C

hi visitasse una fabbrica dove vengo-no realizzati, con presse rapide distampaggio, pezzi identici da lamie-

re metalliche grezze potrebbe pensare diassistere a una tecnologia avanzata inazione. In effetti lo stampaggio delle la-miere è più che un'arte avanzata: perquesto processo l'industria fa un grandeassegnamento sul giudizio e sull'esperien-za di mastri specializzati. Solo di recentei progressi nell'analisi e nella conoscenzadella struttura atomica dei metalli hannoincominciato a integrare l'arte con lascienza, ponendo la tecnologia su unabase più solida e indicando la via perottenere, a costi inferiori, una miglioreesecuzione delle migliaia di parti metalli-che fabbricate quotidianamente per laproduzione di grande serie.

Quantunque le lamiere metalliche sisiano lavorate da migliaia di anni per laproduzione di monete, utensili e oggettid'arte, è solo da un secolo che il proces-so è stato meccanizzato e che ha inco-minciato ad avvicinarsi alle linee di stam-paggio odierne. La meccanizzazione del-lo stampaggio di lamiere è stata a suavolta un passo di enorme importanzaverso la produzione di serie. Oggi lalavorazione delle lamiere metalliche ri-guarda la vita di ciascuno di noi poichéle macchine di stampaggio produconouna grande varietà di pezzi che vannodagli occhielli per scarpe ai paraurti perautomobili. Tale industria è una dellecomponenti più importanti nell'economiadi tutte le moderne nazioni industrializ-zate.

All'inizio del XVI secolo un inventorefrancese, che negli annali della metallur-gia viene menzionato solo come Bruiler,sviluppò una tecnica per ottenere lami-nati di spessore uniforme. Questa inven-zione rese possibile la costruzione di par-ti mediante lo stampaggio di pezzi lisci dimetallo fra uno stampo e una matrice.Ciononostante il ferro e l'acciaio conti-nuarono per 300 anni a essere prevalen-temente modellati mediante laminatura,

fucinatura, fusione e imbutitura perchéle presse impiegate per stampare le partivenivano azionate a mano fino a quan-do, intorno al 1800, gli ingegneri tede-schi Ludwig Keserstein e Johann Lubersvilupparono la prima pressa idraulica.Quando nel 1850 l'inventore americanoElisha Root presentò la prima pressa acaduta azionata mediante un cinemati-smo, si aprì la strada a una rivoluzionedelle tecniche manifatturiere.

L'estendersi della produzione di serie,nella seconda metà del XIX secolo, fuuno stimolo importante per lo sviluppodella lavorazione di lamiere che, a suavolta, rese possibile la produzione di se-rie. I pezzi realizzati in lamiera offrivanonumerosi vantaggi rispetto a quelli fuci-nati o di fusione, fra i quali minor peso,maggiore intercambiabilità e minor co-sto. Intorno al 1850 lo stampaggio dilamiere di ferro o di acciaio zincato, concui produrre recipienti per generi alimen-tari, dette luogo alla creazione dell'indu-stria di lavorazione delle lamiere metalli-che come è conosciuta oggigiorno.

Sebbene nel 1900 lo stampaggio delmetallo fosse già largamente diffuso, losviluppo principale si verificò quandol'industria automobilistica assunse la ca-ratteristica della produzione di serie. Unaltro impulso fu dato dalla rapida espan-sione, dopo la prima guerra mondiale,dagli elettrodomestici, per esempio aspi-rapolvere, lavatrici, frigoriferi e tostapa-ne. Tutti questi sviluppi provocarono unagrande richiesta di lamiere metalliche. Ilfabbisogno veniva soddisfatto con l'ac-ciaio a basso tenore di carbonio che of-friva i vantaggi di uno spessore uniformee di una buona finitura superficiale, oltreal basso costo. Quest'acciaio divenne benpresto la lamiera di uso universale, ruoloche mantiene tuttora.

T o stampaggio non è affatto il solometodo per realizzare pezzi da una

lamiera, ma è quello economicamentepiù importante e quindi quest'articolo

sarà incentrato su di esso. Nel sistemapiù usuale di stampaggio un pezzo dimetallo grezzo precedentemente tagliatoassume la forma voluta in una pressameccanica fra una serie di stampi e dimatrici che sono stati modellati con curaper produrre il pezzo desiderato. Il pro-cesso comincia con un'operazione di tran-ciatura con la quale la lamiera avvolta inbobine (che possono raggiungere il pesodi 30 tonnellate) viene automaticamentesvolta e tagliata nella dimensione adattamediante matrici trancianti. Di solito ladimensione appropriata è leggermentesuperiore a quella del pezzo finito perpoter disporre di bordi da tenere salda-mente durante lo stampaggio della la-miera grezza e che vengono poi asporta-ti. Nel caso di stampaggio di pezzi digrandi dimensioni la perdita di lamieraper la presenza dei bordi può raggiun-gere il 30 per cento e il metallo asportatopuò essere venduto solo come rottameper una frazione del suo costo.

