Forgiatura di Precisione: Missione (Im)possibile? La Mia Caccia ai Difetti Nascosti!

Amici appassionati di tecnologia e produzione, oggi voglio portarvi con me in un’avventura nel cuore pulsante dell’industria, dove il metallo rovente prende forma sotto colpi potentissimi. Parliamo di forgiatura di precisione a caldo, un’arte tanto affascinante quanto complessa, soprattutto quando si tratta di produrre pezzi con geometrie particolari, come quelli con protuberanze trasversali, realizzati in sistemi multipli. Immaginatevi di dover sfornare migliaia di componenti per serramenti, piccoli ma cruciali, e di scoprire che alcuni presentano difetti fastidiosi: curvature anomale dell’intero pezzo o inclinazioni impreviste del gambo, quell’elemento conico che sporge. Un vero rompicapo!

La Sfida: Difetti Misteriosi e Tolleranze Strette

Mi sono trovato di fronte a questo problema: elementi forgiati per ferramenta di finestre che, nonostante un processo produttivo su un martello idraulico da 16 kJ apparentemente ben rodato, mostravano queste imperfezioni. La cosa frustrante è che i difetti apparivano in modo casuale, non ciclico. A volte, su una serie di 500 “foglie” (ogni foglia contiene 6 forgiati singoli, per un totale di 3000 pezzi!), ne trovavamo circa 15 difettosi. Non tutti i pezzi di una singola foglia erano rovinati, spesso solo uno o due, indicando che il problema poteva sorgere in diverse fasi del ciclo.

Questi componenti sono leggeri, sottili e richiedono una precisione dimensionale e di forma elevatissima (parliamo di tolleranze di 0,1-0,15 mm e 0,5-1,0 gradi). Capite bene che anche una minima deviazione può compromettere l’intero lotto. L’analisi preliminare ha subito puntato i riflettori su alcuni sospetti: le deformazioni elastiche degli stampi, la loro costruzione, la geometria delle impronte di lavoro e le condizioni tribologiche (l’attrito, per intenderci) in continuo cambiamento. Insomma, un bel mix di variabili!

Indagine Approfondita: Simulazioni e Telecamere Super Veloci

Per venire a capo della matassa, ho deciso di adottare un approccio multidisciplinare. Da un lato, mi sono tuffato in simulazioni numeriche avanzate utilizzando il software Forge 3.0 NxT. Questo mi ha permesso di “vedere” cosa succede al metallo durante la forgiatura, analizzando la distribuzione delle temperature, le forze in gioco, il corretto riempimento delle impronte e, soprattutto, la possibile formazione di difetti. Ho testato due varianti di utensili: il processo standard e uno con la cosiddetta “bava perpendicolare rotta”, un accorgimento per migliorare la rigidità del pezzo.

Dall’altro lato, ho messo in campo una telecamera ad alta velocità (Phantom VEO 710) per misurare dinamicamente gli spostamenti reciproci degli stampi durante il processo. È incredibile cosa si possa scoprire osservando l’azione al rallentatore! Questi test hanno evidenziato come una modifica oculata nella costruzione (geometria) degli utensili e l’uso di “chiusure” (sistemi di bloccaggio tra le matrici) possano minimizzare questi spostamenti e, di conseguenza, migliorare la qualità e la precisione dei forgiati.

Un aspetto cruciale nella forgiatura a caldo è la gestione delle temperature. Abbiamo monitorato attentamente sia gli stampi che il materiale da forgiare (acciaio 1.7139 riscaldato a 1250 °C). Gli stampi, realizzati in acciaio 1.2373 con durezza di circa 52 HRC, vengono preriscaldati a circa 140-180 °C. Le misurazioni con termocamera, verificate con pirometro e termocoppia, hanno mostrato che lo stampo superiore tende a raffreddarsi (fino a 100 °C, momento in cui si ferma il processo per riscaldare) mentre quello inferiore si riscalda, a causa dei diversi tempi di contatto con il pezzo caldo. Anche la temperatura del materiale in ingresso, seppur con qualche variazione, rientrava nei parametri accettabili (tra 1100 °C e 1300 °C).

