Cos'è la forgiatura a freddo: processo, materiali, usi, vantaggi e svantaggi della forgiatura a freddo

Il rapido sviluppo dell’industria automobilistica, motociclistica e delle macchine utensili ha fornito la forza trainante per lo sviluppo dello stampaggio a freddo come tecnica tradizionale. La domanda di pezzi forgiati nel solo settore automobilistico supera i 10 milioni di tonnellate. Lo sviluppo della tecnologia dello stampaggio a freddo è principalmente finalizzato allo sviluppo di prodotti ad alto valore aggiunto e alla riduzione dei costi di produzione e, allo stesso tempo, si sta anche infiltrando o sostituendo nei processi di taglio, metallurgia delle polveri, fusione, forgiatura a caldo e formatura della lamiera. Può anche formare processi compositi combinandosi con questi processi. Poiché la forgiatura a freddo viene eseguita a temperatura prossima a quella ambiente, alcuni materiali sono più adatti alla forgiatura a freddo e altri non possono essere lavorati. Questo articolo introdurrà materiali che hanno una buona compatibilità con la forgiatura a freddo e casi di studio che risolvono problemi relativi ai materiali.

Cos'è lo stampaggio a freddo T tecnologia ?

La forgiatura a freddo si riferisce ad un metodo di formatura che modella i materiali metallici (metalli) applicando pressione senza applicare calore, mantenendoli a temperatura ambiente. Poiché sfrutta la plasticità dei metalli, viene anche chiamata “formatura plastica”.

La tecnologia di forgiatura a freddo modella i materiali deformandoli, quindi durante la produzione non viene generato quasi alcun rottame metallico (rifiuto metallico). Inoltre, poiché i materiali vengono lavorati a temperatura ambiente senza riscaldamento, la precisione dimensionale è buona e anche forme complesse e difficili possono essere lavorate ad una velocità elevata di circa 100 pezzi al minuto.

La tecnologia di forgiatura a freddo ha un'elevata efficienza di utilizzo del materiale e consente un'elevata precisione e un'elaborazione ad alta velocità, quindi si dice che sia una tecnologia di lavorazione "rispettosa dell'ambiente e razionalizzata".

Vantaggi dello stampaggio a freddo:

• Elevata efficienza di utilizzo del materiale – Con la tecnologia dello stampaggio a freddo, che modella i materiali deformandoli, la lavorazione viene generalmente effettuata utilizzando una quantità di materiale equivalente al peso del prodotto finito. Ciò consente un'elevata efficienza di utilizzo del materiale e una notevole riduzione dei costi dei materiali.

• Possibile produzione ad alta velocità – La tecnologia di forgiatura a freddo consente una produzione ad alta velocità di circa 100 pezzi al minuto. Poiché la lavorazione avviene a temperatura ambiente senza riscaldare il metallo, le variazioni dimensionali sono piccole e possono essere lavorate anche forme complesse e difficili.

• Proprietà meccaniche migliorate – La progettazione del processo tenendo conto delle linee di flusso delle fibre consente la produzione di parti con robustezza e resistenza all'usura superiori.

• Efficace per ridurre i costi delle parti – Quando le condizioni di produzione, come la precisione richiesta e la dimensione del lotto, corrispondono, la tecnologia di forgiatura a freddo, che ha un'elevata efficienza dei materiali e consente una lavorazione ad alta velocità, ha il potenziale per ridurre notevolmente i costi delle parti nella produzione di massa.

Svantaggi della forgiatura a freddo:

• Sono necessari gli stampi (sono richiesti i costi iniziali e i tempi di produzione degli stampi)

• È necessario un certo tempo (costi) per i lavori di installazione nel processo → Non adatto per piccoli lotti

• Per la progettazione del processo e degli stampi è necessario know-how e il grado di difficoltà è elevato

• Alcune limitazioni di lavorazione su finiture come i raggi degli angoli

Come funziona lo stampaggio a freddo?

La forgiatura a freddo è un processo di modellatura del metallo condotto a temperatura ambiente, significativamente al di sotto della temperatura di ricristallizzazione del metallo coinvolto. A differenza della forgiatura a caldo, dove il metallo viene riscaldato ad alte temperature, la forgiatura a freddo comporta la deformazione plastica di un metallo in condizioni ambientali. Questo metodo spesso si traduce in una finitura superficiale superiore, una maggiore resistenza grazie all'incrudimento e una maggiore precisione dimensionale.

Ecco una panoramica di come funziona tipicamente la forgiatura a freddo:

1. Selezione del materiale

Il primo passo è selezionare un materiale adatto in grado di resistere alle sollecitazioni della forgiatura a freddo, tipicamente metalli come acciaio, alluminio e rame.

2. Lubrificazione

Prima della forgiatura, il pezzo viene spesso lubrificato per ridurre l'attrito e l'usura sullo stampo e per facilitare il flusso del materiale.