La fase successiva è abitualmente labordatura o flangiatura che consiste es-senzialmente in un'operazione di piega-tura. Di solito è necessaria una flangia seil pezzo è progettato per essere unito aun altro, come nel caso del paraurti cheviene fissato alla carrozzeria dell'auto-mobile. Dopo la bordatura il pezzo puòessere stampato una seconda volta inuna serie di matrici differenti: questafase si rende talvolta necessaria per ren-dere netti i bordi e gli angoli che nellafase precedente non hanno raggiunto ledimensioni specificate.

Un tipico impianto di stampaggio im-piega molteplici presse e matrici. La for-za può essere applicata alla pressa conun sistema idraulico o meccanico: questosecondo è generalmente preferito perchépiù rapido. Le presse a doppio effettosono le più comuni: esse comprendono ilThoto di due slitte, una per il premilamie-ra e una per lo stampo principale. Lamoderna linea di stampaggio è molto odel tutto automatizzata, con cinematismi

trasportate nella sala di stampaggio adiacente (fotografia in basso),dove sono svolte e tagliate in elementi di dimensioni appropriate,che alimentano grosse presse per lo stampaggio dei vari pezzi.

Questa pressa di stampaggio forma il pannello di una portiera nella mente dopo che l'operatore ha posto il ferro sui rulli che lo trasporta-

fabbrica della Cenerai Motors. Il metallo viene spostato automatica- no sotto la pressa. Le macchine a destra stampano altre parti.

Lo stampaggio delle lamiere

Notevole importanza riveste il comportamento di un metallo durante lostampaggio: le moderne conoscenze sulla struttura atomica dei metallihanno posto tale tecnologia su basi più scientifiche e meno empiriche

di S.S. Hecker e A.K. Ghosh

Deposito di bobine di lamiera metallica da stampaggio per parti diautomobili in uno stabilimento della Cenerai Motors Corporation.Il metallo è acciaio a basso tenore di carbonio. Le bobine vengono

94 95

O

ooooo

C

oooooooo

oooooooo

SLITTA PRINCIPALE

PREMILAMIERE

oo MII1~

ooo8

STAMPO

ROMPIGRINZEMATRIC

La fotografia mostra un pezzo stampato come esce dalla pressa.Si tratta del pannello laterale posteriore sinistro di un'automobile. Lasuperficie al centro sotto l'arco, che si troverebbe sopra la ruota, saràpoi rimossa in un'operazione di rifilatura, analogamente a quantoverrà fatto per gran parte del materiale intorno ai bordi e all'estremitàa destra, ove saranno sistemate le luci posteriori. Il materiale ai bordiè servito per serrare il materiale grezzo nella pressa durante lo

stampaggio. Il raggrinzimento e le ondulazioni sono stati prodottidurante l'imbutitura del metallo nell'operazione di stampaggio. Nel-l'angolo stampato sopra la zona della ruota è a mala pena visibile unrettangolo scuro, costituito da una griglia di circoli impressi sullalamiera grezza per studiare le deformazioni che si verificano durante ilprocesso. A pagina 102 sono riportate due fotografie che mostranocome il metodo della griglia di circoli rivela i dettagli della deformazione.

per l'alimentazione e il trasferimento deipezzi, distributori del lubrificante sincro-nizzati con il moto della pressa, sistemidi trasportatori basati su dispositivi ma-gnetici o a depressione, fotocellule cheavviano il sistema di comando e un siste-ma di controllo che funziona senza arre-stare la linea di produzione per la rimo-zione di un pezzo. Come risultato pos-sono essere raggiunti ritmi di produzioneestremamente elevati (per esempio 100 000scatole per filtri dell'olio al giorno da unsolo impianto).

Le linee automatiche di stampaggioerano in esercizio molto prima che venis-se compreso quale tipo di deformazionesi verifica in un pezzo di metallo durantel'operazione. La conoscenza di questofenomeno è recentissima. I processi im-plicati sono l'imbutitura e (di solito) lostiramento e si possono seguire immagi-nando una pressa che sta per stampareuna lamiera grezza. Sopra il semilavora-to si trovano la slitta principale che por-ta lo stampo e il premilamiera che pressaverso il basso i bordi dell'elemento grez-zo, sotto il quale è posta la matriceprincipale.

La prima azione della pressa è di spin-gere in basso il premilamiera che in talmodo tiene fermo il materiale grezzo ai

bordi. Con la seconda azione viene spin-ta in basso la slitta principale con lostampo. Il metallo aderisce allo stampomentre questo entra nella cavità dellamatrice. In sostanza il metallo viene sti-rato o tirato all'interno della cavità.

Il semilavorato, poiché è forzato acontrarsi secondo la circonferenza men-tre viene stirato radialmente verso l'in-terno, tende a deformarsi o a corrugarsi.Una deformazione appropriata nel me-tallo che compensi questa tendenza siottiene inclinando il gruppo stampo ematrice, applicando una forte pressionecon il premilamiera (e. talvolta) disponen-do particolari nervature dette rompigrin-ze sulla superficie della matrice sotto ilpremilamiera. Su una matrice possono es-servi parecchie di queste nervature di for-ma cilindrica, aventi diametri compresifra 12 e 20 millimetri, che controllano ladeformazione del metallo costringendo lalamiera a curvarsi e a raddrizzarsi mentrepassa sopra le nervature prima di entrarenella cavità della matrice.

