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Gli acciai inox sono leghe ferro-carbonio più altri alliganti che ne garantiscono un’ elevata resistenza alla corrosione. L’aggiunta di cromo in percentuali superiori al 10% fa sì che sulla superficie si formi un film protettivo invisibile di ossido di cromo, che protegge il materiale da agenti corrosivi. Esistono centinaia di leghe diverse, alcune per resistenza estrema alla corrosione, altre per far fronte a temperature elevate. Molto spesso vengono aggiunti alla lega altri elementi, come il nichel, per conferire al materiale determinate caratteristiche.

Tipi di acciai inossidabili

• Acciaio austenitico: questa lega è solitamente utilizzata per imbutitura profonda. Ha un basso contenuto di carbonio, il che la rende adatta per la produzione di prodotti per cucina ed altri particolari soggetti a deformazioni importanti. Questo grado di materiale non può essere indurito tramite trattamento termico, ma solo tramite deformazione a freddo. Queste leghe hanno il più alto grado di deformabilità di tutti gli acciai inossidabili. I tipi più conosciuti ed utilizzati sono l’AISI 304 e 304L, AISI 316 e 316L. La lettera “L” sta per ridotto contenuto di carbonio. Dato che queste leghe sono caratterizzate dalla presenza di fase austenitica, esse sono non magnetiche.
• Acciaio ferritico: questo tipo di acciaio inox è diffuso nell’industria automobilistica, in quanto in grado di far fronte a corrosione e temperature elevate. In base alla presenza di altri elementi alliganti, il grado ferritico può possedere discrete caratteristiche di formabilità. Diversamente dagli acciai austenitici, questo grado non contiene nichel e sono magnetici. Tipiche applicazioni sono scarichi di autovetture o parti per lavatrici ed asciugatrici. Una delle leghe più utilizzate è l’AISI 430.
• Acciaio martensitico: gli acciai inox martensitici sono simili ai ferritici, ma contengono più carbonio. Questa caratteristica consente di eseguire trattamenti termici ed aumentarne la durezza. Ecco perchè questo tipo di acciaio viene utilizzato per la produzione di strumenti da taglio e chirurgici. Questa lega non è adatta per operazioni di imbutitura, essendo molto duro ma anche fragile e difficile da deformare. Un comune acciaio inox martensitico è l’AISI 420.

Come progettare uno stampo per acciaio inox

1. Prevedere elevati sforzi di taglio e piegatura

Gli acciai inossidabili hanno solitamente un maggior carico di snervamento e di rottura rispetto rispetto agli acciai dolci. Sarà pertanto necessaria una pressa con un tonnellaggio adeguato.
Come regola generale, derivata dall’esperienza, si può considerare che le forze in gioco siano il doppio rispetto al caso di acciai a basso tenore di carbonio. Anche il premilastra, pertanto, dovrà esercitare una forza adeguata.

2. Aspettarsi un elevato ritorno elastico

Il ritorno elastico è la tendenza di un materiale a tornare alla sua forma originale dopo essere stato deformato. Dato che gli acciai inox sono più resistenti e si incrudiscono maggiormente, gli angoli di piega e le deformazioni devono essere maggiorate in modo da ottenere la forma desiderata. L’ammontare di questo “overbending” va valutato in base al tipo di acciaio, allo spessore e alla geometria. Ecco perché spesso si deve far ricorso a camme anche solo per ottenere pieghe a 90°.

3. Evitare deformazioni troppo severe

Durante la piega o l’imbutitura, gli acciai inossidabili sono soggetti ad indurimento. Ciò li rende molto suscettibili alla formazione di cricche superficiali e rotture. In alcuni casi sono necessari passaggi di ricottura tra una lavorazione e l’altra.

4. Scegliere la giusta velocità

Come regola generale, una deformazione più lenta garantisce una maggiore qualità dei particolari. Per tranciatura e piegatura è possibile utilizzare presse meccaniche con velocità moderate, mentre per imbutiture profonde sono preferibili presse idrauliche dato che solitamente non va superata la velocità di 300mm/min.

