Gioco fra punzone e matrice per sbarre in rame e alluminio

Il gioco è la distanza fra il tagliente del punzone e il tagliente della matrice. È un numero solo, è facile sbagliarlo e, sulle sbarre, viene sbagliato più spesso di qualunque altro parametro di attrezzaggio. La maggior parte delle indicazioni pubblicate è stata scritta per lo stampaggio di lamiera da 1-3 mm; la sbarra è 6-20 mm di rame tenero, duttile e incrudente. Le percentuali si trasferiscono. Le conseguenze no.

Esistono due convenzioni e differiscono di un fattore due. Il gioco totale è la differenza fra l'apertura della matrice e la dimensione del punzone. Il gioco per lato è la metà, cioè la distanza radiale in un punto qualsiasi del perimetro. Una tabella di fornitore che dice «rame, 20%» e un'officina che lavora al 10% possono descrivere utensili identici. Stabilisca quale convenzione usi un numero prima di confrontarlo con qualunque cosa. Questo articolo usa sempre il valore per lato e converte le fonti citate dove serve.

Che cosa le sta dicendo il bordo di taglio

Un foro punzonato in una sbarra ha quattro zone, visibili sulla parete e speculari sul ritaglio. Leggerle è la diagnostica più rapida che ha, e non costa nulla.

L'arrotondamento del bordo d'ingresso sta sulla faccia d'ingresso del punzone, dove il materiale snerva e viene tirato dentro il foro prima di tagliarsi, lasciando un labbro arrotondato. La profondità dell'arrotondamento cresce con il gioco, con l'utensile consumato e con la tenerezza del materiale, quindi di per sé non è un difetto. Sul rame ricotto è sempre visibile.

La fascia lucida è la banda brillante sotto l'arrotondamento, dove la parete del foro è stata strisciata dal fianco del punzone. È liscia e diritta, e dal punto di vista dimensionale è il foro. Le indicazioni di attrezzaggio di Dayton Lamina descrivono il gioco ottimale come quello che produce un ritaglio con una fascia lucida pari a circa un terzo dello spessore del materiale e un piano di frattura regolare in linea con essa, e la cosa funziona come regola di accettazione anche per le sbarre.

La frattura è il resto, opaco e ruvido. Corre inclinata perché la cricca viaggia dal tagliente del punzone a quello della matrice, ed è il gioco a fissare quell'angolo. Una superficie di frattura diritta, uniforme e in continuità con la fascia lucida significa che le due cricche si sono incontrate. È tutto qui l'obiettivo.

La bava sta sulla faccia d'uscita del punzone: l'ultimo ponte di materiale che si allunga e si lacera invece di tranciarsi. L'altezza della bava cresce con il gioco, con l'usura del tagliente e con la tenerezza.

Due firme di guasto contano più delle altre. Una fascia di taglio secondario, cioè un secondo anello lucido a metà parete con un gradino fra i due, dice che la cricca dal punzone e quella dalla matrice non si sono incontrate sullo stesso piano e che il materiale fra di esse ha dovuto essere tranciato due volte. È troppo poco gioco. Un grande arrotondamento con una bava sottile e frastagliata e una fascia lucida molto corta è troppo gioco.

Conservi un ritaglio da ogni nuovo set di utensili, etichettato con materiale, spessore e gioco. Confrontare un ritaglio sospetto con uno noto buono richiede quindici secondi e risolve la maggior parte delle discussioni sul fatto che un utensile vada riaffilato o che il gioco sia sbagliato.

Il gioco come percentuale dello spessore, per lato

L'espressione di lavoro è:

c = k × t          (gioco per lato, mm)
apertura matrice = misura punzone + 2c

dove t è lo spessore del materiale e k è il rapporto di gioco. Per la sbarra in rame, k sta in una fascia del 5-12% per lato. Sotto il 5% si entra nel taglio secondario e nel danno termico. Sopra il 12% circa su barra spessa, arrotondamento e controllo del ritaglio cominciano a dominare. Attorno al 10% per lato è il valore di lavoro comune, ed è dove si colloca la maggior parte dei fornitori di utensili per barra semicruda.

La fascia, svolta per gli spessori che compaiono nella quadristica:

Quindi il rame da 6 mm vuole all'incirca 0,3-0,7 mm per lato, e quello da 10 mm all'incirca 0,8-1,2 mm per lato lavorando nella metà alta della fascia. Quelle aperture di matrice sembrano allarmantemente grandi accanto al punzone, se il suo istinto viene dal lavoro su spessori sottili. Sono corrette. La matrice per un punzone da 13 mm in rame da 10 mm al 10% per lato è 15 mm, e il foro che ne esce misurerà vicino a 13 mm, perché è la fascia lucida a fissare la parete, non la matrice.