Salvo nel caso di particolari stampati diforma semplicissima, le parti di metallogrezzo non vengono solo imbutite, maanche stirate quando lo stampo pressa ilsemilavorato nella cavità della matrice.Lo stiramento è definito come un'esten-

sione della superficie della lamiera intutte le direzioni. I requisiti richiesti almateriale differiscono considerevolmenteper l'imbutitura e per lo stiramento. Ilprogresso verso la conoscenza dell'in-fluenza che le proprietà del materialehanno sulla deformazione del metallo èstato ottenuto soprattutto attraverso pro-ve di laboratorio riguardanti l'imbutiturae lo stiramento separatamente.

Ciò che succede durante l'imbutiturapuò essere chiarito descrivendo la

realizzazione di una coppa cilindrica afondo piatto (si veda l'illustrazione inbasso nella pagina a fronte). Tale pro-cesso è spesso chiamato imbutitura pro-fonda. Nell'imbutitura profonda la mag-gior parte della deformazione si verificanella flangia e solo una minima frazionenella lamiera che è a contatto con lostampo. Il processo determina piccole va-riazioni nello spessore finale o nella su-perficie. La contrazione circonferenzialedella flangia provoca corrugazione se nonviene applicata una pressione sufficientesul premilamiera. Il carico necessario perdeformare la flangia viene trasmesso dalfondo della coppa tramite la parete dellacoppa stessa. Se questo supera la solle-citazione tollerabile dal metallo, questo

si rompe in prossimità del fondo dellacoppa.

Per una buona imbutitura è quindinecessario un materiale che resista all'as-sottigliamento della parete della coppa.In altre parole, il materiale dovrebbeessere meno resistente (in" modo da de-formarsi più facilmente) nel piano delsemilavorato che non nello spessore: que-sta differenza direzionale di resistenza èchiamata anisotropia plastica. Tale pro-prietà è facilmente misurabile con unsemplice esperimento di laboratorio. Dal-la lamiera viene tagliata e poi stirata unastriscia lunga e sottile. L'anisotropia pla-stica viene determinata confrontando lecontrazioni della lamiera nella larghezzae nello spessore. Se la larghezza si con-trae più dello spessore, il metallo resiste-rà all'assottigliamento durante l'imbuti-tura, consentendo imbutiture più pro-fonde.

L'anisotropia plastica si sviluppa du-rante la lavorazione iniziale, per esempiola laminazione, ed è causata dalla naturacristallina dei metalli. Un metallo è com-posto da innumerevoli piccoli grani ocristalli, tutti legati fra loro e diversa-mente orientati. In ogni grano cristallinogli atomi sono disposti in un reticolo tri-dimensionale estremamente regolare. Lacristallinità è il risultato del particolarelegame atomico dei metalli che favoriscestrutture a elevata simmetria e ad altacompattezza.

Le strutture cristalline ad alta compat-tezza resistono energicamente alle forzeche tendono a variare il loro volume, mapossono tagliarsi facilmente e cambiarela forma quando gli strati di atomi scor-rono uno sull'altro. Tali strati scorronocon maggiore facilità lungo piani cristal-lini molto compatti, in direzioni ad altacompattezza. Le strutture cristalline sem-plici hanno un elevato grado di simme-tria e quindi molti piani e direzidni com-patti con conseguente facile scorrimentoplastico.

Lo scorrimento è facilitato dalle im-perfezioni cristalline chiamate dislocazio-ni, che sono piccole deviazioni dalla di-sposizione regolare degli atomi nel gra-no, le quali consentono agli atomi stessidi scorrere a piccoli passi invece che aintere file per volta. In realtà il movi-mento della dislocazione è il solo movi-mento che consente lo scorrimento. Nel-la struttura cristallina semplice di moltimetalli tali dislocazioni sono facilmenteinseribili: esse si muovono liberamente esi moltiplicano senza difficoltà durantela deformazione e quindi spiegano l'ele-vata duttilità di tali metalli.

Durante l'enorme riduzione (che puòraggiungere anche rapporti di 1000 a 1)che si verifica nella laminazione dei lin-gotti d'acciaio per ottenere le lamiere perle carrozzerie delle automobili, i singoligrani del metallo si allineano secondoalcune direzioni preferenziali. Le pro-prietà dei cristalli variano con la direzio-ne a causa delle regolarità direzionali concui sono disposti i loro atomi e quindi leproprietà di massa della lamiera assumo-no una direzionalità analoga. Per la mi-

In questa figura è rappresentata una pressa meccanica a doppio effetto, Il doppio effettorichiede il movimento di due slitte: la slitta principale che porta lo stampo, o matrice superiore,e la slitta che costituisce il premilamiere. Con il primo movimento la pressa spinge verso il bassoil premilamiere, che pressa la lamiera intorno ai bordi. Con il movimento successivo la pressaspinge verso il basso la slitta principale stampando così il pezzo (in colore) fra lo stampo e lamatrice inferiore. Il rompigrinze aiuta a controllare lo scorrimento del metallo facendolocurvare e poi raddrizzare mentre viene tirato nella cavità situata fra matrice e stampo.

