Capitolo 8: Struttura del prodotto e fasi di formatura
Con lo stesso grado di materiale e le stesse specifiche, la produzione di bulloni ordinari procede senza difficoltà; tuttavia, quando si passa a prodotti con testa grande, flangia sottile, fori profondi o multi-piani, compaiono problemi come riempimento insufficiente, pieghe, eccentricità e persino cricche.
In questi casi, la prima reazione di molti è: «Forse questo lotto di materiale non va bene?»
In realtà, il materiale non è cambiato; ciò che cambia sono le esigenze del prodotto riguardo al modo in cui esso deve «muoversi».
La trafilatura a freddo non consiste semplicemente nell’accorciare l’asta d’acciaio, ma nel ridistribuire il materiale disponibile secondo la struttura del prodotto.
In questo capitolo non approfondiremo i materiali, i rivestimenti superficiali né le attrezzature, ma ci concentreremo su come la struttura del prodotto e le fasi di formatura influenzano il flusso del materiale.
Schematizzazione del percorso di formatura multistazione: ogni stazione esegue solo una parte del trasferimento del materiale.
I. Dove va il materiale durante la trafilatura a freddo?
Durante il processo di trafilatura a freddo, il materiale non aumenta né scompare dal nulla; esso si sposta semplicemente da una posizione a un’altra.
Il materiale in eccesso nella zona della testa proviene dalla porzione originaria lungo l’asse dell’asta; se il diametro della flangia aumenta, significa che il materiale deve fluire dal centro verso l’esterno; quando il prodotto richiede un foro interno, inoltre, il materiale deve aggirare il punzone e redistribuirsi attorno alla cavità.
Si può considerare la trafilatura a freddo come la definizione di un percorso per il materiale:
Quale parte scorre in avanti;
quale parte si dirige verso l’esterno;
in quale punto avviene per primo la deformazione;
in quale punto avviene poi la formatura finale;
se tutto viene completato in una sola fase oppure suddiviso tra più stazioni.
Più diretto è il percorso e più graduale è il cambiamento, più facilmente il materiale si forma in modo uniforme; quanto più lungo è il tragitto e più bruschi sono i cambiamenti di direzione, tanto maggiore è il rischio di anomalie localizzate.
II. Quali strutture dei prodotti mettono maggiormente alla prova il flusso del materiale?
1. Testa grande, asta sottile
Maggiore è il volume della testa, più materiale deve essere spostato dall’asta verso la testa.
Se si convoglia istantaneamente una grande quantità di materiale verso la testa, la zona centrale potrebbe già risultare sovraffollata, mentre la zona periferica non si sarebbe ancora distribuita uniformemente, con conseguente rischio di riempimento insufficiente, pieghe localizzate o rotture ai bordi.
2. Flangia di grande diametro, ma molto sottile
Una flangia sottile sembra richiedere poco materiale, ma in realtà è piuttosto difficile da formare.
Il materiale deve fluire verso l’esterno per una distanza relativamente lunga, mantenendo al contempo uno spessore uniforme. Il flusso nella zona centrale e quello nella zona periferica non avvengono simultaneamente, e la periferia tende a diventare più facilmente la parte debole.
Pertanto, nei prodotti con grandi flange non bisogna limitarsi a considerare il diametro finale, ma occorre valutare anche il modo in cui il materiale viene progressivamente portato verso la periferia nelle fasi precedenti.
3. Graduali variazioni di piano con transizioni troppo brusche
Quando un prodotto passa improvvisamente da un diametro largo a uno stretto, oppure mancano transizioni graduali tra parti adiacenti, il materiale si comporta come se dovesse affrontare una curva a gomito improvvisa.
Parte del materiale viene bloccata, mentre altra continua a muoversi in avanti; così, nelle zone di confine possono verificarsi accumuli, pieghe o deformazioni irregolari.
4. Fori profondi, fori lunghi e sottili o strutture a parete sottile
Quando si realizza un foro interno, il materiale non scompare, bensì viene spinto dai punzoni verso l’esterno, intorno alla cavità.
Quanto più profondo è il foro e quanto più sottile è la parete, tanto più elevate sono le esigenze di distribuzione del materiale. Se la fase precedente non prepara adeguatamente il materiale, tentare poi una formatura forzata può facilmente causare spessori irregolari, deviazioni della posizione del foro o danni localizzati.
III. Perché non si può fare tutto in un solo passaggio?
I prodotti semplici possono essere formati in una sola operazione perché il materiale deve spostarsi di una distanza relativamente breve e la direzione di flusso è piuttosto uniforme.
Se si tenta di realizzare anche i prodotti complessi “in un’unica fase”, è come cercare di far passare molti veicoli contemporaneamente attraverso un incrocio molto stretto: le destinazioni sono chiare, ma non c’è abbastanza spazio per gestire correttamente i diversi flussi.
Il valore della trafilatura a freddo multistazione consiste proprio nel suddividere cambiamenti troppo grandi in più fasi:
le stazioni precedenti preparano la forma adeguata del grezzo;
le stazioni intermedie guidano il materiale verso le posizioni desiderate;
le stazioni successive completano dimensioni, profili e dettagli locali.
