Piegatura della lamiera: tecniche e criticità

La piegatura della lamiera è un processo di deformazione plastica in cui una lamiera piana viene deformata localmente per mezzo di un’azione di flessione. La piegatura della lamiera può essere eseguita su presso-piegatrici oppure su piegatrici tangenziali o pannellatrici.
Per la piegatura bisogna tenere presente i limiti di resistenza meccanica del materiale. Durante la piegatura, infatti, si supera lo snervamento in modo che la deformazione impressa sia permanente (in campo plastico). È importante però che il materiale sia sufficientemente resiliente: la deformazione del campo plastico deve essere sufficientemente ampia da non raggiungere la deformazione di rottura, altrimenti il pezzo si cricca lungo la linea di piegatura.
Esempi di materiali lavorabili per piegatura sono tutti i materiali malleabili: l’acciaio dolce, l’acciaio inox (esempio AISI 304, 316, 410), l’alluminio, il rame. Anche gli acciai alto-resistenziali sono (con qualche difficoltà) lavorabili per piegatura. Esistono diverse tecniche di piegatura della lamiera che comportano vantaggi e svantaggi.

Tecniche di piegatura della lamiera

In funzione del tipo di utensile usato per la lavorazione di piegatura, è possibile distinguere diverse categorie.

Piegatura in aria

La piegatura in aria sfrutta una lama (o coltello) mobile superiore che, scendendo, pressa la lamiera in una matrice inferiore fissa, a forma di V. La lamiera piana da piegare è in contatto con la macchina utensile per tre punti: uno è lo spigolo della lama e i due restanti sono i bordi della matrice inferiore. La regolazione dell’angolo di piega è ottenuta tramite la posizione della lama rispetto a quella della matrice: più la lama si abbassa e più la piega ha un angolo acuto. In quest’ultimo caso si parla di piega chiusa, viceversa si parla di piega aperta. Poiché il materiale prima di raggiungere il campo plastico attraversa la fase puramente elastica, quando la piegatura termina, il pezzo tende a tornare alla posizione d’origine per effetto elastico. Questo fenomeno è chiamato “ritorno elastico” e provoca tipicamente pieghe aperte. In pratica, se il materiale viene piegato a 90° esatti, per il ritorno elastico, dopo la lavorazione, troveremo una piega più aperta (circa 93°). Per tale ragione è tipico compensare il ritorno elastico eseguendo pieghe volutamente più chiuse (per esempio di 87°) perché dopo la lavorazione si “apriranno” per ritorno elastico al valore desiderato (nell’esempio precedente, 90°). Questa tipologia di piegatura è tra le più diffuse.
Da notare che a volte le pieghe in aria possono essere classificate come “pieghe strozzate”. Le pieghe strozzate si ottengono quando si progetta un pezzo con molteplici pieghe (per esempio uno scatolato) in cui le pieghe sormontano tra loro per garantire un migliore risultato estetico, oppure per facilitare la successiva saldatura dei bordi. In questo caso, la linea di piega è interna al materiale stesso e non ci sono scarichi. Lo svantaggio delle pieghe strozzate è che alla lunga tendono a rovinare gli utensili di piegatura. È quindi preferibile prevedere uno scarico nel caso di pieghe contigue.

Vantaggi della piegatura in aria

I vantaggi della piegatura in aria sono:

• minor forza,
• possibilità di lavorare grossi spessori
• libertà nella selezione dell’angolo di piega desiderato sfruttando l’altezza della lama.

Gli svantaggi sono, invece, che è richiesta un’elevata precisione di posizionamento della lama e la necessità di compensare il ritorno elastico ad ogni piega.

Coniatura o piegatura a fondo cava

La coniatura, anche detta piegatura a fondo cava, concettualmente è simile alla piega in aria, ma in questo caso, come dice la parola stessa, la lamiera viene fatta aderire al fondo della matrice dalla forza premente della lama. La lama e la matrice hanno lo stesso angolo (cosa non necessariamente vera per la piega in aria). La coniatura è concettualmente assimilabile a una via di mezzo tra la piegatura e l’imbutitura in quanto la lamiera ricalca la forma dell’attrezzatura usata per deformarla. Questa tecnica è usata prevalentemente per lamiere sottili su pieghe a 90°. I vantaggi della coniatura sono la ripetibilità e la precisione, ma gli svantaggi sono la maggiore forza necessaria e la poca flessibilità del processo (per ogni angolo di piega bisogna avere matrice e lama apposite, in netta contrapposizione con la flessibilità della piega in aria).

Pieghe schiacciate

Le pieghe schiacciate sono delle pieghe che servono per arrotondare lo spigolo vivo presente sullo spessore del materiale e fare in modo che la bava del taglio non possa tagliare involontariamente l’utente che viene in contatto con il manufatto di lamiera. Per questa ragione, le pieghe schiacciate sono anche dette “salvamani”. Queste pieghe vengono eseguite in due passaggi: inizialmente viene eseguita una piega in aria molto chiusa (per esempio a 30°); successivamente, avviene la chiusura finale (piega a 0°) portando i due lembi della piega a sovrapporsi tramite un utensile detto “pestone” che è composto da due piani che si chiudono paralleli tra loro.

Progettazione delle lamiere

La progettazione delle lamiere non è da sottovalutare anche se apparentemente potrebbe sembrare semplice. L’insidia maggiore consiste nel calcolo corretto dello sviluppo della lamiera che necessita del rispetto di due parametri fondamentali:

• Il fattore k: questo parametro è definito come il rapporto tra l’effettiva posizione dell’asse neutro dalla superficie interna della lamiera e lo spessore totale della lamiera. L’asse neutro rappresenta la fibra che rimane non deformata prima e dopo la piegatura. Usualmente l’asse neutro si trova sempre spostato verso il raggio interno della lamiera, quindi usualmente si ha 0.2<k<0.5.
• Il raggio interno: è il valore effettivamente misurato sul pezzo dopo la piegatura. Bisogna considerare però che il raggio di curvatura effettivo non è un cerchio perfetto ma bisogna approssimarlo con un arco di cerchio.

