Comprensione delle increspature nello stampaggio a profonda estrazione

Quando si estrae una lamiera piana in una forma tridimensionale, qualcosa deve cedere. Il materiale si comprime, si allunga e fluisce nella cavità dello stampo. Quando questo processo va storto, si generano increspature: ondulazioni simili a onde che compromettono sia l’aspetto estetico sia l’integrità strutturale del pezzo. Questo difetto rimane una delle sfide più persistenti nello formatura lamiera stampaggio a profonda estrazione, influenzando tutto, dai pannelli carrozzeria automobilistica alle lattine per bevande.

Le increspature nello stampaggio a profonda estrazione sono essenzialmente una forma di instabilità locale per flessione. Si verificano quando le sollecitazioni di compressione sulla lamiera superano la capacità del materiale di resistere a deformazioni fuori dal piano. Il risultato? Pieghe, onde o rigonfiamenti che rendono i pezzi non utilizzabili o richiedono costose operazioni secondarie per essere corretti.

Che cosa sono le increspature nello stampaggio a profonda estrazione

Alla base di questo difetto vi è un problema di instabilità. Mentre lo stampo forza la lamiera nella cavità della matrice, la zona del risvolto subisce una tensione radiale di trazione che la spinge verso l'interno, contemporaneamente subendo una tensione circonferenziale di compressione mentre il suo diametro si riduce. Quando questa tensione circonferenziale di compressione diventa eccessiva, la lamiera si instabilizza con fenomeni di buckling.

Il corrugamento inizia quando la tensione circonferenziale di compressione nel risvolto supera la resistenza locale della lamiera al buckling, causandone l’instabilizzazione fuori dal piano.

Questo principio meccanico spiega perché le lamiere più sottili si corrugano più facilmente rispetto a quelle più spesse e perché alcuni gradi di materiale sono più soggetti a questo difetto rispetto ad altri. Il premilamina esercita una pressione verso il basso proprio per contrastare tale tendenza al buckling, ma individuare il giusto equilibrio rappresenta la vera sfida ingegneristica.

Corrugamento del risvolto vs. Corrugamento della parete — Due modalità di guasto distinte

Non tutte le grinze sono uguali. Comprendere dove si formano è il primo passo per risolverle. Una ricerca pubblicata sul Giornale di tecnologia della lavorazione dei materiali classifica questo difetto in due tipi meccanicamente distinti:

• Le grinze sul bordo (flange wrinkling) si verificano nella porzione piana del grezzo che rimane tra il dispositivo di ritenuta (blank holder) e lo stampo durante l’operazione di imbutitura. Questa zona subisce uno sforzo di compressione diretto mentre il materiale fluisce verso l’interno.
• Le grinze sulla parete (wall wrinkling) si sviluppano sulla parete laterale imbutita o sulla parete del recipiente dopo che il materiale ha superato il raggio dello stampo. Questa zona è relativamente non supportata dagli utensili, rendendola più soggetta a instabilità per buckling anche a livelli di sollecitazione inferiori.

Queste due modalità di guasto condividono la stessa causa radice, ossia lo sforzo circonferenziale di compressione, ma richiedono azioni correttive diverse. Le increspature della parete laterale si verificano molto più facilmente rispetto a quelle del bordo flangiato, poiché la parete laterale non beneficia del vincolo diretto fornito dal dispositivo di tenuta della lamiera. La soppressione delle increspature della parete laterale mediante regolazione della forza del dispositivo di tenuta della lamiera è più difficile, in quanto tale forza agisce prevalentemente sullo sforzo di trazione radiale anziché limitare direttamente la parete.

Ecco quindi la domanda fondamentale che dovrebbe guidare la vostra attività di troubleshooting: dove si formano le increspature? La risposta determina il percorso diagnostico da seguire e i rimedi da prendere in considerazione. Un’increspatura sul bordo periferico della flangia indica una forza insufficiente del dispositivo di tenuta della lamiera o una lamiera di dimensioni eccessive. Un’increspatura sulla parete tirata suggerisce un gioco eccessivo tra punzone e matrice o un supporto insufficiente della parete. Trattare questi problemi come se fossero intercambiabili comporta spreco di tempo e continua produzione di scarti.

In tutto questo articolo torneremo su questo approccio diagnostico basato sulla posizione. Che siate impegnati nella lavorazione dell’acciaio o nella produzione di componenti di precisione in metallo, la fisica rimane la stessa. Il difetto vi indica dove guardare; il vostro compito è capire cosa vi sta comunicando.

I meccanismi alla base della formazione delle grinze

Comprendere perché si formano le grinze richiede di analizzare ciò che accade al metallo durante la corsa di estrusione. Immaginate il bordo del grezzo come un anello circolare tirato verso l’interno, verso lo stampo. Man mano che il diametro esterno si riduce, anche la circonferenza deve diminuire. Questo materiale deve andare da qualche parte e, quando non riesce a fluire in modo uniforme, si instabilizza verso l’alto o verso il basso, generando le grinze.

Sembra complesso? In realtà è piuttosto semplice, una volta scomposto in parti. Il bordo è soggetto contemporaneamente a due sollecitazioni contrastanti: sollecitazione radiale di trazione che tira il materiale verso la cavità dello stampo e una tensione di compressione circonferenziale che comprime il materiale mentre il suo perimetro si contrae. Quando la tensione circonferenziale di compressione supera la capacità del foglio di resistere alla deformazione fuori dal piano, inizia l'instabilità per inflessione (buckling).

Tensione circonferenziale di compressione e instabilità per inflessione (buckling) — La causa meccanica radicale

Immaginate di schiacciare una lattina di alluminio vuota dalla parte superiore: la parete cilindrica si instabilizza verso l’esterno perché il carico di compressione supera la resistenza della sottile parete alla deviazione laterale. Lo stesso principio si applica al risalto (flange) durante la stampaggio a tranciatura profonda, con la differenza che la compressione agisce in senso circonferenziale anziché assiale.

Tre fattori geometrici e materiali determinano quanto facilmente un foglio si instabilisca (buckle) sotto questa tensione di compressione:

• Spessore del foglio: i fogli più sottili si instabiliscono più facilmente, poiché la resistenza all’instabilità è proporzionale al cubo dello spessore. Un foglio con metà dello spessore ha soltanto un ottavo della resistenza all’instabilità.
• Rigidità del materiale (modulo elastico): i materiali con modulo più elevato resistono in modo più efficace all'instabilità elastica. Questo è il motivo per cui le leghe di alluminio, il cui modulo elastico è circa un terzo di quello dell'acciaio, sono intrinsecamente più soggette a increspature a parità di spessore.
• Larghezza della flangia non supportata: la distanza tra l'apertura dello stampo e il bordo della lamiera determina la quantità di materiale libera di instabilizzarsi. Un'area non supportata più ampia comporta una minore resistenza all'instabilità, analogamente a come una colonna più lunga si instabilizza sotto un carico inferiore rispetto a una più corta.

Ricerca da Ohio State University ha dimostrato sperimentalmente questa relazione utilizzando lamiere in alluminio AA1100-O. Quando la forza del dispositivo di tenuta della lamiera è stata impostata a zero, la flangia si è increspata quasi immediatamente dopo l'inizio della formatura. All'aumentare della forza di ritenzione, l'insorgenza delle increspature è stata ritardata e, quando tale forza ha superato una soglia critica, le increspature sono state completamente eliminate.

Come le proprietà del materiale influenzano il rischio di increspature

Qui il tuo foglio dati del materiale diventa uno strumento diagnostico. Tre proprietà influenzano direttamente il comportamento di un materiale rispetto alle sollecitazioni di compressione che causano le grinze: la resistenza a snervamento, l’esponente di incrudimento (valore n) e l’anisotropia plastica (valore r).

La resistenza a snervamento definisce il livello di sollecitazione al quale inizia la deformazione plastica. I materiali con una resistenza a snervamento più bassa entrano nel flusso plastico in una fase precedente della corsa di imbutitura, il che può effettivamente contribuire a ridistribuire le sollecitazioni e ritardare l’instabilità per inflessione. Lavori sperimentali su leghe di alluminio commercialmente puro hanno dimostrato che le leghe con tensione di snervamento inferiore presentavano una migliore resistenza alle grinze, purché le altre proprietà fossero favorevoli.

L'indice n, o esponente dell'incrudimento da deformazione, descrive la rapidità con cui un materiale si rinforza durante la deformazione. I materiali con un indice n più elevato distribuiscono la deformazione in modo più uniforme lungo il risalto, anziché concentrare la deformazione in zone localizzate. Questa distribuzione uniforme della deformazione riduce la probabilità di instabilità locale (buckling). Come spiega MetalForming Magazine, l'incrudimento per deformazione, caratterizzato dall'indice n, riduce la tendenza all'assottigliamento localizzato nelle aree fortemente deformate. Lo stesso principio si applica alle increspature (wrinkling): i materiali che si induriscono in modo uniforme resistono alle instabilità localizzate che innescano il buckling.

Il valore r, o rapporto di anisotropia plastica, indica in che misura un materiale resiste all’assottigliamento rispetto alla deformazione nel piano. I materiali con un valore r più elevato si deformano preferenzialmente nel piano del foglio piuttosto che nella direzione dello spessore. Ciò è rilevante per le increspature, poiché il mantenimento dello spessore del risvolto preserva la resistenza all’instabilità flessionale durante tutta la corsa di imbutitura. Un materiale che si assottiglia rapidamente perde progressivamente la capacità di opporsi all’instabilità flessionale compressiva man mano che l’operazione procede.

Le relazioni direzionali sono chiare:

• Valore n più elevato = distribuzione della deformazione più uniforme = maggiore resistenza alle increspature
• Valore r più elevato = minore assottigliamento = resistenza all’instabilità flessionale mantenuta per tutta la corsa
• Resistenza allo snervamento più bassa (con un valore n adeguato) = inizio anticipato del flusso plastico = migliore ridistribuzione delle sollecitazioni

Queste relazioni spiegano perché la scelta del materiale non si basa semplicemente sulla resistenza. Un acciaio ad alta resistenza con allungamento limitato e valore n basso può effettivamente essere più soggetto a increspature rispetto a una qualità di acciaio a resistenza inferiore dotata di caratteristiche di formabilità superiori. Lo stesso ragionamento vale nel confronto tra acciaio e alluminio: anche quando la saldatura o l’assemblaggio dell’alluminio non costituisce un problema, il modulo elastico inferiore delle leghe di alluminio richiede approcci di processo diversi per prevenire le increspature.