3. Stampi e attrezzature

Vengono create matrici personalizzate che modellano il pezzo. Questi stampi devono essere realizzati con materiali più duri del pezzo in lavorazione per resistere alle pressioni della forgiatura a freddo.

4. Processo di forgiatura

Il pezzo di metallo viene posizionato tra gli stampi.

Una pressa, solitamente meccanica o idraulica, applica un colpo rapido e potente al pezzo in lavorazione, facendolo deformare e assumendo la forma delle cavità dello stampo.

Potrebbero essere necessarie più operazioni di forgiatura, a seconda della complessità della parte. Ciò può comportare varie fasi di pressatura con diversi set di stampi.

5. Rifilatura e rifinitura

Qualsiasi materiale in eccesso, come la bava creata durante il processo di forgiatura, viene tagliato.

Possono essere applicati ulteriori processi di finitura come granigliatura, pulizia o trattamento termico (per alleviare lo stress).

Tipi di processi di stampaggio a freddo
Esistono tipi rotativi e alternativi di processi di forgiatura a freddo e qui viene presentato il processo di tipo alternativo eseguito dalla nostra azienda. Le tecniche di forgiatura comuni includono forgiatura libera, coniatura, estrusione, ecc. Qui spieghiamo i contenuti e le caratteristiche di ciascuna tecnica di forgiatura:

Forgiatura di coniatura:
Metodo di lavorazione che modella il materiale in una forma con un diametro maggiore dell'originale schiacciando il materiale all'interno di una cavità dello stampo aperta al centro. Nella forgiatura coniata, è difficile produrre forme complesse poiché la circonferenza esterna non è vincolata, quindi viene utilizzata per casi semplici come arrotondare un'asta a forma di disco. Se il rapporto di coniatura è troppo grande, possono verificarsi problemi come la fuoriuscita del pezzo, che richiedono più passaggi. Generalmente, la linea guida è un rapporto di coniatura dell'85% o inferiore e, se superato, i processi devono essere suddivisi, richiedendo matrici aggiuntive.

Estrusione all'indietro:
Un metodo di lavorazione che sposta il materiale nella direzione opposta alla direzione di punzonatura. Il materiale viene estruso (lavorato) nella direzione inversa (all'indietro) rispetto alla direzione di sagomatura del punzone.

Estrusione in avanti:
Un metodo di lavorazione che riduce il diametro del materiale spingendolo in uno stampo più piccolo, con conseguente riduzione dell'area della sezione trasversale. Modellare materiali ad alta durezza come l'acciaio inossidabile può essere difficile.

Forgiatura a stampo:
La forma desiderata viene trasformata negli stampi. La formatura viene eseguita posizionando il pezzo in lavorazione e forgiandolo per assumere la forma dello stampo. Il volume del materiale viene leggermente più grande per riempire l'intera cavità dello stampo e all'esterno della forma finita si forma materiale in eccesso, chiamato bava, che viene rimosso nei processi successivi. Forme per forgiatura a stampo chiuso senza bava.

Forgiatura di chiusura:
Il pezzo viene posizionato nella cavità dello stampo, che viene poi chiusa per assumere la forma dello stampo. I punzoni superiore e inferiore spostano ulteriormente il materiale per formare completamente la forma finita.

Quali materiali sono più adatti per lo stampaggio a freddo?

Poiché la forgiatura a freddo sfrutta la plasticità a temperatura ambiente o quasi, il materiale deve avere caratteristiche di basso incrudimento e un certo grado di deformabilità. Pertanto, i materiali non plastici come il vetro non vengono utilizzati per la forgiatura a freddo.

Considerando quanto sopra, i materiali adatti allo stampaggio a freddo includono:

Ferro: Può essere lavorato mediante forgiatura, trafilatura, laminazione a temperatura elevata e ambiente, e ulteriormente diversificato mediante trattamenti termici quali tempra e rinvenimento. Utilizzato anche in leghe come l'acciaio inossidabile e offre un'elevata versatilità. Il ferro viene trasformato in varie parti. I motivi per cui il ferro viene lavorato piegato non sono solo perché la sua durezza ed elasticità hanno valori ottimali per la lavorazione di piegatura, ma anche perché il suo prezzo basso è adatto per commesse di grandi dimensioni. Anche i trattamenti superficiali dopo la lavorazione possono essere eseguiti in molti modi, quindi può essere utilizzato in un'ampia gamma di campi e il ferro viene adottato anche come materiale lavorato nello stampaggio a freddo.

Acciaio inossidabile: Acciaio legato contenente oltre il 10,5% di cromo e meno dell'1,2% di carbonio. Il cromo forma una pellicola passiva che protegge la superficie corporea. Pertanto, i prodotti realizzati in acciaio inossidabile hanno una lunga durata poiché viene prevenuta la corrosione.

