Che cos'è il processo di trafilatura della lamiera?

Che cos’è il processo di trafilatura della lamiera?

In parole semplici, la trafilatura della lamiera è un processo di formatura della lamiera che utilizza stampi per “stirare” fogli di metallo in specifiche forme tridimensionali.

Non taglia il materiale, ma piuttosto provoca una deformazione plastica controllabile della lamiera sotto l’azione di una forza esterna, ottenendo così la forma desiderata del pezzo.

Dal punto di vista della classificazione dei processi, la trafilatura della lamiera è un tipo di processo di formatura della lamiera, tipicamente eseguito all’interno di uno stampo. Durante il processo, la lamiera scorre mentre viene stirata e la sua forma si trasforma gradualmente da un piano bidimensionale in una struttura tridimensionale.

Questo processo presenta diverse caratteristiche tipiche:

Ampia gamma di modifiche di forma: la trafilatura consente di trasformare lamiere metalliche originariamente piatte in componenti strutturali con altezza o profondità ben definite.
La variazione di spessore è relativamente controllabile: con una progettazione ragionevole, lo spessore complessivo del pezzo rimane relativamente uniforme e l’obiettivo principale non è quello di assottigliarlo.
La maggior parte dei componenti presenta una struttura assialsimmetrica o quasi assialsimmetrica: le forme più comuni includono parti a forma di coppa, cilindriche o a guscio chiuso.

Va notato che la trafilatura della lamiera non è adatta a contorni esterni complessi, ma è più indicata per componenti con formatura integrale e requisiti elevati di continuità strutturale.

Le differenze tra disegno e disegno profondo, così come i loro specifici scenari di applicazione, saranno ulteriormente spiegate nei capitoli successivi.

Processo base di trafilatura della lamiera

La trafilatura della lamiera non è un’operazione complessa che si completa in un’unica fase, bensì un processo di formatura sequenziale. Durante tutto il processo, il materiale viene costantemente allungato e modellato, anziché tagliato o asportato.

1. Preparazione dei materiali in fogli (materia prima)

I processi di trafilatura iniziano in genere con un grezzo di una lamiera metallica di dimensioni adeguate.

L’obiettivo principale di questa fase è unico: garantire che vi sia materiale sufficiente da stirare e distribuire durante la successiva formatura del foglio.

La forma e le dimensioni del grezzo influiscono direttamente sulla riuscita delle successive fasi di formatura, ma in questa fase il materiale in lamiera è ancora piatto.

2. Inserire il composto nello stampo (stampo concavo/stampo convesso)

Il materiale in fogli preparato viene posizionato tra gli stampi, fissato e guidato da questi ultimi. A questo punto, il ruolo degli stampi non è quello di “tagliare”, bensì di limitare la direzione di deformazione e il profilo finale del materiale in fogli.

Entro i limiti imposti dallo stampo, la lamiera può deformarsi solo lungo il percorso previsto, elemento chiave per ottenere una forma stabile nel processo di imbutitura.

3. Formatura per stiramento (flusso del materiale)

Questa è la fase cruciale del processo di stampaggio. Sotto l’azione di una forza esterna, il foglio viene gradualmente tirato nello stampo, il materiale si allunga e fluisce, e la struttura planare originaria inizia a trasformarsi in una forma tridimensionale.

È importante notare che:

Il materiale non è stato “pressato”.
Al contrario, viene allungato e ridistribuito in condizioni controllate.

Se non adeguatamente controllata, in questa fase possono verificarsi i seguenti problemi:

Rughe (dovute a un eccessivo accumulo di materiale)
Rottura (eccessivo stiramento localizzato)
Variazione di spessore non uniforme

Questi problemi influiranno direttamente sulla qualità del prodotto finito.

4. Lo stato dopo il completamento dello stampaggio

Una volta completato il processo di disegno, il materiale in fogli ha formato una struttura tridimensionale stabile e il contorno generale è sostanzialmente determinato.

In questa fase, le parti solitamente presentano:

Struttura complessiva continua
Profondità o altezza evidenti
Distribuzione dello spessore della parete relativamente uniforme (in condizioni di processo ragionevoli)

La necessità di ulteriori lavorazioni dipende dai requisiti specifici del prodotto, ma il processo di disegno ha già completato la fase principale di definizione della forma.

La differenza tra disegno ordinario e disegno profondo

Nei processi di imbutitura della lamiera, non tutte le operazioni di imbutitura sono considerate “imbutitura profonda”. Il fatto che un processo venga definito imbutitura profonda non dipende dal nome, ma dal grado di formatura e dalla difficoltà di lavorazione.

In generale:

Disegno convenzionale: utilizzato per definire i requisiti di forma con variazioni di forma relativamente limitate.
Stampaggio profondo: Utilizzato per la formatura di parti strutturali complesse con elevata profondità di formatura e alto grado di deformazione.

I due si distinguono in base ai seguenti quattro aspetti.

1. Profondità di formazione

Tirare ordinario

La profondità di formatura è relativamente ridotta e il materiale in lamiera viene trasformato da una forma bidimensionale a una tridimensionale, ma l’altezza o la profondità complessiva sono limitate e il cambiamento di forma è controllabile.

Disegno profondo

La profondità di formatura è aumentata significativamente e i pezzi presentano un’altezza o una profondità della cavità maggiori. La lamiera deve essere tirata in una parte più profonda dello stampo per completare la formatura.

2. Grado di deformazione

Tirare ordinario

La deformazione del materiale è relativamente bassa, il processo di allungamento complessivo è relativamente lieve e il cambiamento di forma è principalmente concentrato in aree locali.

Disegno profondo

Il materiale deve resistere a tensioni e flussi maggiori, il che si traduce in un intervallo di deformazione complessivo più ampio e in maggiori requisiti per il controllo del processo.