Una volta stabiliti questi fondamenti meccanici, la domanda successiva diventa pratica: in che modo il rapporto di trafilatura e la geometria della lamiera influenzano il momento e il luogo in cui iniziano le increspature?

Rapporto di trafilatura e geometria della lamiera come variabili delle increspature

Ora che comprendete le sollecitazioni di compressione responsabili della formazione delle grinze, la domanda successiva è di carattere pratico: quanta materia prima è effettivamente possibile imbutire prima che tali sollecitazioni diventino incontrollabili? La risposta risiede in due variabili interconnesse che molti ingegneri trascurano fino a quando i problemi non si manifestano in produzione: rapporto di imbutitura e geometria del grezzo .

Immaginate di tentare di far passare una grande tovaglia circolare attraverso un piccolo anello. Più tessuto avete all’inizio rispetto al diametro dell’anello, più il materiale si raggrinzisce e si piega. Anche l’imbutitura profonda funziona allo stesso modo. Il rapporto tra le dimensioni iniziali del grezzo e il diametro finale dello stampo determina quanta compressione circonferenziale deve assorbire il risalto, e se tale compressione rimane entro limiti controllabili o invece innescare l’instabilità per inflessione.

Rapporto di imbutitura e suo effetto sull’insorgenza delle grinze

Il rapporto limite di imbutitura (LDR) definisce il rapporto massimo tra diametro della lamiera e diametro dello stampo che può essere realizzato con successo senza rottura. Superando questa soglia, il volume di materiale del risvolto sottoposto a compressione diventa eccessivo. La tensione circonferenziale risultante supera la resistenza della lamiera all’instabilità per inflessione, causando la formazione di grinze indipendentemente dall’intensità della forza applicata dal dispositivo di ritenuta della lamiera.

Ecco perché questo parametro è importante: all’aumentare del rapporto di trafilatura, una quantità maggiore di materiale deve fluire verso l’interno ad ogni corsa. Questo ulteriore materiale genera una compressione circonferenziale più elevata nel risvolto. Se lo stampo di trafilatura è sufficientemente grande rispetto al bordo della lamiera, la compressione rimane limitata e il materiale fluisce in modo regolare. Tuttavia, quando la lamiera è troppo grande rispetto al diametro dello stampo, la compressione eccessiva genera una resistenza al flusso che il processo non riesce a superare.

La forza di cedimento necessaria per tirare il materiale nello stampo aumenta con il rapporto di trafilatura. A un certo punto, la tensione radiale di trazione necessaria per superare la compressione del bordo supera ciò che il materiale può sopportare senza subire un eccessivo assottigliamento o strappi nella zona del naso dello punzone. Tuttavia, prima di raggiungere questa soglia di strappo, spesso si manifesta inizialmente l’increspatura, dovuta al fenomeno di instabilità a carico del bordo sottoposto a sovraccarico compressivo.

Questo è il motivo per cui il calcolo delle dimensioni della lamiera grezza mediante metodi basati sull’area superficiale, anziché su misurazioni lineari, risulta fondamentale. Una coppa rotonda formata prevalentemente per compressione richiede un diametro della lamiera grezza significativamente inferiore alla distanza lineare attraverso il pezzo finito. Sopravvalutare le dimensioni della lamiera grezza sulla base delle sole dimensioni del pezzo finito, piuttosto che in funzione dei requisiti di flusso del materiale, è una delle cause più comuni di problemi di increspatura.

Ottimizzazione della forma della lamiera grezza per controllare il flusso del materiale

Per le tazze tonde, la relazione tra lamiera piana e punzone è semplice. Ma cosa accade quando si esegue la stampatura di scatole rettangolari, pannelli sagomati o forme asimmetriche? È proprio in questi casi che l’ottimizzazione della forma della lamiera piana diventa uno strumento potente per controllare le increspature, e dove molte operazioni di stampaggio lasciano sul campo prestazioni non sfruttate.

Ricerca pubblicata nel International Journal of Advanced Manufacturing Technology dimostra che l’ottimizzazione della forma iniziale della lamiera piana per componenti rettangolari riduce gli scarti e migliora l’efficienza della formatura. Lo studio ha rilevato che l’integrazione delle proprietà anisotrope del materiale nell’ottimizzazione della lamiera piana ha ridotto l’errore di sagoma da 6,3 mm a 5,6 mm, raggiungendo un errore totale inferiore al 4 percento.

Il principio è semplice: le lamierine non circolari per parti non simmetriche controllano la quantità di materiale che entra nello stampo in ciascun punto. Una lamierina sagomata che segue la linea di apertura dello punzone fluisce più liberamente rispetto a una lamierina rettangolare o trapezoidale con materiale in eccesso negli angoli. Come spiega FormingWorld, il materiale aggiuntivo al di fuori delle zone di tranciatura angolari limita il flusso del materiale, mentre una lamierina la cui forma segue la geometria del pezzo consente un flusso più libero.

Si consideri un montante B o un componente strutturale automobilistico simile. Una lamierina trapezoidale ottenuta per taglio può essere più economica da produrre, poiché non richiede uno stampo specifico per il taglio. Tuttavia, quel materiale in eccesso nelle zone angolari crea un ulteriore vincolo al flusso del metallo. La lamierina sagomata segue più da vicino la linea di apertura dello punzone, riducendo i vincoli e consentendo al materiale di fluire negli angoli, migliorando così la formabilità e riducendo il rischio di increspature.

I fogli grezzi di dimensioni eccessive sono un comune fattore scatenante delle increspature, spesso trascurato dai team di produzione. Quando il foglio grezzo è più grande del previsto, il materiale fluisce in modo meno efficace negli angoli e presenta una maggiore superficie di contatto con il dispositivo di tenuta. Ciò aumenta il vincolo sia dovuto alla forza esercitata dal dispositivo di tenuta che all’attrito. Il risultato è una maggiore tensione compressiva nella falda e una maggiore tendenza alle increspature. Viceversa, i fogli grezzi di dimensioni inferiori al necessario possono fluire troppo facilmente, riducendo l’allungamento desiderato e rischiando di scivolare oltre le nervature di trazione prima di raggiungere la posizione finale.

Diversi fattori legati alla geometria del foglio grezzo influenzano direttamente il rischio di increspature:

• Diametro del foglio grezzo rispetto al diametro dello stampo: rapporti più elevati comportano una maggiore quantità di materiale in compressione e una maggiore tendenza alle increspature. Mantenere tale rapporto entro il valore LDR (Limit Drawing Ratio) previsto per la classe di materiale utilizzata.
• Simmetria della forma del foglio grezzo rispetto alla geometria del pezzo: fogli grezzi sagomati che seguono i contorni dell’apertura dello stampo riducono la presenza di materiale in eccesso nelle zone ad alta compressione.
• Volume del materiale agli angoli nelle lamierine rettangolari: gli angoli subiscono una sollecitazione di compressione maggiore rispetto ai lati rettilinei. Un eccesso di materiale agli angoli amplifica questo effetto.
• Uniformità della larghezza delle flange: larghezze non uniformi delle flange generano una distribuzione non omogenea della compressione, causando l’insorgenza di increspature localizzate nelle zone più larghe.

Il materiale indurito per deformazione derivante da operazioni di formatura precedenti influenza inoltre la risposta delle lamierine alla compressione. Se il materiale è già stato indurito per deformazione a seguito di lavorazioni precedenti, la sua capacità di deformarsi in modo uniforme diminuisce. Ciò può ridurre la finestra operativa tra l’insorgenza delle increspature e la rottura per strappo, rendendo ancora più critica l’ottimizzazione della geometria della lamiera nelle operazioni multistadio.

La conclusione pratica? La geometria della lamiera non è solo una scelta relativa all'utilizzo del materiale: controlla direttamente la distribuzione delle sollecitazioni di compressione nel bordo e determina se il processo opera in sicurezza entro la soglia di increspamento oppure lotta costantemente contro difetti di instabilità a carico di flessione. Una volta compresi il rapporto di trafilatura e la geometria della lamiera, il passo successivo consiste nell’analizzare come i parametri degli utensili esercitino un controllo diretto sull’increspamento durante l’operazione di formatura stessa.

Parametri degli utensili che controllano o causano l’increspamento

Avete ottimizzato la geometria della lamiera e selezionato un materiale con caratteristiche di formabilità favorevoli. E ora? Gli utensili diventano il principale meccanismo di controllo per gestire l’increspamento durante l’effettiva operazione di formatura. Ogni parametro impostato — dalla forza del dispositivo di tenuta della lamiera al raggio geometrico della matrice — influenza direttamente se il bordo subisce instabilità a carico di flessione oppure fluisce regolarmente nella cavità della matrice.

Ecco la sfida che la maggior parte degli ingegneri deve affrontare: le stesse regolazioni che riducono le grinze possono innescare strappi se spinte troppo oltre. Questo non è un problema di ottimizzazione a singola variabile, bensì un equilibrio in cui ogni parametro dello stampo si colloca su uno spettro compreso tra due modalità di guasto. Comprendere in quale punto di tale spettro si trova il proprio processo e come muoversi all’interno di esso fa la differenza tra una produzione costante e problemi cronici di qualità.

Forza del supporto della lamiera — Bilanciare le grinze contro gli strappi

La forza del supporto della lamiera (BHF) è la variabile di controllo centrale per le grinze sul bordo. Il supporto della lamiera esercita una pressione verso il basso sul bordo, generando attrito che limita il flusso del materiale e produce una tensione radiale nel foglio. Questa tensione contrasta la compressione circonferenziale responsabile del fenomeno di instabilità (buckling).

Quando la forza del supporto della lamiera è troppo bassa, il bordo non riceve un’adeguata limitazione. La tensione circonferenziale di compressione supera la resistenza alla instabilità del foglio e si formano le grinze. Man mano che Il Produttore note: una pressione insufficiente del dispositivo di ritenzione del grezzo consente al metallo di corrugarsi quando sottoposto a compressione, e il metallo corrugato genera resistenza al flusso, in particolare quando intrappolato nella parete laterale.