Rame e ottone: Il rame ha un'eccellente conduttività termica e viene utilizzato nelle pentole, nei tubi di calore e come conduttore nei dispositivi elettronici. Forma anche una pellicola protettiva superficiale quando esposto all'aria. Tuttavia, il suo punto di forza è l’eccellente lavorabilità. Il rame è tenero e duttile. È ampiamente utilizzato in fili, tubi e pentole di rame perché la lavorazione è semplice. Questo è uno dei motivi per cui è adatto alle lavorazioni di piegatura e imbutitura tramite presse per stampaggio a freddo.

Alluminio: Sebbene l'alluminio abbia una resistenza alla trazione inferiore nella sua forma pura, la sua resistenza può essere aumentata aggiungendo leghe come magnesio, manganese, rame, silicio, zinco, ecc. o attraverso processi come la laminazione o il trattamento termico. È considerato adatto alla forgiatura a freddo per la sua plasticità e capacità di modellarsi facilmente in varie forme.

Le parti forgiate a freddo hanno anche la caratteristica di una maggiore precisione dimensionale durante la formatura rispetto ad altre parti forgiate. Inoltre, le condizioni della superficie sono migliori rispetto alla forgiatura a caldo o a caldo, quindi in alcuni casi potrebbe non essere necessario il lavoro di finitura. Prodotti di grandi dimensioni o materiali ad alta resistenza possono essere precisamente forgiati a freddo attraverso trattamenti di ricottura o lubrificazione intermedi.

Per quali prodotti viene utilizzata la forgiatura a freddo?

La forgiatura a freddo viene utilizzata per produrre un'ampia gamma di prodotti in vari settori. Il processo è particolarmente adatto per la produzione in grandi volumi di parti che richiedono elevata precisione e resistenza. Ecco alcuni prodotti comuni realizzati tramite forgiatura a freddo:

Componenti automobilistici

Elementi di fissaggio e viti: sono ampiamente utilizzati nell'industria automobilistica e possono essere realizzati con precisione mediante forgiatura a freddo.

Ingranaggi: gli ingranaggi ad alta precisione per trasmissioni e trasmissioni beneficiano della maggiore resistenza dovuta all'incrudimento.

Alberi: la forgiatura a freddo può creare alberi robusti e precisi da utilizzare in varie applicazioni automobilistiche.

Mozzi delle ruote: i mozzi delle ruote forgiati a freddo hanno la resistenza e la precisione richieste per l'industria automobilistica.

Piste dei cuscinetti: l'elevata precisione e la finitura superficiale liscia sono fondamentali per le piste dei cuscinetti, che possono essere ottenute tramite forgiatura a freddo.

Elettrico ed elettronico

Connettori: i connettori elettrici beneficiano della buona conduttività e delle dimensioni precise che la forgiatura a freddo può fornire.

Terminali: i terminali richiedono forme precise e buone proprietà del materiale, che la forgiatura a freddo può ottenere senza lavorazioni aggiuntive.

Edilizia e ferramenta per l'edilizia

Chiodi e rivetti: si tratta di parti semplici che vengono spesso prodotte in grandi quantità tramite forgiatura a freddo.

Bulloni e dadi: le filettature possono essere formate a freddo per creare un profilo della filettatura più forte con una migliore resistenza alla fatica.

Strumenti e hardware

Chiavi e chiavi inglesi: gli strumenti che richiedono una forma specifica e un'elevata durata sono comunemente realizzati tramite forgiatura a freddo.

Componenti di utensili manuali: vari componenti di utensili manuali, come le prese, possono essere realizzati con forgiatura a freddo.

Componenti aerospaziali

Elementi di fissaggio e perni: gli elementi di fissaggio di tipo aerospaziale che devono resistere a carichi elevati sono spesso realizzati utilizzando la forgiatura a freddo per garantire resistenza e precisione.

Componenti del carrello di atterraggio: alcune parti del sistema del carrello di atterraggio possono essere forgiate a freddo per ottenere la resistenza e le tolleranze richieste.

Beni di consumo

Componenti dell'orologio: i componenti piccoli e precisi degli orologi possono essere realizzati mediante forgiatura a freddo.

Utensili da cucina: oggetti come coltelli o manici di utensili che richiedono una certa resistenza e finitura possono essere prodotti mediante forgiatura a freddo.

Dispositivi medici

Impianti: alcuni impianti medici possono essere forgiati a freddo per beneficiare delle proprietà del materiale e della precisione offerte dal processo.

Strumenti chirurgici: Gli strumenti utilizzati in chirurgia che richiedono precisione e resistenza possono essere realizzati mediante forgiatura a freddo.

La scelta dello stampaggio a freddo come processo di produzione dipende dalle proprietà del materiale richieste, dalla geometria del pezzo e dall'economia della produzione. Grazie all'elevata resistenza, alla buona finitura superficiale e alla precisione dimensionale che offre, la forgiatura a freddo è un processo interessante per la produzione di una varietà di componenti durevoli e critici in molti settori.