Lezione per ingegneri · Capitolo 9｜Applicabilità dei materiali e condizioni reali di lavorazione
Nel capitolo precedente abbiamo discusso l’influenza della struttura del prodotto e delle fasi di formatura sul comportamento dei materiali durante l’uso. In questo capitolo approfondiamo un problema comune riscontrato in produzione: il prodotto non è cambiato, né sono cambiate la qualità o le specifiche del materiale; allora perché, se su una macchina la produzione procede senza problemi, passando a un’altra la prestazione dello stampaggio a freddo risulta diversa?
Di fronte a tali differenze, occorre innanzitutto verificare che lo stato del materiale sia comparabile, quindi controllare attentamente le condizioni effettive di lavorazione. I criteri di valutazione devono basarsi sui registri di lotto, sui campioni fisici e sui dati di produzione, anziché limitarsi a considerazioni come «le altre macchine riescono» o «prima andava sempre bene».
In qualità di fornitori di materiali, dobbiamo integrare lo stato del materiale con la struttura del prodotto e con il processo di formatura del cliente: non solo accertarci che la qualità della fornitura soddisfi i requisiti, ma anche verificarne l’adattabilità e la stabilità nella produzione reale.
La conformità del materiale è fondamentale; per ottenere una formatura stabile, è necessario che lo stato del materiale sia adeguato alle esigenze di lavorazione effettive.
*[Figura 1: Filo d’acciaio fornito e pezzo stampato a freddo nello stesso fotogramma] Didascalia: Dalla barra metallica fornita al pezzo stampato a freddo, l’applicabilità del materiale va valutata tenendo conto del prodotto specifico e dei requisiti di formatura.*
I. Innanzitutto verificare la comparabilità dello stato del materiale
Avere due rotoli di filo d’acciaio con uguale grado e diametro non implica affatto che, al momento dell’introduzione nella macchina di stampaggio a freddo, essi si trovino in condizioni identiche. Percorsi diversi di ricottura, trafilatura e trattamento superficiale possono determinare variazioni nella microstruttura, nella resistenza, nella duttilità e nelle caratteristiche superficiali. Prima di confrontare le prestazioni di produzione, occorre innanzitutto chiarire accuratamente le informazioni relative ai materiali:
- Lotto e numero di bobina: Il materiale proviene dallo stesso lotto e dalla stessa bobina? La posizione di prelievo del campione è chiaramente indicata?
- Stato alla consegna: Ricottura, trafilatura e trattamenti superficiali seguono percorsi coerenti?
- Documentazione delle prove: I risultati delle analisi corrispondono al materiale effettivamente utilizzato dal cliente, oppure si riferiscono soltanto allo stesso grado?
- Condizioni successive: Durante la movimentazione, lo stoccaggio o prima dell’installazione sulla macchina, sono stati effettuati ulteriori processi di lavorazione o si sono verificate modifiche dello stato superficiale?
Per il confronto, è preferibile scegliere materiali appartenenti allo stesso lotto e alla stessa bobina, con posizioni di prelievo ben definite. Anche quando si è accertato che provengano dalla stessa bobina, non bisogna fermarsi a mere supposizioni del tipo «il materiale potrebbe essere diverso», ma occorre approfondire il controllo delle condizioni reali di formatura e delle modalità con cui si manifestano le anomalie. Verificare lo stato del materiale serve a stabilire un valido riferimento, non a attribuire preventivamente responsabilità.
II. Con attrezzature diverse, occorre considerare soprattutto le condizioni reali di formatura
Per il materiale, ciò che conta sono i requisiti specifici di deformazione, e non la marca o il modello dell’attrezzatura. Lo stesso prodotto, se fabbricato su macchinari diversi, può presentare differenze nella lunghezza del truciolo e nello stato della superficie d’estremità, nella quota di deformazione assegnata a ciascuna fase di lavorazione, nel ritmo produttivo, nell’alimentazione del lubrificante e nelle condizioni termiche dopo una produzione continua.
Tali differenze possono modificare le condizioni locali di deformazione e di contatto cui il materiale è sottoposto durante il processo di formatura. Pertanto, il fatto che un determinato insieme di condizioni consenta una produzione regolare rappresenta un’informazione applicativa importante, ma non può sostituire direttamente la verifica dell’idoneità in un altro insieme di condizioni.
Per i fornitori di materiali, comprendere queste condizioni consente di definire con precisione i requisiti effettivi dei clienti, rendendo più mirati la scelta del materiale, lo stato di fornitura e i metodi di verifica. Al tempo stesso, la conformità del materiale ai requisiti di qualità deve essere valutata sulla base delle normative corrispondenti, degli accordi tecnici e dei risultati delle ispezioni; le due dimensioni non sono intercambiabili.
III. Con prestazioni produttive diverse, individuare innanzitutto i pattern delle anomalie
Le prestazioni produttive ottenute su attrezzature differenti costituiscono informazioni preziose per l’analisi comparativa. Più utile che giudicare immediatamente se si tratti di un “problema del materiale” o di un “problema di lavorazione”, è anzitutto registrare l’entità, il momento e la posizione in cui compaiono le anomalie:
- Sono concentrate su un singolo rotolo o su un determinato tratto, oppure si manifestano su più rotoli?