Quando la pressione del dispositivo di ritenzione del grezzo (BHF) è troppo elevata, emerge il problema opposto. Una pressione eccessiva impedisce al metallo di fluire verso l’interno, causando lo stiramento del materiale anziché la sua deformazione per tranciatura. Questo stiramento riduce lo spessore del foglio nel raggio di curvatura della matrice, portando infine a rotture. La stessa fonte sottolinea che una pressione eccessiva del dispositivo di ritenzione del grezzo limita il flusso del metallo, provocandone lo stiramento, il quale potrebbe causare una rottura.

Qual è la conseguenza pratica? La pressione del dispositivo di ritenzione del grezzo (BHF) deve essere sufficientemente elevata da prevenire l’instabilità a flessione (buckling), ma non così alta da impedire il flusso del materiale. Questa finestra operativa varia in funzione del tipo di materiale, dello spessore del foglio e della profondità di tranciatura. Per materiali con allungamento limitato, come gli acciai ad alta resistenza avanzati, tale finestra si restringe notevolmente. Di conseguenza, il margine di errore prima di passare dalla zona di corrugamento a quella di strappo diventa molto più ridotto.

La distribuzione della pressione è altrettanto importante quanto la forza totale. Guarnizioni per presse mal mantenute o perni delle guarnizioni danneggiati generano una pressione non uniforme sulla superficie del supporto della lamiera. Ciò causa un’eccessiva ritenuta localizzata in alcune aree e una ritenuta insufficiente in altre, producendo contemporaneamente grinze e strappi sullo stesso pezzo. Gli equalizzatori contribuiscono a mantenere un gioco specificato tra la faccia della matrice e il supporto della lamiera, indipendentemente dalle variazioni di pressione; tuttavia, richiedono una calibrazione regolare per funzionare correttamente.

Raggio della matrice, raggio dello stampo, gioco e progettazione dei cordoli di trafilatura

Oltre alla forza di ritenuta della lamiera (BHF), quattro ulteriori parametri degli utensili influenzano direttamente il fenomeno delle grinze: raggio di entrata della matrice, raggio della punta dello stampo, gioco tra stampo e matrice e progettazione dei cordoli di trafilatura. Ciascuno di essi comporta un proprio compromesso tra il rischio di grinze e quello di strappi.

Il raggio di ingresso dello stampo determina con quale intensità il materiale si piega nel passaggio dal bordo al fianco tranciato. Un raggio maggiore riduce la severità della piegatura, abbassando la forza di tranciatura e il rischio di strappo. Tuttavia, aumenta anche l’area del bordo non supportata compresa tra il bordo del pressofoglio e l’apertura dello stampo. Questa zona più ampia non supportata presenta una minore resistenza all’instabilità flessionale, incrementando la tendenza alla formazione di grinze. Un raggio dello stampo più piccolo trattiene il materiale in modo più efficace, ma concentra lo sforzo nella zona di piegatura, aumentando il rischio di frattura. Toledo Metal Spinning spiega che, se il raggio dello stampo è troppo piccolo, il materiale non fluirà facilmente, causando stiramento e frattura. Se invece il raggio dello stampo è troppo grande, il materiale formerà grinze dopo aver superato il punto di stretta.

Il raggio del naso dello stampo segue una logica simile. Un raggio maggiore dello stampo distribuisce lo sforzo di formatura su un’area più ampia, riducendo il rischio di assottigliamento localizzato e di strappo. Tuttavia, consente anche a una maggiore quantità di materiale di rimanere non supportata durante la fase iniziale della corsa di tranciatura, aumentando potenzialmente il rischio di increspature nella zona di transizione tra il contatto dello stampo e l’ingresso nella matrice.

Il gioco tra stampo e matrice è un fattore che influenza le increspature sulle pareti, piuttosto che quelle sul bordo. Quando il gioco supera eccessivamente lo spessore del materiale, la parete tranciata perde il supporto laterale. Ciò consente alla parete laterale di deformarsi a onda indipendentemente dalle condizioni del bordo, generando increspature sulle pareti anche quando il bordo rimane privo di increspature. Il gioco corretto viene generalmente indicato come una percentuale superiore allo spessore nominale della lamiera, tenendo conto dell’aumento di spessore che si verifica durante la tranciatura.

I rilievi a guida offrono un controllo di precisione che la regolazione uniforme della forza di tenuta del piano di tranciatura (BHF) non è in grado di garantire. Queste sporgenze presenti sulla superficie dello stampo o sul supporto della lamiera generano una forza di ritenzione localizzata, piegando e successivamente distendendo il foglio man mano che questo scorre oltre il rilievo. Una ricerca condotta dall’Oakland University ha dimostrato che la forza di ritenzione esercitata dai rilievi a guida può variare di circa un fattore quattro semplicemente modificando la profondità di penetrazione del rilievo. Ciò consente ai progettisti degli stampi una notevole flessibilità nel controllare la distribuzione del flusso del materiale lungo il perimetro della lamiera, senza dover aumentare uniformemente la forza di tenuta del piano di tranciatura sull’intera falda.

I rilievi di trazione posizionati strategicamente risolvono i problemi localizzati di increspatura che la regolazione globale della forza del binder (BHF) non è in grado di risolvere. Per le parti rettangolari, in cui gli angoli subiscono una tensione di compressione maggiore rispetto ai lati rettilinei, i rilievi di trazione posizionati negli angoli aumentano il vincolo locale senza sovra-vincolare le sezioni rettilinee. La forza del binder necessaria per ottenere la forza di vincolo richiesta è significativamente inferiore quando si utilizzano i rilievi di trazione, il che significa che presse di capacità ridotta possono garantire un controllo equivalente del materiale.

Parametro dello stampo	Effetto sull’increspatura	Effetto sulla lacerazione	Regolazione per ridurre l’increspatura
Forza del Premilamiere (BHF)	Una BHF bassa consente il buckling del risvolto	Una BHF elevata limita il flusso e provoca strappi	Aumentare la BHF entro il limite di lacerazione
Raggio di ingresso dello stampo	Un raggio grande aumenta l’area non supportata	Un raggio piccolo concentra la tensione	Ridurre il raggio monitorando lo strappo
Raggio del naso di foratura	Un raggio elevato riduce il supporto nella fase iniziale della tranciatura	Un raggio ridotto causa un assottigliamento localizzato	Bilanciare in base alla profondità di tranciatura
Gioco punzone-matrici	Un gioco eccessivo consente l'instabilità a flessione della parete	Un gioco insufficiente provoca sollecitazioni da affinamento	Ridurre il gioco per supportare la parete
Penetrazione del cordolo di tranciatura	Cordoli poco profondi forniscono un vincolo insufficiente	Le perline profonde limitano eccessivamente il flusso	Aumentare la penetrazione nelle zone soggette a grinze

L'informazione chiave fornita da questa tabella è che ogni regolazione dei parametri comporta un compromesso. Muoversi in una direzione riduce le grinze ma aumenta il rischio di strappo; muoversi nella direzione opposta ha l’effetto inverso. Lo sviluppo efficace dello stampo richiede l’individuazione della finestra operativa entro la quale entrambi i tipi di guasto vengono evitati; tale finestra varia in funzione del materiale, della geometria e della severità della tranciatura.

Comprendere queste relazioni tra utensili prepara all’ulteriore sfida: riconoscere che materiali diversi reagiscono in modo differente alla stessa configurazione degli utensili. Uno stampo ottimizzato per l’acciaio dolce potrebbe causare grinze sull’alluminio o strappi sull’acciaio ad alta resistenza avanzato, se non si effettuano opportune regolazioni dei parametri.

Comportamento delle grinze nei comuni materiali da tranciatura

Una matrice che funziona perfettamente con l'acciaio dolce può produrre pezzi corrugati non appena si passa all'alluminio. Perché? Perché gli stessi parametri di utensileria interagiscono in modo diverso con le proprietà meccaniche di ciascun materiale. Comprendere come resistenza allo snervamento, modulo di elasticità e comportamento di indurimento per deformazione varino tra i comuni materiali da imbutitura è essenziale per prevedere il rischio di corrugamenti e adeguare di conseguenza il processo.

La tabella seguente confronta il comportamento relativo ai corrugamenti tra sei famiglie di materiali comunemente utilizzati nelle operazioni di imbutitura profonda. Ogni valutazione riflette in che modo le proprietà intrinseche del materiale influenzano la resistenza al fenomeno di instabilità (buckling) sotto sollecitazione di compressione nella flangia.

Tendenza ai corrugamenti in base alla qualità del materiale

Materiale	Tendenza all'increspatura	Approccio raccomandato per la forza di tenuta del bordo (BHF)	Principali sensibilità del processo	Comportamento di indurimento per deformazione
Acciaio Dolce (DC04, SPCC)	Basso	Moderata, stabile durante tutta la corsa	Tollerante; ampio campo operativo	Valore n moderato; indurimento graduale
Acciaio HSLA	Bassa o media	Moderata o elevata; monitorare il rischio di strappo	Una maggiore resistenza a snervamento riduce la finestra di BHF	Valore n inferiore rispetto all'acciaio dolce
AHSS (gradi DP, TRIP)	Medio ad alto	BHF iniziale elevata; variabile durante la corsa	Allungamento limitato; finestra ristretta tra increspatura e strappo	Snervamento iniziale elevato; capacità limitata di indurimento per deformazione
Alluminio serie 5xxx	Alto	Inferiore rispetto all'acciaio; richiede un controllo preciso	Modulo elastico basso; sensibile alla velocità di estrusione	Valore n moderato; indurimento per deformazione durante la formatura
Leghe di alluminio della serie 6xxx	Alto	Inferiore a quella dell'acciaio; dipende dal trattamento termico	Trattabile termicamente; la formabilità varia in funzione dello stato di tempra	Valore n inferiore rispetto alle leghe 5xxx; indurimento meno uniforme
Acciaio inossidabile 304	Medio	Elevata; deve aumentare lungo la corsa	Indurimento rapido per deformazione; attrito elevato; sensibile alla velocità	Valore n molto elevato; indurimento aggressivo

Le valutazioni riportate sopra riflettono come le proprietà di ciascun materiale interagiscono con le sollecitazioni di compressione che causano il fenomeno del buckling. Analizziamo ora perché queste differenze hanno un impatto pratico.