PREMILAMIERE

L'illustrazione mostra l'operazione di imbutitura, uno dei due modi principali di dare forma almetallo mediante stampaggio; qui viene stampata mediante imbutitura profonda una coppa ci-

lindrica. Il grezzo di forma circolare è imbutito nella matrice a forma di coppa mediante unostampo a testa piatta. Le pareti sopportano la maggior parte del carico e tendono a subire un as-sottigliamento. Pertanto per l'imbutitura è necessario un materiale resistente all'assottigliamento.

96

97

ACCIAIO ATENORE DI

BASSOCARBONIO

OTTONE

ACCIAIOAD ALTA RESISTENZA

LEGA DI ALLUMINIO

SOLLECITAZIONE DI TAGLIO

PIANO DISCORRIMENTO

SOLLECITAZIONE DI TAGLIO —>

a

H

Le strutture cristalline più comuni nei metalli sono quelle qui rappre-sentate: reticolo cubico a facce centrate (a) con un atomo in ogniangolo e uno al centro di ogni faccia del cubo; reticolo cubico a corpocentrato (b) con un atomo in ogni angolo e uno al centro del cubo einfine, reticolo esagonale compatto (c). La struttura cristallina in-fluenza la capacità del cristallo a cambiare forma mediante il mec-

In questa illustrazione è mostrato il ruolo assunto dalle dislocazioninel meccanismo dello scorrimento. La dislocazione illustrata è unsemipiano aggiuntivo di atomi (in colore scuro) nel reticolo cristallino.La deformazione avviene mediante taglio lungo un piano di scorri-mento che è perpendicolare al semipiano aggiuntivo di atomi. Se la

C

canismo dello scorrimento, che consiste nel cambiamento di posizio-ne degli atomi; essa rappresenta quindi un fattore di notevole impor-tanza nella scelta del metallo adatto per il processo di stampaggio. Loscorrimento si verifica più facilmente lungo i piani di maggioredensità atomica (in colore) e nelle direzioni di maggiore densità(frecce). Anche i piani equivalenti consentono un facile scorrimento.

sollecitazione di taglio viene applicata nella direzione indicata dallefrecce in alto e in basso, gli atomi vengono spostati con un movimen-to che assomiglia allo scorrimento di una piega in un tappeto, dandoluogo a un cambiamento di forma del cristallo, come suggerito inquesto schema dal semipiano di atomi rappresentato in colore tenue.

gliore resistenza alla riduzione di spesso-re, e perciò per la migliore capacità diessere imbutita, una lamiera dovrebbeavere il maggior numero possibile di cri-stalli allineati in modo che la direzionenella quale essi sono più resistenti siaparallela allo spessore del materiale.

Nei cristalli a simmetria cubica, fre-quente nei metalli, questa direzione èlungo la diagonale interna del cubo. Inmetalli come l'acciaio, che ha un reticolocristallino cubico a corpo centrato (unatomo in ogni angolo e uno al centro delcubo), l'allineamento preferito dei cri-stalli può essere ottenuto abbastanza fa-cilmente. In metalli come l'ottone, il ra-me e l'alluminio, che hanno un reticolocubico a facce centrate (un atomo inogni angolo e uno al centro di ogni latodel cubo), l'allineamento si ottiene diffi-cilmente a causa delle numerose direzio-ni secondo le quali i cristalli possonoscorrere durante la deformazione. Neimetalli con strutture cristalline differentile direzioni di scorrimento sono assailimitate e così la possibilità di ottenere ladirezionalità esiste, quantunque non dianecessariamente luogo a un allineamentofavorevole. Per esempio tanto il titanioquanto lo zinco hanno strutture cristalli-ne esagonali ad alta compattezza, ma neltitanio l'allineamento è favorevole a unaimbutitura profonda, mentre nello zincociò non si verifica.

L'importanza dell'anisotropia plasticanell'imbutitura profonda è stata indivi-duata solo 15 anni fa; prima di alloraquesta caratteristica era considerata in-desiderabile e un metallo non deforma-bile nella stessa misura in tutte le dire-zioni era ritenuto difficile da lavorare. Iproduttori d'acciaio hanno fatto impor-tanti progressi nello sviluppo di acciai daimbutitura profonda e anche i fabbri-canti di titanio hanno tratto profitto dal-l'anisotropia. Comunque i metalli conreticolo cubico a facce centrate hanno uncomportamento scadente nelle operazio-ni di imbutitura.