Un altro fattore considerato è stata la lubrificazione manuale degli stampi, che può introdurre una certa variabilità. Ma il sospettato numero uno rimaneva il design non ottimale degli utensili, specialmente per pezzi lunghi e sottili come questi, che poteva causare l’adesione del forgiato allo stampo superiore o inferiore, e lievi movimenti relativi tra le matrici.

Le Simulazioni Numeriche al Microscopio

Entriamo nel dettaglio delle simulazioni. Ho modellato gli stampi come deformabili, utilizzando le proprietà dell’acciaio per lavorazioni a caldo 1.2367. Le condizioni di attrito sono state definite con il modello di Coulomb (μ=0.25) e sono stati impostati i coefficienti di scambio termico.

• Variante A (Processo Standard): Questa configurazione prevede tre coppie di elementi doppi, con i perni allineati sull’asse del materiale. Il processo si realizza in tre colpi: due nella passata di sgrossatura e uno nell’impronta di finitura. Le simulazioni hanno mostrato un corretto riempimento e spessore della bava nella sgrossatura con una forza di circa 4 kN e un solo colpo al 90% dell’energia del martello. Per la finitura, la forza era di 11,5 kN (energia di 4,1 kJ) con un solo colpo. Le deformazioni elastiche degli stampi raggiungevano circa 0,34 mm lungo l’asse Y e 0,17 mm lungo l’asse Z nella sgrossatura, valori simili anche in finitura. Criticità emerse: alte pressioni nelle aree dei perni, che potevano ostacolare il riempimento.
• Variante B (Bava “Rotta”): Qui, per aumentare la rigidità del pezzo forgiato, la bava veniva formata perpendicolarmente verso l’alto nello stampo superiore. Il processo richiedeva un colpo in sgrossatura e uno in finitura. Tuttavia, le simulazioni preliminari hanno indicato che per ottenere il corretto riempimento in sgrossatura erano necessari due colpi. Questo comportava un certo raffreddamento e, soprattutto, forze di forgiatura elevate (oltre 20 kN nel secondo colpo di sgrossatura) a causa dell’incrudimento del materiale, con energie di 9 e 13 kJ. Le deflessioni degli stampi erano significativamente maggiori rispetto alla Variante A (fino a 0,8 mm sull’asse Z nella sgrossatura), a causa della difficoltà di flusso del materiale nella bava piegata e della necessità dei due colpi. In finitura, le forze erano inferiori rispetto alla sgrossatura, ma le deformazioni elastiche, seppur dimezzate rispetto alla sgrossatura della Variante B, erano comunque superiori a quelle della Variante A.

Le simulazioni, quindi, suggerivano che il processo standard (Variante A) fosse tecnologicamente ben progettato. La Variante B, pur promettente per la rigidità, introduceva complicazioni e carichi maggiori.

La Prova del Nove: Test Industriali e Misure di Precisione

Le simulazioni sono fantastiche, ma la realtà industriale è il vero banco di prova. Abbiamo quindi condotto test tecnologici per le diverse varianti, monitorando gli spostamenti degli stampi con la telecamera ad alta velocità e misurando la geometria dei pezzi forgiati con scansioni 3D e una macchina di misura a coordinate (CMM).
Per i test con la telecamera, abbiamo applicato dei marcatori speciali sugli stampi e sugli adattatori per tracciare i movimenti sui piani Y (orizzontale) e Z (verticale). L’obiettivo era capire se lo stampo superiore si spostasse orizzontalmente rispetto a quello inferiore oltre il gioco consentito e valutare l’effetto delle chiusure. È emerso che dopo circa 1 ms si perde il contatto tra le facce degli stampi e dopo circa 4 ms non c’è più contatto nemmeno oltre le chiusure, con lo stampo superiore che si solleva di circa 10 mm. Questo, in un processo dinamico con velocità di impatto di circa 22 m/s e tempi di deformazione inferiori a 0,01 s, può influenzare la deformazione dei perni.

