Realizzazione di una struttura pilota per lo studio sperimentale delle tecniche di formatura con fluidi in pressione

Introduzione 
 2
Soprattutto l’idroformatura tubolare con la sua capacità di realizzare 
geometrie complesse mediante fluidi in pressione, si è dimostrata in grado di 
offrire interessanti potenzialità sia dal punto di vista tecnico che da quello 
economico. In generale il processo di idroformatura è una tecnica di 
deformazione a freddo e si basa sull’espansione di un semiprodotto tubolare 
che, mediante un fluido (olio o acqua) in pressione, viene spinto a ricopiare la 
geometria di uno stampo.  
I più importanti aspetti tecnici ed economici dell’idroformatura sono: la 
costruzione del componente in un pezzo singolo, che elimina le operazioni di 
saldatura; il processo di calibrazione, che assicura un elevato grado di 
accuratezza dei contorni e, in generale, delle dimensioni del componente 
idroformato anche sui lotti di grandi numeri; un elevato incrudimento del 
materiale, che comporta un più elevato grado di rigidità torsionale nel 
componente idroformato; le caratteristiche di recupero elastico dei 
componenti idroformati, che, grazie all’uniformità delle deformazioni e 
quindi delle tensioni, in genere sono meno pronunciate rispetto al caso di parti 
ottenute tramite saldatura; l’abbattimento dei costi per produzioni in serie, 
derivato dall’eliminazione di passi intermedi di stampaggio e di tutte le 
operazioni di assemblaggio delle parti dei componenti. Per questo, spesso è 
possibile addirittura ridurre lo spessore della parete del componente rispetto a 
quanto si deve avere con componenti ottenuti per fusione o stampaggio.  
Introduzione 
 3
L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di realizzare un’attrezzatura 
per lo stampaggio di lamiere sottili, idonea a più processi di formatura, da 
quello d’imbutitura convenzionale a quelli speciali di Hydromechanical Deep 
Drawing (HDD o idroformatura meccanica) e di idroformatura 
(Hydroforming); tra i requisiti di tale attrezzatura anche quello di richiedere 
un impegno economico e una complessità realizzativa accettabile. 
Per verificare la fattibilità dei processi, le possibilità e le potenzialità 
dell’attrezzature progettate e realizzate, sono stati indagati alcuni parametri 
geometrici e di processo, in modo da testare le attrezzature in diverse 
condizioni di funzionamento; anche la scelta di sperimentare due materiali 
diversi e di diverso spessore, quali l’acciaio inox AISI 304 e l’acciaio 
commerciale FeP04, va vista in quest’ottica generale del progetto. 
Il presente lavoro si compone essenzialmente di quattro capitoli, dove 
nel primo viene descritto il processo di profondo stampaggio con le relative 
problematiche, nel secondo si descrivono le tecniche speciali di formatura e in 
particolar modo l’idroformatura di tubi e lamiere. Nel terzo capitolo è 
affrontata la fase progettuale delle attrezzature e viene descritta la 
metodologia adottata per l’esecuzione delle prove sperimentali; mentre il 
quarto capitolo riassume i risultati dell’indagine sperimentale condotta sui due 
tipi di materiali con i diversi processi d’imbutitura.  
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 4
CAPITOLO I 
 
I.1 INTRODUZIONE 
Con il termine profondo stampaggio o �deep drawing�, con terminologia 
anglosassone, si intende quel processo di lavorazione meccanica a freddo in 
cui un pezzo di lamiera piana, secondo lo schema esemplificativo in figura 
I-1, viene conformato in uno o pi� passaggi in un corpo cavo. Il processo si 
differenzia dallo stretching,o stiramento per la presenza del premilamiera che, 
mediante il controllo della pressione, permette lo scorrimento della lamiera, 
tra premilamiera e matrice, evitando nello stesso tempo l�insorgere delle 
grinze e garantendo un prodotto con spessore teoricamente invariato. 
Il sistema degli utensili, �punzone� (punch), �matrice� (die) e 
�premilamiera� (blank holder), che attivano il processo � detto �stampo�, 
mentre la lamiera cui � stata conferita una geometria di contorno finalizzata 
allo stampo � detta �sviluppo� (blank). 
 
