Vi siete mai chiesti come si realizzano con precisione le parti metalliche più complesse? Questo articolo esplora l'affascinante mondo delle filiere di filettatura e flangiatura, svelando i segreti della loro progettazione e del loro funzionamento. Scoprirete come questi strumenti modellano il metallo con precisione ed efficienza, rendendo possibili gli oggetti di uso quotidiano.
Per le filettature di piccole dimensioni, nelle filiere di maschiatura si utilizza generalmente un punzone perforante, mentre per le filettature più grandi (M5 e oltre) si utilizza comunemente un punzone con un foro prefabbricato, che consente di completare la punzonatura e la maschiatura in un'unica operazione.
Quando il punzone scende a un'altezza stabilita, il materiale viene strappato sotto l'azione del tagliente planare. Nella maggior parte dei casi, il materiale di scarto del processo di punzonatura rimane attaccato dopo la maschiatura, ma si stacca da solo dopo la filettatura, come illustrato nella Figura 5-20.
1-Elastomero di gomma 2-Punzone 3-Piastra di ritenzione del punzone 4-Piastra di supporto 5-Portastampo superiore
Quando si eseguono più fori simultaneamente sullo stampo secondario, è necessario installare i montanti di guida e le bussole, come illustrato nella Figura 5-21.
1-Dispositivo 2-Bussola di guida 3-Piastra di spogliazione 4-Posto di guida 5-Piastra di ritenzione del punzone 6-Piastra distanziatrice 7-Scarpa superiore del punzone 8-Punzone 9-Bussola di guida 10-Inserto del punzone con lega dura
Per le matrici di flangiatura a foro singolo di grande diametro con fori prefabbricati, non sono necessari montanti di guida e boccole. Il centraggio si ottiene allineando la sezione di guida del punzone con il foro prefabbricato, seguito dal posizionamento in base alla forma esterna del pezzo, come illustrato nella Figura 5-22.
1-Inserto di matrice 2-Pezzo di lavoro 3-Fodera dell'inserto di matrice 4-Anello di espulsione 5-Scarpa superiore della matrice 6-Punzone 7-Scarpa inferiore della matrice
Gli stampi per la flangiatura e la maschiatura dovrebbero essere generalmente dotati di un meccanismo di espulsione per staccare il pezzo dal punzone. Il pezzo in lavorazione può essere facilmente rimosso dallo stampo sotto l'azione della forza di rimbalzo, per cui di solito non è necessario considerare l'uso di una spogliarellista.
Tuttavia, quando si eseguono maschi di assottigliamento a deformazione estesa o quando lo spessore del materiale è ≥4 mm, si dovrebbe prendere in considerazione l'uso di una spogliarellista, come illustrato nella Figura 5-23.
1-Punzone 2-Anello di pressatura 3-Disegno 4-Lifting.
In teoria, i pezzi flangiati con carico asimmetrico e i pezzi piegati asimmetricamente possono essere trasformati in pezzi simmetrici per evitare che il pezzo si muova, completando entrambi i pezzi contemporaneamente e tagliando poi il pezzo a metà dopo la flangiatura.
Tuttavia, poiché i pezzi piccoli come i manici delle pentole sono spesso tagliati dal materiale in eccesso sui bordi, che non soddisfa le condizioni di cui sopra, questa descrizione si concentra principalmente sulle singole matrici di flangiatura.
Durante il processo di piegatura singola, il materiale viene tirato dalla forza di flangiatura unilaterale, con conseguente slittamento. La chiave per la progettazione di questi stampi sta nel prevenire lo slittamento del materiale e nel garantire il corretto posizionamento della linea di flangia.
Prima che il punzone entri in contatto con il pezzo, utilizzare una piastra di pressione mobile per bloccare saldamente il pezzo. La forza di serraggio deve essere superiore alla forza di flangiatura.
Incorporando vari fattori di compensazione, la formula per stimare la forza di flangiatura dei materiali in acciaio inossidabile è la seguente:
Nella formula:
Attualmente, la maggior parte di questi tipi di stampi utilizza prevalentemente elastomeri di gomma come elemento elastico per l'applicazione della pressione. Gli elastomeri di gomma offrono vantaggi significativi come l'elevata elasticità, le eccellenti prestazioni di recupero e la resistenza allo strappo.
