Stampaggio profondo della lamiera

Stampaggio profondo è un processo di stampaggio in cui un foglio piano viene fatto passare attraverso una matrice concava sotto la pressione di un punzone per formare una parte cava aperta. Tra i vari tipi di componenti in lamiera, l'imbutitura profonda viene spesso utilizzata per lavorare vari pezzi semplici rotondi, teste emisferiche e paraboliche composte da materiali più grandi o più spessi.

Processo e requisiti di imbutitura profonda

In generale, l'imbutitura profonda deve essere completata utilizzando uno stampo di imbutitura tramite la pressione di una pressa. In circostanze normali, si utilizza la lavorazione a freddo, mentre la lavorazione a caldo viene utilizzata solo per l'imbutitura profonda di lamiere più spesse con dimensioni esterne maggiori o deformazioni più ampie.

1. Processo di disegno

La figura mostra il processo di trafilatura che consiste nel posizionare una piastra piana circolare con diametro D e spessore t nel foro di posizionamento dello stampo e nel trafilarla in una parte cilindrica.

Durante il processo di imbutitura profonda, a causa del momento flettente generato dalla forza di imbutitura F e dalla fessura Z tra gli stampi convessi e concavi, lo stampo convesso si sposta verso il basso per entrare in contatto con la lamiera e quindi esercita una pressione verso il basso, causando la piegatura e la concavità della lamiera, e viene guidato dagli angoli arrotondati degli stampi convessi e concavi. Quando il punzone viene tirato verso il basso nel foro dello stampo, il materiale della lamiera si evolve lentamente in tre parti: il fondo, la parete e la flangia; mentre il punzone continua a scendere, il fondo sostanzialmente non si muove e la flangia anulare continua a restringersi verso il foro e viene tirata nella cavità. 

L'apertura dello stampo si trasforma in una parete cilindrica, quindi la parete del cilindro aumenta gradualmente e la flangia si restringe gradualmente. Infine, la flangia viene completamente tirata nell'apertura dello stampo e si trasforma in una parete cilindrica, e il processo di imbutitura termina. La lamiera circolare diventa un cilindro cavo aperto con diametro d1 e altezza h.

2. Analisi della deformazione mediante stampaggio profondo

Secondo il processo di deformazione per imbutitura, si può affermare che l'imbutitura è il processo in cui la flangia anulare si restringe gradualmente e scorre verso il foro della matrice per trasformarsi nella parete del cilindro. L'imbutitura è un processo di deformazione plastica relativamente complesso e ogni parte danneggiata del capello può essere suddivisa in diverse aree in base alle sue condizioni di deformazione.

2.1 Fondo del cilindro: la parte circolare in cui il fondo del punzone preme verso il basso e entra in contatto con l'area centrale della lamiera è il fondo. Durante il processo di imbutitura, quest'area mantiene sempre una forma piatta ed è soggetta a una tensione radiale uniforme attorno ad essa. Si può considerare che non vi sia alcuna deformazione plastica o una piccola area di deformazione plastica e il materiale del fondo trasferisce la forza del punzone alla parete del cilindro, generando una sollecitazione di trazione assiale.

2.2 Parte flangiata: l'area anulare sullo stampo è la flangia, che è la principale area di deformazione durante l'imbutitura profonda. Durante l'imbutitura profonda, il materiale della flangia genera una sollecitazione di trazione radiale dovuta alla forza di imbutitura. Quando i materiali si restringono e fluiscono verso il foro dello stampo, si schiacciano a vicenda generando una sollecitazione di compressione tangenziale 3. La sua funzione è simile a quella di tirare una parte a forma di settore del pezzo grezzo F attraverso una scanalatura immaginaria a forma di cuneo per ottenere la deformazione di F, come mostrato in figura.