Durante lo stiramento tutte le sollecita-zioni sono di trazione al contrario di

quanto avviene durante l'imbutitura, nonessendo presente nessuna azione compen-sativa di compressione. Per essere stira-bile con facilità un metallo deve presen-tare soprattutto la proprietà di diventarepiù resistente durante la sollecitazione ola deformazione. È questo processo diindurimento intrinseco, conosciuto comeincrudimento, che rende progressivamen-te più difficile piegare un filo dopo pie-gature ripetute (finché naturalmente ilfilo non si spezza). L'incrudimento aiutaa impedire che la sollecitazione si localiz-zi facilitando il trasferimento della defor-mazione verso zone meno deformate. Ilprocesso facilita quindi una deformazio-ne più uniforme.

L'incrudimento dei metalli si dimostracon una prova di trazione. Una lungastriscia di metallo viene sottoposta a tra-zione mentre vengono misurati e regi-strati la sollecitazione e il conseguenteallungamento. Il carico necessario per

140

120

-6 100

UJO

Ui

Lu 80-Ja_

(7)

60o

2crO

LUu_

o 40

20

o

allungare il metallo continua ad aumen-tare anche dopo il punto in cui incomin-cia la deformazione permanente. Quantomaggiore è l'incremento del carico conl'allungamento, tanto maggiore è l'incru-dimento.

Man mano che procede lo stiramento,il metallo diventa sempre più sottile eperde quindi la sua capacità di portareun carico. Questo indebolimento geome-trico contrasta con l'incrudimento e allafine prevale su di esso: nel punto in cuile due azioni sono in equilibrio, il caricoraggiunge il valore massimo. In seguitola deformazione diventa instabile perchécontinua anche con carichi sempre de-crescenti, concentrandosi gradualmenteintorno a un punto debole del materiale;questo processo è chiamato strizione dif-fusa. Alla fine la deformazione si loca-lizza totalmente in una strozzatura e ilmetallo si rompe.

Quando incomincia la strizione diffu-sa si verifica anche un gradiente nellavelocità di deformazione in tutta la lun-ghezza della provetta. La resistenza dimolti metalli è sensibile alla velocità dideformazione. Durante la strizione unmetallo che indurisce quando aumentatale velocità («indurimento per velocitàdi deformazione»), resiste alla localizza-zione della deformazione e ritarda l'ini-

zio della strizione localizzata. Tanto l'in-crudimento quanto l'indurimento per ve-locità di deformazione sono influenzatidalla temperatura a cui avviene il pro-cesso. Quando una lamiera metallica vie,ne pressata fra uno stampo e una matri-ce, i gradienti e la velocità di - deforma-zione aumentano rapidamente a causadella complessità geometrica della formae dell'attrito prodotto dal contatto fra ilmetallo e lo stampo. Sia l'incrudimento,sia l'indurimento per velocità di defor-mazione sono quindi essenziali per favo-rire una deformazione uniforme.

L'incrudimento e l'indurimento pervelocità di deformazione possono esserespiegati esaminando il comportamentodegli atomi durante la deformazione. Unavariazione di forma richiede uno scorri-mento fra i cristalli del metallo, scorri-mento che è conseguente al movimentodelle dislocazioni. L'indurimento dipen-de dalla resistenza che le dislocazioniincontrano scorrendo nel cristallo. Laresistenza è dovuta a ostacoli come bordidei cristalli, atomi estranei e difetti nelladisposizione degli atomi nel cristallo.L'entità della resistenza dipende invecedal tipo di struttura cristallina. Nell'ot-tone, nel bronzo e in alcuni acciai inos-sidabili, per esempio, i difetti di accresci-mento si estendono su distanze equiva-

—60 —40 —20 0 20 40DEFORMAZIONE SECONDARIA (PER CENTO)

60

80

Il diagramma del limite di stampaggio, ottenuto mediante prove di deformazione dei metalli,indica se un metallo può essere formato senza rischio di rotture. La banda colorata è relativaall'acciaio; nel caso di deformazione nella zona sottostante la banda, l'acciaio può esseresottoposto a stampaggio senza inconvenienti, mentre nella zona superiore le deformazioni pos-sono produrre con molta probabilità rotture durante lo stampaggio. Le curve relative, ad altrimetalli sono state stabilite sperimentalmente con minore sicurezza che non per l'acciaio.

98

99

bí"

PEZZO GREZZO PREMILAMIERE

CRICCHE DELLE FIBRE ESTERNE

IREZIONE DI LAMINAZIONE

;

ALLUNGAMENTO -->

L'allungamento sotto carico viene provato sottoponendo a trazioneun pezzo di lamiera metallica. Il punto ove la curva in colore piega adestra è il punto di snervamento, a partire dal quale la forma delmetallo cambia in modo permanente. Oltre tale punto il metallocontinua a indurire man mano che si allunga ed è quindi in grado disopportare carichi crescenti. Tale indurimento intrinseco, denominatoincrudimento, bilancia la ridotta capacità del metallo di sopportare

carichi a causa dell'assottigliamento. In corrispondenza del caricomassimo (picco della curva) i due effetti si compensano e inizia ilprocesso di localizzazione della deformazione, che alla fine porta allarottura. L'aspetto del metallo in relazione alle varie fasi della prova èillustrato sopra la curva. Nel punto di massimo carico comincia apresentarsi una strizione diffusa; in prossimità del punto di rottura lastrizione è concentrata nella zona in cui il metallo si strappa.

lenti a molti diametri atomici; questi di-fetti possono quindi costituire dei grossiostacoli tanto che il metallo resiste alloscorrimento incrociato delle dislocazionida un piano di scorrimento a un altro.Di conseguenza le dislocazioni inizianoad accumularsi secondo delle distribuzio-ni bidimensionali in modo analogo a del-le automobili a un semaforo; il loro ac-cumulo continuato porta a un rapido in-durimento. All'altra estremità della scaladegli indurimenti l'alluminio e il ferropresentano una facilità di scorrimentoincrociato e quindi induriscono più len-tamente.