Lo spessore dell'elastomero di gomma non è necessariamente migliore se aumentato; uno spessore ottimale è generalmente pari a tre o quattro volte la somma dell'altezza della flangia più una certa tolleranza.
Se la pressione all'interno dell'altezza calcolata è insufficiente, si possono stratificare fogli di gomma più sottili, con sottili spessori in acciaio inseriti tra di loro. L'aumento della superficie della gomma può aumentare la pressione applicata. Per le parti punzonate con fori, è meglio usare il posizionamento dei fori come mostrato nella Figura 5-24.
1) Elastomero di gomma, 2) Perno di trasmissione della forza, 3) Piastra di posizionamento, 4) Punzone, 5) Piastra di tranciatura, 6) Stampo e 7) Supporto inferiore dello stampo.
Durante il processo di brasatura tra il beccuccio e il corpo di un vaso a forma di cachi, per preservare il costoso materiale per la brasatura dell'argento, è necessario formare una flangia verticale lungo la linea di contorno dell'estremità maggiore del corpo del vaso. L'operazione di flangiatura in corrispondenza del beccuccio viene eseguita su una pressa da banco a sbalzo, con lo stampo in posizione rovesciata, come mostrato nella Figura 5-25.
1. Corpo del bollitore, 2. Piastra di fissaggio del punzone, 3. Supporto del pezzo grezzo, 4. Stampo, 5. Punzone, 6. Elemento elastico, 7. Banco di lavoro a sbalzo.
Durante il funzionamento, posizionare il corpo del bollitore 1 preforato sullo stampo di punzonatura 5 con caratteristiche di posizionamento. Quando lo stampo 4 scende, supera la resistenza dell'elemento elastico 6 per flaniare il pezzo. Quando lo stampo superiore sale, la piastra di sollevamento 3 viene sollevata dalla forza della molla, liberando il pezzo dalla posizione di flangiatura.
In fase di progettazione, è fondamentale assicurarsi che la distanza verticale tra l'erogatore del bollitore e il banco di lavoro a sbalzo superi la corsa di flangiatura per evitare di danneggiare l'erogatore.
Nella produzione di bollitori in acciaio inox, il beccuccio viene comunemente lavorato con una tecnica di doppia flangiatura, come mostrato nella Figura 5-26. In fase di progettazione, l'altezza della prima flangia deve essere moderata, compresa tra 4 e 6 volte lo spessore del materiale. L'altezza della seconda flangia non deve essere troppo piccola e deve essere compresa tra 8 e 12 volte lo spessore del materiale.
In questa fase, il gioco su entrambi i lati del punzone e della matrice deve essere aumentato a 1,5-2 volte lo spessore del materiale. Durante il secondo processo di flangiatura, il bordo formato dalla prima flangia premerà automaticamente contro la seconda flangia, creando un effetto simile a un bordo aggraffato.
1. L'effetto dopo aver colpito il corpo del bollitore. 2. La prima flangia. 3. La seconda flangiatura.
La Figura 5-27 illustra un pezzo flangiato con un arco arrotondato, con uno spessore del materiale di 1,0 mm e un'altezza della flangia di 12 mm. In base all'esperienza, per evitare la formazione di grinze sotto compressione, l'altezza della flangia H non dovrebbe superare 14 volte lo spessore (H≤14t). Lo stampo di formatura è mostrato nella Figura 5-28.
In genere, per migliorare l'affidabilità operativa, l'arco di punzonatura dovrebbe essere leggermente più lungo di quello del pezzo, con la matrice inferiore più larga di 6-10 mm rispetto a quella superiore.
L'inserto dello stampo (3) può essere realizzato in acciaio a basso tenore di carbonio. La superficie di lavoro della piastra di usura (9) è arrotondata per svolgere principalmente la funzione di raggio d'angolo dello stampo (R). La lavorazione come componente separato può ridurre il consumo di acciaio per stampi o di acciaio per utensili ad alta velocità, diminuire le difficoltà di produzione e consentire una regolazione fine del gioco tra punzone e stampo.
