A volte alcune caratteristiche richieste possono essere soddisfatte mediante soluzioni innovative, in altri casi potrebbe essere virtualmente impossibile ottenere certe dimensioni o tolleranze. Ecco perché, durante il disegno di un particolare, è importante instaurare un confronto tra il progettista e lo stampista. Questo feedback continuo tra le due parti consente di ridurre notevolmente i costi.

Le cinque regole fondamentali per disegnare un particolare

Ecco quali sono le regole fondamentali da considerare quando si vuole disegnare un particolare in lamiera da realizzare tramite stampaggio a freddo:

1. Richiedere una superficie planare in prossimità del bordo tranciato non è possibile. Ci sarà sempre una deformazione in prossimità del taglio, perché è parte del processo. Nel migliore dei casi sarà possibile ottenere un assottigliamento nell’ordine del 10% rispetto allo spessore del materiale.
2. Riportare la dicitura “bordi lisci” comporta importanti conseguenze. In primo luogo potrebbe indicare la richiesta di un processo di tranciatura fine, che è decisamente più costoso rispetto alla tranciatura tradizionale. In altri casi, il progettista dello stampo potrà minimizzare lo schianto tramite riduzione del gioco tra punzone e matrice, ma ciò comporta maggiori costi di manutenzione. Infine, per ottenere quanto richiesto, potrebbe essere necessario un ulteriore processo di lavorazione con macchine utensili.
3. Annotare “nessuna bava” significa richiedere un’ulteriore operazione di burattatura che aumenterà il costo del pezzo. Solitamente la bava è il 10% dello spessore del materiale. Allo stesso modo, richiedere una bava massima, ad esempio, di 0,1mm su uno spessore di 3mm comporta un aumento dei costi di manutenzione.
4. Sulla maggior parte dei componenti piegati vengono richiesti particolari raggi di piega. L’operazione di piegatura deve far fronte alle leggi fisiche del materiale. In base alla sua durezza e allo spessore, potrebbe non essere possibile ottenere raggi molto piccoli. Inoltre, il processo di piegatura non consente il controllo del raggio esterno. Il materiale si deforma naturalmente. Il costruttore di stampi può solamente controllare il raggio interno, ed è questo che deve essere quotato a disegno.
5. Assicurarsi sempre che gli angoli tranciati abbiano un raggio di raccordo maggiore o uguale allo spessore del materiale. Riportare “spigolo vivo” può comportare problemi. Lo stesso principio si applica ai fori: il diametro minimo dovrebbe essere almeno 1,5 volte lo spessore del materiale. Non rispettare questo suggerimento può far aumentare i costi di manutenzione fino a 4-5 volte.

Creare una condizione win-win tra progettista e stampista

Tutti i progettisti possono aumentare la loro competitività collaborando con i loro fornitori di stampi. Un accurato disegno, mirato ad una produzione efficiente e che consenta la costruzione di uno stampo di tranciatura affidabile, risulterà in particolari stampati di alta qualità al miglior costo possibile, il che è nell’interesse di tutti.

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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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Lo stampaggio progressivo, mediante una sequenza di operazioni consecutive, consente di dare una forma complessa ai particolari in metallo, i quali vengono spesso utilizzati per la produzione di componenti industriali in quantità elevate.

Si parla di formatura a freddo quando il calore non viene introdotto nello stampo o nella lamiera. Tuttavia, del calore è generato dall’attrito e dalla deformazione durante il processo di taglio e formatura, quindi le parti stampate possono raggiungere temperature elevate. È importante che il particolare da realizzare sia disegnato tenendo conto della sequenza delle operazioni di stampaggio, così da garantire la fattibilità dello stesso ed una elevata qualità e produttività. La progettazione stampi è effettuata mediante software CAD/CAM da un reparto tecnico altamente qualificato che unisce l’esperienza sul campo ai bisogni del cliente.

La progettazione e la costruzione degli stampi

La prima fase della realizzazione di uno stampo è la progettazione. Il prodotto da stampare è industrializzato prima di procedere alla fase di progettazione, viene quindi realizzata la bozza del prodotto e la si sottopone ad analisi e simulazioni mediante software CAD/CAM. Per particolari complessi, è importante instaurare un feedback tra il disegno del pezzo e quello dello stampo. La progettazione riceve quindi come input il disegno del particolare, e termina con l’emissione dei disegni tecnici che includono le quote dimensionali, le tolleranze, i materiali, la distinta base di tutti i componenti inclusi quelli commerciali, eventuali istruzioni operative e piani di manutenzione.

La costruzione dello stampo viene quindi affidata ad un’officina altamente specializzata che, tramite centri di lavoro ed elettroerosioni CNC, effettua la produzione delle piastre e dei componenti dello stampo. In questa fase sono compresi anche i trattamenti termici dei materiali, la rettifica, l’affilatura e la lucidatura dei componenti. La costruzione termina con l’assemblaggio dei componenti, il collaudo e la messa a punto dello stampo.