- Si presentano fin dall’inizio della produzione, oppure emergono solo dopo un periodo continuo di lavorazione?
- Sono localizzate nelle stesse zone, con morfologia e orientamento simili?
- A partire da quale stazione di lavoro è possibile osservarle?
Queste informazioni aiutano a definire i punti di prelievo dei campioni e l’orientamento delle successive verifiche. Ad esempio, l’immagine seguente mostra l’aspetto delle cricche sul bordo della flangia del pezzo. Durante l’ispezione, occorre registrare ulteriormente la posizione, il numero e la distribuzione delle fessurazioni, conservando i campioni relativi alle stazioni interessate, al fine di stabilire in quale fase si sia già manifestata l’anomalia.
*[Immagine 2: Primo piano della frattura sul bordo della flangia] Didascalia: Esempio di aspetto delle fratture su un pezzo stampato a freddo, utilizzato per illustrare la posizione e la morfologia dell’anomalia.*
Più dettagliata è la descrizione dell’anomalia, più mirata sarà la successiva attività di verifica. Le fotografie dell’aspetto servono a documentare il fenomeno; tuttavia, la causa va confermata attraverso l’analisi del materiale e la ricostruzione del processo.
IV. Verifica dei materiali: assicurarsi che registri, pezzi fisici e prove siano tra loro coerenti
L’obiettivo principale della verifica dei materiali non è semplicemente elencare quante prove sono state eseguite, ma garantire che ogni controllo risponda a domande precise e sia tracciabile fino ai materiali e ai campioni corrispondenti.
Confrontare le registrazioni per verificare la provenienza dei materiali e lo stato di fornitura. Accertare il lotto di materia prima, la linea di produzione, il numero di bobina e i relativi risultati delle ispezioni, confermando il legame tra i materiali utilizzati dal cliente e le relative documentazioni di prova. Quando si confrontano lotti diversi, occorre controllare simultaneamente le specifiche, lo stato di fornitura e le condizioni di prelievo del campione.
Ispezionare i pezzi fisici, conservando i campioni chiave prodotti durante le fasi di lavorazione. Numerare separatamente fili, pezzi tagliati, campioni provenienti da ciascuna fase di lavorazione e componenti anomali, conservandoli per ulteriori analisi. Conservare soltanto il pezzo finalmente criccato spesso rende difficile stabilire se l’anomalia fosse già presente nelle fasi precedenti della lavorazione.
Eseguire prove mirate, selezionando gli indici in base al problema specifico. Per anomalie superficiali prestare attenzione alla morfologia e alla distribuzione; nei casi di frattura, esaminare, a seconda delle necessità, la sezione trasversale, la microstruttura o la superficie di rottura; quando si valuta la formabilità del materiale, integrare l’analisi con opportuni indicatori quali resistenza, duttilità e durezza.
Prova di trazione: verificare i parametri di resistenza e duttilità del materiale. In base al piano di prova, prestare attenzione a parametri come la resistenza a trazione, l’allungamento o la riduzione della sezione trasversale. Nel confronto tra diversi campioni, accertarsi che metodo di prova, condizioni di prelievo e stato del materiale siano comparabili.
*[Figura 3: Sito di prova di trazione] Didascalia: Foto realizzata direttamente sul campo durante una prova di trazione sui materiali, che illustra il metodo di misurazione delle proprietà meccaniche.*
Prova di durezza: verificare lo stato del materiale tenendo conto della posizione dei punti di misura. Selezionare il metodo appropriato in base al campione e al problema, registrando accuratamente la posizione del prelievo, i punti di misura e le condizioni operative. L’immagine seguente mostra un impronta di microdurezza Vickers insieme all’interfaccia di misura, utile a illustrare il processo di verifica della durezza locale.
*[Figura 4: Prova di microdurezza Vickers] Didascalia: Fotografia scattata durante una prova di microdurezza Vickers, con l’impronta originale e le annotazioni di misura visibili. Le figure 3 e 4 hanno solo valore illustrativo dei metodi di prova e non rappresentano i risultati ottenuti dai campioni incrinati menzionati nel testo.*
Nella pratica gestione delle anomalie, i risultati delle prove vanno analizzati congiuntamente ai fili corrispondenti, ai campioni provenienti dalle varie fasi di lavorazione e alle condizioni operative. Il valore delle prove consiste nell’aiutare a chiarire problemi specifici, piuttosto che sostituire un’analisi completa delle cause con un singolo dato numerico.
