Scelta dei parametri per ottimizzare la formatura incrementale

A cura di Stefano Grulli

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Questo studio cerca di approfondire l’influenza dei vari parametri sull’attrito e, di conseguenza, sulla qualità del componente finito, per ottimizzare il processo. In questo modo, l’industria manifatturiera può ampliare la propria offerta, così da soddisfare le richieste anche dei clienti più esigenti.

La lavorazione della lamiera tradizionale rappresenta un pilastro nell’industria manifatturiera, contribuendo alla creazione di una vasta gamma di prodotti che spaziano dai componenti automobilistici alle apparecchiature elettroniche. La trasformazione della lamiera ha una lunga storia ed è globalmente apprezzata per la capacità di produrre grandi volumi riuscendo a limitare i costi per componente.

Tuttavia l’ostacolo principale, per rendere economicamente vantaggiosa una produzione, è l’ammortamento degli stampi. Questo aspetto sottolinea il fatto che uno dei limiti principali sia la flessibilità. La capacità di adattarsi rapidamente alle richieste dei clienti o alla modifica delle specifiche è un punto chiave per il successo in questo settore.

La flessibilità è una caratteristica fondamentale per un’azienda manifatturiera in quanto risulta importante riuscire a rispondere tempestivamente alle richieste del cliente passando da una produzione all’altra senza incidere eccessivamente su costi e qualità. Fortunatamente nuove soluzioni e tecniche permettono di rimanere al passo con questo sfidante contesto, permettendo di offrire risposte alle diverse esigenze dei clienti.

Processo “SPIF”

Il processo di formatura incrementale a singolo punto (in inglese “Single Point Incremental Forming” o abbreviato “SPIF”) è una soluzione altamente flessibile a controllo numerico. Questa soluzione può trasformare lamiera rapidamente in geometrie anche complesse, senza necessitare di stampi dedicati. Si tratta infatti di una metodologia che ben si adatta alle produzioni di componenti speciali, per prototipi o per piccoli lotti. Nel processo di formatura incrementale “SPIF” (Figura 1), la lamiera è a contatto con l’utensile, mentre quest’ultimo viene movimentato provocando una deformazione plastica continua.

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La movimentazione dell’utensile è comandata da un sistema di controllo numerico e, solitamente, il movimento procede dall’esterno verso il centro della lamiera in diversi passaggi. I diversi passaggi di lavorazione vengono chiamati strati (o “layer”) analogamente a quanto accade nel processo di stampa 3D. Tale soluzione permette di preparare componenti, anche complessi, nel giro di ore o giorni, senza dover attendere per la preparazione di stampi dedicati e senza la necessità di onerosi investimenti.

Qualità e parametri

Le richieste dei clienti sono sempre più esigenti anche dal punto di vista qualitativo. È infatti necessario riuscire ad offrire lavorati in grado di resistere alle sollecitazioni previste e, anche dal punto di vista estetico, devono risultare adeguati ai requisiti. Infatti, la qualità superficiale è una caratteristica chiave per quanto riguarda le applicazioni industriali e conseguentemente è anche un tema centrale per gli studi di formatura incrementale. L’attrito tra utensile e lamiera è il fattore principale che influenza la qualità superficiale e le caratteristiche del componente finale.

Risulta quindi di grande interesse caratterizzare l’attrito al variare degli altri parametri, con l’obiettivo di ottenere componenti finali più resistenti e di miglior qualità. Diversamente da come possa sembrare, il calcolo degli attriti risulta particolarmente difficoltoso a causa della complessa dinamica, richiedendo quindi la valutazione di diverse variabili in evoluzione durante la lavorazione.

Attriti eccessivi possono portare a flussi diseguali di materiale, accumuli e grinze sul componente lavorato. Risulta quindi necessaria una verifica degli attriti al fine di contenerli durante la trasformazione per evitare rotture o difetti.