Materiali utilizzati nella realizzazione degli stampi

Un elemento molto importante nella costruzione degli stampi è il materiale utilizzato per i componenti e in particolare per gli utensili, ovvero punzoni e matrici. Questo infatti dovrà resistere a diverse sollecitazioni e possedere quindi un’elevata durezza e resistenza all’usura per abrasione, una buona resistenza alla compressione, buona finitura superficiale e basso coefficiente d’attrito, buona tenacità e un’ottima stabilità dimensionale dopo trattamento termico. È consigliabile utilizzare acciai ottimali per utensili classificati secondo le tabelle UNI, asportando dalla superficie almeno il 3% di spessore, evitare di eseguire lavorazioni meccaniche con passate estremamente profonde, evitare gli spigoli vivi e scegliere il materiale adatto per ogni operazione. I trattamenti termici devono essere eseguiti a regola d’arte per garantire le caratteristiche meccaniche richieste ed evitare cricche o tensioni residue.

La tranciatura e l’importanza del gioco di taglio

Il taglio (o tranciatura) è l’operazione eseguita più comunemente da uno stampo. Il metallo viene tagliato ponendolo tra due sezionatori maschio-femmina in acciaio che hanno un piccolo spazio tra di loro. Questo divario, o offset, si chiama gioco di taglio.

Il gioco di taglio cambia nel rispetto del tipo di operazione di taglio che viene eseguita, delle caratteristiche del materiale, delle condizioni dello spigolo desiderate. Esso è spesso espresso come percentuale dello spessore della lamiera da lavorare. In questo modo, si garantisce una determinata tolleranza nelle lavorazioni e si evita di incorrere in problemi come rotture o deformazioni.

Per tagliare il metallo è necessaria una forza elevata. Il processo spesso causa un trauma notevole allo stampo e alla pressa. Nella maggior parte delle operazioni di taglio, il metallo è portato fino al punto di rottura che produce un bordo tagliato con una parte lucida denominata zona di taglio, ed una parte chiamata zona di frattura. Per un approfondimento si rimanda all’articolo sul calcolo della forza di tranciatura.

Le operazioni di taglio nello stampaggio progressivo

Le operazioni di taglio che vengono effettuate negli stampi, sebbene possano essere simili o addirittura identiche tra di loro per quanto concerne il funzionamento tecnico, possono assumere diversi nomi in base alla fase di lavorazione. Si riporta di seguito un elenco, con lo scopo anche di chiarire l’utilizzo dei termini tecnici in lingua inglese:

• • Trimming (taglio o tranciatura): il perimetro esterno della lamiera o di un semilavorato è tagliato via per dare al pezzo il profilo desiderato. Il materiale in eccesso, di solito, viene eliminato come scarto.

• • Notching: di solito è associato a stampi progressivi ed è un processo in cui un’operazione di taglio viene eseguita progressivamente all’esterno di un nastro di lamiera per creare un determinato profilo. Essendo anche questa un’operazione di taglio viene detta comunemente “tranciatura”.

• • Blanking: si tratta di un processo di taglio che viene utilizzato in operazioni in cui il semilavorato (solitamente un disco di metallo) viene distaccato dalla lamiera per subire ulteriori lavorazioni, tramite trasferimento ad una stazione successiva o ad un altro stampo. Spesso rappresenta la prima fase nelle operazioni di imbutitura profonda. Il disco di metallo, rimosso dal nastro durante questo processo, è chiamato pezzo grezzo.

• • Piercing (punzonatura o perforazione): l’operazione di perforazione è un’operazione di taglio del metallo che produce un foro rotondo, quadrato o di forma speciale su una lamiera piana o già deformata.

• • Lancing: il metallo viene parzialmente separato o si crea una fessura nel tentativo di sollevare metallo senza distaccare il pezzo dalla striscia. Si utilizza in stampi progressivi, in particolare per imbutiture, dove è necessario separare la maggior parte del semilavorato dal nastro in lamiera, consentendone però l’avanzamento senza l’ausilio di un transfer.

• Shearing: taglio del metallo lungo una linea retta. Questo metodo è usato per produrre forme rettangolari e quadrate. I particolari ottenuti sono solitamente dei semilavorati che in seguito subiscono altre operazioni come punzonatura, piegatura, ecc. Anche in questo caso si fa comunemente riferimento ad esso come “tranciatura”.

La lunga tradizione di Gima Spa nella progettazione stampi

Gima Spa vanta una lunga tradizione nella progettazione e nella costruzione stampi. Grazie all’esperienza, alla formazione altamente specializzata del personale, ai macchinari e ai software CAD/CAM all’avanguardia utilizzati, sono in grado di rispondere ad ogni richiesta di progettazione o di riparazione di stampi.

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