Plasticità e Lavorazioni per Deformazione Plastica

HYDROFORMING:L’EVOLUZIONE TECNOLOGICA

DELLO STAMPAGGIO

Il tradizionale processo di imbutitura-stampaggio, benché ampiamente

utilizzato nelle industrie moderne, presenta dei limiti fondamentali: consente di

ricavare imbutiti di altezza limitata, che corrispondono a rapporti di imbutitura

altrettanto bassi, ed inoltre è scarsamente flessibile. Inizialmente, la ricerca

scientifica ha tentato di superare tali vincoli, agendo direttamente sulle

caratteristiche di progetto dell’operazione classica di imbutitura: con

l’introduzione di nuovi sistemi di lubrificazione, con la progettazione di profili

migliori per il punzone e la matrice e con la sostituzione dello stampo con un

tampone di gomma. La tendenza moderna, invece, è quella di rivolgersi verso

nuove tecnologie che consentano di superare tali limiti, garantendo sempre una

produzione altamente efficiente.

A queste esigenze di fattibilità e di produttività si vanno ad aggiungere le

nuove tendenze della produzione che preme verso la riduzione dei costi, la

semplificazione del processo, il miglioramento della qualità del prodotto, nonché

verso la riduzione del peso e del numero di parti assemblate.

In questo contesto, si colloca il processo di Hydroforming, che fa la sua

prima apparizione, intorno al 1950, in Giappone e da più di trenta anni è presente

in diverse applicazioni della moderna realtà industriale.

L’Hydroforming, ovvero la formatura mediante liquido, viene attualmente

realizzata secondo diverse tecniche che si contraddistinguono in funzione del tipo

di prodotto da realizzare.

Il metodo di catalogazione dei processi di Hydroforming non è unico: la

componente per la differenziazione è rappresentata dal parametro di riferimento

che si impiega.

Le classificazioni possono dipendere, ad esempio, dai seguenti fattori:

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• Sistema impiegato per pressurizzare il fluido : in altre parole si considera

il modo in cui l’innalzamento della pressione viene realizzato, o con

l’applicazione di un organo esterno oppure mediante il semplice

avanzamento del punzone. Purtroppo, questo tipo di discorso non sempre

è valido dato che esistono tecnologie che accomunano entrambe le

alternative. L’uso del movimento del punzone per innalzare la pressione

interna, in modo da migliorare le operazioni di deformazione, ha trovato

un particolare sviluppo nella deformazione delle lamiere. Al contrario,

l’uso di una fonte esterna di pompaggio, che provvede ad aumentare la

pressione del fluido, si è ampiamente diffusa come tecnologia per la

deformazione di tubi.

• Contatto tra fluido e pezzo : in questo caso si distingue tra contatto, del

fluido con il pezzo, diretto o indiretto, a seconda dell’interposizione di una

membrana. Nei processi di idroformatura con innalzamento della

pressione, mediante avanzamento del punzone, tipici esempi sono

l’Hydroform process, che avviene tramite l’interferenza di una membrana,

e l’Hydromec process, che avviene per contatto diretto del fluido con il

pezzo.

• Tipo di semilavorato : una terza classificazione, più caratterizzante, può

essere fatta considerando il prodotto semilavorato come elemento di

distinzione tra i diversi processi. Si può ulteriormente distinguere tra i

processi che partono da semilavorati di forma piana e aperti, come, per

esempio, dischi di lamiera, e processi che hanno come semilavorati

prodotti parzialmente chiusi, come tubi o profilati.

Ad ogni modo, la filosofia comune, per tutti i processi di idroformatura, è quella

di ottenere una deformazione plastica del materiale, grazie all’azione di un fluido

in pressione all’interno di uno stampo. Il fluido si comporta, a tutti gli effetti,

come un utensile meccanico, con l’importante differenza di non avere superfici di

strisciamento all’interfaccia del materiale da formare.

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Questa nuova tecnologia, in ogni sua forma, offre vantaggi economici

inconfutabili:

riduzione del costo pieno industriale del prodotto finito , in quanto

diverse operazioni, come, per esempio, quelle di assemblaggio finale,

vengono eliminate;

riduzione dei costi di attrezzaggio , per il fatto che l’utensile

formante è del semplice fluido;

riduzione del numero di passaggi di deformazione , grazie,

fondamentalmente, all’aumento del rapporto limite di imbutitura di una

singola operazione rispetto all’imbutitura tradizionale;

realizzazione di prodotti finiti più leggeri , grazie alla possibilità di

lavorare spessori più piccoli e materiali difficilmente deformabili: leghe di

alluminio, leghe di magnesio, leghe al titanio.

