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Lavorazioni per deformazione plastica

Lo stampaggio è una tipologia di lavorazioni per deformazione plastica, nelle quali la capacità del materiale di sopportare grandi deformazioni prima di rompersi svolge un ruolo fondamentale. Alcune caratteristiche del materiale che sono ricavate dalle prove di trazione vengono indicate in seguito [18] .

Il modulo elastico (o di Young “E”), è indice della rigidezza del materiale ed è definito come costante di proporzionalità tra tensione ed allungamento in campo elastico.

Il carico di snervamento Rs ha un valore, per molti materiali, vicino al limite elastico Re. Pertanto si preferisce considerare il punto in cui si ha una deformazione permanente misurabile, pari allo 0.2 % in quanto più facilmente misurabile.

L’allungamento a rottura è definito come (lf – l0)/l0, in cui la lunghezza della provetta all’inizio è indicata con l0 , mentre lf è la lunghezza finale, in seguito a prova di trazione; tale coefficiente misura la duttilità del materiale, cioè la sua capacità di subire grandi deformazioni plastiche.

La tenacità è l’area sottesa dal diagramma tensione-allungamento è un indice dell’energia assorbita per portare a rottura il materiale.

La malleabilità è definita come capacità di subire grandi deformazioni plastiche senza manifestare forti incrudimenti ed è rilevabile dalla pendenza della prima parte della curva in zona plastica, prima della strizione.

La capacità di deformazione di un materiale metallico dipende dal sistema cristallografico relativo all’aggregato policristallino.

I metalli più plastici, come l’alluminio, hanno una conformazione del cristallo cubica a facce centrate CFC, che ammette il maggior numero di piani di scorrimento.

In generale i metalli puri hanno una capacità di deformazione superiore a quella delle leghe. Sono infatti sufficienti piccolissime percentuali di determinati leganti per ridurre notevolmente la loro capacità di deformazione. Ad esempio nelle leghe ferrose il carbonio riduce la capacità di deformazione, assai modesta per percentuali di carbonio di circa 1%, completamente nulla per percentuali del 2.5% (ghisa).

Il silicio esercita un’azione analoga a quella del carbonio ma meno energetica; il fosforo allo 0.4% aumenta notevolmente la grana della lega di ferro, rendendola assai fragile a freddo, mentre percentuali minime di zolfo (0.1%) rendono la lega Fe-C fragile a caldo, lasciando però una certa plasticità a freddo.

La presenza di tungsteno, cromo, molibdeno nell’acciaio, mentre da un lato conduce ad un aumento sensibile delle caratteristiche meccaniche, dall’altro fa diminuire notevolmente la sua capacità di deformazione; il manganese invece, fino al valore dello 0.7%, non pregiudica la capacità di deformazione dell’acciaio.

I procedimenti di stampaggio e fucinatura hanno in comune il fatto che il materiale è deformato plasticamente, variandone la forma iniziale mediante l’applicazione di forze esterne di compressione su presse o magli.

Lo stampaggio presenta un impiego molto diffuso per la varietà di geometrie dei pezzi che si possono ottenere, tra cui alberi a gomito, ruote dentate e altri elementi.

La struttura cristallina di un pezzo ottenuto per fusione è caratterizzata da grani orientati casualmente, al contrario di quella di un pezzo stampato, il quale mantiene la struttura fibrosa del prodotto laminato da cui è ottenuto, in modo che tali fibre ricopino la forma del pezzo stesso. Pertanto da ciò deriva l’elevata resistenza meccanica dei pezzi ottenuti, dovuta anche all’azione di compressione in tutte le direzioni, prodotta sul materiale dalle pareti dello stampo, con conseguente maggiore compattezza e l’eliminazione di gran parte dei difetti interni, spesso presenti nei pezzi fusi.

Il riempimento degli stampi è influenzato principalmente da alcuni fattori fondamentali.

Una scarsa deformabilità ad esempio può causare rotture nella fase di riempimento, mentre un’elevata resistenza allo scorrimento può impedire il riempimento di certe zone dello stampo. Fondamentale è l’impiego di lubrificanti, al fine di assicurare uno scorrimento costante, riducendo l’attrito con le pareti dello stampo e la conseguente usura.