Il punzone e la piastra di spellatura sono adattati al disegno del prodotto. Il bordo di lavoro della piastra di usura è parallelo al pattino dello stampo. Il materiale viene gradualmente formato durante la corsa verso il basso e infine espulso dalla cavità dalla piastra di spellatura.
Il tubo può essere svasato verso l'esterno utilizzando un punzone a sbalzo con una sfera d'acciaio. Lo schema della struttura dello stampo è illustrato nella Figura 5-29, adatto alla svasatura dopo la lavorazione di un foro prefabbricato sul materiale del tubo.
Il processo di lavorazione dello stampo è il seguente:
Innanzitutto, si posiziona una sfera d'acciaio del diametro appropriato all'interno del tubo nel punto di perforazione, quindi si appoggia il tubo in piano, si inserisce il punzone e si preme sulla sfera d'acciaio. A questo punto, si avvia la pressa e lo stampo superiore, muovendosi verso il basso, costringe il punzone a muoversi verso il basso, spingendo la sfera d'acciaio attraverso il tubo.
Dopo il ritorno della matrice superiore, il punzone si solleva automaticamente e viene rimosso dal tubo, completando così l'intero processo di flangiatura.
La struttura di questo stampo è semplice e praticamente priva di limitazioni nella direzione della lunghezza, ma la resistenza a sbalzo dello stampo è limitata dal diametro interno del tubo d'acciaio. La flangiatura può essere eseguita su tubi più spessi con un diametro interno di 40 mm o superiore.
In questo progetto, sotto lo stampo superiore viene aggiunto un elastomero di gomma per ridurre il rumore e la vite di fine corsa può essere regolata per impostare l'altezza del punzone.
1. Meccanismo di espulsione 2. Base inferiore dello stampo 3. Inserto matrice 4. Localizzatore 5. Punzone 6. Base superiore dello stampo 7. Piastra di ritenzione del punzone 8. Piastra di spellatura 9. Piastra rigida
1. Porta stampo, 2. Stampo concavo, 3. Asta di pressatura, 4. Elastomero di gomma, 5. Stampo superiore, 6. Materiale del tubo, 7. Sfera d'acciaio, 8. Fermo di posizionamento del materiale del tubo, 9. Sede di sollevamento dell'asta di pressatura, 10. Sede di sollevamento dell'asta della pressa, 10. Vite di fine corsa, 11. Molla, 12. Supporto.
La Figura 5-30 illustra uno stampo per la formazione della bocca della rete di schiumazione, che può essere utilizzato anche per fabbricare gli anelli di avvolgimento dei fogli di rete metallica di altri componenti cilindrici, come i filtri dell'aria dei motori.
Le parti principali dello stampo sono costituite da un cono di espansione (8), blocchi di espansione (4), molle di ritorno (3 e 6) e una base inferiore dello stampo (1).
I blocchi di espansione sono dimensionati in base al diametro interno del pezzo dopo la formatura. Sono realizzati con materiale trattato termicamente e poi lavorato.
Questi blocchi sono divisi in sezioni uguali e vengono tagliati spazi specifici per garantire che, una volta contratti, mantengano un gioco ragionevole con l'anello prefabbricato. Le molle di ritorno (3 e 6) stringono i blocchi di espansione (4) quando sono liberi.
Quando l'anello prefabbricato (5) è montato sul blocco di espansione (4), lo stampo è in posizione di ripristino e il diametro esterno del blocco di espansione (4) è inferiore al diametro interno dell'anello prefabbricato (5).
Mentre lo stampo superiore si muove verso il basso, il blocco di pressatura (7), azionato dalla forte molla (10), vince la forza verso l'alto della molla (2), costringendo il blocco di espansione (4) a muoversi verso il basso e ad espandersi verso l'esterno, aumentando il suo diametro esterno fino ad aderire perfettamente al diametro interno del pezzo. Quando il blocco di espansione è sceso completamente, il suo diametro esterno cessa di aumentare.