Di contro, esistono due svantaggi fondamentali, che si incontrano quando si

decide di adottare una tecnologia da idroformatura. Il primo riguarda il tempo di

ciclo che in generale è maggiore rispetto a quello di un processo di imbutitura.

Ciò rende la tecnologia poco idonea alle elevate cadenze di una linea di

produzione su larga scala. Viceversa, nelle produzioni di piccoli lotti, in cui i

costi degli stampi assumono un ruolo fondamentale, l’Hydroforming può trovare

ampia applicazione. Il secondo svantaggio è quello che limita maggiormente

l’applicazione industriale di questa tecnologia, cioè la scarsa disponibilità di

Know-how sui parametri che governano il processo e sulla loro messa a punto.

Un grande contributo, nella conoscenza del processo, è stato dato dai codici di

simulazione agli elementi finiti, grazie ai quali è possibile ricavare dati di

processo utili per la regolazione sperimentale.

Per una descrizione più particolareggiata dei diversi tipi di deformazione

da idroformatura, si considera una classificazione in funzione della tipologia di

prodotto finito [Fig.1]:

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Sheet Hydroforming , ovvero Idroformatura di lamiere;

Sheet Metal Pair Hydroforming ,relativo al processo di

Idroformatura di bilamiera;

Tube Hydroforming , o Idroformatura di Tubi.

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Figura 1: Classificazione di un processo di Hydroforming

Sheet Hydroforming

Con tale nome si individua un processo di deformazione di una lamiera piana,

realizzato mediante l’azione di un fluido in pressione che si sostituisce al

punzone o alla matrice.

In realtà, è molto simile al classico processo di imbutitura, tranne per il

fatto che la cavità dello stampo è piena di liquido, cosicché una pressione

idrostatica controllata viene applicata durante tutta la deformazione.

Questo particolare comporta notevoli differenze: mentre, nell’imbutitura

tradizionale, si deve considerare semplicemente la forza che agisce sul

premilamiera e quella prodotta dall’avanzamento del punzone, nel processo di

Hydroforming, esiste una ulteriore componente di forza, generata dalla pressione

che si raggiunge nello stampo, e che, agendo sul fondo del componente, modifica

notevolmente il processo di deformazione.

L’attrezzatura da utilizzare, e pertanto la sequenza di passi da svolgere,

durante un’operazione di Hydroforming di lamiera, sono del tutto simili al caso

di imbutitura tradizionale. Ad ogni modo, tra i diversi processi di Hydroforming

da lamiera è necessario fare una ulteriore distinzione, in funzione del

comportamento del fluido all’interno della camera.

Si parla di Hydraulic counter-pressure deep drawing, quando il fluido

viene continuamente immesso nella camera, mediante un sistema di pompaggio

esterno. Una lamiera sottile, ottenuta da una lavorazione iniziale di tranciatura, di

opportune dimensioni iniziali, viene posta su una cavità circolare riempita di

fluido e bloccata da un premilamiera. Sfruttando una sorgente esterna di

pompaggio, la pressione del fluido viene innalzata e portata ad un valore di

taratura. Il risultato di questo aumento di pressione si traduce in un rigonfiamento

della lamiera, che entra in contatto con il punzone. A questo punto del processo,

viene comandato l’avanzamento del punzone. Di conseguenza, il fluido, a causa

della sua incomprimibilità, inizia a fuoriuscire da una valvola di sfogo, oppure,

nel caso in cui non sia presente la valvola o sia regolata su un valore di pressione

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eccessivamente alto, attraverso il gap che si crea tra il bordo della lamiera e la

superficie della matrice. Il fluire verso l’esterno del liquido in pressione fa sì che

la pressione idraulica, all’interno della cavità, si mantenga costante.

Naturalmente, il modo in cui il liquido riesce a fuoriuscire dalla cavità dipende

principalmente dalla pressione esercitata sul premilamiera. Quando la

deformazione raggiunge la sua fase finale, la fuoriuscita del liquido dalla flangia

è molto più agevole, tanto che la pressione interna inizia ad abbassarsi. Alla fine

del processo, il punzone viene ritratto, il premilamiera sollevato e il componente

finale rimosso dalla cavità. Uno schema tipo di tale processo è visibile nella

Fig.2.

Figura 2: Hydraulic counter – pressure deep drawing

Con questa prima alternativa è anche possibile realizzare un processo a pressione

idraulica variabile, agendo contemporaneamente sul flusso di liquido in ingresso

e sulla pressione sul premilamiera. Se si deve idroformare un pezzo con una

geometria molto complessa, è preferibile farlo con una pressione variabile

durante tutto il processo: si può prevenire un eventuale stiramento nella fase

iniziale della lavorazione regolando la pressione ad un valore più basso e, al

contrario, si può migliorare la riproduzione della forma, aumentando la pressione

nella parte finale del processo.

