulla superficie della
lamiera, per una situazione completamente bilanciata, quindi per uno
stato tensionale unicamente di trazione, il cerchietto originale
dovrebbe deformarsi allargandosi uniformemente in tutte le direzioni
del piano della lamiera, come mostra la Fig. 4.12.Nel caso di condizioni sbilanciate (Fig. 4.13) il cerchietto
originale subisce una contrazione nella direzione dellasse minore.
Questo vuol dire che sulla lamiera non sta agendo solo uno sforzo di
trazione, ma esiste anche uno sforzo di compressione.
Quando la lamiera bloccata lungo tutto il suo perimetro, una
sollecitazione sufficientemente alta, dovuta allazione del punzone, tale da superareil limite di snervamento del materiale e quindi capace di portare le zone interessate
allazione dellutensile, completamente, in campo plastico.
Con il sistema di bloccaggio utilizzato in laboratorio, le zone sottoposte
allazione del morsetto (zone a maggiore deformazione) riescono a superare il limite
di snervamento del materiale, mentre quelle libere subiscono solamente una
deformazione temporanea, cio elastica. Non appena cessa lazione del carico questa
deformazione in buona parte viene annullata, si verifica, cio, il fenomeno del ritorno
Fig. 4.11
Fig. 4.12
Fig. 4.13
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elastico e quindi non ci troviamo pi in una
condizione completamente bilanciata come mostra
la Fig. 4.12. Questo pu essere verificato
sperimentalmente applicando, come al solito, sullalamiera una griglia di deformazione, dopodich si
effettua la formatura e si misurano le
deformazioni realizzate. Successivamente
considerando la curva limite di formabilit FLD
del materiale in questione, considerando oltre al
limite di frattura anche il limite di snervamento,come mostra la Fig. 4.14, si riportano le
deformazioni misurate sulla griglia.
A questo punto si riportano sul diagramma le
deformazioni misurate sulla griglia.
Nel caso di condizioni bilanciate lecito
attendersi che le deformazioni misurate si trovinotutte oltre il limite di snervamento, come mostra la
Fig. 4.15.
Nel caso dellapparecchiatura utilizzata in
laboratorio non tutte le zone della lamiera a
contatto con lutensile riescono a superare il limite
di snervamento (Fig. 4.16), quindi il ritorno
elastico tale da causare la deflessione.
Dalla Fig. 4.17 facile notare che la deflessione della
lamiera si verifica in direzione ortogonale a RD (Rolling
Direction); questo perch data lelevata concentrazione
delle dislocazioni, in direzione RD, risulta pi
favorita,con i bassi carichi di formatura utilizzati, lo
scorrimento dei piani in una direzione meno ostacolata.
Fig. 4.14
Fig. 4.16
Fig. 4.15
Fi . 4.17
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Conclusioni
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Conclusioni
Questa ricerca ha voluto analizzare e dimostrare il modo in cui i vari parametri
di processo influenzano il prodotto realizzato e la lavorazione.Si visto che lattrito tra utensile e lamiera gioca un ruolo fondamentale nella
qualit della superficie realizzata; che al diminuire della velocit di avanzamento
dellutensile i limiti di formabilit si spostano verso lalto; che allaumentare della
dimensione dellutensile migliora la formabilit nelle prime fasi di formatura e che
poi causa un abbassamento dei limiti di formatura. Infine il ruolo dellanisotropia
planare che provoca variazioni anche notevoli dei parametri di processo a secondadella direzione in cui vengono valutati (direzione RD o TD).
Si cercato, inoltre, di capire il motivo della deflessione verificatasi su un foglio
di alluminio AL 2024-O, e questo stato fatto analizzando sia le caratteristiche del
materiale ( struttura cristallina, trattamento termico di ricottura, grado di anisotropia,
ecc.) sia lapparecchiatura utilizzata. Possiamo quindi concludere dicendo che :
Non potendoci basare su dati di sufficiente precisione, si consiglia di sottoporre
il metallo in questione, AL2024-O, ad un esame metallografico ai raggi X: in questo
modo si potr, innanzitutto, stabilire:
- La forma, la geometria e lorientamento dei grani- Eventuali composti precipitati durante il trattamento di ricottura, i quali
alterano il comportamento meccanico del metallo
- Valutare lo stato di sforzo residuo a cui sottoposto il metallo.
La presenza di un premilamiera che agisce su tutta la superficie della lamiera
fortemente consigliata: in questo modo possibile evitare che alcune zone del
materiale, quelle libere, subiscano ritorno elastico e causino instabilit superficiale
della lamiera.
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Bibliografia
Bibliografia
1. Myoung-Sup Shim, Jong-Jin Park. The formability of aluminum sheet inincremental forming.
2. H.Iseki. An approximate deformation analysis and FEM analysis for theincremental bulging of sheet metal using a spherical roller.
3. Y.H. Kim, J.J. Park. Effect of process parameters on formability inincremental forming of sheet metal.
4. T.J. Kim, D.Y. Yang. Improvement of formability for the incremental sheetmetal forming process.
5. C.Giardini, E.Ceretti, A.Attanasio, M.Pasquali. Feasibility limits in sheetincremental forming: experimental and simulative analysis.
6. Jong-Jin Park, Yung-Ho Kim. Fundamental studies on the incremental sheetmetal forming technique.
7. F.Micari. Processi di formatura dei metalli, Dario Flaccovio Editore.8. Manuali Cremonese.Manuale del perito industriale9. W.Nicodemi.Metallurgia, Masson10. G.Belloni, A.Lo Conte. Costruzione di macchine, Hoepli11. W.Smith. Scienza e tecnologia dei materiali, McGraw-Hill