Гидроформинг

Метод обработки металла водой под давлением.

Пластина, формируемая методом гидроформовки

Гидроформовка — это экономически эффективный способ формования пластичных металлов , таких как алюминий , латунь , низколегированная сталь и нержавеющая сталь , в легкие, структурно жесткие и прочные детали. Одним из крупнейших применений гидроформовки является автомобильная промышленность, где используются сложные формы, ставшие возможными благодаря гидроформингу, для производства более прочных, легких и жестких цельных конструкций транспортных средств. Этот метод особенно популярен в индустрии спортивных автомобилей высокого класса , а также часто используется при формовании алюминиевых трубок для велосипедных рам.

Гидроформовка — это специализированный тип штамповки , при котором используется гидравлическая жидкость под высоким давлением для прессования рабочего материала при комнатной температуре в штамп. Чтобы гидроформовать алюминий в направляющую рамы автомобиля, полую алюминиевую трубку помещают внутрь негативной формы, которая имеет форму желаемого результата. Гидравлические насосы высокого давления затем впрыскивают жидкость под очень высоким давлением внутрь алюминиевой трубки, что заставляет ее расширяться до тех пор, пока она не достигнет формы. Затем гидроформованный алюминий извлекают из формы. Гидроформовка позволяет формовать сложные формы с вогнутостями, что было бы затруднительно или невозможно при стандартной штамповке цельным штампом . Гидроформованные детали часто могут быть изготовлены с более высоким соотношением жесткости к весу и с более низкой себестоимостью единицы продукции , чем традиционные штампованные или штампованные и сварные детали. Практически все металлы, пригодные для холодной штамповки , могут быть подвергнуты гидроформовке, включая алюминий, латунь, углеродистую и нержавеющую сталь, медь и высокопрочные сплавы. ^[1]

Если для взрывного испарения жидкости в дуге используются электроды, это будет описывать аналогичный процесс, известный как электрогидравлическая формовка .

Основные варианты процесса

Листовая гидроформовка

Этот процесс основан на патенте 1950-х годов на гидроформование, выданном Фредом Лойтессером-младшим и Джоном Фоксом из компании Schaible из Цинциннати, штат Огайо , США. ^[2] Первоначально он использовался при изготовлении кухонных изливов. Это было сделано потому, что помимо упрочнения металла гидроформовка также позволяла получать менее «зернистые» детали, что позволяло облегчить финишную обработку металла. ^[3] При гидроформовке листа различают формование баллона (когда есть баллон, содержащий жидкость; жидкость не контактирует с листом) и гидроформинг, при котором жидкость контактирует с листом (без баллона). Формирование мочевого пузыря иногда называют флексформированием. ^[4] Флексформинг в основном используется для мелкосерийного производства, например, в аэрокосмической отрасли. ^[5] Формовка с жидкостью, находящейся в прямом контакте с деталью, может выполняться либо с помощью охватывающего цельного пуансона (этот вариант иногда называют гидромеханической глубокой вытяжкой ^[6] ), либо с помощью охватывающего цельного штампа. При гидромеханической глубокой вытяжке заготовка помещается на тянущее кольцо (держатель заготовки) над пуансоном, затем гидравлическая камера окружает 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 квадратный дюйм), которое образует деталь вокруг пуансона. Затем давление сбрасывается, пуансон втягивается, гидравлическая камера поднимается, и процесс завершается.

Среди этих методов гидравлическое испытание на выпуклость позволяет повысить упрочнение листового материала за счет особых операций растяжения и обеспечивает лучшую точность формы сложных деталей. Следовательно, выбрав правильный материал и параметры формования для исследования гидравлического выпучивания листа, можно определить предельные кривые формования (FLC). [1]

Значение

• Гидравлическое испытание на выпуклость более подходит для операций формовки листового металла, поскольку режим деформации является двухосным, а не одноосным. Также он предоставляет кривые течения для материалов с расширенным диапазоном уровней пластической деформации до 70% до возникновения разрыва.
• Полезно сгенерировать FLC, которые будут надежным эталонным входным сигналом для явного решателя, такого как LS-DYNA. Эти полученные FLC используются в качестве входных данных кривой нагрузки для таких решателей для анализа.
• FLC также лучше всего подходят для определения точной зоны для операций формования, не затрагивая при этом локализованные шейки и другие возможные дефекты.
• Гидравлическое испытание на выпуклость было бы полезно для расчета коэффициента деформационного упрочнения - «n» (т.е. коэффициента деформационного упрочнения) материала, чтобы определить способность материала к формованию.
• Простой и универсальный подход.
• Контролируемое распределение давления по поверхности детали во время формовки можно использовать для «контроля» толщины листа и предотвращения появления локализованных образований шейки.
• Использование только одной формы поверхностной оснастки, что экономит время и затраты на изготовление оснастки. Отсутствие жесткого контакта инструмента с одной поверхностью также снижает поверхностное трение и, следовательно, дефекты поверхности, что приводит к хорошему качеству поверхности.