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Si parla di Hydro-Mechanical Deep Drawing, quando la camera, dove avviene

la lavorazione, viene completamente riempita di liquido, ma non esiste altro

flusso in ingresso, durante il processo, [Fig. 3]. La lamiera, posizionata sulla

matrice, è fermamente bloccata da un premilamiera, su cui viene esercitata una

pressione costante. Tale pressione contribuisce a mantenere la lamiera ferma,

durante la prima fase di spostamento del punzone, quando il flusso idrodinamico

non si è ancora stabilizzato. A causa dell’incomprimibilità del fluido, che

tipicamente è acqua oppure olio lubrificante, la pressione all’interno della camera

cresce rapidamente, in modo particolare, nella prima fase, quando il punzone

inizia a scendere. Mentre il punzone avanza, il fluido, inizialmente in quiete,

viene portato ad una pressione maggiore ed è costretto a scorrere lungo il gap

esistente tra la flangia della lamiera e la matrice. Come risultato si viene a

stabilire un flusso idrodinamico proprio sotto la flangia che determina un

sollevamento di una piccola altezza h sia della corona di materiale che del

premilamiera.

Figura 3: Hydro - Mechanical Deep Drawing

Si può ritenere che, una volta raggiunto il regime, la pressione nella

camera si mantiene costante in ogni punto, mentre la pressione della porzione di

fluido che istantaneamente si trova nella sezione di passaggio tra lamiera e

matrice ha un andamento decrescente verso l’esterno.

L’aumento della pressione nella cavità della matrice, p(Rm), avviene a valori

costanti, in ogni punto della stessa; viceversa, lungo la flangia ancora

indeformata, tale valore di pressione relativa, p(r), diminuisce man mano che ci

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si sposta verso il bordo esterno, tendendo a quella atmosferica, come si rileva

dalla figura qui di seguito riportata.

Figura 4: Andamento pressione lungo la flangia

La pressione relativa p(r) determina una azione di compressione della

superficie superiore della lamiera sul premilamiera, cosicché la resistenza per

attrito su tale interfaccia varia al variare del raggio secondo l’equazione

τ (r)≅ µ p(r) con Rm≤ r ≤ Rext

dove µ è il coefficiente di attrito di Coulomb ed Rext è il valore del raggio

esterno dell’imbutito, in un dato momento del processo di deformazione.

Si osserva che il picco di pressione in camera è direttamente influenzato

dalla forza di precarico esercitata sul premilamiera: una maggiore pressione

applicata sul pemilamiera corrisponde ad un valore maggiore di pressione in

camera, [Fig.5]. Tutto ciò avviene perché il fluido incontra una maggiore

resistenza nel flusso al di sotto della lamiera.

9

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60

Corsa [mm]

Pres

sione

in ca

mer

a [M

Pa]

Carico

Figura 5: Diagramma Corsa - Pressione in camera

E’ naturale pensare, inoltre, che il valore massimo della pressione raggiunto nella

camera è direttamente influenzato dal volume interno della cavità della matrice:

da prove sperimentali, condotte a velocità costante, ad un maggiore volume

interno della matrice corrisponde un incremento più lento ed un valore massimo

più basso della pressione in camera.

Si può pensare che tutto il flusso di fluido sotto la corona di lamiera può essere

studiato come un flusso all’interno di un condotto a sezione circolare, di diametro

pari all’altezza del meato h che si genera durante il processo. In questa ipotesi, la

velocità delle particelle fluide sarà uniforme e diretta parallelamente alla parete

stessa, cosicché, lungo tutta la sezione del tubo, si avrà la formazione di uno

strato limite idrodinamico completamente laminare. Difatti, rispetto al problema

in esame, dove la lunghezza del tubo di flusso è sicuramente maggiore del suo

diametro, ha senso supporre che il moto sia stazionario: ogni elemento di fluido

non accelera nel senso del moto, ma procede a velocità costante e la somma delle

forze ad esso trasmesse dal fluido circostante è nulla. Al contrario, a causa

dell’avanzamento a velocità costante del punzone e, conseguentemente, della

conservazione della portata in regime stazionario, la velocità del fluido

all’interno dello strato limite deve aumentare. Se le proprietà del fluido sono

costanti, si avrà, quindi, che il profilo di velocità, nel caso di moto laminare,

assume un aspetto parabolico, [Fig.6]: le particelle più vicine all’asse del tubo

saranno dotate di velocità maggiore, mentre quelle che fluiscono lungo la parete

risulteranno più rallentate. In realtà, a causa dello scorrimento della flangia in

senso inverso al moto del fluido si stabilisce un movimento contrario delle

particelle a diretto contatto con essa. Ciò comporta una riduzione della sezione

del tubo di flusso, che, comunque, può essere trascurabile in relazione al valore

dell’altezza h.