Ad esempio, per un bullone con grande flangia si può prima formare una testa preformata, più spessa e di dimensioni ridotte, poi allargarla gradualmente verso l’esterno e infine definire le dimensioni finali della flangia.
In questo modo non si aumentano semplicemente le stazioni, ma si assegna a ciascuna stazione un compito principale ben definito.
Cantiere di una macchina per trafilatura a freddo multistazione: il prodotto viene formato progressivamente nelle diverse stazioni.
IV. Più stazioni ci sono, meglio è?
Anche questo non è vero.
Se la sequenza delle fasi non è progettata in modo razionale, il materiale potrebbe fluire verso l’esterno nella fase precedente e poi essere costretto a rientrare nella fase successiva; le zone appena formate verrebbero nuovamente modificate in modo significativo, concentrando ulteriormente le deformazioni.
Per valutare se la sequenza delle fasi sia adeguata, occorre considerare tre aspetti:
Dove fluisce principalmente il materiale in ogni singola fase?
Le direzioni di flusso tra due fasi consecutive sono coerenti?
C’è qualche fase che improvvisamente deve assorbire la maggior parte dei cambiamenti geometrici?
Un percorso di formatura efficace consente al materiale di avvicinarsi gradualmente alla forma finale, senza dover invertire ripetutamente la direzione.
V. Perché lo stesso materiale presenta prestazioni diverse a seconda del prodotto?
Il materiale offre una certa capacità di deformazione, mentre la struttura del prodotto determina come sfruttare tale capacità.
I bulloni comuni richiedono deformazioni relativamente moderate, lasciando ampi margini di sicurezza; quando si passa a teste grandi, flange sottili, fori profondi o gradini complessi, lo stesso materiale potrebbe già avvicinarsi ai limiti di formatura consentiti dal processo attuale.
Pertanto:
La produzione regolare di prodotti semplici non garantisce necessariamente la normalità dei prodotti complessi;
l’insorgere di anomalie nei prodotti complessi non implica automaticamente la non conformità del materiale;
il materiale, la struttura del prodotto e il percorso di formatura devono essere valutati insieme.
6. Come si dovrebbe effettuare la diagnosi in linea?
Non limitatevi a osservare solo il pezzo finito criccato all’ultimo stampo.
Un metodo più efficace consiste nel disporre uno dopo l’altro i campioni di ciascun passaggio e confrontarli con attenzione:
L’anomalia compare per la prima volta a quale passaggio?
A quale fase si verifica la variazione maggiore del diametro o dell’altezza?
Il materiale si accumula improvvisamente in una determinata posizione?
La flangia, la testa o la parete del foro si formano gradualmente?
Dopo aver modificato la forma della preformazione, la posizione dell’anomalia cambia?
Se già ai primi passaggi si riscontrano irregolarità nella distribuzione del materiale, spesso l’ultimo stampo non fa altro che amplificare e rendere evidente il problema.
In questi casi, sostituire semplicemente il materiale o ripetere le regolazioni sull’ultimo stampo difficilmente risolve realmente la situazione; è piuttosto necessario verificare se la distribuzione del materiale nei passaggi precedenti sia adeguata.
Punto di vista dell’ingegnere
Il disegno del prodotto ci indica come deve essere realizzato alla fine, mentre i campioni dei singoli passaggi ci mostrano come il materiale vi arriva.
Le caratteristiche del materiale costituiscono la base; la struttura del prodotto ne determina la destinazione, mentre i passaggi di formatura stabiliscono quale percorso il materiale dovrà seguire per raggiungerla.
Nel capitolo 8 ricordate soltanto una frase:
La lavorabilità al taglio del materiale non dipende solo dalle sue proprietà intrinseche, ma anche da dove il prodotto lo fa fluire e da quante fasi prevede per tale flusso.
Quando valuta la idoneità di un materiale per la trancia a freddo, il Gruppo Creation Group non si limita a esaminare la qualità, la dimensione e i dati di prova, ma integra tali informazioni con il disegno del prodotto, il diametro del materiale grezzo, il numero di passaggi e i campioni relativi a ciascun step.
Se anche voi vi trovate nella situazione in cui “lo stesso materiale funziona bene per prodotti standard, ma presenta problemi quando applicato a una diversa configurazione”, potete inviarmi il disegno del prodotto, le specifiche del materiale, i campioni dei passaggi e la posizione delle anomalie. Potrò così aiutarvi a stabilire se il problema derivi da una capacità insufficiente del materiale oppure dalla concentrazione della deformazione in passaggi non ottimali.
Anteprima della prossima puntata
Capitolo 9: «Con lo stesso materiale e gli stessi stampi, perché il comportamento cambia quando si utilizza un’altra macchina?»
Nel prossimo capitolo ci concentreremo su rigidità della macchina, coassialità, alimentazione della lubrificazione e bilancio termico durante la produzione continua, e su come queste variabili influiscano sulle condizioni operative effettive.