Tranciatura tradizionale

1.1   Introduzione alla tranciatura tradizionale

La tranciatura può essere descritta come l'esecuzione di aperture o fori sagomati in una lamiera mediante un attrezzo detto punzone e un contro-attrezzo detto matrice.
Lo scopo finale può essere l'esecuzione dei predetti fori oppure il ricavare dalla lamiera pezzi corrispondenti.
Il diametro della matrice è sempre leggermente maggiore del diametro del punzone in modo che tra i due vi sia un "gioco".
Le fasi principali della tranciatura possono essere descritte con riferimento alla punzonatura di un foro tondo in una striscia di lamiera. Supponiamo che il diametro del dischetto sia di molto maggiore dello spessore della lamiera. La forza di tranciatura viene applicata alla lamiera dalla superficie frontale del punzone: sotto quest'azione la lamiera si piega leggermente tra punzone e matrice. Al crescere del carico sul punzone questo incide la lamiera. Mediante lo scorrimento del materiale del pezzo nella direzione di taglio e nella direzione a questa ortogonale , sul lato entrata del punzone lo spigolo di quest'ultimo penetra nel materiale mentre dalla parte opposta lo spigolo della matrice entra corrispondentemente nella lamiera. Si creano così due cricche che al crescere della corsa si  congiungeranno  causando  la rottura completa della superficie di frattura (fig. 1).

Figura 1 Fasi della tranciatura: I) Impatto del punzone con la lamiera  II) Prima penetrazione del punzone e inizio formazione cricca nella parte inferiore della lamiera, sullo spigolo della matrice  III) Estensione della cricca e distacco del pezzo tranciato.

L'operazione lascia sui bordi sia della lamiera che della rondella tranciata una tipica struttura superficiale articolata in varie zone (fig. 2).

Generalmente possiamo assumere che la superficie di tranciatura è liscia per un terzo dello spessore e strappata per due terzi dello spessore.
Va sottolineato che le matrici hanno lo scarico di tranciatura che consente l'evacuazione del pezzo: di conseguenza si riscontrano differenze di dimensioni dovute alle successive affilature.

1.2   Tipi di stampi e componenti del processo di tranciatura

1.2.1   Tipi di stampi per tranciatura

 

Gli stampi di tranciatura vengono costruiti in una vasta gamma di tipi, ciascuno rispondente a determinate esigenze d'impiego. I più richiesti vengono di seguito descritti.

• Stampo semplice

Punzone con codolo integrale (ossia in un solo pezzo) e matrice, entrambi fissati direttamente alla pressa. Soluzione valida per piccole serie : poche migliaia di pezzi di forma semplice. A questo tipo di stampo appartengono anche le unità di tranciatura per fori, cave e contornature su presse punzonatrici.

• Stampo a blocco
• Punzone, matrice e punzoni per fori o cavi, sono montati su piastre guida con colonne e bussole per tranciare profili esterni di pezzi ed anche fori o cave contemporaneamente. Si ottengono pezzi molto precisi  e piani.

 

• Stampo a passo, a guida fissa

Punzoni tenuti da porta punzoni con codolo, piastra guida,  matrice e base unite con vite e spine. Tale soluzione è adatta per piccole serie di pezzi con profili esterni e interni.

 

• Stampo a passo con punzoni rigidi

Punzoni e matrici sono montati su piastre guida con colonne e bussole; in particolare i punzoni sono installati rigidamente sul portapunzoni. Al posto delle piastre guida è prevista la piastra premilamiera con profilo uguale a quello dei punzoni ma con gioco di 0,2 mm. Questo tipo di stampo è adatto specialmente per alte velocità in quanto i punzoni rigidi non devono più scorrere nella guida con accoppiamento preciso che, ad alte velocità, causa grippaggi. Il montaggio dei punzoni sul portapunzoni deve essere molto stabile in modo da conferire la massima rigidità.

• Stampo a passo con punzoni guidati su piastre con colonne e bussole

E' il tipo di stampo più usato per manufatti complessi e per grandi produzioni, copre un'ampia gamma di pezzi ottenuti per tranciatura (piani, piegati, imbutiti, assemblati, con filettatura) e offre la possibilità di produrne un numero maggiore per ogni colpo di pressa.