Quando la flangia è grande e il materiale della lamiera è sottile, la parte della flangia perderà stabilità a causa della sollecitazione di compressione tangenziale durante l'imbutitura, formando il cosiddetto "fenomeno di grinza". Pertanto, spesso si utilizza un premilamiera per pressare la flangia. Eseguire la pressatura dei bordi.

2.3 Parete semplice: si tratta dell'area deformata, che si forma a seguito del trasferimento del materiale della flangia tramite compressione tangenziale, stiramento radiale e restringimento, e che sostanzialmente non subisce più deformazioni significative. Durante l'imbutitura, svolge la funzione di trasmettere la forza di imbutitura del punzone alla flangia. Il materiale della parete semplice sopporta la sollecitazione di trazione unidirezionale durante il processo di trasmissione della forza di imbutitura, ed è leggermente allungato longitudinalmente e leggermente più spesso. Si verifica un assottigliamento.

2.4 La parte con angolo arrotondato della matrice concava: la parte di transizione in cui la flangia e la parete del cilindro si incontrano. La deformazione del materiale qui è più complicata. Oltre ad avere le stesse caratteristiche della parte flangiata, ovvero è soggetta a sollecitazioni di trazione radiale e di compressione tangenziale, sopporta anche sollecitazioni di compressione concave formate dall'estrusione e dalla piegatura del raccordo della matrice.

2.5 La parte arrotondata del punzone: la parte di transizione in cui la parete semplice e il fondo del cilindro si incontrano, è soggetta a sollecitazioni di trazione in direzione radiale e tangenziale, mentre la direzione spessa è soggetta a estrusione e flessione della parte arrotondata del punzone per produrre sollecitazioni di compressione. Durante il processo di imbutitura, la direzione radiale viene allungata e lo spessore viene ridotto. L'assottigliamento più grave si verifica nella giunzione tra l'angolo arrotondato del punzone e la parete del cilindro. 

L'imbutitura inizia tra la matrice concava e quella convessa, quindi è necessario trasferire meno materiale. Il grado di deformazione è ridotto, il grado di incrudimento a freddo è basso e non vi è alcun attrito benefico sugli angoli arrotondati del punzone. L'area che deve trasmettere la forza di imbutitura è ridotta. Pertanto, questa parte è diventata la "sezione pericolosa" che ha maggiori probabilità di rottura durante l'imbutitura profonda.

3. Variazioni dello spessore della parete delle parti imbutite

L'immagine mostra lo spessore irregolare delle pareti dei pezzi imbutiti. L'immagine mostra la variazione dello spessore della parete della testa ellittica in acciaio al carbonio durante l'imbutitura, e l'immagine mostra la variazione dello spessore della parete del cilindro flangiato utilizzando il premilamiera.

4. Requisiti di processo per la lavorazione di imbutitura profonda

Il processo di imbutitura profonda può essere utilizzato per lavorare pezzi con forme complesse e ottenere pezzi a pareti sottili di forma cilindrica, a gradini, conica, quadrata, sferica e varie forme irregolari. Tuttavia, la precisione della lavorazione dei pezzi imbutiti è correlata a molti fattori, come le proprietà meccaniche e lo spessore del materiale, la struttura e la precisione dello stampo, il numero e la sequenza delle lavorazioni, ecc. La precisione di produzione dei pezzi imbutiti non è generalmente elevata e la precisione appropriata è inferiore al livello IT11. 

Allo stesso tempo, a causa dell'influenza delle prestazioni di deformazione dell'imbutitura profonda, la lavorabilità dei pezzi imbutiti influisce direttamente sulla possibilità di utilizzo del pezzo nel modo più economico e semplice. La lavorazione con il metodo dell'imbutitura profonda influisce anche sulla possibilità di lavorazione del pezzo con il metodo dell'imbutitura profonda. I requisiti di processo per i pezzi imbutiti sono i seguenti.

