Nuove metodologie di monitoraggio nel processo di tranciatura

La tranciatura è un processo che consiste nella separazione per taglio di una lamiera per ricavare componenti singoli con sagomature particolari.

Il processo avviene sottoponendo il materiale a sollecitazioni elevate, oltre il limite di rottura che deformano a taglio il materiale fino a creare una frattura.

La tranciatura è una lavorazione meccanica a freddo eseguita su lamiere metalliche e altri materiali.
Essa consente di sagomare le lamiere tramite l’utilizzo di punzoni, che deformano e tagliano, e matrici che danno la forma.
La tranciatura ha lo scopo di ritagliare una figura geometrica piana, grazie a stampi montati su presse.
Un punzone, collegato alla slitta della pressa, penetra nella matrice tagliando la lamiera secondo la figura corrispondente alla forma data sia dal punzone che dalla matrice. I contorni del punzone e del foro della matrice operano da taglienti.
Al raggiungimento della tensione di rottura al taglio del materiale si genera la vera e propria frattura, che separa l’oggetto tranciato dal resto della lamiera. In questa fase il punzone applica la massima forza.
Da questo momento la forza decresce e il punzone spinge il pezzo tranciato all’interno della matrice, finché quest’ultimo non cade in un raccoglitore.
 
I controlli qualitativi vengono effettuati tramite test distruttivi di componenti scelti a campione. Esiste anche una nuova alternativa è quella del monitoraggio in tempo reale durante la produzione. Misure effettuate durante le lavorazioni permettono di ottenere misure quantitative, così da poter anticipare la presenza di potenziali danni o criticità.
È possibile individuare alcune fasi distinte durante il processo di tranciatura:
  • avvicinamento del punzone alla lamiera,
  • fase di deformazione elastica,
  • deformazione della plastica,
  • inizio delle fratture,
  • propagazione della frattura, fino ad arrivare alla separazione della lamiera tranciata.
In questo processo la qualità è influenzata da diversi fattori che possono condizionare il risultato finale della lavorazione:
  • il primo fattore è dato dal materiale da lavorare e dalle sue caratteristiche,
  • in secondo luogo bisogna considerare i parametri di processo.
I principali parametri da analizzare durante la tranciatura sono il gioco tra punzone e matrice e l’angolo di taglio.
Per ottenere un prodotto di valore bisogna considerare la qualità della superficie di taglio e l’accuratezza della lavorazione.

Nuovi processi di monitoraggio

Un’interessante metodologia è quella di monitorare il processo produttivo tramite tecniche di misura indiretta.
Risulta particolarmente interessante ricorrere alle emissioni acustiche (abbreviate come “AE”) per monitorare le varie fasi del processo.
Questa tecnologia è in grado di quantificare i cambi di microstruttura nel materiale durante la lavorazione.
Un’altra interessante tecnica di monitoraggio è quella di correlazione di immagini digitali (Digital Image Correlation o “DIC”).
Questa metodologia si basa su immagini ad alta risoluzione per misurare gli spostamenti.
Secondo i ricercatori dello studio, la singola tecnica di misurazione presenta limitazioni, ma unendo le due metodologie è possibile offrire un’accurata descrizione delle diverse fasi del processo di tranciatura, così da poter valutare anche la qualità della lavorazione.

Sperimentazione

Alcuni ricercatori dell’università cinese hanno approfondito la questione ed hanno riprodotto un setup sperimentale.
Setup sperimentale per monitorare il processo di tranciatura tramite Correlazione Digitale d’Immagini ed Emissioni Acustiche
Il materiale lavorato è alluminio 6082-T6, utilizzato per strutture e nel settore dei trasporti grazie all’elevata resistenza alla corrosione, alta resistenza e buona saldabilità. La tranciatura è stata effettuata tramite un macchinario universale con un carico massimo di 50 kN sensorizzato dagli autori. Le immagini sono state registrate da una camera CCD per tracciare l’intero processo.
Le emissioni acustiche sono state misurate da due sensori tra i 50 e i 400 kHz, sono state filtrate e amplificate. I test relativi alle misure acustiche hanno evidenziato l’importanza di processare questo segnale eliminando il rumore di fondo ed estraendo dalla registrazione indicatori da utilizzare in fase di analisi.
Sono state effettuate anche delle ispezioni metallografiche tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) per approfondire quando suggerito dai sensori di monitoraggio durante le diverse fasi del processo.

Risultati

Analizzando i segnali registrati durante la tranciatura è possibile ottenere una descrizione completa di quanto avviene durante la lavorazione.

La misura a immagini (Immagine b) permette di identificare, quantificare e soprattutto localizzare la zona di inizio e propagazione della crepa, identificando le zone più sollecitate. Le emissioni acustiche invece (Immagine a) possono essere utili a identificare la transizione tra le fasi del processo. In questo modo è possibile misurare la durata di ogni singola fase da utilizzare come indice di qualità e stabilità del processo.

Dal punto di vista di emissioni acustiche la fase di frattura risulta particolarmente densa di eventi ad alta frequenza ed energia.

Questo poiché viene rilasciata istantaneamente una grande energia nel momento di formazione della crepa generata dal punzone. Accoppiando le due misure in tempo reale è infatti possibile descrivere accuratamente il processo di tranciatura. Queste misure si sono dimostrate interessanti indicatori di ciò che avviene all’interno del materiale durante la trasformazione, così da poterne misurare e tracciare l’evoluzione.

Lo studio proposto dai ricercatori cinesi mostra un’interessante soluzione di monitoraggio di processo. Tramite misure non distruttive e relativamente semplici è possibile approfondire quanto sta avvenendo durante una tradizionale tranciatura. In questo modo viene ridotta la necessità di effettuare numerose misure su componenti finiti sprecando tempo e denaro.

La sensorizzazione di macchinari apre nuovi scenari per la manifattura.

Queste misure effettuate direttamente durante la lavorazione permettono di identificare anomalie durante il processo di trasformazione dovute, ad esempio, a materiali non conformi o a guasti del macchinario. Così da evitare di consegnare componenti difettosi che potrebbero essere scartati o causare guasti.

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