Lo stampo superiore continua a muoversi verso il basso, spingendo l'anello prefabbricato (5) nella scanalatura R per formarlo gradualmente. Il materiale compresso scorre verso l'alto lungo il diametro esterno dello stampo superiore, formando un nuovo diametro esterno e creando uno spazio designato rispetto al diametro originale per accogliere la lamiera.
Mentre la matrice superiore si alza, il pezzo rimane sulla matrice inferiore e il blocco di espansione, sotto l'azione combinata della molla (2) e delle molle di richiamo (3 e 6), si contrae di diametro, facilitando l'estrazione del pezzo.
Aggiungendo o rimuovendo spessori (non mostrati in figura) sotto la piastra di supporto (12) o il cono di espansione (8), è possibile regolare il diametro dei blocchi di espansione.
Questo stampo funziona in modo affidabile e non richiede sbozzi di alta qualità; può essere utilizzato anche con anelli di materiale saldati a caldo.
1 Base, 2 Molle, 3 e 6 Molle di ritorno, 4 Blocchi di espansione, 5 Anelli preformati, 7 Blocchi di serraggio, 8 Mandrini di espansione, 9 Base dello stampo superiore, 10 Molle per impieghi gravosi, 11 Stampo superiore, 12 Piastra di supporto, 13 Perno centrale della molla
La Figura 5-31 illustra uno stampo di flangiatura superiore e inferiore adatto alla flangiatura di materiali spessi.
La formatura dell'estremità del tubo è un processo di formatura specializzato che si è evoluto dalle tradizionali tecniche di stampaggio a flangia. Consiste nell'applicare una pressione assiale al tubo attraverso una matrice per indurre una deformazione di flessione localizzata sul bordo dell'imboccatura del tubo.
Questa tecnica consente di produrre pezzi con i vantaggi della semplicità, del minor numero di fasi di lavorazione, dei costi più bassi e dell'alta qualità, e può anche produrre pezzi difficili da ottenere con altri metodi di stampaggio. Questo processo è stato ampiamente adottato in settori industriali come quello automobilistico e aerospaziale.
Esistono due metodi di base per la formatura delle estremità dei tubi: la flangiatura esterna e la flangiatura interna, come mostrato nella Figura 5-32.
1 - Punzone, 2 - Piastra di spellatura, 3 - Stampo, 4 - Sollevatore, 5 - Espulsore a molla.
a) e b) Flangia esterna; c) e d) Flangia interna.
1. Tubo vuoto 2. Anello di guida 3. Filiera conica 4. Filiera a filetto.
Il processo di laminazione dei tubi non solo forma efficacemente una varietà di tubi cilindrici a doppia parete e componenti di tubi multistrato, ma lavora anche tazze a fondo convesso, tubi a gradini, tubi di forma speciale, nonché tubi doppi a mezza parete, cilindri anulari a doppia parete, dadi cavi a doppia parete, scambiatori di calore, marmitte automobilistiche e guide d'onda utilizzate nell'industria elettronica.
Attualmente, questi componenti sono generalmente prodotti con metodi di stampaggio e saldatura in più fasi, che sono difficili, costosi e producono una scarsa qualità superficiale. Il processo di laminazione garantisce affidabilità, leggerezza e risparmio di materiale per questi componenti.
Un'ampia gamma di materiali tubolari è adatta al processo di laminazione, tra cui leghe di alluminio, acciaio a basso tenore di carbonio e acciaio inossidabile austenitico. Tubi di dimensioni comprese tra 5 mm x 0,5 mm e 250 mm x 5 mm possono essere laminati con successo in tubi a doppio strato.
a) Tubo conico per laminazione, b) Tubo per laminazione + laminazione, c) Tubo per laminazione + svasatura, d) Tubo per laminazione elastica.
La filatura dei tubi è un processo di deformazione complesso che prevede la transizione dalla deformazione di svasatura alla deformazione di curvatura e quindi alla deformazione di filatura. Per garantire una transizione fluida tra le modalità di deformazione, è essenziale soddisfare le condizioni meccaniche, geometriche e di plasticità durante la deformazione. I parametri principali del processo includono la forza di filatura, l'angolo di semicono della matrice, lo spessore relativo della parete del tubo e le condizioni di plasticità del materiale del tubo.