All’atto pratico le aziende moderne sfruttano la progettazione tramite CAD in cui ci sono dei database di misure rilevate sperimentalmente, che poi vengono generalizzate.
Un’alternativa è quella di usare il “regolo di piegatura”. Questo è un pratico strumento che in base al materiale, spessore e dimensione della cava della matrice suggerisce il raggio interno e il tonnellaggio necessario. Per la stima del fattore k, invece, si può ricorrere a tabelle e/o formule note (per esempio alle formule previste dalla normativa DIN).
È importante che la progettazione in ufficio tecnico sia basata su dati reali. Ciò implica che l’ufficio tecnico deve progettare tenendo bene a mente le attrezzature e i limiti tecnologici dell’officina.

Criticità della piegatura

Il processo di piegatura è particolarmente critico e delicato e necessita, quindi, di continue correzioni da parte dell’operatore, quali:

• Ritorno elastico. Dopo la piegatura c’è un piccolo ritiro in quanto il materiale tende parzialmente a tornare nella posizione originale (la piega tende ad aprirsi). Questo perché una volta rimosso il carico le tensioni interne si alleviano per effetto elastico.
• Finitura del materiale. Le lamiere mandorlate e le lamiere forate hanno una forte disomogeneità di spessore e rendono la piegatura molto variabile.
• Lo spessore dei fogli non è sempre costante a causa delle tolleranze di laminazione. Questo si ripercuote sull’angolo di piega che può essere più aperto o più chiuso. Tale errore di angolo di piega causato da variazioni di spessore è ulteriormente accentuato se si impiegano delle cave strette.
• Isotropia del materiale. Poiché le lamiere hanno un senso di laminazione, le proprietà meccaniche possono essere differenti se misurate in senso parallelo o perpendicolare al senso di laminazione. Per questo è importante che durante il nesting dei fogli durante il taglio laser si abbia cura di dividere eventuali lotti di pezzi tagliati con diversi sensi di laminazione e, se possibile, avere tutti i pezzi orientati nella stessa direzione.
• Composizione del materiale. Colate diverse da parte delle acciaierie introducono una variabilità della resistenza meccanica di diversi lotti di produzione anche a parità di materiale e spessore.
• Quando la piegatura è eseguita manualmente, bisogna considerare anche il fattore umano. È importante, quindi, avere cura della disposizione degli utensili e dell’attrezzaggio, oltre che della vera e propria fase di lavorazione.

Ciclo di piegatura

L’ultima criticità da citare è sicuramente il ciclo di piegatura. Spesso l’esperienza del piegatore esperto può fare la differenza sulla riduzione di un tempo ciclo e/o sulla fattibilità di un pezzo complesso. Le principali linee guida per redigere un ciclo di piegatura sono:

• Prima si eseguono le pieghe corte, poi le pieghe lunghe. Usualmente, nel caso di pannellature rettangolari si eseguono prima le pieghe sul lato corto e poi sul lato lungo.
• Prima si eseguono le pieghe più esterne, poi le pieghe più interne.
• Se necessario, magari per una collisione tra pezzo e macchina utensile, eseguire delle pre-pieghe da riprendere ed ultimare in un secondo momento.
• Analizzare con occhio critico il ciclo proposto dal CAM che non necessariamente propone il ciclo più efficiente.
• Affidarsi alle simulazioni CAM per verificare le eventuali collisioni con il pezzo.

Tecnologie per il controllo dell’angolo di piega

Le piegatrici, per garantire migliori risultati di piegatura, possono essere attrezzate con sistemi di acquisizione in real-time degli angoli di piega in modo da recuperare e compensare la somma degli inevitabili errori di processo che scaturiscono a causa dei problemi sopra riportati. Esistono diverse tecnologie per il controllo dell’angolo di piega, tra cui:

• Sistemi ottici laser che traguardano il profilo del pezzo durante la piegatura.
• Sistemi con tastatori meccanici alloggiati direttamente sulla macchina.
• Sistemi con tastatori meccanici incorporati all’interno della matrice stessa.
• Sistemi con tastatori meccanici incorporati all’interno del punzone stesso.

La calandratura

La calandratura è un processo di deformazione plastica in cui modifica il profilo di una lamiera conferendogli una forma curvata ad arco di cerchio. Ciò viene fatto tramite una macchina utensile chiamata calandra che, mediante rulli, consente di curvare le lamiere sino a far loro assumere una forma cilindrica o conica. Il raggio di piegatura necessario alla curvatura delle lamiere si ottiene applicando ai rulli un momento flettente tale da far loro raggiungere il campo di plasticità del materiale. Il minimo raggio di calandratura è limitato dalle dimensioni dei rulli.
Contrariamente alla piegatura, la calandratura è un processo in cui la deformazione non è localizzata su una linea (la linea di piega), ma bensì su tutta la lunghezza del pezzo.
La calandratura può essere eseguita non solo su lamiere, ma anche su tubi, travi e profilati vari, con raggi più o meno ampi. Esempi di lamiere calandrate si possono trovare in cisterne, grandi anelli e serbatoi in pressione di diametro medio-grande.

Autore: Alberto Mora

Per la stesura di questo articolo sono state consultate le seguenti fonti:
E. Corrieri, “La piegatura della lamiera”, Tecnologie Industriali, 2017
Calligaris L., Fava S., Tomasello C., “Manuale di meccanica”, Hoepli, 2016