5. Scegliere il giusto materiale per gli utensili

L’acciaio inossidabile è molto abrasivo a causa della sua composizione chimica. Spesso è utile rivestire gli utensili per aumentare la resistenza all’abrasione e all’usura adesiva.
E’ importante scegliere un acciaio che abbia ottima tenacità e resistenza all’usura. Occorre far attenzione ad acciai per utensili con elevato contenuto in cromo, dato che esso può interferire con il cromo presente nella lamiera causando saldature a freddo. Questo problema può comunque essere risolto con rivestimenti PVD o CVD.
Un ottimo materiale per realizzare camme o superfici di piega è il bronzo all’alluminio, essendo completamente diverso da un punto di vista chimico.

6. Utilizzare un gioco tra punzone e matrice più elevato

Nella maggior parte dei casi, la luce tra matrice e punzone va dal 12% al 15% dello spessore del materiale. Per acciai molto duri si può arrivare fino al 20%. In generale, maggiore è la durezza del materiale, maggiore è il gioco.

7. Scegliere il lubrificante adeguato

Solitamente le superfici in acciaio inox sono molto lisce, il che richiede in alcuni casi l’aggiunta di agenti bagnanti al lubrificante. Per imbutiture profonde si utilizzano solitamente oli contenenti cloro o zolfo. Questi additivi sono attivati dal calore e riducono l’attrito quando aumenta la temperatura.

Lo stampaggio lamiera Gima S.p.A.

L’acciaio inox non è necessariamente più duro di un acciaio al carbonio, ma si comporta diversamente. Va prestata attenzione al tipo di materiale e alle sue caratteristiche chimiche e meccaniche. La comprensione di questi aspetti è la chiave per una buona riuscita del processo.

La Gima S.p.A. di Recanati è specializzata nella progettazione e costruzione di stampi progressivi per la lavorazione di lamiera in acciaio dolce e in acciaio inox. Nello stabilimento dedicato allo stampaggio, un parco macchine di 28 presse è asservito da un’officina specializzata con centri di lavoro ed elettroerosioni per la costruzione e manutenzione degli stampi.

Lo stampaggio di particolari in acciaio inox richiede, oltre agli aspetti sopra citati, la necessità di valutare caso per caso quali sono gli accorgimenti ideali per ottenere particolari di qualità e garantire un’elevata prestazione degli stampi nel tempo.

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Tra tutte le tolleranze geometriche nei particolari tranciati, la planarità è una delle più difficili da mantenere durante le operazioni di stampaggio lamiera. Quando la tolleranza di planarità è molto stretta, realizzare un particolare tramite stampo di tranciatura può rappresentare una vera e propria sfida, con lo stesso grado di complessità di una imbutitura profonda con forme complesse e acciaio ad alta resistenza.

Ottenere una buona planarità dipende da diversi fattori:

• La severità delle operazioni di taglio e deformazione
• Le caratteristiche di resistenza meccanica della materia prima
• La planarità della materia prima di partenza ovvero del coil di lamiera
• Lo spessore del materiale da lavorare
• Le tensioni interne residue provenienti dalle lavorazioni precedenti

Quando si parla di particolari che richiedono alti livelli di planarità, le prime soluzioni che si tendono a considerare sono:

• Stampi a blocco con estrazione meccanica
• Tranciatura con contro-pressione applicata
• Operazioni speciali come tranciatura fine o altri metodi proprietari

Spesso però, adottare una di queste soluzioni può comportare costi elevati e, in base alla geometria del particolare e alle operazioni richieste, potrebbe non essere fattibile. Molto spesso è quindi necessario garantire una buona planarità su pezzi ottenuti tramite stampi progressivi utilizzando metodi di tranciatura convenzionali.

Come viene persa la planarità del materiale?

Per capire quali sono le soluzioni da adottare, bisogna prima identificare quali sono le cause che compromettono la planarità:

• Operazioni di tranciatura: il taglio perimetrale o la semplice realizzazione di fori tramite punzoni possono comportare uno stress elevato. Prima che il materiale si stacchi infatti, la lamiera subisce una deformazione plastica, come spiegato più nel dettaglio nell’ articolo relativo ai punzoni di tranciatura.
  Il gioco, anche detto luce, tra punzone e matrice, influenza lo stress subito dal materiale. Tagli importanti possono portare a grandi zone con tensioni interne elevate. Il risultato è un ritorno elastico non uniforme, il che comporta una perdita di planarità.