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Figura 6:Andamento velocità del fluido

Indipendentemente da quale delle due alternative si sceglie di utilizzare,

sia i vantaggi che gli svantaggi rimangono immutati. La scelta può essere dettata

da esigenze di forma dei componenti da realizzare, che indirizza verso la prima

alternativa, o da esigenze di economicità, che, al contrario, spinge verso la

seconda, in cui si ha un ulteriore risparmio, per l’assenza del sistema di

pompaggio.

Imbutitura vs. Idroformatura di lamiere Rispetto all’imbutitura classica una prima differenza si riscontra in un

incremento del carico sul punzone, proporzionale al valore della pressione

interna.

I limiti di formabilità di un processo di imbutitura dipendono,

contemporaneamente, dalla resistenza a trazione offerta dalla lamiera, in

corrispondenza della base del punzone, e dalla resistenza a deformazione delle

flange, caratteristiche di ogni materiale. A tali limiti si deve aggiungere la

componente dovuta alla forza d’attrito, che ostacola il normale flusso di materiale

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tra premilamiera e matrice. Questi limiti, in parte se non completamente vengono

superati con le nuove tecnologie.

Adottando un processo idroformante, ovvero una pressione idrostatica

interna che determina delle forze di attrito più alte all’interfaccia lamiera –

punzone, si ricava una notevole riduzione delle tensioni assiali agenti sul fondo

della coppa: lo schiacciamento della lamiera sul punzone riduce le tensioni assiali

agenti sulla parete laterale dell’imbutito e, di conseguenza, la trazione cui risulta

sottoposto il fondo del componente. Tutto questo implica una riduzione del

pericolo di rottura rispetto al processo tradizionale: un’eventuale rottura di un

componente, realizzato mediante imbutitura tradizionale, si verifica in

corrispondenza del raggio di raccordo del punzone, a causa delle elevate tensioni

assiali; mentre, nell’idroformatura il pericolo di frattura si sposta in

corrispondenza del raggio dello stampo e si manifesta nel caso in cui si supera il

limite di deformabilità propria del materiale, [Fig.7].

Per quanto riguarda la resistenza a deformazione delle flange, la

fuoriuscita del fluido, attraverso il gap tra lamiera e matrice, comporta un

notevole abbassamento della resistenza che il materiale oppone a scorrere

verso l’interno della camera, cosicché il fluido stesso si comporta come mezzo

lubrificante. Entrambi questi aspetti implicano un aumento del limite di

deformabilità delle lamiere, in un unico processo di idroformatura, e, quindi, un

indubbio vantaggio, in termini di maggiore produttività.

Rottura al raggio della matrice Rottura al raggio del punzone

Figura 7: Possibili rotture dell’imbutito

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Nel processo di imbutitura convenzionale, il problema

dell’assottigliamento del materiale a contatto con il punzone rappresenta un

motivo aggiuntivo che potrebbe portare ad una eventuale frattura. Al contrario,

nell’Hydroforming, l’alta pressione interna, bloccando la lamiera contro il

punzone, consente di controllare meglio tale fenomeno, grazie ad una migliore

distribuzione della deformazione da cui generalmente deriva uno spessore finale

più uniforme.

Dalla somma di tutti questi aspetti, si intuisce facilmente come utilizzando

una qualsiasi alternativa di Sheet Hydroforming migliora il limite di formabilità

in un solo passaggio: mediante prove sperimentali, si è dimostrato che il massimo

rapporto di imbutitura per un materiale

β = PD

D0

indice della profondità massima che si può raggiungere con una operazione di

imbutitura, aumenta notevolmente. Sperimentazione su lamiere di Acciaio

A622M ha restituito valori di β =2.62 contro il 2.1 raggiungibile al massimo con

l’imbutitura tradizionale, con un guadagno del 25% sul limite di imbutitura.

I vantaggi riscontrati sono dovuti in prevalenza alla presenza della

pressione del fluido, che spinge il componente dal basso contro il punzone

tendendo ad allontanarlo dalla matrice. Di conseguenza, si può ritenere che il

parametro più importante che governa il processo di idroformatura è

rappresentato dalla pressione raggiunta in camera: questo valore dipenderà dalla

taratura della pompa volumetrica, nel caso di Hydraulic counter Perssure Deep –

Drawing, ovvero dalla forza di precarico sul premilamiera, nel caso di Hydro –

Mechanical Deep Drawing.

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