Lo stampaggio: lavorazioni meccaniche

Lo stampaggio consiste, come si può vedere nella figura, nel forzare un massello di lega metallica a riempire stabilmente una cavità ricavata in due stampi: questi vengono poi premuti uno contro l’altro per mezzo di presse o magli. La cavità replica la forma e le dimensioni del pezzo che si vuole ottenere.

Questa operazione viene di solito eseguita a caldo, per limitare le forze necessarie alla deformazione plastica e per sfruttare la più opportuna deformabilità del materiale. La temperatura varia da materiale a materiale. La lavorazione per stampaggio è tipica per produzioni di grande serie, poichè i costi delle macchine e attrezzature utilizzate sono elevati.

Il massello di metallo, in genere uno spezzone di prodotto laminato oppure uno sbozzato (proveniente altri processi di deformazione plastica), subisce uno schiacciamento e una espansione, e va a riempire le varie parti dello stampo. Quando lo stampo è riempito, il materiale in eccesso fuoriesce in un serbatoio periferico, detto canale di bava, che, in una fase successiva del ciclo produttivo, viene asportato.

Uno dei vantaggi fondamentali del procedimento di stampaggio è l’elevata resistenza meccanica dei pezzi così ottenuti, dovuta alla struttura cristallina. Infatti, mentre la struttura di un pezzo ottenuto per fusione è caratterizzata da grani orientati casualmente , quella di un pezzo stampato mantiene la struttura fibrosa del prodotto laminato da cui è ottenuto e tali fibre tendono a ricopiare la forma del pezzo stesso. Le fibre non sono altro che una schematizzazione dei cristalli, allungati nella direzione di laminazione.

Un ulteriore vantaggio è che l’azione di compressione isotropa prodotta sul materiale dalle pareti dello stampo, induce una maggior compattezza e l’eliminazione di gran parte dei difetti interni ( spesso, al contrario, presenti nei pezzi fusi). L’andamento delle fibre nello stampato si discosta tanto più dalla direzione originale quanto maggiore è stata la deformazione plastica locale. E’ importante infatti tener presente che l’entità della deformazione non è mai costante nelle varie zone del pezzo stampato. In particolare, i fenomeni di attrito del materiale con le pareti degli stampi provocano delle vere e proprie zone morte (vedi figura).

Queste alterazioni della uniformità di deformazione influenza negativamente le caratteristiche di resistenza meccanica del pezzo. Per questo motivo, si cerca di evitarle il più possibile, studiando opportunamente la forma degli sbozzati intermedi oppure cercando di localizzare la zona morta in un punto che subirà lavorazioni con macchina utensile.

Da quanto detto, si intuisce che il problema essenziale nello studio dello stampaggio è far sì che gli stampi si riempiano completamente. I fattori che più influenzano il riempimento sono:

• La deformabilità e la resistenza allo scorrimento del materiale. Una scarsa deformabilità può causare rotture durante la fase di riempimento, mentre una elevata resistenza allo scorrimento può favorire le zone morte all’interno dello stampo;
• Uso di lubrificanti. Questi vengono usati per ridurre l’attrito con le pareti dello stampo e per assicurare uno scorrimento costante negli stampi, nonché per ridurre l’usura degli stampi stessi. I lubrificanti più usati sono la grafite colloidale in sospensione acquosa o oleosa, l’olio minerale, la polvere di grafite in olio;
• La temperatura degli stampi. Il preriscaldamento degli stampi migliora il riempimento e diminuisce la forza necessaria all’operazione di stampaggio. Questo è dovuto al fatto che lo strato superficiale del materiale da deformare non subisce un brusco raffreddamento nel contatto con lo stampo;
• La forma del pezzo. I pezzi più difficili da stampare sono quelli caratterizzati da sezioni sottili e lunghe, poichè il loro basso modulo di raffreddamento (volume/superficie) fa diminuire sensibilmente la deformabilità del materiale e le sue capacità di scorrimento.

La forza di stampaggio

Il calcolo della forza necessaria all’operazione di stampaggio è effettuabile in modo relativamente semplice nel caso semplice di compressione tra piani paralleli: Nel caso tuttavia di stampi chiusi, come avviene nella pratica produttiva, il problema viene risolto con l’ausilio del computer con il metodo degli elementi finiti.

Un metodo semplificato per il calcolo approssimato della forza di stampaggio nel caso di pezzi assial- simmetrici è il seguente:

1. Si considera tutto il pezzo stampato come se avesse una forma cilindrica di pari volume V;
2. Si calcola l’altezza media h_m dal volume e dall’area della sezione sul piano di bava, compresa la sezione del canale di bava, A_t:
   
3. La deformazione media è quindi e la velocità media di deformazione è dove v è la velocità della pressa o del maglio;
4. Si calcola il flow stress medio con la formula: dove C e m dipendono dal materiale e dalla temperatura e si trovano tabellati.

La forza totale di stampaggio è calcolabile come
dove K è un coefficiente che tiene conto, con notevole approssimazione, della forma del pezzo. Ad esso si danno i valori 3-5 per forme semplici senza canale di bava, 5-8 per forme semplici con canale di bava e 8-12 per forme complesse. L’andamento della forza di stampaggio in funzione della corsa dello stampo superiore è quello rappresentato nella figura.