La sperimentazione

Questo studio cerca di approfondire l’influenza dei vari parametri sull’attrito e, di conseguenza, sulla qualità del componente finito. Una sperimentazione è stata messa a punto utilizzando lamiere in alluminio 1060 di dimensione 140 x 140 mm e uno spessore di 1 mm. La geometria scelta per i provini è un tronco di cono. Il macchinario utilizzato è un controllo numerico a tre assi (Figura 2) e gli utensili sono semisferici con un diametro di 14 mm, 10 mm e 6 mm.

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Sotto al fissaggio della lamiera è posizionato un dinamometro in grado di misurare la forza durante la lavorazione e di registrarla sullo strumento di acquisizione tramite il software Vib’SYS. Per questa sperimentazione sono stati individuati cinque fattori da esplorare: diametro dell’utensile, velocità di strato, velocità di rotazione, velocità di avanzamento e angolo di formatura. Ognuno di questi fattori è stato variato su tre differenti livelli. Sono stati così prodotti e studiati 46 componenti con diverse combinazioni di parametri

La simulazione

Per verificare i coefficienti di attrito ottenuti con le diverse combinazioni di parametri di processo, sono state utilizzate delle simulazioni. La correttezza dei risultati è stata verificata confrontando le forze misurate con quelle teoriche impostando i coefficienti d’attrito calcolati. La simulazione ad elementi finiti è stata implementata tramite il software ABAQUS.

Gli elementi sono stati impostati ad una dimensione di 1 x 1 mm e il modello di attrito scelto è quello di Coulomb. Dalle simulazioni è possibile notare che ad un attrito maggiore corrisponde anche un maggiore assottigliamento della lamiera che tende anche ad essere meno uniforme.

Inoltre può anche essere mostrato (Figura 3) che, anche lo sforzo equivalente massimo, cresce all’aumentare del coefficiente di attrito. Un coefficiente di attrito elevato ha una maggiore influenza sulle forze orizzontali, ostacolando quindi l’avanzamento dell’utensile sul piano X-Y.

Una volta verificata l’accuratezza dei coefficienti d’attrito ottenuti, è stato possibile analizzare l’influenza dei parametri di formatura. Le relazioni tra ogni fattore sono state definite e calcolate al variare dei diversi parametri. Inoltre, l’analisi di varianza (ANOVA) è stata utilizzata per validare l’affidabilità del modello e per giudicare l’influenza dei vari parametri. Il risultato mostra che l’effetto di tutti i parametri selezionati è significativo e lo è anche per alcune combinazioni di essi.

I parametri di processo con più influenza sono il diametro dell’utensile e la velocità di rotazione di esso. Infatti una combinazione di utensile di maggior diametro e alta velocità di rotazione può portare a bassi coefficienti d’attrito e, di conseguenza, ad un miglior risultato sul componente finale. Seppure con influenza minore sul risultato, anche i parametri di velocità verticale, orizzontale e angolo di formatura impattano sull’attrito a causa di un aumento della forza di contatto tra utensile e lamiera.

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I processi flessibili, come ad esempio il processo incrementale “SPIF”, permettono di ottenere diverse geometrie in tempi rapidi, superando quindi i principali limiti della formatura tradizionale. L’evoluzione dell’informatica e dell’automazione permettono oggi, con relativa semplicità, di adattarsi alle esigenze riprogrammando rapidamente il processo o simulandone addirittura il risultato finale.

Questo studio mostra però l’esigenza di conoscere il processo per ottenere un buon risultato con sufficienti caratteristiche meccaniche e qualità superficiale. L’analisi dell’influenza dei diversi parametri proposto dagli autori dello studio risponde ad una domanda concreta della produzione. È infatti importante conoscere quali sono i parametri più influenti e come impostarli per ottimizzare il processo. In questo modo, l’industria manifatturiera può ampliare la propria offerta, così da soddisfare le richieste anche dei clienti più esigenti, garantendo sempre un’offerta di livello adeguato alle aspettative.

Fonte: Xu, Q., & Yao, Z. (2022). Forming parameters on friction during single point incremental forming. Advances in Materials Science and Engineering, 2022, 1–14.

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