Precisione strutturale e dello stampo, numero e sequenza di processi, ecc. La precisione di fabbricazione dei componenti imbutiti non è generalmente elevata e la precisione appropriata è inferiore al livello IT11. Allo stesso tempo, a causa dell'influenza delle prestazioni di deformazione dell'imbutitura, la lavorabilità dei componenti imbutiti influisce direttamente sulla possibilità di utilizzo del componente nel modo più economico e semplice. La lavorazione avviene con il metodo di imbutitura e influisce anche sulla possibilità di lavorazione del componente con il metodo di imbutitura. I requisiti di processo per i componenti imbutiti sono i seguenti.

4.1 La forma dei pezzi imbutiti deve essere il più semplice e simmetrica possibile. Nella progettazione di pezzi imbutiti, si deve tenere conto della tecnologia di lavorazione dei pezzi stessi e adottare, per quanto possibile, una forma che sia più facile da realizzare e che soddisfi i requisiti di utilizzo. L'immagine mostra la classificazione in base alla difficoltà di formatura mediante imbutitura. Nella figura, la difficoltà di formatura dei vari tipi di pezzi imbutiti aumenta dall'alto verso il basso. 

La difficoltà di pezzi simili imbutiti aumenta da sinistra a destra. Tra queste: e rappresenta la lunghezza minima del bordo dritto, f rappresenta la dimensione massima del pezzo imbutito, a rappresenta la lunghezza dell'asse corto e 6 rappresenta la lunghezza dell'asse lungo.

4.2 Per le parti cilindriche trafilate con flange, quando si trafila con un premilamiera, la flangia più adatta è compresa nel seguente intervallo:

4.3 La profondità del disegno non dovrebbe essere troppo grande (ovvero, H non dovrebbe essere maggiore di 2d). Quando può essere disegnato in una sola volta, la sua altezza dovrebbe preferibilmente essere:

4.4 Per le parti cilindriche imbutite, il raggio di raccordo r tra il fondo e la parete dovrebbe soddisfare ra>t, e il raggio di raccordo tra la flangia e la parete r>2t. Dal punto di vista delle condizioni favorevoli alla deformazione, è meglio assumere r ≈(3~5)t, r≈(4~8)t. Se r (o r)>(0,1~0,3)t, è possibile aggiungere una sagomatura.

Forma strutturale della matrice di trafilatura e sua selezione

Sebbene le forme dei pezzi sottoposti a imbutitura profonda siano diverse, la struttura degli stampi di imbutitura è relativamente standardizzata. A seconda delle condizioni di lavoro e delle attrezzature utilizzate, anche le strutture degli stampi di imbutitura variano. L'adozione della struttura dello stampo di imbutitura richiede generalmente i calcoli di processo necessari, dopodiché è possibile selezionare di conseguenza il piano di processo di imbutitura.

La lavorazione di imbutitura profonda può essere eseguita su una pressa a singolo effetto generica, oppure su una pressa a doppio o triplo effetto. Gli stampi di imbutitura che lavorano su presse a singolo effetto possono essere suddivisi in due tipologie: stampi di imbutitura iniziale e stampi di imbutitura iniziale e successiva. A seconda dell'utilizzo di un premilamiera, si possono distinguere due tipologie: con premilamiera e senza premilamiera. A seconda del tipo di pressa, si possono distinguere stampi di imbutitura utilizzati su presse a singolo effetto, stampi di imbutitura utilizzati su presse a doppio effetto, ecc.

1. Primo stampo di disegno

L'immagine mostra il primo stampo per imbutitura profonda senza supporto per il bordo. Durante l'imbutitura, si posiziona prima il pezzo piatto nella piastra di posizionamento dello stampo; il punzone si muove verso il basso, spinto dalla slitta della pressa, spingendo il materiale difettoso nello stampo fino a quando non viene completamente aspirato e lavorato. L'estremità superiore del pezzo imbutito supera l'anello raschiatore. Quando la slitta della pressa spinge il punzone verso l'alto, l'anello raschiatore raschia il pezzo dal punzone per completare il processo di imbutitura profonda.