Le tabelle pubblicate variano, e c'è una ragione. La guida di attrezzaggio di Conic dà al rame un rapporto di gioco di 0,20-0,25 come valore totale su presse servo e oleodinamiche, cioè 10-12,5% per lato, con una nota che dice di moltiplicare per 1,4 sopra i 3,2 mm di spessore. Presa alla lettera, quella nota porta il rame spesso al 14-17% per lato. UniPunch indica il rame al 20% dello spessore per il semicrudo e al 25% per lo stato crudo, di nuovo come totale. Il lavoro di Dayton sul gioco ingegnerizzato, che riguarda lo stampaggio di spessori sottili, sale ancora. La dispersione è reale e non sciatteria: l'ottimo dipende dal fatto che stia comprando durata dell'utensile, bava minima o ripetibilità dimensionale, e quelle tre cose non hanno il massimo allo stesso gioco.

Troppo poco gioco

La cricca dal punzone e quella dalla matrice partono ciascuna dal proprio tagliente e si propagano l'una verso l'altra. Con il gioco corretto giacciono sullo stesso piano e si uniscono. Con gioco insufficiente si superano a vicenda, e il ponte di materiale fra loro dev'essere lacerato in un secondo evento. Ne escono la fascia di taglio secondario, una parete ruvida e incostante e un foro sottomisura rispetto al punzone.

Le conseguenze sull'utensile sono peggiori di quelle sul pezzo. Il rame ritorna elasticamente sul fianco del punzone dopo il distacco, quindi con gioco stretto il foro si chiude sul punzone e ogni corsa finisce in un accoppiamento con interferenza che va forzato al ritorno. La forza di estrazione sale, il fianco si abrade e sulla punta si accumula calore d'attrito. Gli esempi in campo di Dayton mostrano una decolorazione dietro la punta dovuta esattamente a questo meccanismo, con il trattamento termico del punzone danneggiato e la sua vita conclusa molto prima che il tagliente sia consumato. Nei casi gravi la punta si affatica e si stacca.

È allo sfilamento, e non nella corsa di taglio, che avviene gran parte dell'usura. Dayton la colloca fino a due terzi dell'usura totale del punzone, ed è interamente funzione di quanto strettamente il foro stringa il fianco. È questo l'argomento più forte contro il lavorare con il gioco al fondo della fascia sul rame. Il rame è tenero, quindi la pressa non protesta mai. Il conto degli utensili sì.

Anche il tonnellaggio di picco sale con gioco stretto, perché una parte maggiore dello spessore viene tranciata anziché fratturata. Su una macchina con poco margine, è una via plausibile a una slitta piantata sulla barra più spessa della commessa.

Troppo gioco

Il materiale si flette dentro la matrice prima di tagliarsi. L'arrotondamento cresce, la fascia lucida si accorcia, la zona di frattura si prende gran parte della parete e l'altezza della bava sale. Il foro è sovramisura e il suo bordo non è più squadrato, cosa che conta dove il foro è una faccia di giunzione bullonata.

Il guasto operativo è la risalita del ritaglio. All'aumentare del gioco il ritaglio si accoppia più lasco nella matrice e risale con il punzone allo sfilamento invece di cadere. Atterra sulla barra e viene spinto dentro il foro successivo, oppure si incastra nell'estrattore. Sul rame i meccanismi sono l'adesione del film d'olio e il vuoto che si forma fra il ritaglio inflesso e la faccia del punzone. L'adesione magnetica, il solito terzo colpevole nel lavoro sull'acciaio, non si applica.

Le contromisure sono meccaniche: una spina di espulsione a molla nella faccia del punzone con un foro di sfiato laterale, un angolo di spoglia che inflette il ritaglio in modo che sia il suo stesso ritorno elastico a liberarlo, oppure una matrice con una fascia di taglio corta seguita da uno scarico più stretto che trattiene il ritaglio impedendogli di risalire. Limitare l'ingresso del punzone nella matrice a circa 0,5-0,8 mm a fine corsa aiuta, perché un ingresso profondo crea più vuoto in uscita. L'elenco completo e quanto vale ciascuna misura stanno in durata degli utensili e costo per foro.

Fori piccoli in barra spessa

Le sbarre hanno un problema geometrico che lo stampaggio di spessori sottili non ha. Un foro di passaggio per M12 è da 13 o 13,5 mm. In barra da 10 mm il rapporto fra diametro del foro e spessore è circa 1,3; in barra da 12 mm è circa 1,1. È un foro tozzo e profondo, e non si comporta come un foro da 25 mm in lamiera da 3 mm.