In un cristallo gli ostacoli possonocreare alterazioni locali o estese. Se l'al-terazione è estesa (cioè superiore a diecidiametri atomici), per esempio grosseparticelle estranee o dislocazioni accumu-late su piani di scorrimento paralleli nel-l'ottone, la velocità di deformazione nonha influenza sullo scorrimento plastico osull'indurimento. Se l'alterazione è loca-le, per esempio una discontinuità dovutaad atomi estranei o ad altre dislocazioni

singole, le vibrazioni termiche degli ato-mi nel reticolo cristallino possono facili-tare lo scorrimento plastico. Se la veloci-tà di deformazione è elevata tale facili-tazione è di scarsa importanza e il risul-tato è un indurimento maggiore di quelloche si verifica a velocità minori.

L'importanza che questi processi mi-croscopici di incrudimento e di induri-mento per velocità di deformazione han-no nei riguardi dell'uniformità di defor-mazione su vasta scala viene valutata nelmodo migliore in laboratorio con unaprova di stiramento per stampaggio. Suuna lamiera grezza viene tracciata unagriglia di circoli di piccolo diametro chefornisce il mezzo per misurare la defor-mazione. La lamiera è poi stretta rigida-mente al fine di evitare qualsiasi imbuti-tura ai bordi e deformata sopra unostampo semisferico non lubrificato in ac-ciaio. Un materiale con buona stirabilitàpresenta una deformazione uniforme sul-lo stampo.

Nello stiramento un altro fattore im-portante è la deformazione totale che il

materiale subisce prima della rottura odella lacerazione. Stuart P. Keeler dellaNational Steel Corporation e Gorton M.Goodwin della Chrysler Corporation han-no espresso tale concetto in un diagram-ma empirico del limite di stampaggio.Eseguendo molti esperimenti di labora-torio ed esaminando centinaia di pezzistampati della linea di produzione, tro-varono che il diagramma degli acciai abasso tenore di carbonio presenta un'u-nica banda di rottura. La banda è deter-minata riportando in un diagramma lamassima deformazione superficiale nellalamiera (la deformazione principale) ri-spetto a quella in direzione perpendico-lare (quella secondaria). La banda dirottura separa le combinazioni di defor-mazioni accettabili (al di sotto della ban-da) da quelle che causano rotture (al disopra della banda). Tali curve possonooggi essere determinate mediante misureeseguite con prove di stiramento perstampaggio. I diagrammi del limite distampaggio hanno fornito per la maggiorparte di tali operazioni ottime previsioni

di rottura e sono diventati utilissimi perprevedere la stirabilità (si veda l'illustra-zione a pagina 99).

La miglior misura della stirabilità èdata dalla massima altezza raggiunta dal-la coppa semisferica a duomo prima del-la rottura, durante la prova di stiramen-to per stampaggio. La misura indica nel-lo stesso tempo l'uniformità della defor-mazione e la deformazione in corrispon-denza della rottura rivelando inoltre lasuperiorità dell'ottone (elevato incrudi-mento) e dell'acciaio (incrudimento e in-durimento per velocità di deformazionemoderatamente elevati) e la scadente pre-stazione di alcune leghe di alluminio (in-crudimento moderato, ma indurimentoper velocità di deformazione attenuato).

Nello stampaggio un fattore importan-te, oltre alle proprietà del materiale, è lalubrificazione. Sebbene i meccanismi del-la lubrificazione nello stampaggio dellelamiere metalliche siano poco noti, i suoifavorevoli effetti sono ben documentati.La lubrificazione favorisce sempre unapiù uniforme distribuzione della solleci-tazione e in effetti è spesso più efficacedi un miglioramento delle proprietà delmateriale.

Le operazioni di piegatura sono unaparte integrante di tutti gli stampaggicomplessi. Nella piegatura, al contrariodi quanto avviene nella maggior partedelle operazioni di stiramento, si verificaun forte gradiente di sollecitazione sututto lo spessore del materiale. Sulla fac-cia esterna della piegatura la sollecitazio-ne è di tensione, in quella interna è dicompressione o di tensione di valore ri-dotto. L'entità della sollecitazione di ten-sione dipende dal raggio, dall'angolo edalla lunghezza della piegatura. La rot-tura si verifica sulla faccia più sollecitataper assottigliamento e frattura. L'in-crudimento, l'indurimento per velocitàdi deformazione e la deformazione a rot-tura sono fattori importanti dell'idoneitàdi un metallo alla piegatura.