Figura 1-I: Utensili dello stampo 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 5
I.2 MECCANICA DEL PROCESSO: SOLLECITAZIONI E 
DEFORMAZIONI 
 
Il profondo stampaggio, detto pi� comunemente imbutitura, attiva nella 
lamiera una meccanica di deformazione molto pi� complessa di altri processi 
di formatura dei metalli quali la trafilatura, l�estrusione e la laminazione; 
questi infatti sono caratterizzati dalla presenza di �zone locali di formatura� in 
cui si pu� immaginare che il materiale entri, venga sottoposto ad uno stato di 
deformazione stazionario e successivamente ne esca. Lo stampaggio
1
 delle 
lamiere, invece, � caratterizzato dal fatto che differenti aree del pezzo in 
lavorazione possono subire differenti stati tensionali e deformativi.  
Di seguito si descrivono le sollecitazioni e le deformazioni indotte nella 
formatura di particolari assialsimmetrici che, grazie alla loro geometria, si 
prestano ad una facile comprensione della meccanica del processo. 
 
I.2.1 LE SOLLECITAZIONI 
Il generico elemento di lamiera nel corso del suo movimento � sottoposto 
a tensioni radiali di trazione σ
r
 e a tensioni circonferenziali di compressione 
σ
c
 (vedi figura 2-I); esso � inoltre sottoposto a piegatura e raddrizzo quando la 
                                                 
1
 Da qui in avanti si identificher� sempre lo stampaggio con l�imbutitura, a rigore, c�� una 
differenza: nel primo la lamiera � costretta ad assumere la forma finale mediante serraggio 
tra due stampi che riproducono questa in corrispondenza delle due facce; nell�imbutitura, 
come abbiamo visto, si fa uso di un punzone e di una matrice cava. 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 6
flangia dello sviluppo passa nella matrice a formare le pareti. La 
deformazione plastica del materiale avviene quando [2]: σ
c
 + σ
r
 > σ
f
  ove σ
f
 
� definita tensione di flusso del materiale e corrisponde allo snervamento per 
un determinato livello di incrudimento; allo stato non lavorato σ
f
 si identifica 
perci� con la tensione di snervamento. L�incremento tensionale dσ
r
, 
necessario a provocare lo scorrimento della lamiera della quantit� dr, sar�, per 
quanto detto, tanto maggiore sia quanto pi� elevata � la tensione di flusso σ
f
 , 
sia quanto maggiore � dr/r, vale a dire il percorso che l�elemento di lamiera 
deve compiere, rapportato alla distanza r dal centro dello sviluppo. 
Analizzando, con l�aiuto della figura 2-I, lo stato di sollecitazione 
esistente nei vari punti della forma che si sta imbutendo, possiamo distinguere 
le seguenti zone: 
 
Figura 2-I: Stato di sollecitazione 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 7
• ZONA A-B: in tale zona, detta flangia, il materiale, costretto a 
muoversi centripetamente, � sollecitato dalle seguenti sollecitazioni: 
-una sollecitazione radiale σ
r 
 di trazione il cui valore si attenua 
allontanandosi dal centro; sul bordo esterno σ
r
 = 0; 
-una sollecitazione circonferenziale σ
c
 di compressione, 
responsabile dell�eventuale formazione di grinze;  
-una sollecitazione p di compressione, dovuta al premilamiera. Si 
tenga presente che tale sollecitazione � la minima necessaria ad 
evitare la formazione di grinze e non provoca nessuna 
deformazione plastica. Questa sollecitazione contrasta e al 
limite annulla la componente σ
z
 normale alla superficie della 
lamiera che tende a spostarla dal suo piano di giacitura e che si 
instaura a causa della dinamica tensionale presente nella 
flangia; (figura 3-I ) 
 