Perché l'alluminio e gli acciai ad alta resistenza richiedono approcci di processo differenti

Le leghe di alluminio presentano una sfida unica a causa del loro basso modulo di elasticità. L'acciaio ha un modulo di elasticità di circa 200 GPa, mentre l'alluminio si attesta intorno ai 70 GPa. Ciò significa che l'alluminio possiede circa un terzo della rigidezza intrinseca dell'acciaio. Poiché la resistenza al buckling dipende direttamente dalla rigidità del materiale, una lamiera di alluminio di spessore equivalente si instabilizza molto più facilmente rispetto a una lamiera d'acciaio sottoposta allo stesso carico di compressione.

Questa minore resistenza allo svergolamento spiega perché l'alluminio si comporta in modo diverso rispetto all'acciaio inossidabile durante la stampaggio a freddo profondo. A differenza dell'acciaio inossidabile, che può fluire e ridistribuire il proprio spessore sotto l'azione di una forza, l'alluminio non può essere eccessivamente allungato né deformarsi in misura eccessiva. Il materiale subisce deformazioni locali con allungamento limitato, privo della capacità di distribuzione dell'allungamento propria dell'acciaio. Un corretto stampaggio a freddo profondo dell'alluminio dipende dal mantenimento del rapporto di stampaggio appropriato e da un preciso bilanciamento tra allungamento, compressione e forza del fermo-blanco.

Le leghe di alluminio della serie 5xxx (come la 5052 e la 5182) offrono una maggiore formabilità rispetto ai gradi della serie 6xxx grazie al loro valore più elevato dell’esponente di indurimento per deformazione (n-value). Questo esponente consente alle leghe 5xxx di distribuire la deformazione in modo più uniforme lungo il bordo, ritardando l’insorgenza di instabilità localizzata. La serie 6xxx (come la 6061 e la 6063), pur offrendo un’eccellente resistenza dopo trattamento termico, presenta valori inferiori di n nella condizione ricotta. Ciò le rende più soggette a concentrazioni localizzate di deformazione e a un’insorgenza anticipata di increspature.

Gli acciai ad alta resistenza avanzati presentano il problema opposto. I tipi di AHSS, come gli acciai bifase (DP) e a plasticità indotta da trasformazione (TRIP), possiedono un'elevata resistenza allo snervamento, spesso superiore a 500 MPa. Questa elevata tensione di snervamento significa che il materiale resiste al flusso plastico, richiedendo una forza di contropressione (BHF) più elevata per prevenire la formazione di grinze. Tuttavia, i tipi di AHSS presentano anche un allungamento totale limitato rispetto all'acciaio dolce. Come osserva The Fabricator, le grinze, le lacerazioni e il rimbalzo elastico che si verificano durante la formatura degli AHSS creano sfide lungo l’intera catena di approvvigionamento.

Qual è il risultato pratico? Gli AHSS riducono drasticamente la finestra di regolazione della forza di contropressione (BHF). È necessaria una forza maggiore per prevenire le grinze, ma il materiale si lacera a livelli di deformazione inferiori rispetto all’acciaio dolce, lasciando quindi un margine di errore più ristretto. La tecnologia delle presse a servo con profili di forza programmabili contribuisce a risolvere questa sfida consentendo agli operatori di variare la forza del cuscino lungo tutta la corsa: applicando una contropressione decisa dove necessario e riducendola nelle zone in cui aumenta il rischio di lacerazione.

L'acciaio inossidabile 304 introduce un ulteriore fattore: l'indurimento rapido per deformazione. Questa qualità austenitica presenta un valore n molto elevato, il che significa che si rinforza in modo aggressivo durante la deformazione. L'acciaio inossidabile subisce un indurimento per deformazione più rapido rispetto all'acciaio al carbonio, richiedendo quasi il doppio della pressione per essere stirato e formati. Inoltre, il film superficiale di ossido di cromo intensifica l'attrito durante la formatura, il che implica che gli utensili devono essere accuratamente rivestiti e lubrificati.

Cosa significa ciò per le increspature? L'indurimento rapido per deformazione contribuisce effettivamente a contrastare l'instabilità flessionale man mano che procede l'operazione di estrusione, poiché il materiale diventa progressivamente più rigido. Tuttavia, l'elevato attrito e i requisiti di pressione implicano che la forza di ritenuta del bordo (BHF) debba aumentare progressivamente lungo la corsa per mantenere il controllo. Se la BHF rimane costante, nella fase iniziale della corsa potrebbero verificarsi increspature, mentre nella fase finale potrebbe verificarsi la rottura. Maggiore è la severità dell'estrusione, più lenta dovrà essere la velocità di esecuzione per tenere conto di questi fattori.

Anche qui è importante la relazione tra tensione di snervamento e resistenza a snervamento. I materiali con una resistenza iniziale a snervamento più bassa entrano prima nel regime di flusso plastico, consentendo una ridistribuzione delle sollecitazioni prima dell’insorgenza del fenomeno di instabilità (buckling). I materiali con resistenza a snervamento più elevata resistono a questo flusso precoce, concentrando le sollecitazioni in zone localizzate dove il buckling può innescarsi prima che il materiale raggiunga uno snervamento uniforme.

Per semilavorati tagliati al filo EDM o per componenti rifiniti con precisione, nei quali la qualità del bordo influenza il flusso del materiale, queste differenze tra i materiali diventano ancora più marcate. Un bordo pulito si deforma in modo più prevedibile rispetto a un bordo ottenuto per taglio a cesoia, caratterizzato da bave indurite per deformazione plastica, e questo effetto varia in funzione della classe del materiale.

La conclusione fondamentale? Non è possibile trasferire direttamente i parametri di processo da un materiale a un altro. Una matrice ottimizzata per acciaio dolce potrebbe causare increspature sull’alluminio e potrebbe strappare l’AHSS. Ogni famiglia di materiali richiede la propria strategia di forza di trattenuta del bordo (BHF), l’ottimizzazione della velocità di imbutitura e un approccio specifico alla lubrificazione. Comprendere questi comportamenti specifici dei materiali prima della realizzazione degli utensili consente di risparmiare tempo e costi significativi durante la fase di collaudo della matrice.

Una volta compreso il comportamento dei materiali, la domanda successiva diventa di natura geometrica: in che modo la forma del pezzo influenza il luogo e la causa dell’insorgenza delle increspature?

Come la geometria del pezzo influenza il luogo e la causa dell’insorgenza delle increspature

Avete selezionato il materiale appropriato e ottimizzato i parametri della vostra attrezzatura. Tuttavia, ecco qualcosa che molti ingegneri scoprono a proprie spese: un processo che funziona perfettamente per coppette cilindriche può fallire completamente se applicato a scatole rettangolari o gusci conici. La geometria del pezzo modifica in maniera fondamentale il luogo in cui si formano le increspature, la ragione per cui si formano e quali azioni correttive risultano effettivamente efficaci.

Pensatela in questo modo. Una tazza cilindrica presenta una simmetria uniforme lungo l'intero perimetro. Il materiale fluisce verso l'interno in modo uniforme da tutte le direzioni e lo sforzo di compressione si distribuisce uniformemente intorno al risvolto. Una scatola rettangolare? È una storia completamente diversa. Gli angoli subiscono condizioni di sollecitazione radicalmente diverse rispetto ai lati rettilinei. Una calotta conica? L’area della parete non supportata tra punzone e matrice genera rischi di increspatura che i controlli focalizzati sul risvolto non riescono a risolvere.

Comprendere queste meccaniche specifiche della geometria è essenziale per diagnosticare correttamente i problemi e applicare le soluzioni appropriate.

Parti cilindriche, a scatola e coniche — Meccaniche diverse dell’increspatura

Per le tazze cilindriche, la formazione di grinze si comporta in modo prevedibile. Il difetto è simmetrico e costituisce principalmente un fenomeno del bordo. Come spiega The Fabricator, un cilindro parte da una semplice lamiera rotonda; affinché una lamiera di diametro maggiore possa trasformarsi nella forma di un cilindro di diametro minore, essa deve subire una compressione radiale. Il materiale fluisce contemporaneamente verso la linea centrale mentre si comprime. Una compressione controllata produce un bordo piano; una compressione non controllata causa invece grinze severe.

I parametri di controllo prevalenti per i componenti cilindrici sono la forza esercitata dal supporto della lamiera (blank holder force, BHF) e il rapporto di trafilatura (draw ratio). Poiché la distribuzione delle sollecitazioni è uniforme, una regolazione globale della BHF risulta efficace. Se compaiono grinze, un aumento della BHF sull’intero bordo risolve generalmente il problema, purché si rimanga al di sotto della soglia di strappo. Il rapporto di trafilatura determina la quantità di compressione che il bordo deve assorbire; pertanto, operando entro il rapporto di trafilatura limite per il materiale utilizzato, si evita il sovraccarico compressivo.

I componenti rettangolari e quadrati introducono un'asimmetria che cambia tutto. Gli angoli di una scatola quadrata sono essenzialmente un quarto di una scatola rotonda, subendo una compressione radiale simile a quella delle coppette cilindriche. Tuttavia, i lati rettilinei si comportano in modo diverso. Come osserva la stessa fonte, le pareti laterali di una scatola tranciata subiscono una deformazione di piegatura e distensione, con poca o nessuna compressione. Il metallo fluisce verso l’interno con molta poca resistenza lungo le sezioni rettilinee.

Questa asimmetria genera un problema critico: le zone angolari subiscono uno sforzo di compressione maggiore rispetto ai lati rettilinei, rendendo la formazione di grinze negli angoli la preoccupazione principale. Se troppa superficie metallica viene forzata nella compressione radiale agli angoli, ciò causa una forte resistenza al flusso, provocando un’eccessiva estensione e possibili rotture. Gli angoli tendono a corrugarsi, mentre i lati tendono a fluire liberamente.