Альтернативные названия, другие варианты и подобные процессы

• Hydromec (Гидромеханическая глубокая вытяжка)
• Аквадрайв
• Формирование выпуклостей
• Взрывное формование
  • Для крупных деталей взрывная гидроформовка может создать давление формования путем простого взрыва заряда над деталью (вместе с вакуумированной формой), которая погружена в бассейн с водой. Инструменты могут быть намного дешевле, чем те, которые потребуются для любого процесса прессования. Процесс гидроформовки в форму также работает, используя только ударную волну в воздухе в качестве среды давления. В частности, когда взрывчатое вещество находится близко к заготовке, эффекты инерции усложняют результат, чем формовка только за счет гидростатического давления.
• Формирование резиновой подушки

Гидроформинг труб

При гидроформовке труб существует два основных метода: высокое давление и низкое давление. При использовании процесса высокого давления трубка полностью закрывается в штампе перед подачей давления в трубку. При низком давлении трубка слегка сжимается до фиксированного объема во время закрытия матрицы (раньше это называлось процессом Variform). Исторически этот процесс был запатентован в 50-х годах ^[7] , но промышленное распространение он получил в 1970-х годах для производства крупных Т-образных соединений для нефтегазовой промышленности. Сегодня он в основном используется в автомобильном секторе, где можно найти множество промышленных применений. ^{[8] [9]} С появлением электрических велосипедов этот метод стал предпочтительным для производителей электронных велосипедов. В частности, нижняя и верхняя трубы предпочтительно изготавливаются методом гидроформовки, чтобы вместить аккумулятор для электрического велосипеда. Новейшим применением в велосипедной промышленности теперь являются гидроформованные рули для улучшения аэродинамики и эргономики. При гидроформинге трубок давление прикладывается к внутренней части трубы, которая удерживается штампами желаемого сечения и формы. Когда матрицы закрыты, концы трубок герметизируются осевыми пуансонами и трубка заполняется гидравлической жидкостью . Внутреннее давление может достигать нескольких тысяч бар, что приводит к калибровке трубки по матрицам. Жидкость впрыскивается в трубку через один из двух осевых пуансонов. Осевые пуансоны подвижны, и их действие необходимо для обеспечения осевого сжатия и подачи материала к центру выпучиваемой трубы. В формовочную матрицу также могут быть встроены поперечные контрпуансоны для формирования выступов с малым соотношением диаметр/длина. Поперечные контрпуансоны также можно использовать для пробивания отверстий в заготовке в конце процесса формовки.

Проектирование процесса в прошлом было сложной задачей, поскольку первоначальное аналитическое моделирование возможно только для ограниченных случаев. ^[10] Достижения в области FEA и FEM в последние годы позволили более широко разрабатывать процессы гидроформовки для различных деталей и материалов. Часто необходимо выполнить моделирование FEM , чтобы найти осуществимое технологическое решение и определить правильные кривые нагрузки: давление в зависимости от времени и осевая подача в зависимости от времени. ^[11] В случае более сложных деталей, изготовленных методом гидроформования, трубку необходимо предварительно согнуть перед загрузкой в ​​матрицу для гидроформовки. Гибка выполняется последовательно по длине трубы, при этом труба сгибается вокруг гибочных дисков (или матриц) по мере подачи длины трубы. Гибка может выполняться с оправками или без них. Эта дополнительная сложность процесса еще больше увеличивает зависимость от FEM при проектировании и оценке производственных процессов. Осуществимость процесса гидроформовки должна учитывать исходные свойства материала трубы и возможность его изменения, а также процесс гибки, гидравлическое давление на протяжении всего процесса формования, с включением осевой подачи или без него, чтобы спрогнозировать формуемость металла.

Технологическая последовательность гидроформовки труб Т-образной формы с контрпуансоном

Типовые инструменты

Инструменты и пуансоны можно заменять в зависимости от требований к деталям. Одним из преимуществ гидроформинга является экономия на инструментах. Для листового металла требуется только волочильное кольцо и пуансон (металлообработка) или матрица. В зависимости от формируемой детали пуансон может быть изготовлен из эпоксидной смолы, а не из металла. Сама камера гидроформы действует как матрица, что исключает необходимость ее изготовления. Это позволяет вносить изменения в толщину материала без необходимости внесения изменений в инструмент. Однако штампы должны быть тщательно отполированы, а при гидроформовке труб требуется двухсекционный штамп, позволяющий открывать и закрывать.

Произведенная геометрия

Еще одним преимуществом гидроформинга является то, что сложные формы можно изготовить за один этап. При гидроформовке листов, где камера действует как охватываемая матрица, можно изготавливать практически неограниченные геометрические формы. Однако этот процесс ограничен очень высокой силой закрытия, необходимой для герметизации штампов, особенно для больших панелей и толстых твердых материалов. Маленькие вогнутые угловые радиусы трудно полностью откалибровать, т.е. заполнить, поскольку потребуется слишком большое давление. Фактически, сила закрытия матрицы может быть очень высокой, как при гидроформовке труб, так и листов, и может легко преодолевать максимальный тоннаж формовочного пресса. Чтобы поддерживать силу закрытия матрицы в заданных пределах, необходимо ограничить максимальное внутреннее давление жидкости. Это снижает калибровочные возможности процесса, т. е. уменьшает возможность формования деталей с малыми радиусами вогнутости. Ограничения процесса гидроформовки листов обусловлены риском чрезмерного утончения, разрушения, образования складок и строго связаны с формуемостью материала и правильным выбором параметров процесса (например, зависимости гидравлического давления от времени). Гидроформовка труб также позволяет создавать множество геометрических вариантов, уменьшая необходимость в операциях по сварке труб. Аналогичные ограничения и риски можно перечислить как при гидроформовке листов; однако максимальная сила закрытия редко является ограничивающим фактором при гидроформовке труб. ^[12]

