Che cos'è una flangia in lamiera? Una guida completa

Introduzione

Che si tratti della produzione di componenti aerospaziali o di elettrodomestici, la lamiera domina come materiale primario nella produzione contemporanea. È una necessità assoluta grazie alla sua flessibilità, all'elevato rapporto resistenza/peso e alla sua modellabilità. Per non parlare del fatto che le sue piene capacità sono raggiunte solo grazie a particolari caratteristiche personalizzate aggiunte ai vari pezzi. Una delle caratteristiche più critiche, ma semplici, è la flangia in lamiera.

Una flangia può sembrare solo una curva all'estremità di un pezzo, ma è molto di più. Questa caratteristica specifica è fondamentale per migliorare la costruzione e l'uso dei pezzi e fornisce assistenza durante l'assemblaggio. Inoltre, aumenta la qualità dei pezzi flangiati. Le flange in lamiera sono una parte importante del processo di lavorazione della lamiera ed è importante che ingegneri, progettisti, costruttori e tecnici ne abbiano una conoscenza adeguata.

In questa guida imparerete a conoscere i componenti e i concetti relativi alle flange: i loro tipi, i materiali, i processi di progettazione e produzione, l'applicazione e soprattutto i metodi ottimali. Vediamo come questa parte fondamentale influenza il risultato dei progetti di lamiera.

Che cos'è esattamente un Lamiera Flangia?

Di base, una flangia di lamiera è un bordo o un bordo rialzato su una lamiera che si estende verso l'esterno. Di solito si ottiene piegando o formando il metallo a un angolo specifico, di solito 90 gradi, anche se alcuni progetti consentono altri angoli di piegatura. Immaginatelo come il labbro ripiegato di un componente. Come ogni elemento geometrico, la funzione di una flangia in lamiera è molto varia e cruciale per la qualità complessiva e le prestazioni del prodotto finale.

I motivi per aggiungere una flangia a un pezzo di lamiera sono numerosi:

Miglioramento della rigidità e della forza: Nella maggior parte dei casi, questa è la ragione principale di questi design. Lungo il bordo c'è una grande resistenza alla flessione, che aumenta con la flessione. Inoltre, la deformazione lungo il bordo funziona come la spina dorsale, solo localmente. L'aggiunta di materiale è minima per un maggiore guadagno in termini di rigidità e integrità strutturale.

Superfici di attacco e montaggio: Le flange contribuiscono a creare aree piatte per lo più perpendicolari alla lamiera principale. Sono ideali per fissare altri componenti da imbullonare, avvitare o rivettare sulla parte esterna della struttura in lamiera.

Trattamento dei bordi (sicurezza e finitura): Un bordo sagomato, in particolare una flangia orlata (ripiegata su se stessa), offre un bordo più sicuro rispetto a un bordo tagliato, che è affilato, pericoloso o può essere arrotolato per ottenere un bordo arrotondato o rinforzato.

Sigillatura delle superfici: Le flange possono essere progettate per accogliere le superfici delle guarnizioni o dei sigillanti, molto importanti per creare involucri, condotti o contenitori a tenuta di polvere, acqua o aria.

Posizione e allineamento: Le flange possono essere utilizzate anche per localizzare o bloccare l'assemblaggio dei componenti nella giusta posizione.

Prima di procedere alla discussione delle flange, è necessario definire alcuni termini:

Faccia della flangia: La superficie della parte piegata.

Linea di piegatura: La linea prevista e da tracciare sul foglio deve dare il via alla svolta.

Raggio di curvatura (interno): Il valore del diametro interno che definisce il bordo concavo della curva.

Altezza (o lunghezza) della flangia: La distanza verticale misurata parallelamente alla direzione della superficie concava della curva che si collega alla flangia - fino alla sua sezione.

Superficie della guarnizione: Un materiale elastico viene posizionato per ottenere bordi stretti e la superficie della flangia diventa quella di fissaggio.

Fori per bulloni: Le aperture circolari nelle flange sono destinate a consentire l'avvitamento dei componenti.

Tipi di flangia in lamiera

Nella lavorazione della lamiera, le flange sono tra gli elementi più utilizzati che si formano per piegatura e vengono impiegate per rinforzare, unire o fissare. I tipi principali includono:

Flangia angolare: Una curva a 90 gradi con una forma a L, principalmente per garantire la rigidità e offrire punti di fissaggio.