Figura 3-I: Dinamica tensionale nella flangia (σ
t
 = σ
c
) 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 8
-una sollecitazione di attrito f·p, dove f indica il coefficiente di 
attrito, dovuta al movimento della lamiera rispetto alla matrice e 
al premilamiera;  
• ZONA B-C: la lamiera subisce una flessione plastica piana 
(piegatura) e scorre sul bordo raccordato della matrice che 
reagisce con una pressione e conseguente forza di attrito;  
• ZONA C-D: la lamiera � soggetta a trazione, ossia ad un modo di 
deformazione monoassiale, la parete dell�imbutito � chiamata a 
tirare il materiale all�interno della matrice e dovr� dunque 
sopportare una tensione σ
par.
 espressa da [2]:  
σ
par
 = σ
f
 +  ∆σ
1r
+ ∆σ
2r
    (1-I) 
dove:  
∆σ
1r
 = tensione radiale dovuta alla contrazione del diametro d
0
 
dello sviluppo e dall�attrito fra lamiera e stampo,  
∆σ
2r
 = tensione radiale dovuta al lavoro di piega e di raddrizzo che 
insorge in occasione dell�ingresso per lo sviluppo della 
matrice
2
;  
                                                 
2
 Le espressioni numeriche delle ∆σ
r
 sono [2]: 
(2-I)     
2
r1
e
π
⋅µ
=σ∆  nell�ipotesi di considerare solo l�attrito in 
corrispondenza di r
m
 con r
m
<<  d
i
 
(3-I)     
0m
.r.p
r2
sd
F
⋅⋅π
=σ∆  dove 
()
m
0m0f
p.r.
r2
sds
F
⋅
⋅⋅π⋅⋅σ
=  � la forza di piega e 
raddrizzo 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 9
• ZONA D-E: la lamiera � soggetta ad uno stato di sollecitazione 
analogo, ma opposto (fase di raddrizzo), a quello esistente nella 
zona B-C. Siamo in corrispondenza del raggio di raccordo del 
punzone, qui si concentrano gli assottigliamenti ed � massima la 
probabilit� di rottura per superati limiti di formabilit� del 
materiale;  
• ZONA E-E: la lamiera si trova sollecitata dalla forza esercitata dal 
punzone e da una sollecitazione di trazione radiale (esercitata dal 
mantello cilindrico) tanto maggiore quanto minore � l�attrito 
punzone-lamiera. Nella fase iniziale del processo, cio� prima 
dell�inizio dello stampaggio il materiale di tale zona � soggetto ad 
una deformazione di espansione per azione del punzone; in una 
fase pi� avanzata, l�evolversi di tale deformazione viene 
ostacolata a causa dell�attrito tra punzone e lamiera. La presenza 
dell�attrito tra il punzone e il fondo dello stampato riduce il livello 
delle tensioni radiali nello sviluppo e ritarda le rotture. 
Questo complesso stato di sollecitazione, contrariamente all�assunto 
teorico, provoca in pratica inspessimenti e assottigliamenti della lamiera, 
come indicato in figura 4-I, in cui � messo a confronto il caso ideale di 
spessore invariato (linea tratteggiata) e il caso reale, notevolmente accentuato 
(linea continua). In particolare si pu� notare: 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 10
a) La diminuzione di spessore sul fondello dell�imbutito a causa 
delle sollecitazioni di trazione. 
b) La notevole riduzione di spessore nel tratto D-E: � la zona in cui 
pu� verificarsi la rottura in prossimit� del raggio di raccordo del 
punzone r
p
, dove la lamiera viene stirata prima di vincere la forza 
frenante del sistema (pressione del premilamiera, forza di attrito) 
tanto pi� quanto r
p
 � piccolo; sovente tale zona � indicata come 
�area critica�.  
c) La diminuzione graduale della riduzione di spessore sino ad avere 
un aumento dello stesso in corrispondenza del materiale che 
proviene dalla flangia. Tale aumento � da imputare allo stato di 
sollecitazione circonferenziale σ
c
 di compressione presente nella 
zona A-B di figura 2-I.  
 