1.2.2   Punzoni per tranciatura, piastra porta-punzoni, piastra guida-punzoni

I punzoni vengono costruiti con particolarità geometriche adatte alla funzione che essi svolgono. L'esecuzione più nota è l'affilatura piana ortogonale; è la più economica e viene adottata in modo pressoché esclusivo per la tranciatura di lamiere con spessore fino a 2 mm. Per lamiere di spessore maggiore si usano punzoni provvisti di affilatura concava (l'angolo α deve essere minore di 4°)(fig. 6).

Figura 6 Varie esecuzioni della superficie di testa dei punzoni.
Il punzone c deve offrire sufficiente resistenza alla componente laterale della forza di tranciatura a differenza del punzone d dove questa necessità non si presenta. Per punzoni di piccolo diametro l'affilatura inclinata comporta un certo pericolo di rottura . Il profilo inclinato del piano di taglio offre però il vantaggio di ridurre le sollecitazioni sul punzone e di distribuire la forza di tranciatura. Se lo stampo è caratterizzato da più punzoni, è opportuno che le loro lunghezze siano lievemente differenti  in modo che i diversi punzoni non eseguano la tranciatura tutti contemporaneamente. Con questo accorgimento si riducono sia le sollecitazioni sulla piastra matrice sia la forza richiesta alla macchina. I punzoni di forma complessa vengono opportunamente scomposti in più parti per facilitarne la costruzione (fig. 7 parte b) e in caso di scheggiatura di una parte del tagliente  si può procedere con la sostituzione della sola parte danneggiata.

Figura 7 Punzone monolitico e punzone composto.
Se si adotta un punzone composto da elementi singoli si dovrà fare in modo che le divisioni tra i vari elementi cadano fuori dai raggi di raccordo (oppure si dovrà rinunciare ai raccordi). Poiché nella tranciatura il punzone è l'elemento mobile, in fase di progetto è necessario porre speciale attenzione nella scelta della soluzione più adatta tra le molte disponibili.
I piccoli punzoni possono avere una maggiorazione sulle parti non trancianti che conferirà una rigidità superiore. I punzoni di media grandezza possono avere profilo costante sull'intera lunghezza e testa riportata con viti oppure sagomata e poi brasata. I punzoni di maggiore dimensione potranno essere anch'essi a profilo costante sull'intera lunghezza oppure con la parte tranciante riportata su un supporto e fissata con viti e spine (si fissano direttamente sulla piastra base superiore) (fig. 8).

Figura 8 Diversi sistemi di attacco dei punzoni. Il punzone a destra dispone di parte tranciante riportata.
Quando si trancia con lubrificazione gli sfridi tendono a incollarsi sul punzone per poi risalire sul piano della matrice: si rimedia praticando alcuni fori nel punzone e inserendo estrattori a molla oppure soffiando aria compressa in modo da spingere gli sfridi verso il basso (fig. 9).