T a differenza più notevole fra la piega-1--• tura e lo stiramento è il ruolo delleimpurità o delle inclusioni microscopichenon metalliche. Queste vengono incor-porate nella massa metallica durante lasolidificazione dei lingotti e nella lami-nazione a caldo vengono allungate dan-do luogo a «venature». Nella piegaturale venature provocano rotture precoci sesono orientate perpendicolarmente alladirezione di piegatura. Se invece il mate-riale viene piegato secondo una direzioneparallela alle venature, mantiene la dut-tilità normale (si veda l'illustrazione quia fianco).

Questa differenza fra la piegabilità tra-sversale e quella longitudinale non è sem-pre rivelata nelle prove di trazione. Negliacciai ad alta resistenza e a basso tenoredi elementi leganti di recente sviluppo laforma delle inclusioni viene controllatacon l'aggiunta, durante la colata, di trac-ce di una terra rara, per esempio dicerio. Il cerio si combina con le inclusio-ni di solfuro di manganese, di solitopresenti, rendendole resistenti alla tem-

STAMPO

Il secondo modo principale di dare forma alle lamiere metalliche mediante stampaggio è lostiramento, illustrato qui in una prova impiegata in laboratorio per stabilire la deformazionesubita da un pezzo di lamiera durante lo stiramento per stampaggio. Un pezzo di metallo grezzo(in colore) viene serrato fortemente ai bordi e quindi stirato sopra uno stampo semisferico. Il ca-nale nella matrice superiore come pure la nervatura in quella inferiore assicurano che nel metallonon vi sia imbutitura in modo che la prova consenta di accertare esclusivamente Io stiramento.

DIREZIONE DI LAMINAZIONE

L'operazione di piegatura è spesso parte integrante dello stampaggio delle lamiere metalliche, inparticolare nell'esecuzione di flange che consentono il collegamento della parte stampata conaltre parti. Durante la piegatura le fibre della lamiera sul bordo esterno della piega sono sotto-poste a tensione e quelle interne a compressione. Le impurità introdotte nel metallo durante ilprocesso di fusione si allungano formando «venature» quando il massello viene sottoposto a la-minazione. Durante la piegatura le venature possono provocare cricche nella lamiera se sonoorientate in direzione perpendicolare alla direzione della piegatura (in alto). Se invece sono orien-tate parallelamente alla direzione di piegatura (in basso), la duttilità del metallo resta normale.

100 101

• .•

»010, .••••II.411,+411• Ili`eft

• .11.1111114,"*XV

1010,111».•III•40•111

1•4111kMkfth"NtISook,

eittoni

'7,004 ...dookitao. ve. ey

«toteloreimiles*:**:itotoweatemovmorsve"•••••••••10.les* *Net.* + *ateo-

stot ow,

Itstit oro,

Telescopi astronomici

Celestron®

La gamma Celestron comprende una serie di strumenti da 13 a 35 cmdi apertura: Celestron 5, Celestron 8 e Celestron 14.

Questi strumenti possono essere utilizzati sia per osservazioni visuali che perfotografia astronomica. Per maggiori dettagli richiedere il catalogo a colori alla

Rappresentante esclusivo per l'Italia

Prodotti GIANNI s.r.l.Via Mecenate 30/14 - 20138 Milano -Tel. 50.97

I telescopi Celestron saranno esposti dal 19 al 27 marzo 1977 al VII Salone InternazionaleCine Foto Ottica e Audiovisivi SICOF 77 nel quartiere Fiera di Milano Pad.19.

Si concedono facilitazioni ai soci dell'Unione Astrofili Italiana.

In queste due fotografie è mostrato il metodo della griglia di circoli per la prova dello stam-paggio. In alto è illustrato un pezzo di acciaio grezzo sul quale è stata impressa una griglia dicircoli aventi un diametro di 2,5 millimetri; in basso Io stesso pezzo dopo lo stampaggio in formasemisferica nell'apparecchiatura di laboratorio impiegata per la prova di stiramento. L'altera-zione dei circoli dopo lo stampaggio rivela la concentrazione e l'entità della deformazione.

peratura a cui viene laminato l'acciaio.Di conseguenza durante la laminazionedel massello le inclusioni non si defor-mano, ma rimangono sferiche e quindinon determinano caratteristiche indesi-derabili alla piegatura trasversale.

per molti anni gli acciai a basso tenoredi carbonio hanno soddisfatto quasi

tutte le richieste per lo stampaggio dilamiere metalliche. Questi acciai resisto-no bene alla deformazione inerente allostampaggio, possono essere prodotti conun'opportuna anisotropia plastica, unanotevole capacità di incrudimento e diindurimento per velocità di deformazio-ne e un'alta curva del limite di stampag-gio; vengono prodotti in enormi quantitàe a basso costo. Inoltre l'acciaio a bassotenore di carbonio possiede un'ottimarigidità e una buona resistenza di modoche soddisfa a molti requisiti strutturali,presentando anche una buona finiturasuperficiale.