Flangia rialzata: La flangia è posizionata al di sopra della superficie principale della lamiera, che può essere utilizzata come spazio libero o come base rialzata per il montaggio.

Flangia piatta: La flangia è in piano con il piano di base per il collegamento piano-superficie o per il montaggio.

Flangia per tubi: Flangia di forma circolare utilizzata per unire tubi o creare un giunto in un'apertura della lamiera con l'uso di bulloni.

Flangia auricolare / capocorda: Piccola parte sporgente dal corpo principale, simile a un orecchio, utilizzata per la localizzazione, l'appendimento o il semplice fissaggio.

Bordo flangiato: Si tratta di un processo in cui il bordo libero della lastra viene piegato per rafforzarlo o per creare una superficie di giunzione. La sua forma specifica può essere diversa (ad esempio, piegatura semplice, orlo).

Flangia scanalata: Ha una scanalatura sulla faccia della flangia che può essere lavorata o formata per ospitare guarnizioni come gli O-ring per la tenuta o per il posizionamento con altre parti di accoppiamento.

Foro Flangia: È il bordo rialzato che si crea intorno a un foro nella lamiera. La sua funzione principale è quella di rafforzare l'area intorno all'apertura in modo che non si strappi, oppure di fornire una superficie per un supporto o un montaggio.

Il tipo di flangia dipende dalle esigenze dell'applicazione, tra cui la resistenza necessaria, la modalità di collegamento, la tenuta, la tolleranza e il modo in cui si collega ad altri componenti.

Materiali comuni per le flange in lamiera

Il tipo di materiale utilizzato per la produzione di una flangia influisce notevolmente sulle prestazioni, sulla facilità di produzione e sulla durata. I requisiti di resistenza, peso, corrosione, piegabilità e costo del materiale sono i seguenti. I materiali più comuni sono:

La duttilità e la resistenza allo snervamento sono alcune delle proprietà del materiale che influenzano le regole di progettazione. È importante notare che i materiali meno duttili richiedono raggi di curvatura maggiori. I materiali più resistenti necessitano di una forza di formatura più elevata e hanno un maggiore ritorno elastico che deve essere preso in considerazione nel processo di produzione, quindi richiedono un maggiore controllo.

Come vengono prodotte le flange in lamiera?

Il metodo predominante per la creazione di flange è la piegatura, tipicamente eseguita su una pressa piegatrice. Una comprensione di base di questo processo permette di capire i principali vincoli di progettazione. In genere segue le seguenti fasi:

Design e selezione dei materiali: Definire le dimensioni, l'angolo e la posizione della flangia; selezionare il materiale e lo spessore della lamiera appropriati.

Taglio: Tagliare con precisione la lamiera alle dimensioni necessarie del pezzo grezzo utilizzando metodi come la cesoiatura, il taglio laser o la punzonatura/taglio CNC.

Marcatura/Programmazione: Segnate con precisione la linea di piegatura prevista sul pezzo grezzo o programmatela tramite i controlli CNC per guidare il processo di piegatura.

Attrezzatura di serraggio e utensile: Bloccare saldamente il pezzo nella macchina di formatura (di solito una pressa piegatrice) e installare il punzone e la matrice corretti, adatti al materiale e alla piegatura desiderata.

Operazione di piegatura: Con l'aiuto della macchina, si esercita una pressione sul metallo con il punzone e lo stampo per piegare la flangia all'angolo e alla forma desiderati.

Garanzia di qualità: L'angolo, l'altezza e la lunghezza della flangia formata devono essere misurati e controllati rispetto alla flangia progettata per garantire la qualità e la standardizzazione.

Finitura (se necessario): Eventuali operazioni aggiuntive che possono essere necessarie in base all'applicazione del pezzo, ad esempio la sbavatura per eliminare gli spigoli vivi o l'applicazione di un rivestimento protettivo o decorativo (vernice, placcatura, ecc.).

Altri metodi: Sebbene la pressa piegatrice sia la più comune, le flange possono essere realizzate anche con i seguenti metodi:

Timbratura: Utilizzato in stampi progressivi o composti per formare flange e altre caratteristiche su pezzi di grande volume.

Formatura dei rulli: Produce pezzi lunghi con sezioni trasversali uniformi (comprese le flange) facendo passare la lamiera attraverso una serie di rulli.

Tuttavia, per la stragrande maggioranza dei pezzi di lamiera discreti che necessitano di flange, la pressa piegatrice è ancora lo strumento di lavoro principale.