La prima matrice di imbutitura senza supporto del bordo viene generalmente utilizzata per pezzi di imbutitura poco profondi con una profondità di imbutitura ridotta che possono essere pressati in una sola passata. Quando il punzone è piccolo, la struttura complessiva può essere adottata e fissata dalla piastra di fissaggio del punzone. Per evitare che il pezzo aderisca saldamente al punzone, è necessario prevedere fori di ventilazione sul punzone.

La figura a mostra una normale matrice concava a estremità piatta con archi, adatta principalmente alla lavorazione di pezzi di grandi dimensioni. La figura b mostra un'apertura conica della matrice, mentre la figura c mostra un'apertura concava con una forma evolvente. Sono adatte alla lavorazione di pezzi di piccole dimensioni. Poiché la struttura della matrice della figura bc mostra una forma di transizione curva del pezzo grezzo durante l'imbutitura, le dimensioni aumentano. 

Capacità anti-instabilità, la forza della bocca dello stampo sulla zona di deformazione del pezzo grezzo aiuta anche a produrre una deformazione da compressione tangenziale, riducendo la resistenza all'attrito e la resistenza alla deformazione da flessione, il che è vantaggioso per la deformazione da imbutitura profonda e può migliorare la qualità del pezzo, ma la lavorazione è più difficile.

La figura b mostra la prima imbutitura profonda con un anello elastico. L'anello elastico è installato sullo stampo superiore. Quando il punzone si muove verso il basso, il materiale difettoso viene premuto con forza sotto l'azione della forza della molla, in modo che il materiale difettoso si trovi vicino alla parte concava durante il processo di imbutitura.

A causa della limitazione dello spazio superiore dello stampo, non è possibile installare molle spesse, quindi questo tipo di stampo è adatto solo per l'imbutitura di pezzi con bassa pressione. Viene solitamente utilizzato per l'imbutitura di pezzi con materiali sottili, di piccola profondità e facili alla formazione di pieghe.

Quando si imbutisce un pezzo con una profondità elevata, è necessaria una molla (o una gomma) più grande, che risulta difficile da installare se la molla è ancora posizionata sulla parte superiore dello stampo. Pertanto, è possibile utilizzare una struttura montata sulla parte inferiore per facilitare la regolazione della forza del premilamiera.

2. Stampo per imbutitura profonda per ogni volta dopo la prima volta

La Figura a mostra la prima e le successive imbutiture profonde senza premilamiera. È possibile imbutire semilavorati che sono stati imbutiti fino a una certa dimensione e poi imbutirli nuovamente. In genere, può essere utilizzato per applicazioni in cui il grado di deformazione non è elevato e lo spessore delle pareti dei pezzi imbutiti deve essere uniforme. 

Garantire il diametro e la precisione dimensionale dei pezzi con un leggero assottigliamento. Per questo tipo di stampo, solitamente per evitare perdite per attrito, la lunghezza della parte di lavoro a parete dritta dello stampo concavo deve essere ridotta il più possibile.

La Figura b mostra la struttura dello stampo di imbutitura per la prima e le successive fasi di lavorazione di pezzi cilindrici con anelli di bordo. Il posizionatore 11 adotta una struttura a manicotto e svolge contemporaneamente la funzione di pressatura e posizionamento dei bordi. La forza di pressatura è fornita dalla forza del cilindro trasmessa dal perno di espulsione 13. 

Per evitare pieghe durante l'imbutitura profonda del materiale, è possibile regolare la posizione del perno di espulsione 3 per regolare la pressione. L'entità della forza applicata sul bordo può mantenere bilanciata la forza del supporto del bordo, evitando al contempo che il materiale di scarsa qualità venga bloccato troppo stretto.