Tuttavia i recenti orientamenti dell'in-dustria automobilistica hanno messo inrilievo la convenienza di ridurre il pesodel veicolo per limitare il consumo dicarburante, impiegando nello stesso tem-po materiali di elevata resistenza che pos-sano assorbire con efficacia l'energia nel-le collisioni. Di conseguenza nelle costru-zioni automobilistiche sono stati intro-dotti materiali, come le leghe di allumi-nio e gli acciai ad alta resistenza, chehanno un rapporto resistenza-peso mi-gliore di quello degli acciai convenzionalia basso tenore di carbonio. Si tratta dimateriali molto più difficili da stamparee per essi manca l'esperienza di produ-zione. La selezione del metalli adatti allostampaggio è stata notevolmente facilita-ta dagli studi di laboratorio dei sempliciprocessi prima descritti. Si è attualmentecompreso che la scelta delle appropriateprove di laboratorio dipende dalla formadel pezzo e dal metodo di stampaggio.Qualora sia possibile individuare il modocritico di stampaggio, cioè accertare se laparte sarà sottoposta prevalentemente aimbutitura oppure a stiramento, allora lascelta del materiale adatto risulta più fa-cile.

Il problema principale nello studio a-nalitico dello stampaggio delle lamiere èdi predire gli andamenti della deforma-zione. Siccome la deformazione avvienein vari modi e in zone diverse, i calcolimatematici basati su ipotesi di stati sem-plificati di sollecitazione e su proprietàidealizzate dei materiali non hanno datorisultati accettabili. Almeno per quantoriguarda la predizione degli andamentidella deformazione nell'imbutitura e nel-la stiratura semplici. o simmetriche, • èstato ottenuto maggior successo con ilmetodo dell'elemento finito per l'analisidella gollecitazione, nel quale la forma èsuddivisa in molti elementi di piccoledimensioni, per ciascuno dei quali ven-gono risolte le appropriate equazioni dianalisi della sollecitazione. Un tale me-todo di affrontare il problema è possibilesolo con un moderno calcolatore ad altavelocità. Ma anche Così le soluzioni nel

caso di forme e di carichi complessi nonsono in genere ottenibili. Quindi i pro-gressi relativi allo stampaggio delle la-miere metalliche continueranno a essereparzialmente empirici.

In questo contesto il metodo della gri-glia di circoli, già menzionato in relazio-ne allo stiramento, si è dimostrato utilenell'analisi degli elementi stampati otte-nuti in una linea di produzione. Il meto-do venne introdotto da Keeler in sostitu-zione dei quadrati da 25,4 millimetri (1pollice) usati in precedenza. Un rapidoprocesso elettrochimico forma una gri-glia di circoli (con diametri di 2,5 o 5millimetri) sulla lamiera grezza. Dopo lostampaggio, i circoli rivelano l'andamen-to della deformazione identificando perun controllo le zone di forte deformazio-ne. In tali zone critiche una serie di cir-coli può essere misurata e riportata indiagramma per indicare la concentrazio-ne della deformazione. I cambiamentinelle variabili del processo di stampaggiocome la lubrificazione, la pressione delpremilamiera, i rompigrinze, la dimen-sione e la forma del semilavorato posso-no così essere controllati per vedere secontribuiscono realmente a migliorare launiformità di deformazione.

Nei casi particolarmente difficili sipossono misurare le deformazioni chesi sono verificate durante le varie fasi distampaggio per stabilire la loro succes-sione. Conoscendo lo svolgimento di que-sta successione si può sperare di evita-re indesiderabili concentrazioni di defor-mazione.

L'analisi mediante la griglia di circoliserve anche, insieme con il concetto dellacurva del limite di stampaggio, per de-terminare quanto un particolare stampa-to può essere deformato senza giungereregolarmente alla rottura. Essa è prezio-sa anche nella fase di preproduzionequando vengono apportate le modifichedefinitive alla matrice e nella selezionedel materiale. Il metodo aiuta a determi-nare se la matrice, la lubrificazione e ilmateriale daranno luogo a uno stampag-gio soddisfacente. Inoltre il controllo delgrado di deformazione nel corso delleserie di produzione indica se un materia-le meno plastico (e probabilmente piùeconomico) potrebbe dare risultati sod-disfacenti.

Di quando in quando si incontranodifficoltà dopo una lunga serie di produ-zioni. Lo stampaggio di alcuni semilavo-rati-campione messi precedentemente daparte, indicherà se l'inconveniente è cau-sato da usura della matrice, da lubrifica-zione difettosa o da variazioni nel mate-riale. Anche la ricerca degli inconvenien-ti è stata molto perfezionata perché l'ef-ficacia di qualsiasi cambiamento appor-tato nella linea di produzione può esserecontrollata mediante lo stampaggio disemilavorati con grigliatura. L'analisidella griglia di circoli ha sostituito la«sensazione» dell'operaio specializzatoper l'appropriato scorrimento del metal-lo e il concetto del limite di stampaggioha fornito uno strumento diagnostico perl'analisi delle rotture.

102 103