Sotto la pressione assiale, il tubo grezzo ruota dall'interno verso l'esterno, trasformando la parete interna del tubo in quella esterna. Questo processo aumenta il diametro del tubo. Sebbene il carico di pressione esterno ispessisca leggermente la parete del tubo, lo sforzo di trazione circonferenziale prodotto dalla rotazione verso l'esterno è più forte e porta a una parete del tubo più sottile.
I tipi di stampi per la filatura dei tubi verso l'esterno comprendono principalmente stampi conici, stampi a scanalatura anulare e stampi per filatura elastica. Quando si lavorano tubi a doppio strato utilizzando matrici coniche o a scanalatura anulare, la parte superiore dello stampo non solo applica una pressione sul materiale del tubo, ma deve anche essere dotata di un anello di guida per dirigere il materiale già filato.
La filiera conica è il tipo di filiera più rappresentativo. Quando si progetta una filiera conica, la considerazione principale è la determinazione dell'angolo di semicono (a) per soddisfare le condizioni di filatura. In base ai calcoli di sollecitazione e plasticità e considerando l'influenza dell'allungamento del materiale, l'angolo di semicono (a) deve soddisfare la seguente condizione: 22,5° ≤ a ≤ 55°.
Analogamente alla svasatura, anche il diametro esterno massimo del tubo filato è limitato dal tasso di allungamento del materiale. In linea di principio, la dimensione del diametro di filatura può essere scelta liberamente tra il tasso di allungamento del materiale e il raggio di curvatura minimo.
Quando è richiesta una grande differenza di diametro prima e dopo la filatura, si deve utilizzare un angolo di semicono maggiore. Al contrario, un angolo di semicono più piccolo dovrebbe essere scelto quando è necessaria una differenza di diametro minore.
Le matrici coniche sono versatili, hanno un basso attrito, strutture semplici e sono facili da produrre. Tuttavia, quando il tubo grezzo si deforma su una matrice conica, tende a scivolare, rendendo difficile un centraggio preciso.
La filatura è in uno stato di deformazione libera, determinata solo dal principio della resistenza minima e dell'equilibrio delle sollecitazioni, ed è significativamente influenzata dalla non uniformità della struttura del materiale, rendendo difficile la produzione di componenti tubolari di alta qualità. Per evitare che l'estremità del tubo scivoli sulla matrice a cono, è possibile aggiungere una guida cilindrica alla testa del cono, ottenendo un notevole miglioramento, come mostrato nella Figura 5-34a.
a) Filiera conica di posizionamento b) Filiera a raggio scanalato c) Filiera per svasatura elastica
La filiera con scanalatura angolare è un tipo di filiera per la svasatura dei tubi derivata dalla filiera per la flangiatura delle estremità dei tubi (flangiatura). In una trafila conica con un'estremità di posizionamento, l'intersezione tra l'estremità e la superficie conica viene trasformata in una transizione conica per facilitare l'arricciatura e la deformazione del tubo grezzo. Questa trafila presenta eccellenti proprietà di centratura.
Quando il materiale del tubo viene svasato, viene vincolato dal raggio r della scanalatura circolare, ottenendo componenti del tubo di qualità costante, come mostrato nella Figura 5-34b.
La progettazione della matrice per la scanalatura dell'angolo di raggio implica innanzitutto la determinazione del raggio r della scanalatura circolare. La dimensione di r non solo determina l'effetto di contenimento della deformazione del tubo grezzo in corrispondenza del raggio d'angolo, ma determina anche l'interferenza geometrica tra la svasatura e la parte non deformata del tubo grezzo.
Si tratta quindi di un parametro di processo critico che deve essere maggiore o uguale al raggio di curvatura minimo del materiale e minore o uguale al raggio consentito in base al tasso di allungamento del materiale.
Quando si progetta la matrice per scanalatura angolare a raggio, non è necessario calcolare il raggio r. Esso può essere fornito in base all'esperienza e alle dimensioni indicate sul disegno.
Per i tubi in acciaio inossidabile, il raggio di curvatura minimo è tipicamente
R=3t
dove t è lo spessore del materiale.
