Гидроформовка — это способ формовки пластичных металлов, таких как алюминий , латунь , низколегированная сталь и нержавеющая сталь , в легкие, структурно жесткие и прочные детали. Одной из самых крупных областей применения экономически эффективной гидроформовки является автомобильная промышленность, которая использует сложные формы, которые стали возможны благодаря гидроформовке, для производства более прочных, легких и жестких несущих конструкций для транспортных средств. Эта технология особенно популярна в индустрии высококлассных спортивных автомобилей , а также часто применяется при формовке алюминиевых труб для велосипедных рам.
Гидроформовка — это специализированный тип штамповки , который использует гидравлическую жидкость высокого давления для прессования рабочего материала комнатной температуры в штамп. Для гидроформовки алюминия в рамный брус автомобиля полая трубка алюминия помещается в негативную форму, которая имеет форму желаемого результата. Затем гидравлические насосы высокого давления впрыскивают жидкость под очень высоким давлением внутрь алюминиевой трубки, что заставляет ее расширяться до тех пор, пока она не будет соответствовать форме. Затем гидроформованный алюминий извлекается из формы. Гидроформовка позволяет формировать сложные формы с вогнутостями, что было бы сложно или невозможно при стандартной штамповке сплошным штампом . Гидроформованные детали часто могут быть изготовлены с более высоким отношением жесткости к весу и с более низкой себестоимостью за единицу, чем традиционные штампованные или штампованные и сварные детали. Практически все металлы, поддающиеся холодной штамповке, могут быть подвергнуты гидроформовке, включая алюминий, латунь, углеродистую и нержавеющую сталь, медь и высокопрочные сплавы. [ уточнить ] [1]
Электрогидравлическая формовка использует электроды для взрывного испарения жидкости в дуге, что приводит к деформации рабочего материала.
Этот процесс основан на патенте 1950-х годов на гидроформовку Фреда Лойтессера-младшего и Джона Фокса из компании Schaible Company из Цинциннати, штат Огайо , США. [2] Первоначально он использовался при производстве кухонных сливов. Это было сделано потому, что в дополнение к укреплению металла гидроформовка также производила менее «зернистые» детали, что позволяло легче производить отделку металла. [3] В листовой гидроформовке существуют формовка пузыря (где есть пузырь, содержащий жидкость; жидкость не контактирует с листом) и гидроформовка, где жидкость контактирует с листом (без пузыря). Форму пузыря иногда называют флексформингом. [4] Флексформинг в основном используется для мелкосерийного производства, например, в аэрокосмической отрасли. [5] Формовка с жидкостью, находящейся в прямом контакте с деталью, может осуществляться либо с помощью цельного пуансона (эту версию иногда называют гидромеханической глубокой вытяжкой [6] ), либо с помощью цельного пуансона женского типа. При гидромеханической глубокой вытяжке заготовка помещается на тянущее кольцо (держатель заготовки) над пуансоном, затем гидравлическая камера охватывает заготовку, и относительно низкое начальное давление прижимает заготовку к пуансону. Затем пуансон поднимается в гидравлическую камеру, и давление увеличивается до 100 МПа (15000 фунтов на кв. дюйм), что формирует деталь вокруг пуансона. Затем давление сбрасывается, пуансон втягивается, гидравлическая камера поднимается, и процесс завершается.
Среди этих методов гидравлическое испытание на выпячивание позволяет повысить деформационное упрочнение листового материала за счет особых операций растяжения и обеспечивает лучшую точность формы для сложных деталей. Таким образом, выбрав правильный материал и параметры формования для гидравлического исследования выпячивания листа, можно определить предельные кривые формования (FLC). [1]
Значение
В гидроформовке труб есть два основных метода: высокое давление и низкое давление. При высоком давлении труба полностью заключена в матрицу до нагнетания давления в трубе. При низком давлении труба слегка нагнетается до фиксированного объема во время закрытия матрицы (это раньше называлось процессом Variform). Исторически процесс был запатентован в 50-х годах, [7] но он получил промышленное распространение в 1970-х годах для производства больших Т-образных соединений для нефтегазовой промышленности. Сегодня он в основном используется в автомобильной промышленности, где можно найти множество промышленных применений. [8] [9] С появлением электровелосипедов это теперь метод выбора для производителей электровелосипедов. Особенно нижние и верхние трубы изготавливаются с помощью гидроформовки, чтобы подогнать аккумулятор для электровелосипеда. Новейшие приложения в велосипедной промышленности теперь - гидроформованные рули для улучшения аэродинамики и эргономики. В гидроформовке труб давление прикладывается к внутренней части трубы, которая удерживается штампами с желаемыми поперечными сечениями и формами. Когда штампы закрыты, концы трубы герметизируются осевыми пуансонами, и труба заполняется гидравлической жидкостью . Внутреннее давление может достигать нескольких тысяч бар, и это заставляет трубу калиброваться относительно штампов. Жидкость впрыскивается в трубу через один из двух осевых пуансонов. Осевые пуансоны подвижны, и их действие требуется для обеспечения осевого сжатия и подачи материала к центру раздувающейся трубы. Поперечные контрпробойники также могут быть включены в формовочную матрицу для формирования выступов с малым отношением диаметра к длине. Поперечные контрпробойники также могут использоваться для пробивки отверстий в заготовке в конце процесса формования.