V. Confronti efficaci, più utili delle continue sostituzioni dei materiali
Se materiali, velocità e condizioni di lubrificazione vengono modificati contemporaneamente, anche in caso di miglioramento delle prestazioni produttive risulta difficile stabilire quale fattore abbia avuto il ruolo principale. Affinché i risultati del confronto siano verificabili, il fornitore di materiali e l’azienda trasformatrice devono concordare insieme gli oggetti del confronto, i contenuti da registrare e i metodi di valutazione:
| Elementi del confronto | Contenuti da registrare |
|---|---|
| Materiali e campionatura | Lotto, numero di bobina, stato di fornitura e numero del campione |
| Prodotto e processo | Disegno del prodotto, campioni di taglio e campioni provenienti da ciascuna stazione di lavoro, condizioni effettive di produzione |
| Fattori principali di variazione | Registrazioni prima e dopo le regolazioni; evitare, per quanto possibile, modifiche simultanee di più parametri |
| Prestazioni della produzione continua | Quantità prodotta, numero di anomalie, orario di occorrenza e posizione dell’anomalia |
Nei limiti delle condizioni tecniche disponibili e nel rispetto dei processi definiti e delle norme di sicurezza, è possibile confrontare materiali già impiegati con buona stabilità con i materiali da verificare, eseguendo la produzione in due diverse configurazioni operative, per osservare se le differenze sono riproducibili e se sono correlate al lotto di materiale, alle condizioni di lavorazione o alla combinazione di entrambi.
Per valutare l’efficacia dei miglioramenti, occorre considerare simultaneamente le prestazioni della produzione continua, il numero di anomalie riscontrate e la ripetibilità dei risultati, anziché limitarsi a verificare se un piccolo numero di campioni sia stato formato correttamente.
VI. Il materiale non deve essere necessariamente il più morbido possibile, ma adatto al singolo prodotto
Ridurre la forza necessaria per la deformazione del materiale può favorire la formatura di alcuni prodotti, tuttavia ciò non giustifica l’adozione della regola generale “più morbido è meglio”. La scelta del materiale deve inoltre tenere conto dello stato microstrutturale, della qualità superficiale, del controllo dimensionale e delle esigenze prestazionali post-formatura.
Al momento di definire la soluzione di fornitura, occorre rispondere, in relazione al prodotto specifico, a diversi interrogativi: dove si concentrano le principali deformazioni? Quale stato del materiale è richiesto? La finitura superficiale è compatibile con il processo produttivo effettivo? Le successive esigenze prestazionali consentono eventuali modifiche dello stato di fornitura? È possibile mantenere uniformità tra lotti successivi per quanto riguarda lo stato del materiale?
Per i prodotti che ottengono le loro prestazioni finali grazie a uno stato del materiale ben definito, è ancor più importante non allontanarsi dalle specifiche del prodotto e non modificare il processo semplicemente per ridurre la durezza. Nel valutare la soluzione materiale, occorre considerare non solo i risultati delle singole prove di laboratorio, ma anche la qualità della fornitura, le prestazioni di formatura e le caratteristiche post-processo, assicurandosi che tutte le esigenze siano soddisfatte contemporaneamente.
Punto di vista dell'ingegnere
Lo stesso materiale può comportarsi in modo diverso su attrezzature diverse; ciò dovrebbe costituire il punto di partenza per ulteriori verifiche, e non il punto d’arrivo delle reciproche attribuzioni di responsabilità tra il fornitore del materiale e l’azienda di lavorazione. Il fornitore deve fornire registri del materiale e risultati di prove completamente tracciabili, mentre l’azienda di lavorazione deve mettere a disposizione le condizioni operative reali e campioni relativi a ciascuna fase. Attraverso verifiche corrispondenti e validazioni comparative, si possono gradualmente individuare i fattori influenti e quindi definire piani di miglioramento ben fondati.
Per il Gruppo Creation Group, il valore dei servizi sui materiali non consiste soltanto nella consegna di fili d’acciaio conformi ai requisiti, ma anche nel collegare lo stato di fornitura, le ispezioni sui campioni e i feedback d’uso, al fine di verificare continuamente l’idoneità del materiale rispetto ai prodotti specifici dei clienti.
Per valutare un materiale, occorre considerarne i requisiti di formatura che esso deve soddisfare; per analizzare le anomalie, è necessario tornare agli oggetti fisici, alle registrazioni e ai risultati delle verifiche corrispondenti.
In caso di prestazioni di imbutitura a freddo non uniformi su diverse attrezzature, è possibile fornire al Gruppo Creation Group la designazione del materiale, le specifiche, il lotto, il disegno del prodotto, insieme alle fotografie del filo d’acciaio e dei pezzi anomali, al fine di definire congiuntamente le linee guida per le verifiche. Prima si stabilisce un confronto efficace, poi si discutono le misure di miglioramento, affinché ogni ispezione e ogni prova abbiano uno scopo chiaro.
Riferimenti tecnici: [① Nippon Steel: Studio sulla microstruttura e sulle proprietà dei fili d’acciaio da imbutitura a freddo a medio tenore di carbonio](https://www.nipponsteel.com/en/tech/report/nssmc6/pdf/116-13.pdf); [② Studio sulla valutazione delle prestazioni lubrificanti dei rivestimenti per la stampaggio a freddo](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004316480500167).