Comprendere le prestazioni degli inserti di punzonatura per parti strutturali leggere del settore automobilistico

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Con l'attuale tendenza del settore dei trasporti verso la riduzione sia del peso dei veicoli che del consumo complessivo di materie prime, sempre più fornitori manifatturieri stanno stampando materiali leggeri, in particolare le leghe di alluminio. È importante che questi produttori comprendano le prestazioni degli inserti per punzonatura che utilizzano su questi materiali.

Poiché i carichi sui bordi degli inserti di punzonatura sono generalmente i più elevati nelle operazioni di stampaggio e superano significativamente lo stress di flusso della lamiera tranciata, questi utensili sono potenzialmente soggetti a maggiore usura rispetto ad altre parti degli stampi di stampaggio. Inoltre, gli utensili usurati possono causare sbavature sui bordi delle parti stampate, particelle di lamiera stampata che si diffondono attraverso le superfici degli stampi di stampaggio e spaccature dei bordi sui componenti stampati dove il bordo tagliato si è allungato.

I produttori devono comprendere le possibili modalità di guasto e identificare le combinazioni di materiali dello stampo e trattamenti superficiali che funzionano bene nella produzione di stampaggio e riducono al minimo il degrado degli inserti di punzonatura.

I ricercatori del Centro di produzione avanzata e materiali dell'Università di Oakland hanno recentemente studiato il comportamento degli inserti di punzonatura nello stampaggio del foglio di lega di alluminio AA5754, tipicamente utilizzato per parti strutturali leggere del settore automobilistico. Hanno confrontato gli inserti M2 non rivestiti con gli inserti M2 rivestiti con Ionbond 42 (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H), ZrN, Tetrabond Plus (ta-C) e Tetrabond (ta-C). Questo studio ha utilizzato il processo di stampaggio con piega a U, che comprendeva operazioni di taglio e piegatura a stiramento e ha consentito ai ricercatori di studiare le prestazioni degli inserti di punzonatura e formatura.

Il design dello stampo progressivo utilizzato per stampare i provini con piega a U è illustrato nella Figura 1 e spiegato in "Rilevazione dell'insorgenza di grippaggio nello stampaggio di lamiere di alluminio". Porzioni del perimetro venivano separate in sequenza dal materiale della bobina mentre scorreva attraverso lo stampo progressivo; successivamente sono stati utilizzati inserti da disegno per tagliare l'ultima porzione del bordo e formare la parte piegata a U.

Sono stati utilizzati inserti di punzonatura realizzati in acciaio per utensili M2 per tagliare quattro diverse aree del perimetro. Con questo approccio, sono state studiate simultaneamente quattro diverse configurazioni di inserti di punzonatura e denominate in base alla loro posizione a destra o a sinistra: LH-out, LH-in, RH-in e RH-out.

Per comprendere i cambiamenti che si verificano sulla superficie del punzone, i ricercatori hanno misurato la rugosità degli inserti prima e dopo il test utilizzando un sistema di profilatura ottica senza contatto modello ContourGT-K di Bruker. Le misurazioni sono state elaborate con il software Bruker Vision64. La rugosità è stata calcolata come valore Sa, che è un valore assoluto della differenza di altezza di ciascun punto rispetto alla media aritmetica della superficie, utilizzando l'equazione di Figura 2.

Dopo il test è stata misurata la rugosità superficiale nella zona di usura visibile. La rugosità è stata riportata per l'area più ruvida degli inserti di punzonatura in correlazione con il numero totale di parti stampate utilizzando ciascuno degli inserti studiati.

Gli inserti sono stati testati in gruppi: destro fuori, destro dentro, sinistro fuori e sinistro dentro. La Figura 3 fornisce un elenco di combinazioni di test e il numero di parti prodotte con questi inserti.

Gli inserti da 1 a 4 sono stati utilizzati per stampare 50.000 parti piegate a U. La ruvidità superficiale è stata osservata sugli inserti rivestiti, ma è aumentata di oltre un fattore quattro sugli inserti non rivestiti. Le immagini degli inserti di punzonatura da 1 a 4 dopo le 50.000 parti stampate sono mostrate nella Figura 4 da entrambi i lati del punzone. Gli inserti non rivestiti mostrano segni di formazione di grippaggio.

FIGURA 1. Questo è uno schema dello stampo progressivo utilizzato per timbrare i coupon di U-bond.

L'inserto 5 (ZrN) è stato utilizzato per stampare solo 9.000 parti. La sua ruvidità è aumentata notevolmente e ha mostrato notevoli segni di grippaggio su entrambi i lati. Gli inserti da 6 a 8 (Tetrabond Plus, Tetrabond e Ionbond 42) sono stati utilizzati ciascuno per stampare 150.000 parti. Hanno mostrato un aumento della rugosità inferiore rispetto ai punzoni non rivestiti utilizzati per stampare 50.000 parti. La Figura 5 mostra gli inserti di punzonatura da 5 a 8 dopo lo stampaggio, da entrambi i lati di ciascun punzone.