Figura 9 Accorgimenti per evitare due tipici inconvenienti negli stampi: in a) e b) si evita la risalita dello sfrido; in c) e d) si evita l'intasamento dello sfrido.
La parte superiore dello stampo è costituita dalla piastra base superiore e dalla piastra portapunzoni. Tra base superiore e base portapunzoni si dispone una contropiastra in acciaio temprato, per evitare che i punzoni di piccolo diametro vadano con il tempo ad incidere la piastra. Sia la base superiore sia la piastra portapunzoni devono essere di un acciaio di durezza non eccessiva scelto in funzione delle sollecitazioni da sopportare. 
La piastra guida punzoni, che negli stampi con guida fissa è disposta sopra la piastra matrice, deve essere dimensionata per garantire una sufficiente robustezza. Per essa si adotta uno spessore di circa 15 mm per piccoli punzoni e fino a 25 mm per quelli maggiori. Quanto meglio il punzone è guidato nella sua piastra guida, tanto più lo stampo viene preservato dall'usura.
Come materiale per queste piastre si usano acciai comuni per basse produzioni e acciai legati per produzioni maggiori.
In ogni caso, grande importanza ha la corretta lubrificazione delle guide. raccomandabile fissare la guida punzoni sulla matrice non solo mediante viti a testa cilindrica, ma anche con spine che ne definiscono esattamente e definitivamente la posizione.
Il passaggio del materiale tra guida e matrice, sempre rispettando la condizione di corretto centraggio con la figura di tranciatura, si ottiene prevedendo un canale avente larghezza pari alla larghezza della lamiera, aumentata di 0,2-0,4 mm, e altezza pari allo spessore della lamiera maggiorato di 1,5 mm e, ancora, maggiorato della sporgenza dal piano matrice dei perni alza-striscia molleggiati atti a superare (se previsto) il tassello d'arresto per il passo. Lo stesso passaggio si può ottenere con l'inserimento di due lardoni collocati fra la guida e la matrice.
Negli stampi con guida a colonne, la piastra mobile dispone di una piastra riportata in acciaio temprato che fa da guida ai punzoni, e farà da premilamiera e da estrattore.
La piastra guida deve accompagnare anche i piloti, elementi generalmente tondi, temprati e rettificati, che  opportunamente posizionati rispetto ai fori predisposti determinano la precisione del passo in uno stampo di questo tipo. Negli stampi a guida mobile, gli stessi lardoni sono fissati alla matrice con viti e spine.

3   Matrici e piastre porta-matrici

Come i punzoni anche le matrici sono temprate e rettificate. Specialmente in stampi di grosse dimensioni, può accadere di dover generare soltanto pochi fori o comunque contorni di ridotto sviluppo per cui le parti di matrice che effettivamente eseguono la tranciatura possono venire disposte separatamente l'una dall'altra su una piastra base sulla quale sono inserite mediante forzamento o fissate sul piano con viti e posizionate con spine.
Nella maggior parte dei casi, la superficie superiore della matrice è allineata (cioè alla stessa altezza) alla superficie della piastra portamatrice. Particolarmente in stampi per la tranciatura di lamiere con spessore di oltre 3 mm vengono impiegate matrici la cui superficie superiore è spogliata in modo da formare un angolo minore di 90° con la superficie di spogliatura interna (fig. 10). L'inclinazione del punzone o della matrice non possono però essere effettuate a piacere: nei casi in cui è importante la planarità del pezzo tranciato la superficie inferiore del punzone deve essere piana e l'eventuale inclinazione dei taglienti va effettuata sulla matrice. Se viceversa il pezzo da utilizzare è la parte circostante residua (a quella asportata dal punzone) vale il criterio inverso (il punzone potrà essere inclinato o bombato).
Talvolta anziché matrici realizzate in un sol pezzo si utilizzano matrici composte. Le matrici devono essere disposte una accanto all'altra facendo coincidere le linee di separazione con il lato di maggiore lunghezza dell'apertura. I singoli elementi di matrice vengono poi bloccati nel telaio dello stampo mediante listelli o cunei.
I vantaggi di questa soluzione si possono così sintetizzare:

• minore sfrido nella costruzione e ridotte deformazioni da tempra
• costruzione più economica specialmente nel caso di forme complicate
• possibilità di costruire separatamente singole parti complicate dello stampo e di inserirle più agevolmente nello stampo stesso

 

Lo spessore della piastra portamatrice dipende dalle sollecitazioni di taglio e dalla forma del contorno da tranciare. Una matrice con contorno circolare comporta una piastra di spessore inferiore a quello richiesto da una matrice con contorno poligonale, irregolare e con angoli acuti, poiché questi ultimi determinano effetti di intaglio.
Lo spessore della piastra è anche legato alle dimensioni della stessa e anche allo spessore della lamiera da tranciare: per esempio, con lamiere sottili (spessore fino a 2,5 mm) e per una dimensione del pezzo di 60×80 mm è sufficiente uno spessore di piastra di 20mm, mentre a parità di spessore della lamiera, con una dimensione del pezzo di 200×250 mm sarà necessario uno spessore di piastra di 30 mm.