Gli strumenti principali per i pezzi rettangolari sono i rilievi di trazione agli angoli e l’ottimizzazione della forma del grezzo. I rilievi di trazione aumentano la forza di ritenzione locale nelle zone angolari senza esercitare una ritenzione eccessiva sulle sezioni rettilinee. L’ottimizzazione della forma del grezzo riduce il materiale in eccesso nelle regioni angolari. Quando si utilizza un grezzo quadrato per realizzare una scocca quadrata, valutare la possibilità di posizionarlo ruotato di 45 gradi rispetto all’orientamento del pezzo. Ciò comporta una maggiore resistenza al flusso sui lati, dove è desiderabile una tensione maggiore, e una quantità minore di materiale negli angoli, per favorire al massimo il flusso nel profilo radiale.

Le scocche coniche presentano un ulteriore problema. Secondo MetalForming Magazine, la stampatura profonda di forme coniche risulta notevolmente più difficile rispetto a quella di coppette cilindriche, poiché la deformazione non è limitata alla zona del bordo. Per queste forme, infatti, la deformazione avviene anche nella regione non supportata compresa tra la matrice e la punzonatura, dove le sollecitazioni di compressione possono causare increspature.

Il raggrinzimento descrive le increspature da deformazione per trazione che si formano sul corpo della lamiera, in contrasto con le increspature da trafilatura che si verificano al bordo della lamiera. Si tratta di increspature sulla parete anziché sulle linguette e richiedono rimedi diversi. La parete non supportata tra punzone e matrice è ampia nelle trafilature coniche, rendendo il raggrinzimento della parete la modalità prevalente. Il raggrinzimento deve essere evitato poiché queste increspature di solito non possono essere eliminate.

Per le calotte coniche, il rapporto tra spessore del foglio e diametro della lamiera (t/D) influenza il rapporto limite di trafilatura in misura maggiore rispetto alla trafilatura di coppette. Con un valore di t/D superiore a 0,25, di norma è possibile eseguire una singola trafilatura con una pressione nominale del dispositivo di tenuta della lamiera. Con un valore di t/D compreso tra 0,15 e 0,25, una singola trafilatura potrebbe ancora essere fattibile, ma richiede una pressione molto più elevata del dispositivo di tenuta della lamiera. Un valore di t/D inferiore a 0,15 rende la lamiera estremamente suscettibile al raggrinzimento e richiede più riduzioni successive nella trafilatura.

I pannelli complessi con profili contorti, comuni nelle applicazioni carrozzeria automobilistica, combinano elementi di tutte queste geometrie. Le increspature sono specifiche della geometria e dipendono dalla posizione, variando lungo la superficie del pezzo in base alla curvatura locale, alla profondità di estrusione e ai pattern di flusso del materiale. Questi componenti richiedono tipicamente una simulazione di formatura per prevedere dove si formeranno le increspature e quali modifiche al processo risulteranno efficaci.

Di seguito sono riportate le considerazioni specifiche per la geometria relative alle increspature per ciascun tipo di componente:

• Coppette cilindriche: le increspature sono simmetriche e concentrate nella flangia. La forza di trattenimento del bordo (BHF) e il rapporto di estrusione sono i parametri principali di controllo. Una regolazione globale della BHF è efficace. Rispettare il rapporto limite di estrusione (LDR) previsto per la vostra classe di materiale.
• Componenti rettangolari/scatolari: le regioni angolari subiscono tensioni compressive maggiori rispetto ai lati rettilinei. Le increspature negli angoli rappresentano la principale preoccupazione. Utilizzare nervature di trattenimento negli angoli e ottimizzare la forma del grezzo per ridurre il volume di materiale negli angoli. Valutare l’orientamento del grezzo a 45 gradi.
• Gusci conici: un'ampia area di parete non supportata rende la corrugazione (o increspatura) della parete la modalità dominante. Il rapporto t/D influenza in modo critico la suscettibilità alla corrugazione. Lamiere sottili rispetto al diametro richiedono più riduzioni di tranciatura o anelli di supporto intermedi.
• Pannelli complessi con profilo contornato: la corrugazione dipende dalla posizione e dalla geometria specifica. È necessaria una simulazione per prevedere le zone in cui si formeranno le corrugazioni. La variazione locale della forza di tenuta del bordo (BHF) e il posizionamento delle nervature di trascinamento devono essere adattati alle specifiche zone a rischio.

Effetti della tranciatura multi-stadio e dell’annerimento intermedio

Quando una singola operazione di tranciatura non consente di raggiungere la profondità richiesta senza corrugazioni o strappi, diventano necessarie sequenze di tranciatura multi-stadio. Ciò è particolarmente comune per gusci conici profondi, forme fortemente rastremate e componenti che richiedono riduzioni totali superiori a quelle ottenibili con una singola corsa.

Il trafilamento con successo di gusci fortemente rastremati con rapporti altezza/diametro superiori a 0,70 richiede un approccio a tazza graduata. Il trafilamento profondo di tazze graduate imita fondamentalmente il trafilamento di tazze cilindriche, con la riduzione di trafilamento per i gradini adiacenti equivalente ai corrispondenti diametri della tazza. L’operazione di ritrafilamento si arresta a metà per definire il gradino corrispondente, dopodiché il guscio del gradino viene trafilato in una forma conica nelle fasi finali di ritrafilamento.

Ma qui sorge la sfida: ogni fase di trafilamento accumula deformazione nel materiale. La lavorazione a freddo durante il primo trafilamento aumenta la densità di dislocazioni e riduce la duttilità. Già alla seconda o terza fase di trafilamento, il materiale potrebbe aver subito un indurimento per deformazione tale da non poter più deformarsi in modo uniforme. Questa deformazione accumulata per indurimento riduce la finestra operativa tra l’increspatura e la rottura, rendendo progressivamente più difficili le fasi successive di trafilamento.

L'annealing intermedio risolve questo problema ripristinando la duttilità tra le fasi di trafilatura. Questo trattamento termico riscalda il materiale a una temperatura specifica, lo mantiene a tale temperatura per un tempo predeterminato e quindi lo raffredda in modo controllato. Il processo di annealing fornisce energia termica che consente il movimento, il riarrangiamento e l'annientamento delle dislocazioni, azzerando efficacemente l'incrudimento indotto dalla deformazione.

Questo processo è essenziale nelle operazioni di produzione che richiedono una deformazione estesa, poiché previene un eccessivo indurimento e potenziali crepe durante le successive fasi di formatura. L'annealing intermedio consente ai produttori di ottenere riduzioni totali maggiori rispetto a quelle realizzabili in una singola sequenza di deformazione.

Per le applicazioni di imbutitura profonda, la ricottura intermedia riduce il rischio di increspature causate dal materiale indurito per deformazione che perde la capacità di deformarsi in modo uniforme. Quando il materiale è stato indurito per deformazione a seguito di lavorazioni precedenti, il suo valore n diminuisce efficacemente. Il materiale non distribuisce più la deformazione in modo uniforme sul bordo libero (flange), concentrandola invece in zone localizzate dove può innescarsi l’instabilità per inflessione (buckling). La ricottura ripristina il comportamento originale del valore n, consentendo una distribuzione uniforme della deformazione nelle successive operazioni di imbutitura.

Qual è la conseguenza pratica? Sequenze di imbutitura multistadio con ricottura intermedia permettono la produzione di geometrie complesse senza rottura del materiale. La produzione di filo d’acciaio fine richiede spesso da 5 a 10 passaggi di trafilatura con ricottura intermedia per raggiungere il diametro finale senza rottura del filo. Lo stesso principio si applica ai pezzi ottenuti per imbutitura profonda: più stadi di imbutitura con ricottura tra un’operazione e l’altra consentono di raggiungere profondità di imbutitura impossibili da ottenere in un’unica operazione.

Tuttavia, la ricottura intermedia aumenta i costi e il tempo di ciclo. Gli ingegneri devono bilanciare i parametri di ricottura rispetto all'efficienza produttiva e ai costi energetici. Una ricottura insufficiente provoca difficoltà di lavorazione, mentre una ricottura eccessiva comporta spreco di risorse e può causare una crescita indesiderata dei grani che influisce sulla finitura superficiale nelle successive operazioni di formatura.

L'approccio basato sulla geometria per la prevenzione delle grinze riconosce che non esiste una singola soluzione valida per tutte le forme dei pezzi. I bicchieri cilindrici rispondono a un aggiustamento globale della forza di trattenimento del bordo (BHF). Le scatole rettangolari richiedono controlli specifici per gli angoli. Le calotte coniche necessitano particolare attenzione al supporto della parete e potrebbero richiedere sequenze multistadio. I pannelli complessi richiedono uno sviluppo del processo guidato dalla simulazione. Abbinare l’approccio diagnostico alla geometria del pezzo rappresenta il primo passo verso un efficace controllo delle grinze.

Una volta comprese le meccaniche specifiche della geometria, il passo successivo consiste nell’analizzare come gli strumenti di simulazione della formatura prevedono questi rischi di grinze ancor prima della realizzazione degli stampi.

Utilizzo della simulazione di formatura per prevedere le grinze prima della realizzazione degli utensili

E se poteste vedere esattamente dove si formeranno le grinze prima di tagliare anche un solo pezzo di acciaio per il vostro stampo? Questo è esattamente ciò che offre il software di simulazione di formatura. Strumenti come AutoForm, Dynaform , e PAM-STAMP consentono agli ingegneri di processo di testare virtualmente i propri progetti di stampi, identificare le zone a rischio di grinze e ottimizzare i parametri prima di procedere alla realizzazione costosa degli utensili.

Per qualsiasi produttore di stampi e matrici, questa capacità trasforma interamente il flusso di lavoro di sviluppo. Invece di scoprire i problemi di grinze durante la fase di collaudo, quando le modifiche richiedono ritocchi fisici o addirittura la ricostruzione completa dello stampo, la simulazione individua tali problematiche già nella fase di progettazione. Il risultato? Meno cicli di collaudo, tempi di sviluppo più brevi e costi significativamente inferiori.

Questa tecnologia utilizza metodi agli elementi finiti per modellare il comportamento della lamiera sotto condizioni di formatura. Come spiega AutoForm Engineering, la simulazione consente di rilevare errori e problemi, come grinze o strappi nei componenti, direttamente sul computer già nelle fasi iniziali della formatura. Ciò elimina la necessità di produrre utensili reali esclusivamente per eseguire prove pratiche.