Considerazioni chiave nella progettazione e nelle specifiche delle flange

È qui che l'intento progettuale incontra la realtà produttiva. L'attenzione a questi dettagli è fondamentale per ottenere risultati di successo.

Altezza (o lunghezza) della flangia: L'altezza insufficiente è una causa comune di fallimento di produzione.

Linee guida: Alcune regole di base sono "Altezza minima ≥ 1,5 x T", mentre una regola più accurata per la formatura con presse piegatrici, che garantisce un contatto adeguato con lo stampo, è spesso espressa come "Altezza minima ≥ 4 x T + R" (dove T=Spessore, R=Raggio di curvatura interno). Esistono variazioni a seconda della geometria dello stampo, ma questa regola indica che è necessario molto più dello spessore.

Raggio interno di curvatura (R): Impatto sulla formabilità e sulla concentrazione delle tensioni.

Regola generale: R ≥ T è un buon punto di partenza per la maggior parte degli acciai per evitare cricche sulla superficie esterna della curva.

Considerazioni sui materiali: Alcuni materiali, come alcune leghe di alluminio e acciai ad alta resistenza, sono meno duttili e quindi richiedono raggi più grandi (1,5T, 2T o più). Consultare le schede tecniche.

Standardizzazione: I produttori hanno raggi di punzonatura standard. L'utilizzo di questi raggi standard (ad esempio 0,8 mm, 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm o i loro equivalenti in pollici) è meno costoso rispetto all'ordinazione di raggi speciali. Quando un pezzo ha curve coerenti, è più facile da impostare.

Caratteristica Vicinanza alle curve: I fori, le scanalature e i bordi tagliati troppo vicini alla linea di piegatura rischiano di deformarsi durante la formatura.

Regola di liquidazione: Mantenere una distanza minima dal bordo dell'elemento al punto di tangenza del raggio di curvatura. Una raccomandazione comune è Distanza minima ≥ 3 x T + R. Alcune fonti possono utilizzare fattori più semplici come 2T o 2,5T dalla linea di curva stessa - chiarire quale punto di riferimento viene utilizzato.

Rilievo dell'ansa: Quando non è possibile evitare la vicinanza, includere rilievi di piegatura (piccole tacche o ritagli alle estremità della linea di piegatura) per consentire un movimento fluido del materiale senza alterare l'elemento.

Calcoli delle curve (indennità/detrazioni): Nello sviluppo di modelli piani, è necessario prendere in considerazione l'allungamento del materiale durante il processo di piegatura. Ciò include fattori quali la tolleranza di piegatura, la deduzione di piegatura o il fattore K, utilizzati per determinare l'angolo di piegatura, il raggio, lo spessore e la posizione dell'asse neutro. I sistemi CAD di solito eseguono questi calcoli, ma i progettisti devono conoscere il principio per garantire la corretta generazione di modelli piatti.

Tolleranze: Specificare tolleranze realistiche. In genere, la tolleranza angolare standard per le piegature con presse piegatrici è di circa +/- 1 grado in entrambe le direzioni. Le tolleranze dimensionali non sono molto strette e possono variare da +/- 0,25 mm a +/- 0,75 mm per lavori normali. Specificare una tolleranza molto piccola che non è necessaria per l'applicazione del pezzo non farà altro che aumentare i costi di produzione e complicare il processo.

Coerenza: Si raccomanda di utilizzare lo stesso raggio di curvatura e, se possibile, la stessa altezza della flangia per diverse flange in un flusso di pezzi, perché riduce i cambi di utensili e la programmazione.

Se questi punti vengono affrontati durante la progettazione, si riducono al minimo i problemi di produzione e la scarsa qualità dei pezzi.

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Diverse applicazioni delle flange per lamiera

I vantaggi pratici delle flange ne determinano l'impiego in una vasta gamma di settori e prodotti:

Elettronica e involucri: Essenziale per la creazione di telai e alloggiamenti rigidi. Forniscono superfici di montaggio per PCB, alimentatori, connettori; formano bordi di appoggio per coperchi e pannelli, spesso incorporando guarnizioni.

Automobile: Utilizzato nelle strutture dei veicoli per garantire la rigidità (pannelli della carrozzeria, telai), per unire i componenti (superfici di saldatura/rivettatura) e per creare staffe per il montaggio di parti del motore, delle sospensioni e degli interni.