Sotto un rapporto fra diametro e spessore di circa 1,5, il ritaglio diventa difficile da inflettere e da staccare. Il carico sul punzone sale, la fascia lucida si allunga, la bava cresce e il foro esce sottomisura. L'indicazione di Dayton è di aggiungere l'1% per lato al gioco nominale quando il foro scende a 1,5 volte lo spessore, salendo a circa il 4% per lato in più quando il diametro del foro eguaglia lo spessore. Applicata a un foro da 13 mm in rame da 12 mm quella correzione non è facoltativa, e spiega perché un set di utensili che lavora magnificamente a 6 mm si comporti male a 12 mm alla stessa percentuale nominale.

I dati di durata utensile di PASS Stanztechnik concordano dall'altra direzione: i loro fattori di declassamento sono 0,6-0,8 per una lavorazione di taglio più piccola di 1,5 volte lo spessore della lamiera e 0,3-0,5 per una più piccola di 1,0 volte lo spessore. Un foro piccolo in barra spessa costa fra la metà e i due terzi della durata utensile che altrimenti otterrebbe.

Forza di punzonatura, e che cosa le fa la geometria della punta

La forza richiesta è l'area sottoposta a taglio moltiplicata per la resistenza al taglio del materiale, F = perimetro × t × τ, oppure F = π × d × t × τ per un foro tondo. Esempi svolti e un insieme di riferimento di resistenze al taglio stanno nell'articolo di accompagnamento su dimensionare la forza di pressa per la punzonatura delle sbarre, e i conti girano direttamente nel calcolatore della forza di punzonatura delle sbarre.

Il gioco interagisce con questo, e così fa la geometria della punta. Un punzone a faccia piana taglia l'intero perimetro in una volta, quindi tutta la forza arriva come picco e lo scarico al distacco è violento. Ricavare una spoglia sulla faccia del punzone sfalsa il taglio e il tonnellaggio di picco cala, ma su sbarra spessa cala meno di quanto suggerisca la comunicazione commerciale. La tabella dei fattori di spoglia di H. Weiss dà, su materiale da 1/4 in (6,35 mm), un fattore di 0,90 per una profondità di spoglia di 1/16 in (1,6 mm), 0,85 per 3/32 in (2,4 mm) e 0,65 per 3/16 in (4,8 mm). Una spoglia poco profonda sul rame spesso compra il 10%. Arrivare al 35% richiede una profondità di spoglia vicina a tre quarti dello spessore della barra, cioè una punta lunga e fragile.

La punta piana dà la forza di picco più alta, il foro più squadrato e il ritaglio più piano. La spoglia a una sola falda, cioè una faccia affilata inclinata di traverso al punzone, dà la maggiore riduzione di forza ma spinge il punzone di lato e, su un punzone tozzo da sbarre, quel carico laterale finisce nella guida e nell'estrattore. La spoglia a tetto, simmetrica rispetto alla mezzeria, bilancia i carichi laterali ed è la scelta abituale per tutto tranne i fori più piccoli. Nella foratura metta la spoglia sul punzone e non sulla matrice: l'elemento che porta l'angolo distorce il proprio lato del taglio, e in un foro punzonato il ritaglio è scarto mentre la barra è il prodotto.

L'alluminio non è rame, e il 6101 non è il 1350

L'alluminio cambia due cose. La resistenza al taglio scende molto, e non scende in modo uniforme fra i gradi usati per le sbarre.

I gradi conduttori teneri della serie 1xxx stanno vicino a 60-80 N/mm² di taglio; UniPunch indica il 1100-O a 62 N/mm² e il 1100-H14 a 76 N/mm², che è l'ordine giusto per la barra 1350-H111. La barra legata e trattata termicamente è un materiale diverso. La resistenza al taglio pubblicata per il 6101-T6 è circa 22 ksi, all'incirca 150 N/mm², e il 6061-T6 è indicato a 207 N/mm². Dimensionare una pressa o un set di utensili per «alluminio, 80 N/mm²» e poi ricevere barra 6101-T6 quasi raddoppia la forza che serve davvero. Stabilisca lega e stato del materiale prima del calcolo del tonnellaggio.

Il gioco per la sbarra in alluminio sta leggermente sotto quello del rame a parità di spessore, tipicamente attorno all'8-10% per lato, perché la resistenza al taglio più bassa lascia propagare la frattura con facilità. Il problema dell'alluminio è l'adesione. Si incolla sull'acciaio da utensili, si accumula sul fianco del punzone e poi riga i cento fori successivi. Il rivestimento aiuta, e PASS Stanztechnik cita un fattore di durata utensile di 2,0-4,0 per un rivestimento appropriato, cioè un tipo specifico per l'alluminio anziché un TiN generico. La lubrificazione aiuta di più. Il fattore di declassamento di PASS per il lavoro senza lubrificazione della lamiera è 0,4-0,6, quindi punzonare a secco la sbarra in alluminio è una falsa economia.