Quali dati influenzano l’accuratezza della simulazione

La simulazione è tanto accurata quanto i dati che vi vengono inseriti. Anche in questo caso vale il principio 'spazzatura in ingresso, spazzatura in uscita', proprio come in ogni altro ambito dell’ingegneria. L’accuratezza delle previsioni relative alle grinze dipende direttamente da quanto bene il modello rappresenta le effettive condizioni del processo reale.

I parametri tipici per la simulazione di formatura includono la geometria del componente e degli utensili, le proprietà dei materiali, le forze della pressa e l’attrito. Ciascuno di questi dati influisce sul modo in cui il software calcola sollecitazioni e deformazioni durante il processo virtuale di formatura. Se tali parametri sono errati, i risultati della simulazione non corrisponderanno a quanto avviene effettivamente sulla pressa.

Ecco i principali parametri di simulazione che influenzano l’accuratezza della previsione delle grinze:

• Proprietà del grezzo: La resistenza allo snervamento e la tensione di snervamento definiscono il punto in cui inizia la deformazione plastica. Il valore n (esponente dell’incrudimento per deformazione) determina quanto uniformemente il materiale distribuisce la deformazione. Il valore r (anisotropia plastica) indica la resistenza all’assottigliamento. L’intera curva tensione-deformazione descrive come il materiale risponde nell’intero intervallo di formatura.
• Geometria del grezzo: La forma, le dimensioni e lo spessore del grezzo di partenza influenzano direttamente la quantità di materiale che entra nello stampo in ciascuna posizione. Per prevedere correttamente la distribuzione delle sollecitazioni di compressione nella falda, la simulazione richiede dimensioni precise del grezzo.
• Geometria degli utensili: Il raggio di entrata dello stampo, il raggio della punta dello stampo e il gioco tra punzone e matrice influenzano sia il flusso del materiale sia la resistenza all’instabilità. Queste dimensioni devono corrispondere esattamente alla progettazione reale degli utensili per ottenere risultati significativi.
• Entità e distribuzione della forza del fermo lamiera: la forza del fermo lamiera (BHF) è la variabile di controllo principale per le increspature del risvolto. La simulazione richiede valori di forza accurati e, per stampi complessi, la distribuzione spaziale di tale forza sulla superficie del fermo lamiera.
• Condizioni di attrito: il coefficiente di attrito tra lamiera, matrice e fermo lamiera influisce sul modo in cui il materiale fluisce durante la stampaggio a tranciatura. Il tipo di lubrificante e il metodo di applicazione influenzano in misura significativa questi valori.

I dati relativi al materiale meritano particolare attenzione. Molti errori di simulazione derivano dall’uso di proprietà materiali generiche anziché dai dati effettivi ottenuti da prove specifiche per la bobina o il lotto in fase di formatura. La differenza tra i valori nominali riportati sui fogli tecnici e il comportamento reale del materiale può essere notevole, specialmente per le relazioni tra resistenza a snervamento e tensione di snervamento nelle classi ad alta resistenza.

Lettura dell’output di simulazione per prevedere e prevenire le increspature

Una volta eseguita una simulazione, il software genera risultati che evidenziano dove si verificheranno i problemi. Tuttavia, saper interpretare questi output distingue gli ingegneri che utilizzano efficacemente la simulazione da quelli che la considerano semplicemente un mero adempimento formale.

La simulazione calcola le sollecitazioni e le deformazioni durante il processo di formatura. Inoltre, le simulazioni consentono di riconoscere errori e problemi, nonché di ottenere risultati quali la resistenza e l’assottigliamento del materiale. Persino il rimbalzo elastico (springback), ovvero il comportamento elastico del materiale dopo la formatura, può essere previsto in anticipo.

Per quanto riguarda specificamente le increspature (wrinkling), ecco gli output chiave che gli ingegneri devono esaminare:

• Indicatori della tendenza alle increspature: La maggior parte dei pacchetti di simulazione visualizza il rischio di increspature sotto forma di mappe cromatiche sovrapposte alla geometria del pezzo. Le aree che presentano stati di tensione compressiva superiori alle soglie di instabilità (buckling) appaiono in colori di avvertimento, tipicamente zone blu o viola sul diagramma dei limiti di formatura (Forming Limit Diagram, FLD).
• Distribuzione dell'assottigliamento: Un assottigliamento eccessivo indica che il materiale si sta allungando invece di essere trascinato, il che può suggerire che la forza di ritenuta del bordo (BHF) è troppo elevata. Al contrario, le aree con assottigliamento minimo potrebbero essere sottoposte a una ritenuta insufficiente e quindi soggette a increspature.
• Prossimità al diagramma limite di formatura (FLD): Il diagramma limite di formatura rappresenta graficamente la deformazione principale rispetto a quella secondaria per ogni elemento della simulazione. Gli stati di deformazione nella regione compressiva (lato sinistro del diagramma) indicano un rischio di increspature. L'FLD fornisce una panoramica facilmente interpretabile di numerosi possibili criteri di rottura contemporaneamente, rendendolo ideale per i controlli preliminari di fattibilità.
• Pattern di flusso del materiale: La visualizzazione del movimento del materiale durante la corsa di imbutitura rivela se il flusso è uniforme o limitato. Un flusso non uniforme spesso precede l’insorgenza di increspature localizzate.

Il vero potenziale della simulazione si rivela quando si collegano questi risultati a specifiche modifiche del processo. Immaginate che la vostra simulazione mostri delle grinze nell'angolo del risalto di un componente rettangolare. Prima ancora che venga tagliato qualsiasi metallo, è possibile testare virtualmente diverse soluzioni: aumentare localmente la forza di trattenimento del foglio (BHF) in quella zona, inserire una nervatura di trascinamento all’angolo, ridurre le dimensioni del grezzo per diminuire il volume di materiale o modificare la geometria del raggio dello stampo. Ogni modifica richiede pochi minuti per essere simulata, anziché giorni per essere implementata fisicamente.

Come osserva ETA, il software di simulazione per la progettazione delle superfici dello stampo consente agli ingegneri di individuare problemi quali assottigliamento, crettature, ritocco, piegatura, rimbalzo elastico (springback) e anomalie nella linea di taglio. Sebbene tale software richieda comunque competenze ingegneristiche specializzate, gli operatori possono utilizzarlo per sperimentare una vasta gamma di soluzioni senza sprecare inutilmente tempo, sforzi o materiale.

Questa iterativa verifica virtuale è il motivo per cui la simulazione è diventata una prassi standard nello sviluppo moderno degli stampi. Invece di dover dedicare diverse settimane a prove ed errori, i progettisti possono simulare la superficie dello stampo in giorni o addirittura in ore. Possono quindi valutare più rapidamente la fattibilità del progetto, consentendo ai responsabili delle stime di emettere preventivi più velocemente, il che a sua volta può aumentare le probabilità di aggiudicarsi gare competitive.

I fornitori che integrano avanzate simulazioni CAE nel loro processo di sviluppo degli stampi ottengono costantemente risultati migliori. Shaoyi , ad esempio, utilizza il design basato sulla simulazione come parte del proprio flusso di lavoro per lo sviluppo di stampi per imbutitura automobilistica. Questo approccio contribuisce al loro tasso di approvazione al primo passaggio del 93%, identificando tempestivamente il rischio di increspature e altri difetti prima della realizzazione fisica degli utensili. Quando la simulazione individua un problema in fase precoce, la correzione ha un costo pari a una frazione di quello richiesto da una riparazione fisica.

L'integrazione del flusso di lavoro è importante quanto il software stesso. Le simulazioni di formatura vengono utilizzate lungo l'intera catena di processo della formatura della lamiera. Un progettista di componenti può stimare la formabilità già nella fase di progettazione, ottenendo così componenti più facili da produrre. Un ingegnere di processo può valutare il processo durante la fase di pianificazione e ottimizzare le alternative mediante simulazione, riducendo successivamente le operazioni di affinamento dello stampo di formatura.

Per pannelli automobilistici complessi, in cui il comportamento delle grinze varia in funzione della posizione e della geometria, la simulazione non è opzionale. Essa rappresenta l'unico metodo pratico per prevedere dove insorgeranno i problemi e quali combinazioni di parametri li eviteranno. L'alternativa — scoprire tali problematiche durante la messa a punto sul press-brake o in produzione — comporta costi molto più elevati in termini di tempo, materiale e fiducia del cliente.

Con la simulazione che fornisce una validazione virtuale della progettazione del processo, il passo successivo consiste nel comprendere come diagnosticare i problemi di increspatura quando questi si verificano effettivamente in produzione, mappando le posizioni dei difetti osservati sulle cause radice e sulle azioni correttive.

Diagnostica delle cause radice

Avete eseguito la vostra simulazione, ottimizzato la geometria del grezzo e impostato i parametri degli utensili. Tuttavia, compaiono ancora increspature sui vostri pezzi. Cosa fare ora? La risposta risiede in un’unica domanda diagnostica che dovrebbe guidare ogni sessione di risoluzione dei problemi: dove si formano le increspature?

Questa domanda è fondamentale perché la posizione dell’increspatura rivela direttamente la causa radice. Un’increspatura sul bordo del risvolto racconta una storia completamente diversa rispetto a quella che appare sulla parete tirata o nella zona del raggio d’angolo. Trattare tutte le increspature come se fossero lo stesso problema porta ad aggiustamenti inefficaci e a un continuo scarto di prodotto. Il percorso diagnostico diverge completamente in base alla posizione in cui compare il difetto.

L'esperienza produttiva conferma questo principio. Come osserva Yixing Technology, la causa principale delle grinze nei componenti stampati è l'accumulo di materiale durante il processo di imbutitura profonda e la velocità eccessiva dello spostamento locale del materiale. Tuttavia, il punto in cui tale accumulo si verifica determina quale meccanismo ne è responsabile e quale azione correttiva risulterà effettivamente efficace.