Aerospaziale: È fondamentale per creare elementi strutturali leggeri ma rigidi (centine, longheroni, staffe) da leghe di alluminio e titanio, dove il rapporto resistenza/peso è fondamentale.

HVAC: Utilizzato nella fabbricazione di condotte per unire sezioni, come le flange TDC/TDF, che consentono la sigillatura e il fissaggio meccanico delle condotte e forniscono ulteriore rigidità a lunghe tratte di condotte.

Elettrodomestici: Offrono punti di supporto e fissaggio interni per motori e pompe e ripiani di lavatrici, asciugatrici, frigoriferi, forni, ecc. e bordi lisci su involucri esterni.

Costruzione e architettura: Utilizzato nei connettori strutturali, nella ferramenta di montaggio per facciate e coperture, nelle staffe personalizzate e in altre opere architettoniche in metallo.

Macchinari industriali: Per le protezioni delle macchine, la rigidità, i bordi di sicurezza, i telai delle apparecchiature, le piastre di montaggio per motori e sensori e gli involucri dei pannelli di controllo.

In altre parole, quando la lamiera deve essere rinforzata, collegata, attaccata o smussata in modo sicuro, la flangia è la soluzione ideale.

Problemi comuni e migliori pratiche per le flange in lamiera

Progettare e produrre con successo le flange significa anticipare ed evitare i problemi più comuni.

Problemi comuni:

Fessurazione della curva: Cedimento della superficie esterna dovuto a un raggio troppo piccolo per il materiale o a una curvatura parallela a una direzione di grano sfavorevole.

Distorsione delle caratteristiche: I fori/scanalature in prossimità della zona di piegatura si deformano a causa della mancanza di spazio sufficiente dalla zona di piegatura.

Incapacità di formare: L'altezza della flangia è inferiore al minimo richiesto per un contatto stabile con lo stampo.

Imprecisione angolare: L'angolo finale si discosta dalle specifiche a causa di un ritorno elastico non compensato o di proprietà inconsistenti del materiale.

Segni di utensili: Qualsiasi linea o depressione indesiderata sulla superficie del pezzo dovuta al contatto con l'utensile o alla pressione esercitata dall'utensile o ai detriti.

Ondulazione della flangia/arco: Mancanza di planarità lungo il bordo della flangia, soprattutto su flange lunghe e sottili.

Le migliori pratiche:

Standard di altezza minima: Seguite sempre le regole empiriche di base (4T + R per la pressa piegatrice) e verificate con il vostro fabbricante i progetti che si avvicinano al minimo.

Selezionare i raggi di curvatura appropriati: Impostare R ≥ T come minimo e aumentare R per i materiali non duttili; altrimenti, utilizzare i raggi di curvatura standard del fabbricante.

Garantire la distanza tra gli elementi: Mantenere una distanza di almeno ≥3T + R o una distanza simile, oppure utilizzare rilievi di curvatura.

Materiale e grana delle note: Si deve considerare anche la formabilità del materiale. Indicare se l'orientamento della curvatura rispetto alla fibratura è importante.

Fornire disegni chiari: Tutte le dimensioni, gli angoli, i raggi, le tolleranze, il tipo di materiale e lo spessore devono essere chiaramente indicati.

Mantenere la standardizzazione: Per quanto possibile, i raggi e le flange devono essere standard per facilitare il processo di produzione.

DFM (Design for Manufacturability): Consultate il vostro fabbricante di lamiere il prima possibile. Questo può aiutarli a individuare i problemi e ad adattare il progetto ai loro processi, riducendo così i tempi e i costi e aumentando la qualità.

Queste pratiche cambiano l'orientamento dalla risoluzione dei problemi alla progettazione di soluzioni, che si traducono in soluzioni più affidabili e meno costose.

Conclusione

La flangia in lamiera è uno dei componenti di base della progettazione, ma non è affatto semplice. Si tratta di un componente di base che fornisce supporto, consente il collegamento e dà forma a un'ampia gamma di prodotti nel processo di produzione. Dalla definizione di base delle flange ai dettagli più fini dei materiali, dei metodi di produzione e dei parametri di progettazione, è impossibile progettare parti in lamiera senza una buona conoscenza delle flange.

In conclusione, l'uso delle flange in lamiera dipende dalla progettazione, dalle proprietà del materiale e dalla conoscenza del processo di produzione. Pertanto, ingegneri e progettisti possono continuare a utilizzare questa semplice ma efficace caratteristica per sviluppare prodotti in lamiera nuovi, efficienti e di alta qualità.