Проектирование процесса в прошлом было сложной задачей, поскольку первоначальное аналитическое моделирование возможно только для ограниченного числа случаев. [10] Достижения в области FEA и FEM в последние годы позволили более широко проектировать процессы гидроформовки для различных деталей и материалов. Часто необходимо выполнять моделирование FEM , чтобы найти приемлемое решение процесса и определить правильные кривые нагрузки: давление в зависимости от времени и осевая подача в зависимости от времени. [11] В случае более сложных деталей, полученных гидроформовкой труб, труба должна быть предварительно изогнута перед загрузкой в пресс-форму гидроформовки. Гибка выполняется последовательно по длине трубы, при этом труба изгибается вокруг гибочных дисков (или штампов) по мере подачи длины трубы. Гибка может выполняться с использованием оправок или без них. Эта дополнительная сложность процесса еще больше увеличивает зависимость от FEM для проектирования и оценки производственных процессов. При оценке возможности применения процесса гидроформовки необходимо учитывать исходные свойства материала трубы и его потенциальные изменения, а также процесс гибки, гидравлическое давление на протяжении всего процесса формовки, с учетом осевой подачи или без нее, чтобы спрогнозировать формуемость металла.
Инструменты и пуансоны можно заменять для различных требований к деталям. Одним из преимуществ гидроформовки является экономия на инструментах. Для листового металла требуются только вытяжное кольцо и пуансон (металлообработка) или матрица-папа. В зависимости от формуемой детали пуансон может быть изготовлен из эпоксидной смолы, а не из металла. Сама камера гидроформы действует как матрица-папа, что исключает необходимость ее изготовления. Это позволяет изменять толщину материала, обычно не внося необходимых изменений в инструмент. Однако матрицы должны быть тщательно отполированы, а при гидроформовке труб требуется двухкомпонентная матрица, чтобы обеспечить открытие и закрытие.
Еще одним преимуществом гидроформовки является то, что сложные формы могут быть изготовлены за один этап. При гидроформовке листов с использованием баллона в качестве пуансона можно производить практически безграничные геометрии. Однако процесс ограничен очень высокой силой закрытия, необходимой для герметизации штампов, особенно для больших панелей и толстых твердых материалов. Малые вогнутые угловые радиусы трудно полностью откалибровать, т. е. заполнить, поскольку для этого потребуется слишком большое давление. Фактически, сила закрытия штампа может быть очень высокой как при гидроформовке труб, так и листов и может легко преодолеть максимальный тоннаж формовочного пресса. Чтобы удерживать силу закрытия штампа в заданных пределах, максимальное внутреннее давление жидкости должно быть ограничено. Это снижает калибровочные возможности процесса, т. е. снижает возможность формования деталей с малыми вогнутыми радиусами. Ограничения процесса гидроформовки листов обусловлены рисками чрезмерного истончения, трещин, складок и строго связаны с формуемостью материала и правильным выбором параметров процесса (например, кривая зависимости гидравлического давления от времени). Гидроформовка труб может также производить множество геометрических вариантов, снижая необходимость в операциях сварки труб. Аналогичные ограничения и риски можно перечислить, как и в гидроформовке листов; однако максимальная сила закрытия редко является ограничивающим фактором в гидроформовке труб. [12]
Гидроформовка позволяет производить детали с жесткими допусками, включая авиационные допуски, где обычный допуск для деталей из листового металла составляет 0,76 мм (1/30 дюйма). Гидроформовка металла также позволяет получить более гладкую отделку, поскольку устраняются следы вытяжки, возникающие при традиционном методе прессования пуансона и пуансона вместе.
Хотя пружинение долгое время было темой обсуждения для операций по формовке листового металла, оно было гораздо менее предметом исследования для гидроформовки труб. Это может быть отчасти результатом относительно низкого уровня пружинения, естественно возникающего при деформации труб в их геометрию замкнутого сечения. Гидроформованные секции труб по природе своих замкнутых сечений очень жесткие и не демонстрируют высокой степени упругой деформации под нагрузкой. По этой причине вероятно, что отрицательное остаточное напряжение, вызванное во время гидроформовки труб, может быть недостаточным для упругой деформации детали после завершения формовки. Однако, поскольку все больше трубчатых деталей изготавливаются с использованием деталей из высокопрочной стали и усовершенствованной высокопрочной стали [13] , пружинение необходимо учитывать при проектировании и производстве гидроформованных деталей труб замкнутого сечения.
Известные примеры включают в себя:
[2]