Il processo di funzionamento dello stampo è il seguente: la slitta del punzone si muove verso l'alto, lo stampo si apre e il perno di espulsione 13 solleva il posizionatore 11 verso il punzone 1 attraverso la piastra di fissaggio del posizionatore 12 sotto l'azione del cilindro della pressa.

Le superfici terminali sono a filo. A questo punto, il pezzo trafilato viene inserito nell'anello esterno del posizionatore 11. La slitta della pressa inizia a muoversi verso il basso. Il perno di espulsione di fine corsa 3 inizia a entrare in contatto con la superficie terminale superiore della piastra di fissaggio del posizionatore 12. Contemporaneamente, anche la matrice 2 inizia a entrare in contatto con la superficie terminale superiore del posizionatore 11 e, mentre la pressa

Man mano che il cursore si muove gradualmente verso il basso, il perno di espulsione 3 preme gradualmente sulla piastra di fissaggio del posizionatore 12, e la matrice 2 e il posizionatore 11 lavorano insieme per trascinare gradualmente il semilavorato in un prodotto finito. Al termine del trascinamento, il perno di espulsione 13 spinge il posizionatore 11 a filo con la superficie terminale superiore del punzone 1 sotto l'azione del cilindro della pressa. Contemporaneamente, il martello 7 espelle i pezzi trascinati dalla cavità dello stampo femmina 2.

Per i pezzi imbutiti con diametro d ≤ 100 e i pezzi imbutiti con flange o forme complesse, al fine di facilitare la formatura mediante imbutitura, è necessario prestare attenzione al corretto rapporto tra forma e dimensioni delle matrici di punzonatura nei processi precedenti e successivi, in modo che le forme e le dimensioni dei punzoni realizzati nei processi precedenti siano corrette. La forma del pezzo intermedio favorisce la formatura nei processi successivi. La relazione tra le dimensioni di ciascun processo di imbutitura e il suo raggio di raccordo è mostrata nella Figura a, dove t è lo spessore del materiale.

Per i pezzi cilindrici di grandi e medie dimensioni sottoposti a imbutitura profonda con un diametro di d>100, per le prime imbutiture e per l'imbutitura profonda prima della formatura finale, gli angoli del cilindro spesso utilizzano una struttura di collegamento con angolo di smusso a 45° per evitare un eccesso di materiale sugli angoli arrotondati. È più sottile e favorisce l'imbutitura profonda. Questa struttura non solo facilita il posizionamento del capello nel processo successivo, ma riduce anche la piegatura e il posizionamento ripetuti del capello, migliora le condizioni di deformazione del materiale durante l'imbutitura profonda e riduce l'assottigliamento del materiale. 

È utile migliorare la qualità delle pareti laterali dei pezzi stampati. Tuttavia, è importante notare che il diametro inferiore deve essere uguale al diametro esterno del punzone durante il successivo processo di imbutitura. La relazione tra il raggio di raccordo del punzone e della matrice concava e il raggio di raccordo dell'anello di bordo nei processi anteriore e posteriore è mostrata nella Figura b.

3. Stampo di trafilatura per pressa a doppia azione

Utilizzando una pressa a doppio effetto per l'imbutitura profonda, il cursore esterno preme il bordo e quello interno imbutisce in profondità. I particolari imbutiti mostrati nella Figura a vengono tagliati e imbutiti direttamente da strisce e lavorati da una pressa a doppio effetto.

La Figura b è uno schema della struttura dello stampo per i pezzi sopra indicati. Dopo che la striscia è stata posizionata dal perno di posizionamento 2, il premilamiera 7 e la base inferiore dello stampo 1 lavorano insieme per eseguire la tranciatura. La parte convessa di imbutitura 4 e la parte concava di imbutitura 3 vengono espulse. I blocchi 6 lavorano insieme per imbutire e modellare il materiale difettoso dopo la tranciatura. Infine, il perno di espulsione 5 aziona il blocco di espulsione 6 per spingere i pezzi imbutiti fuori dalla cavità della parte concava di imbutitura 3.