Un preriscaldamento degli stampi ne migliora il riempimento e diminuisce la forza necessaria all’operazione .

Si osserva che i pezzi più difficili da stampare presentano sezioni sottili e lunghe, caratterizzate da un basso modulo di raffreddamento (rapporto volume/superficie) che induce alla diminuzione della deformabilità del materiale e delle relative capacità di scorrimento.

Il calcolo della forza necessaria all’operazione di stampaggio, nel caso di stampi chiusi, è eseguito mediante l’ausilio di software dedicati e col metodo degli elementi finiti.

Il disegno del grezzo e delle cavità degli stampi, deve tenere in considerazione diversi fattori: Scelta del piano di divisione (o piano di bava)

In genere questo coincide con un piano di simmetria del pezzo, essendo dipendente dalla morfologia del pezzo. Considerando eventuali spinte laterali dovute al posizionamento del pezzo, è possibile fissare piani di bava alternativi, con conseguenti usure eccessive sui sistemi di guida degli stampi, oppure l’economicità della lavorazione delle impronte sugli stampi.

La disposizione del piano di bava influenza direttamente l’andamento delle fibre del pezzo e quindi la sua resistenza meccanica, pertanto è necessario evitare che i punti di debolezza, costituiti dai piani di confluenza delle fibre, si trovino nelle zone centrali del pezzo.

Dimensionamento dei soprametalli

E’ necessario prevedere un soprametallo sulle superfici che devono essere lavorate, che presenta uno spessore dipendente principalmente dalle dimensioni del pezzo. Si dovrà tenere conto inoltre dell’ossidazione del materiale alle alte temperature (che provoca perdite di materiale sulla superficie), di difetti superficiali, irregolarità di riempimento dello stampo, tolleranze dimensionali tipiche di tale processo e delle difficoltà di valutazione esatta del ritiro in ogni punto del pezzo

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Tabella 3 Valori medi indicativi dei sovrametalli di lavorazione sui greggi di stampaggio a caldo

Angoli di sformo

Nel disegno del greggio di stampaggio è indispensabile evitare di introdurre spigoli vivi, ovviando con opportuni raggi di raccordo. La duplice funzione che apportano è la diminuzione del rischio di zone ad elevata concentrazione di tensioni ed il rischio di cricche, ed inoltre facilitano il riempimento delle cavità dello stampo.

Tabella 4Valori minimi dei raggi di raccordo interni ed esterni delle incisioni degli stampi

Dimensionamento del canale di bava

Il canale di bava è un’incisione di forma opportuna, ricavata sulle due superfici adiacenti degli stampi, che circonda completamente l’impronta del pezzo. Ha la funzione di attutire l’urto tra i due stampi, accogliere il materiale in eccedenza e favorire il riempimento della forma .

Dimensionamento degli stampi

L’impronta nello stampo finitore si ottiene dal disegno del greggio di fusione e da quello del canale di bava, con l’aggiunta del ritiro che il pezzo subisce dalla temperatura di fucinatura a quell’ambiente.

Gli stampi sono costituiti da due blocchi di acciaio fucinato speciale con elevata resistenza all’usura e alle alte temperature, nei quali la cavità corrispondente all’impronta viene ottenuta per lavorazione ad asportazione di truciolo o per elettroerosione.

Le dimensioni degli stampi vengono determinate attraverso semplici relazioni di proporzionalità, mediante opportuni coefficienti che tengono conto della profondità dell’impronta. L’elevato costo degli acciai da stampi spinge talvolta a utilizzare stampi a matrice riportata, in cui si realizza con tali materiali speciali solo la parte dello stampo che contiene l’impronta, mentre il resto dello stampo viene realizzato in acciaio comune.

Impiego degli sbozzati intermedi

Poche volte si esegue in una sola operazione la trasformazione dello spezzone di partenza nel prodotto stampato finale.

Anche se la forma del pezzo non è particolarmente complessa, il materiale di partenza deve essere deformato progressivamente, per poter assicurare un buon riempimento degli stampi finali e per

ottenere una valida distribuzione delle fibre all’interno del pezzo. Questo comporta l’uso di sbozzati intermedi tra lo spezzone iniziale e lo stampato finale.

Figura 64 Confronto fra grezzo stampato e pezzo finito