• Operazioni di piegatura: piegare la lamiera in modo permanente introduce stress nel particolare. Eseguire una piega infatti, significa applicare uno sforzo di compressione alla sezione di materiale in prossimità del raggio interno, e viceversa, uno sforzo di trazione in prossimità del raggio esterno. Questa tensione interna al materiale causa un inarcamento dello stesso, se non è compensato da una geometria che garantisce un sufficiente modulo di resistenza, come ad esempio una flangia sufficientemente lunga.

Quali sono i metodi per migliorare la planarità?

Un metodo che potrebbe venire in mente è quello di realizzare preventivamente una curvatura nella direzione opposta. Questa soluzione in realtà non è consigliabile in quanto il procedimento per determinare in che modo bisogna deformarla è estremamente dispendioso e fortemente sensibile alle piccole variazioni delle caratteristiche meccaniche e quindi del ritorno elastico della materia prima.

Pertanto, esclusa questa possibilità, rimangono altre alternative:

• Come anticipato, la planarità sia nella direzione longitudinale che trasversale della materia prima può essere determinante. In alcuni casi, per tolleranze non eccessivamente ristrette e per materiali poco elastici, come ottone o alluminio, può essere sufficiente una efficace raddrizzatura della lamiera in ingresso nello stampo. Inoltre è possibile orientare il coil in modo che la curvatura trasversale sia orientata in direzione opposta (lato convesso) rispetto alla direzione di taglio dei punzoni.

• Coniare la lamiera: una coniatura piana, comprimendo il pezzo con una forza elevata, può essere una soluzione, ma solo per particolari di spessore elevato e con superfici ridotte. Questa operazione comporta infatti degli sforzi enormi per la pressa, spesso sono necessarie presse a ginocchiera specifiche per coniatura, con tempi ciclo elevati. E’ necessario infatti ottenere una deformazione plastica comprimendo il materiale, per la quale è necessario un tonnellaggio elevato. Materiali con spessori sottili o ad alta resistenza non possono subire questo trattamento.

Queste due soluzioni sono dunque efficaci solo in condizioni particolari.
Dato che la perdita di planarità, come visto in precedenza, è data dalle tensioni interne al materiale, la soluzione è quella di “interrompere” queste zone di tensione nei punti critici o in aree equamente distribuite, ponendo in compressione le zone di trazione e viceversa.

Punzone per incisione

Questo metodo pertanto risulta efficace qualora si è disposti ad accettare delle incisioni sulla superficie del pezzo. E’ possibile agire in due modi:

• Realizzare una incisione in prossimità del raggio esterno di una piega
  Coniare un piccolo dente in prossimità del raggio di piega può interrompere o invertire lo stato tensionale del materiale che viene generato dalla deformazione. La profondità del dente va determinata in modo sperimentale.

• Realizzare delle incisioni con un pattern uniformeUna volta che il pezzo è stato tranciato o piegato, è possibile ripristinare la planarità incidendo tramite una coniatura un motivo uniforme, ad esempio a croce, sulla superficie del pezzo. Questa incisione interrompe le tensioni interne e la “memoria” del particolare, facendolo rimanere piano. La profondità ed il passo dell’incisione dipendono dalle caratteristiche meccaniche del materiale e dallo stress generato in precedenza.

L’importanza del processo produttivo

Quando le tolleranze di forma diventano critiche ai fini della funzionalità del particolare, è necessaria una grande attenzione all’intero processo produttivo e alla progettazione e costruzione dello stampo.

La Gima S.p.A., grazie alla grande esperienza sia nello stampaggio conto terzi, con un reparto di 29 presse, che nella costruzione stampi, con un’officina specializzata, può garantire un processo affidabile e particolari in lamiera di alta qualità, rispondenti alle caratteristiche dimensionali e geometriche richieste.

Lamiera con coniatura a pattern

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