Figura 4-I: Variazione di spessore in un 
imbutito 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 11
Quanto ora detto vale in particolare per gli imbutiti a fondo piano se si 
considera l�effetto frenante dei raccordi del punzone e della matrice, che � 
tanto pi� grande quanto pi� piccoli sono i valori di r
m
 e r
p
. Precisamente il 
fondo piano del punzone, esercitando una forte pressione sulla corrispondente 
superficie di sviluppo, ne impedisce lo scorrimento anche in prossimit� dei 
raccordi; la flangia rimane invece frenata dal premilamiera e il suo 
scorrimento all�interno della matrice (provocato dalla trazione esercitata dalle 
pareti del pezzo in corso di imbutitura) � tanto pi� difficile quanto pi� severo 
� il lavoro di piega e di raddrizzo richiesto dall�entit� del valore r
m
 (figura 
5-I). 
 
Figura 5-I: Particolare della fase di piega e raddrizzo 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 12
I.2.2 LE DEFORMAZIONI 
Le tensioni cui � sottoposta la lamiera durante il processo di profondo 
stampaggio inducono nella stessa deformazioni orientate nel senso delle 
tensioni medesime, vale a dire radiale, circonferenziale e normale.  
Le deformazioni percentuali o ingegneristiche associate ad un certo stato 
tensionale, possono essere calcolate, facendo riferimento ad un elemento 
circolare inciso
3
 sulla lamiera prima della formatura, utilizzando le seguenti 
espressioni:  
ε
1
 =(d
1
-d
0
)/d
0
 � 100;   ε
2
 =(d
2
-d
0
)/d
0
 � 100;   ε
3
 =(s
1
-s
0
)/s
0
 � 100  (4-I) 
dove d
0
 e s
0
 sono diametro e spessore del cerchietto di riferimento prima della 
deformazione, mentre d
1
, d
2
, s
1
 sono le dimensioni caratteristiche dell�ellisse 
in cui si � deformato il cerchietto dopo formatura.  
In figura 6-I vediamo i possibili modi di formazione associati a tre stati 
tensionali che possono verificarsi nel profondo stampaggio, precisamente essi 
sono di:  
• tensocompressione: un diametro del cerchietto di riferimento si 
allunga mentre l�altro, pi� o meno normale al primo si accorcia, 
dando luogo alla deformazione per l�imbutitura (deep drawing);  
                                                 
3 I nostri provini sono stati incisi con la tecnica di reticolatura elettrochimica, detta 
elettroincisione, consistente in un leggero attacco elettrochimico della superficie della 
lamiera lungo le circonferenze dei cerchietti che compongono il reticolo dello schermo 
serigrafico.  
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 13
• tensione di trazione in assenza di compressione: un diametro del 
cerchietto si allunga mentre l�altro rimane invariato, generando la 
deformazione piana (plain stran); 
• tensione biassiale di trazione: il diametro del cerchietto si allunga 
in tutte le direzioni deformando il materiale con espansione 
biassiale (biaxal stretching). 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6-I: Modi di deformazione 
Capitolo I � Il processo di imbutitura 
 14
I.3 PARAMETRI OPERATIVI 
 
Alla complessit� deformativa appena descritta, si affianca la dipendenza 
del processo stesso da una serie di parametri operativi che andiamo ad 
analizzare brevemente senza entrare nei dettagli.  
 
I.3.1 PARAMETRI GEOMETRICI 
Nel concetto di geometria rientrano quella dello stampo, quella del pezzo 
stampato, il contorno e l�area dello sviluppo, l�assetto della pressa in termini 
di precisione e di mantenimento dei parallelismi.  
La forma geometrica dei pezzi da ottenere � un parametro di estrema 
importanza nel processo, infatti si distinguono diversi tipi di stampaggio in 
base alla geometria finale degli stampati. Come precisato nel precedente 
paragrafo, consideriamo la forma pi� semplice da analizzare da un punto di 
vista teorico, ossia quella cilindrica a pareti verticali. 
Per quanto riguarda la geometria dello sviluppo si determina 
empiricamente basandosi su concetti di uguaglianza di superfici fra lamiera 
piana e pezzo stampato. Con l�aiuto della figura 6-I vediamo che detto d
0
, il 
diametro dello sviluppo di partenza e d
i
 la parte di sviluppo corrispondente al 
fondo del �bicchiere� (che rimane praticamente indeformato), la corona 
circolare definita da d
0
 – d
i
 va a formare le pareti dello stampato.