Il diametro massimo di svasatura del tubo per tubi generici è
d=D(1+1,4A)
E per i tubi saldati, il diametro massimo di svasatura del tubo è
d=D(1+1,3A)
dove:
Quando si esegue la flangiatura del tubo con i tipi di stampo sopra menzionati, possono verificarsi difetti come grinze o piegature indotte dall'instabilità della sezione flangiata. Questo perché il tubo grezzo è sottoposto a sollecitazioni di compressione durante la deformazione. Al contrario, lo stampo a flangia estensibile sottopone la sezione deformabile del tubo grezzo a una sollecitazione di trazione quando è sottoposto a un carico esterno, eliminando così completamente il fenomeno del raggrinzimento durante la flangiatura.
Inoltre, la zona di deformazione è determinata dalla forma dello stampo, il che consente di controllare completamente la precisione dimensionale del pezzo in lavorazione. Pertanto, per i componenti tubolari con requisiti di precisione dimensionale rigorosi, è opportuno utilizzare uno stampo a flangia estensibile.
Per ridurre la resistenza all'attrito nella sezione già flangiata, la lunghezza di lavoro del diametro esterno dello stampo dovrebbe essere compresa tra 8 e 12 mm, con le sezioni rimanenti scavate come mostrato nella Figura 5-34c.
Prima che lo stampo a flangia estensibile inizi a funzionare, l'estremità del tubo viene espansa in una superficie flangiata che funge da superficie di serraggio durante l'allungamento. Di conseguenza, il diametro esterno del tubo formato dallo stampo a flangia estensibile è sempre inferiore al diametro esterno massimo consentito dal tasso di allungamento del materiale.
Durante la flangiatura verso l'interno, il tubo grezzo viene arrotolato dall'esterno verso l'interno, ottenendo un diametro esterno più piccolo dopo la formatura.
La flangiatura interna di stampi duri è raramente utilizzata nelle pratiche di produzione. Il processo di formatura della flangia interna è un processo in cui il materiale si ispessisce continuamente.
Durante questo processo di addensamento, il reticolo cristallino del materiale deve essere riorganizzato. La forza necessaria per il riarrangiamento del reticolo cristallino è più di quattro volte superiore allo sforzo di trazione necessario per l'allungamento del materiale (resistenza alla trazione).
Poiché la resistenza allo snervamento del materiale è sempre inferiore alla forza necessaria per il riarrangiamento del reticolo, il materiale del tubo diventa instabile e si raggrinzisce prima ancora di entrare nel processo di flangiatura, rendendo impossibile completare la flangiatura verso l'interno.
Esistono infatti molte tecniche alternative alla flangiatura verso l'interno, tra cui l'utilizzo di tubi di diametro inferiore per la flangiatura verso l'esterno, l'orlatura a rullo e la riduzione del diametro mediante taglio seguito da stiramento e flangiatura verso l'interno (vedere Figura 7-21).
Tra i metodi citati, il più utilizzato è la flangiatura verso l'esterno di tubi di piccolo diametro, che prevede l'utilizzo della dimensione del diametro interno del tubo grezzo come dimensione del diametro interno richiesto del componente del tubo, mentre la dimensione dopo la flangiatura verso l'esterno diventa il diametro del componente.
Quando si utilizzano rulli per la flangiatura verso l'interno, vi sono alcune limitazioni tra lo spessore del materiale e il diametro, in particolare è necessario un rapporto D/t ≥ 200 affinché il processo proceda senza intoppi. In caso contrario, la resistenza causata dall'aggregazione del materiale può essere eccessiva, con il risultato di un diametro esterno poligonale del pezzo.
a) tranciatura della lastra circolare b) imbutitura c) rifilatura d) flangiatura e) orlatura
Una vasca è essenzialmente una versione ingrandita di un bacino, progettata per aumentarne la capacità. Per aumentarne la resistenza, si aggiunge un gradino di flangiatura al bordo laminato, come illustrato nella Figura 5-35.
Il processo di laminazione è posizionato strategicamente prima della flangiatura per evitare il raggrinzimento della flangia. Il meccanismo di deformazione della sezione laminata durante la flangiatura non è ancora del tutto chiaro, ma si è dimostrato efficace dal punto di vista pratico.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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