3. Requisiti relativi alle proprietà dei materiali

Tirare ordinario

I requisiti di plasticità del materiale sono relativamente blandi; i materiali in lamiera con proprietà convenzionali possono soddisfare le esigenze di lavorazione.

Disegno profondo

Sono richiesti requisiti più elevati in termini di duttilità e stabilità del materiale; in caso contrario, è più probabile che si verifichino crepe o instabilità durante il processo di formatura.

4. Difficoltà e costi di elaborazione

Tirare ordinario

Il processo è relativamente semplice, la difficoltà di elaborazione è bassa, è adatto alle esigenze di produzione di routine e il costo complessivo è controllabile.

Disegno profondo

La difficoltà di lavorazione è aumentata significativamente, richiedendo un controllo di processo più rigoroso, e i costi di produzione di prova e di regolazione sono relativamente elevati.

Se un componente viene semplicemente trasformato da una forma bidimensionale a una tridimensionale con una profondità di formatura limitata, si utilizza solitamente il disegno ordinario; tuttavia, quando un componente presenta una struttura più profonda e una grande variazione di forma, è spesso necessario ricorrere al disegno profondo.

Forme comuni di prodotti ottenuti tramite trafilatura di lamiere

Il modo più diretto per determinare se un componente in lamiera è stato prodotto mediante un processo di imbutitura non è quello di esaminare il settore industriale, bensì quello di osservarne la forma. Se un componente presenta le seguenti caratteristiche tipiche, si può generalmente stabilire che è stato formato mediante imbutitura.

Struttura a forma di coppa o di conchiglia

Questa è la forma più tipica di un prodotto estraibile.

I componenti in genere presentano:

Un fondo unico, formato integralmente
Pareti laterali continue che si estendono verso l’alto
La struttura è intatta e non presenta segni di giunzione.

Questo tipo di forma si trova comunemente in vari componenti a forma di conchiglia e contenitore, ed è molto diffuso nei prodotti industriali e negli elettrodomestici.

Struttura cilindrica

Anche i pezzi cilindrici o quasi cilindrici sono un risultato comune del processo di trafilatura.

Le caratteristiche di questo tipo di componente sono:

Sezione trasversale regolare
Spessore della parete relativamente uniforme
Chiara struttura assialsimmetrica

Viene tipicamente utilizzato per componenti che richiedono elevata resistenza strutturale e uniformità complessiva.

Una struttura chiusa con una certa profondità

Quando un componente non è solo alto ma presenta anche uno spazio interno profondo, spesso è necessario formarlo in una o più fasi attraverso un processo di imbutitura.

Questi tipi di prodotti presentano in genere le seguenti caratteristiche:

La dimensione dell’apertura è relativamente fissa.
La cavità interna è relativamente profonda
La struttura complessiva è continua e uniforme.

Si trovano comunemente in componenti automobilistici e aerospaziali.

Tirare parti con struttura del bordo semplice

Dopo la formazione del corpo principale di alcune parti stampate, i bordi possono presentare le seguenti caratteristiche:

Semplice ribaltamento del bordo
filetto di transizione
Rinforzare la struttura dei bordi

Queste caratteristiche sono generalmente progettate per aumentare la resistenza o facilitare l’assemblaggio successivo, ma la forma complessiva è comunque determinata principalmente mediante stampaggio.

Vantaggi e svantaggi della trafilatura della lamiera

La trafilatura della lamiera non è un “metodo di formatura universale”, ma presenta vantaggi insostituibili in determinati contesti.

La decisione di utilizzare o meno un processo di imbutitura dipende spesso dalla struttura del pezzo, dalle proprietà del materiale e dal metodo di produzione.

I principali vantaggi della trafilatura della lamiera

Adatto per la formatura tridimensionale complessa

Il processo di trafilatura permette di trasformare lamiere piane in pezzi con profondità evidente e struttura continua in un unico passaggio, risultando particolarmente adatto per prodotti a forma di coppa e di conchiglia.

Elevato tasso di utilizzo dei materiali

L’intero processo si basa principalmente sullo stiramento e sul flusso del materiale, con una produzione di trucioli pressoché nulla. Rispetto ai metodi di lavorazione per taglio, è più efficace nel controllo degli sprechi di materiale.

I prodotti finiti presentano una buona consistenza e sono adatti alla produzione di massa.

A condizione che il processo e lo stampo siano stabili, le dimensioni e la forma dei pezzi stampati presentano un’elevata ripetibilità, il che li rende adatti alle esigenze della produzione di massa.

I principali svantaggi della trafilatura della lamiera

Elevati requisiti per le proprietà dei materiali

Il materiale deve possedere una buona duttilità; in caso contrario, è soggetto a fessurazioni o instabilità durante il processo di trafilatura.

I costi della muffa sono relativamente alti

Il processo di stampaggio dipende fortemente dallo stampo. Quando la struttura è complessa, l’investimento iniziale e i costi di regolazione dello stampo risultano piuttosto significativi.

Una progettazione inadeguata può facilmente portare al fallimento dello stampaggio.

Se la struttura o le proporzioni dimensionali dei pezzi non sono adeguate, durante il processo di formatura possono verificarsi problemi come grinze, crepe o spessori non uniformi, aumentando il rischio di rilavorazioni.

In sintesi, la trafilatura della lamiera è adatta per componenti con strutture continue e grandi profondità di formatura, ma non è idonea per tutti i prodotti in lamiera. Nelle applicazioni pratiche, è spesso necessario combinare processi di imbutitura profonda, altri metodi di formatura della lamiera o soluzioni di lavorazione della lamiera personalizzate, ed effettuare una valutazione completa prima di prendere una decisione.