La posizione delle grinze come punto di partenza per la diagnosi

Considera la posizione delle grinze come il primo indizio di un'indagine diagnostica. Ogni zona del pezzo imbutito è soggetta a condizioni di sollecitazione diverse, a vincoli diversi da parte degli utensili e a condizioni diverse di flusso del materiale. Comprendere queste meccaniche specifiche per zona trasforma la risoluzione dei problemi da una procedura basata su ipotesi in un approccio sistematico alla risoluzione dei problemi.

Il bordo del flangia si trova tra il supporto della lamiera e la superficie dello stampo. Questa zona è soggetta a una sollecitazione circonferenziale di compressione diretta mentre il materiale fluisce verso l’interno. Quando in questa zona compaiono grinze, il supporto della lamiera non esercita un’adeguata resistenza per controbilanciare tale compressione. Il materiale si instabilizza (buckling) perché nulla lo impedisce.

La parete di tranciatura, al contrario, ha già superato il raggio dello stampo ed è entrata nella cavità dello stampo. Questa zona non è più direttamente vincolata dal supporto della lamiera. Le grinze sulla parete indicano che il materiale si sta instabilizzando (buckling) in una zona non supportata, spesso a causa di un gioco eccessivo tra punzone e stampo o per mancanza di supporto laterale durante la formatura.

Le zone dei raggi d’angolo in parti rettangolari o a forma di scatola subiscono una sollecitazione compressiva concentrata. Il materiale che fluisce negli angoli deve subire una compressione più intensa rispetto a quello che fluisce lungo i lati rettilinei. Le grinze agli angoli indicano che il vincolo locale non è sufficiente a gestire tale compressione concentrata.

La zona di transizione inferiore del pezzo, dove il materiale si piega attorno al raggio della punzonatura, è soggetta a uno stato di sollecitazione completamente diverso. Le grinze in questa zona indicano spesso che il materiale non viene stirato in modo adeguato lungo la superficie della punzonatura, consentendo così l’accumulo di materiale in eccesso nella zona di transizione.

Ogni posizione indica un preciso meccanismo di guasto. Riconoscere quale meccanismo è attivo determina quale azione correttiva avrà successo.

Mappatura delle cause radice sulle azioni correttive per zona

La tabella seguente associa le posizioni osservate delle grinze alle rispettive cause radice più probabili e alle prime azioni correttive raccomandate. Questo quadro diagnostico rispecchia l’approccio utilizzato dagli ingegneri di processo esperti per la risoluzione dei problemi direttamente in officina.

Posizione della grinza	Cause radice più probabili	Prime azioni correttive raccomandate
Periferia del bordo di flangiatura	Forza insufficiente del dispositivo di tenuta della lamiera; diametro della lamiera troppo grande; raggio di ingresso dello stampo eccessivo, che genera un’ampia area non supportata	Aumentare gradualmente la forza di trattenimento del foglio (BHF) monitorando la comparsa di strappi; ridurre il diametro del foglio per diminuire il volume di materiale in compressione; verificare che il raggio della matrice sia adeguato allo spessore del materiale
Parete di tranciatura (parete laterale)	Gioco eccessivo tra punzone e matrice, che consente il fenomeno di instabilità laterale (buckling); supporto insufficiente della parete; raggio della matrice troppo grande, che permette alle grinze di propagarsi dal bordo	Ridurre il gioco tra punzone e matrice per fornire un supporto laterale alla parete; aggiungere elementi di supporto intermedi per tranciature profonde; ridurre il raggio di ingresso della matrice, monitorando il rischio di strappo
Zona del raggio d'angolo (parti a scatola)	Contenimento insufficiente dell’angolo; eccesso di volume di materiale nelle zone angolari; forza di trattenimento del foglio (BHF) uniforme inadeguata rispetto alla distribuzione non uniforme delle sollecitazioni	Aggiungere nervature di trascinamento (draw beads) nelle posizioni angolari per aumentare il contenimento locale; ottimizzare la geometria degli angoli del foglio per ridurne il volume di materiale; valutare l’orientamento del foglio a 45 gradi per gusci quadrati
Transizione sul fondo del pezzo	Allungamento insufficiente sulla faccia dello stampo; materiale che si accumula sul raggio del naso dello stampo; raggio dello stampo eccessivamente grande, che consente l'accumulo del materiale	Aumentare l'attrito tra stampo e lamiera per favorire l'allungamento; ridurre il lubrificante sulla faccia dello stampo; verificare che il raggio del naso dello stampo sia adeguato alla profondità di imbutitura

Si noti come le azioni correttive differiscano notevolmente da zona a zona. L'aumento della forza di tenuta del bordo (BHF) risolve le increspature sul bordo del flangia, ma non ha alcun effetto sulle increspature della parete causate da un gioco eccessivo. L'inserimento di nervature di trazione negli angoli risolve i problemi localizzati di ritenzione, ma non può compensare una lamiera eccessivamente grande. È essenziale abbinare la correzione alla posizione specifica in cui si verifica il difetto.

Anche la relazione tra resistenza allo snervamento e punto di snervamento influenza la possibilità di regolare in modo aggressivo i parametri. I materiali con un ampio intervallo tra punto di snervamento e resistenza a trazione offrono maggiore margine per regolare la forza di tenuta del bordo (BHF) prima che inizi la rottura. Nei materiali in cui questi valori sono molto vicini tra loro — condizione frequente nei materiali induriti per deformazione — le regolazioni devono essere effettuate con maggiore cautela.

L'incrudimento per deformazione durante la corsa di trafilatura influisce anche sull'interpretazione diagnostica. Un materiale che si è incrudito significativamente per deformazione potrebbe presentare grinze in posizioni che rimarrebbero prive di grinze con materiale fresco. Se le grinze compaiono dopo più stadi di trafilatura senza ricottura intermedia, l'incrudimento per deformazione accumulato potrebbe aver ridotto la capacità del materiale di deformarsi in modo uniforme. In questo caso, la soluzione non consiste nell'adeguare i parametri, bensì nel modificare la sequenza del processo.

Confrontando la resistenza a trazione e la resistenza allo snervamento del vostro materiale, ricordate che la differenza tra questi due valori rappresenta la finestra di incrudimento per deformazione. Una finestra più ampia indica una maggiore capacità di ridistribuire la deformazione prima della rottura. Una finestra più ristretta significa che il materiale passa rapidamente dallo snervamento alla frattura, lasciando un margine minore per gli aggiustamenti del processo.

Il framework diagnostico sopra riportato fornisce un punto di partenza, non una soluzione completa. La risoluzione reale dei problemi richiede spesso di iterare attraverso molteplici regolazioni, verificando i risultati dopo ogni modifica e affinando la comprensione del meccanismo predominante. Tuttavia, iniziare con una diagnosi basata sulla posizione garantisce che si stiano modificando le variabili corrette, anziché inseguire i sintomi con correzioni non correlate.

Una volta compresa la diagnostica delle cause radice, l'ultimo passo consiste nell'integrare questi principi in una strategia complessiva di prevenzione che copra l'intero flusso di lavoro di sviluppo dello stampo, dalla progettazione iniziale fino alla produzione.

Prevenzione delle grinze lungo l'intero flusso di lavoro di sviluppo dello stampo

Ora comprendete la meccanica, le variabili dei materiali, le sfide specifiche legate alla geometria e il quadro diagnostico. Ma come integrare tutti questi elementi in una strategia pratica di prevenzione? La risposta risiede nell’organizzare il proprio approccio per fase ingegneristica. Ogni stadio dello sviluppo dello stampo offre opportunità specifiche per eliminare il rischio di increspature prima che diventi un problema in produzione.

Considerate la prevenzione delle increspature come una difesa a strati. Le decisioni prese durante la fase di progettazione limitano le possibilità disponibili nella fase di sviluppo degli utensili. Le scelte relative agli utensili determinano la finestra di processo disponibile in produzione. Se si perde un’opportunità nelle fasi iniziali, sarà necessario compiere uno sforzo maggiore per compensare successivamente. Se invece si procede correttamente fin dall’inizio, la produzione procede in modo fluido con interventi minimi.

Le seguenti azioni sequenziali per fase rappresentano le migliori pratiche derivate dall’esperienza produttiva e dai principi meccanici illustrati in questo articolo.

Migliori pratiche per la progettazione e la preparazione della lamiera

La fase di progettazione stabilisce le fondamenta per tutto ciò che segue. La scelta del materiale, la geometria della lamiera grezza e le decisioni sul rapporto di trafilatura prese in questa fase determinano se il vostro processo opererà comodamente entro la soglia di increspamento oppure dovrà costantemente contrastare difetti di instabilità a compressione.

1. Selezionare un grado di materiale con valore n e valore r adeguati alla profondità di trafilatura richiesta. I materiali con valore n più elevato distribuiscono la deformazione in modo più uniforme, resistendo all’instabilità localizzata a compressione. I materiali con valore r più elevato mantengono lo spessore durante la corsa, preservando la resistenza all’instabilità a compressione. Per trafilature profonde o geometrie complesse, privilegiare le caratteristiche di formabilità rispetto alla resistenza meccanica pura. Il diagramma limite di formabilità relativo al grado scelto fornisce un riferimento visivo per le combinazioni di deformazione sicure.
2. Ottimizzare la forma della lamiera in base alla geometria del pezzo. Le lamiere sagomate che seguono i contorni dell'apertura dello stampo riducono il materiale in eccesso nelle zone ad alta compressione. Per i pezzi rettangolari, valutare un orientamento della lamiera a 45 gradi per bilanciare il flusso negli angoli rispetto al vincolo laterale. Evitare lamiere eccessivamente grandi, che aumentano lo sforzo di compressione nel bordo.
3. Verificare che il rapporto di imbutitura rientri nel rapporto limite di imbutitura (LDR) del materiale utilizzato. Calcolare le dimensioni della lamiera mediante metodi basati sull'area superficiale, anziché su misurazioni lineari. Quando il rapporto di imbutitura si avvicina alla soglia LDR, prevedere sequenze di imbutitura multistadio con ricottura intermedia per ripristinare la duttilità tra una fase e l'altra.
4. Tenere conto delle variazioni delle proprietà del materiale. Il modulo di elasticità dell'acciaio differisce significativamente da quello dell'alluminio, influenzando la resistenza all'instabilità per flessione a spessore equivalente. Specificare le tolleranze del materiale in entrata in modo da mantenere il processo entro la finestra validata.