Abbiamo testato:

• Variante A: Processo standard con chiusure.
• Variante B: Bava “rotta”, senza piastre di irrigidimento laterali aggiuntive (i test preliminari con piastre avevano mostrato un aumento dell’attrito e delle forze).
• Variante C: Processo standard con chiusure e piastre di irrigidimento laterali aggiuntive.
• Variante D: Processo standard ma senza chiusure negli stampi.

I risultati degli spostamenti sono stati illuminanti:

• Le chiusure hanno l’effetto più significativo nel ridurre gli spostamenti. Senza chiusure (Variante D), gli spostamenti erano molto più grandi fin dall’inizio, arrivando fino a 0,8 mm.
• Con le chiusure (Varianti A, B, C), gli spostamenti degli stampi erano di poco superiori a 0,15 mm (circa 0,2 mm per gli adattatori).
• Le piastre di irrigidimento aggiuntive (Variante C) riducevano ulteriormente le distanze massime a 0,1 mm (0,15 mm per gli adattatori).
• La Variante B (bava “rotta”) mostrava valori di spostamento simili al processo nominale con piastre di irrigidimento.

Questo conferma che le chiusure “smorzano” gli spostamenti fin dall’inizio, riducendo la possibilità di distorsione dei perni.

Infine, le misure CMM sui pezzi forgiati. L’inclinazione del perno doveva essere tra 89,1° e 91,5°.

• Nelle Varianti A, B e C, gli angoli di inclinazione dei perni erano entro le tolleranze (massima deviazione da 90,5° nominale: 91,95° e 91°, corrispondenti a deviazioni di 1,45° e 0,97°). Lo “joggle” (disassamento tra parte superiore e inferiore del forgiato) era inferiore a 0,1 mm, e addirittura sotto 0,05 mm per la Variante B, confermando l’efficacia delle chiusure e l’effetto irrigidente della bava rotta.
• Nella Variante D (senza chiusure), i difetti di inclinazione dei perni erano evidenti (deviazioni di 2-3°), squalificando i prodotti. Anche lo joggle era eccessivo.

La Variante C (con piastre aggiuntive) ha contribuito a minimizzare la deformazione dei perni, ma non è utilizzabile in produzione continua per gli alti carichi sul martello. La Variante B, pur minimizzando gli spostamenti, non ha eliminato completamente la deformazione dei perni come sperato e ha allungato il tempo ciclo (15 s contro 12 s).

Conclusioni (Provvisorie) di un’Indagine Complessa

Cosa ho imparato da tutta questa indagine? Innanzitutto, che produrre forgiati di precisione così piccoli e complessi su un martello, in sistemi multipli, è una vera sfida. Le alte velocità di deformazione sono decisive. Anche se la tecnologia implementata era corretta, dettagli come il ritiro termico e le deformazioni elastiche degli stampi diventano critici e possono causare quei fastidiosi difetti casuali.

Le simulazioni numeriche si sono rivelate uno strumento preziosissimo per testare virtualmente le modifiche al design degli stampi, permettendo un’analisi rapida. Tuttavia, per prodotti così particolari, la verifica in condizioni industriali è imprescindibile. La soluzione con la “bava rotta”, ad esempio, non ha dato i risultati sperati sull’eliminazione della deformazione dei perni, nonostante le premesse.

L’uso delle chiusure negli stampi è risultato fondamentale per ridurre gli spostamenti relativi e migliorare la qualità. Nonostante i progressi, il problema dell’eliminazione totale dei difetti di forgiatura in sistemi multipli, specialmente per periodi operativi lunghi, rimane una sfida scientifica aperta. C’è ancora spazio per ulteriori ricerche e verifiche per perfezionare questa tecnologia. La caccia ai difetti, insomma, non è ancora finita!

Fonte: Springer