Lo stato del materiale del rame conta allo stesso modo. Secondo la EN 13601, la barra in Cu-ETP è fornita come R220 ricotta a 220-260 N/mm² di trazione, R240 semicruda a 240-300 e R290 cruda a 290-360. Sono valori abbastanza distanti perché un set di utensili messo a punto per uno stato non sia ottimale su un altro.

Prescrivere la bava sul disegno

La maggior parte dei disegni di sbarre non dice nulla sulla bava, e poi il collaudo scarta i pezzi rispetto a uno standard non scritto. Lo strumento per dirlo come si deve è la ISO 13715, Documentazione tecnica di prodotto — Spigoli di forma non definita — Indicazione e quotatura, terza edizione 2017.

La norma prevede un simbolo grafico posto sullo spigolo, con dentro un segno e un valore. Il segno porta il significato:

• + indica eccedenza di materiale ammessa, che la norma chiama passing. La bava è esplicitamente definita come un caso particolare di eccedenza esterna. Un solo valore positivo significa che l'altro limite è zero, quindi il sottosquadro non è ammesso.
• − indica asportazione di materiale richiesta, cioè un sottosquadro. Un solo valore negativo significa che l'eccedenza non è ammessa, quindi nessuna bava è consentita e lo spigolo dev'essere smussato.
• ± indica che entrambe sono ammesse, e può essere usato solo con un valore dimensionale.

La dimensione è lo scostamento massimo ammesso, scritto dopo il segno. Si possono dare entrambi i limiti, superiore e inferiore, incolonnati. La ISO 13715 prevede anche di indicare la direzione in cui eccedenza o sottosquadro sono ammessi, ed è la disposizione che conta di più sulle sbarre, perché una bava sulla faccia di giunzione di un collegamento bullonato è un problema diverso da una bava sulla faccia libera.

Quello che la ISO 13715 non fa è dirle quale numero scrivere. Quello viene dalla funzione dello spigolo:

• Facce di giunzione bullonata: la bava si interpone fra due conduttori accoppiati e li tiene distanziati, riducendo l'area di contatto e alzando la resistenza di giunzione. Dato che la IEC 61439 fissa un limite di sovratemperatura di 70 K ai morsetti per il collegamento di conduttori esterni, la resistenza di giunzione è una questione di conformità e non di estetica. Prescriva il lato della bava, e lo prescriva stretto.
• Pareti dei fori dove passa il gambo del bullone: qui la bava interferisce con il montaggio e può rigare il bullone. Basta un controllo moderato.
• Spigoli vicini a una barriera isolante o a una distanza in aria: è una questione di distanze in aria e superficiali secondo la IEC 60664-1, perché una bava acuta e sollevata alza localmente l'intensità di campo. È anche il punto in cui di solito qualcuno sostiene che una norma imponga la smussatura. Nessuna lo fa. Il trattamento dello spigolo è un mezzo per soddisfare le prescrizioni dielettriche, non un requisito a sé stante.

Per gli schemi di foratura secondo la DIN 43673-1, che fissa posizione e dimensione dei fori più i dati di base per i collegamenti a vite su sbarre rettangolari, la specifica della bava sta sullo stesso disegno dello schema.

Dove il limite è abbastanza stretto da non poter essere tenuto dalla sola punzonatura, la risposta è un'operazione a valle e non un gioco sempre più stretto. La sbavatura a spazzola o a nastro su una macchina come la BND800-2, che lavora barre da 0,5 a 50 mm di spessore e da 100 a 800 mm di larghezza, toglie la discussione. Inseguire una bava da 0,05 mm stringendo il gioco costa insieme durata del punzone e qualità del foro.

Impostarlo e verificarlo sulla macchina

Il gioco appartiene al set di utensili e non alla pressa, quindi su una punzonatrice e cesoia è fissato quando punzone e matrice vengono ordinati e va verificato quando vengono montati. Misuri punzone e matrice separatamente e calcoli il gioco invece di fidarsi dell'etichetta; un punzone riaffilato sul fianco anziché sulla faccia non è più della misura stampigliata sopra. Poi verifichi la concentricità, perché un valore per lato deve tenere tutt'intorno. Un punzone fuori centro di 0,1 mm con un gioco nominale di 0,8 mm dà 0,7 mm da un lato e 0,9 mm dall'altro, e la bava sarà visibilmente asimmetrica. Su un centro di lavoro con torretta multistazione che tiene ±0,05 mm di posizionamento, allineamento delle stazioni e pulizia della torretta fanno parte della catena del gioco.

Che cosa faccia questo flusso plastico locale alla rettilineità della barra è trattato in planarità, rettilineità e svergolamento dopo la lavorazione, e la panoramica sulla punzonatura copre dove il foro si colloca nel resto del ciclo.