Queste decisioni prese nella fase di progettazione sono difficili da invertire una volta realizzati gli stampi.

Sviluppo degli stampi e controlli nella fase di produzione

Una volta definiti i parametri di progettazione, lo sviluppo degli stampi traduce tali decisioni in componenti fisici. Questa fase rappresenta l’ultima opportunità per identificare e correggere i rischi di increspamento prima di procedere alla realizzazione degli stampi per la produzione.

5. Utilizzare la simulazione di formatura per identificare le zone a rischio di increspamento prima della realizzazione degli stampi. I test virtuali rivelano dove le concentrazioni di sforzo compressivo causeranno instabilità, consentendo agli ingegneri di regolare la distribuzione della forza di trattenimento del bordo (BHF), aggiungere nervature di trattenimento o modificare la geometria della lamiera senza dover eseguire interventi fisici successivi. La progettazione basata sulla simulazione riduce il numero di iterazioni di prova e accelera il tempo necessario per raggiungere la produzione.
6. Specificare il raggio di entrata della matrice e il raggio della punta dello stampo tenendo conto del compromesso con la forza di trattenimento del bordo (BHF). Raggi maggiori riducono il rischio di strappo, ma aumentano l’area del risvolto non supportata. Raggi minori trattengono il materiale in modo più efficace, ma concentrano lo sforzo. Bilanciare questi effetti contrastanti in base al grado del materiale e alla severità dell’operazione di imbutitura.
7. Progettare il posizionamento delle nervature di trattenimento sulla base dei risultati della simulazione. Posizionare le nervature nelle zone in cui è necessario un trattenimento locale, in particolare negli angoli di parti rettangolari. Regolare la profondità di penetrazione della nervatura per ottenere la forza di trattenimento richiesta, evitando di restringere eccessivamente il flusso del materiale.
8. Verificare che il gioco tra punzone e matrice sia adeguato rispetto allo spessore del materiale. Un gioco eccessivo consente la formazione di increspature sulle pareti, indipendentemente dalle condizioni del risvolto. Specificare il gioco come percentuale superiore allo spessore nominale, tenendo conto dell’addensamento del materiale durante l’imbutitura.

Per le applicazioni automobilistiche, dove gli standard di qualità sono inderogabili, collaborare con fornitori che integrano queste pratiche nel loro flusso di lavoro standard riduce significativamente i rischi. Shaoyi rappresenta questo approccio, combinando avanzime simulazioni CAE con la certificazione IATF 16949 per garantire una qualità costante nella produzione di stampi per lamiera automobilistica. La loro capacità di prototipazione rapida, con tempi di consegna brevi fino a 5 giorni, supporta lo sviluppo iterativo degli utensili in caso di modifiche progettuali. Il risultato è un tasso di approvazione al primo passaggio del 93%, che riflette l’efficacia della progettazione guidata dalla simulazione nel rilevare i problemi prima che raggiungano la pressa.

Una volta convalidati gli utensili, i controlli della fase produttiva garantiscono la stabilità del processo attraverso diversi lotti di materiale, turni di operatori e variazioni degli impianti.

9. Stabilire la forza di tenuta del bordo (BHF) come parametro di processo monitorato con limiti superiore e inferiore definiti. Documentare l'intervallo di BHF validato durante la fase di prova e implementare controlli che avvisino gli operatori qualora la forza si discosti da tale intervallo. Come osserva The Fabricator, i cuscinetti idraulici CNC consentono una variazione della BHF durante la corsa, offrendo flessibilità nel controllo del flusso del materiale e nella riduzione delle grinze, evitando al contempo un eccessivo assottigliamento.
10. Implementare protocolli di ispezione del primo pezzo che verifichino le zone soggette a grinze. Sulla base dei risultati della simulazione e dell’esperienza acquisita in fase di prova, identificare le aree più propense a presentare grinze in caso di deriva delle condizioni di processo. Ispezionare tali zone sui primi pezzi dopo l’allestimento, la sostituzione del materiale o periodi prolungati di fermo macchina.
11. Applicare un aggiustamento progressivo della BHF al momento della sostituzione delle bobine o del cambio di spessore del materiale. Le variazioni nelle proprietà del materiale tra diverse bobine possono spostare la soglia di formazione delle grinze. Iniziare con impostazioni conservative e procedere all’aggiustamento sulla base dei risultati dell’ispezione del primo pezzo, anziché presupporre che l’impostazione precedente sia ancora valida.
12. Monitorare lo stato del cuscino di pressione e la sua taratura. Una distribuzione non uniforme della pressione, causata da perni del cuscino usurati o da equalizzatori danneggiati, genera un'eccessiva restrizione localizzata e una restrizione insufficiente, producendo contemporaneamente grinze e fessurazioni sullo stesso pezzo. Programmare la manutenzione preventiva in base al numero di colpi o a intervalli temporali calendariali.

Questo approccio sequenziale per fasi trasforma la prevenzione delle grinze da intervento reattivo di risoluzione dei problemi in una progettazione proattiva del processo. Ogni fase si basa su quella precedente, creando molteplici opportunità per identificare ed eliminare i rischi prima che questi influenzino la qualità della produzione.

Comprendere cos’è uno stampo nella produzione e come interagisce con il comportamento del materiale è fondamentale per questo approccio. Lo stampo non è semplicemente uno strumento di formatura; è un sistema che controlla il flusso del materiale, la distribuzione delle sollecitazioni e la resistenza all’instabilità (buckling) durante tutta l’operazione di formatura. Gli ingegneri che comprendono questa relazione progettano utensili migliori e ottengono risultati più coerenti.

Che tu stia sviluppando gli utensili internamente o collaborando con fornitori specializzati, i principi rimangono gli stessi. Progettare per la formabilità. Verificare mediante simulazione. Controllare durante la produzione. Questo approccio sistematico alla prevenzione delle grinze garantisce la qualità costante richiesta dalla moderna produzione industriale.

Domande frequenti sulle grinze nello stampaggio a tranciatura profonda

1. Quali sono le cause delle grinze nello stampaggio a tranciatura profonda?

Le grinze si verificano quando lo sforzo di compressione circonferenziale (di anello) nella flangia del laminato supera la resistenza del materiale all’instabilità per carico di punta. Mentre il grezzo viene tirato nella cavità dello stampo, il suo diametro esterno si riduce, generando una compressione che può causare un’instabilità fuori piano del laminato. I principali fattori che contribuiscono al fenomeno includono una forza insufficiente del premimateriale, grezzi di dimensioni eccessive, spessore ridotto del laminato, bassa rigidità del materiale e larghezza eccessiva della flangia non supportata. I materiali con modulo elastico più basso, come l’alluminio, sono intrinsecamente più soggetti alle grinze rispetto all’acciaio, a parità di spessore.

2. Qual è la differenza tra increspatura del bordo e increspatura della parete?

L'increspatura del bordo si sviluppa nella porzione piana del grezzo compresa tra il dispositivo di ritenuta del grezzo e lo stampo durante l'imbutitura, dove agisce una sollecitazione compressiva diretta sul materiale. L'increspatura della parete si forma invece sulla parete laterale imbutita dopo che il materiale ha superato il raggio dello stampo, in una zona relativamente non supportata dagli utensili. Questi due fenomeni richiedono approcci correttivi diversi: le increspature del bordo rispondono a modifiche della forza esercitata dal dispositivo di ritenuta del grezzo, mentre quelle della parete richiedono generalmente una riduzione del gioco tra punzone e stampo o l’aggiunta di elementi di supporto intermedi per la parete.

3. In che modo la forza esercitata dal dispositivo di ritenuta del grezzo influenza l’insorgenza di increspature?

La forza di tenuta della lamiera (BHF) è la variabile di controllo principale per le increspature del risvolto. Quando la BHF è troppo bassa, il risvolto non è sufficientemente vincolato e si instabilizza sotto sforzo di compressione. Quando la BHF è troppo elevata, il flusso del materiale viene limitato, causando allungamento e potenziale rottura nella zona del naso dello stampo. Gli ingegneri devono individuare la finestra ottimale in cui la BHF sopprime l’instabilità senza tuttavia ostacolare eccessivamente il flusso del materiale. Questa finestra varia in funzione del grado di materiale: per gli acciai ad alta resistenza (AHSS) è più ristretta rispetto a quella degli acciai dolci.

4. La simulazione di formatura è in grado di prevedere le increspature prima della realizzazione degli utensili?

Sì, i software di simulazione per la formatura come AutoForm, Dynaform e PAM-STAMP utilizzano metodi agli elementi finiti per testare virtualmente i progetti degli stampi e identificare le zone a rischio di increspatura prima della realizzazione di qualsiasi attrezzatura fisica. Per ottenere previsioni accurate sono necessari dati di input adeguati, tra cui le proprietà del materiale (resistenza allo snervamento, valore n, valore r), la geometria della lamiera, le dimensioni degli utensili, la distribuzione della forza di tenuta del blank (BHF) e le condizioni di attrito. Fornitori come Shaoyi integrano avanzate simulazioni CAE nel proprio processo di sviluppo degli stampi, raggiungendo un tasso di approvazione al primo passaggio del 93% grazie all’individuazione precoce dei difetti.

5. Perché l’alluminio e gli acciai ad alta resistenza (AHSS) richiedono approcci di processo diversi per il controllo dell’increspatura?

Le leghe di alluminio hanno un modulo elastico pari circa a un terzo di quello dell'acciaio, il che comporta una minore resistenza intrinseca all'instabilità per flessione a spessore equivalente. Ciò rende l'alluminio più soggetto alla formazione di grinze e richiede un controllo preciso della forza di trattenimento del bordo (BHF), con livelli di forza inferiori rispetto all'acciaio. I gradi di acciaio ad alta resistenza (AHSS) presentano un'elevata resistenza allo snervamento, che richiede una BHF maggiore per sopprimere le grinze; tuttavia, la loro limitata duttilità restringe la finestra operativa prima che si verifichi la rottura. Ogni famiglia di materiali richiede una propria strategia di forza di trattenimento del bordo (BHF), un'ottimizzazione della velocità di imbutitura e un approccio specifico alla lubrificazione, tutti adeguati alle proprietà meccaniche peculiari del materiale.