Допуски и качество поверхности

Гидроформовка позволяет производить детали с жесткими допусками, включая допуски для самолетов, где общий допуск для деталей из листового металла находится в пределах 0,76 мм (1/30 дюйма). Гидроформовка металла также обеспечивает более гладкую поверхность, поскольку устраняются следы, образующиеся при традиционном методе прессования охватываемой и охватывающей матрицы.

Хотя пружинение долгое время было темой дискуссий при обработке листового металла, в гораздо меньшей степени это была тема исследований при гидроформовке труб. Частично это может быть результатом относительно низкого уровня упругого возврата, естественно возникающего при деформации трубок до получения геометрии закрытого сечения. Трубчатые гидроформованные профили по своей природе закрытых секций очень жесткие и не демонстрируют высокой степени упругой деформации под нагрузкой. По этой причине вполне вероятно, что отрицательное остаточное напряжение, возникающее во время гидроформовки труб, может оказаться недостаточным для упругой деформации детали после завершения формования. Однако, поскольку все больше и больше трубчатых деталей изготавливается с использованием деталей из высокопрочной стали и деталей из усовершенствованной высокопрочной стали ^[13] , упругость необходимо учитывать при проектировании и производстве гидроформованных деталей из труб закрытого сечения.

Примеры

Яркие примеры включают:

Листовая гидроформовка

• Спутниковые антенны диаметром до 6 метров, такие как те, которые используются в телескопической решетке Аллена . ^[14]
• Корпус светильника и отражатель

Гидроформование труб

• Медная трубка саксофонов Yamaha .
• Этот процесс стал популярным при производстве алюминиевых велосипедных рам. Самым ранним серийно выпускаемым велосипедом был велосипед Giant Manufacturing Revive, впервые появившийся на рынке в 2003 году.
• Многие автомобили имеют основные компоненты, изготовленные с использованием этой технологии, например:
  • Методика широко используется при изготовлении люлек двигателей. Первый серийный экземпляр был выпущен для Ford Contour и Mystique в 1994 году. ^[15] Другие из длинного списка включают Pontiac Aztek , ^[16] Honda Accord ^[17] и рамку по периметру вокруг мотоцикла Harley Davidson V-Rod. двигатель. ^[18]
  • Помимо опор двигателя, гидроформинг в автомобилестроении применяется главным образом в подвеске, опорах радиатора и опорных балках приборной панели. Buick Regal и Oldsmobile Cutlass 1994 года выпуска имели балки приборной панели, изготовленные методом гидроформовки. ^[19] Первый серийный автомобильный компонент появился в 1990 году: опорная балка приборной панели для минивэна Chrysler. ^[15]
  • Различные кузова и компоненты кузова, самым ранним серийным из которых был Chevrolet Corvette 1997 года выпуска . ^[20] Среди многих примеров можно выделить текущие версии трех основных пикапов в США — Ford F-150 , Chevrolet Silverado и Ram — все они имеют гидроформованные направляющие рамы, ^[20] Pontiac Solstice 2006 года выпуска ^[21] и стальная рама внутри внедорожника John Deere HPX Gator. ^[22]
• В последнее время этот процесс стал популярным при производстве алюминиевых рам и ободьев для инвалидных колясок, что делает инвалидные коляски более жесткими и легкими, а ободья для рук — более эргономичными. ^[23]

Смотрите также

• Выдувное формование для термопластов

Рекомендации

1. «Процесс гидроформинга». Джонс Металл Продактс . Проверено 21 июня 2011 г.
2. «Первый патент на HF» . Проверено 17 июля 2012 г.
3. Патент США 2713314.
4. Хатипоглу, Х. Али; Полат, Наки; Коксал, Ариф; Теккая, А.Эрман (1 января 2007 г.). «Моделирование процесса гибкой формовки (формования жидкостных ячеек) с помощью метода конечных элементов». Ключевые инженерные материалы . 344 : 469–476. doi : 10.4028/www.scientific.net/KEM.344.469. S2CID  137151717.
5. Страно, М (2006). «Оптимизация в условиях неопределенности процессов обработки листового металла методом конечных элементов». Труды Института инженеров-механиков, Часть B: Журнал машиностроительного производства . 220 (8): 1305–1315. дои : 10.1243/09544054JEM480. S2CID  108843522.
6. Дачан, Канг; Ю, Чен; Юнчао, Сюй (2005). «Гидромеханическая глубокая вытяжка чашек из суперсплавов». Журнал технологии обработки материалов . 166 (2): 243–246. doi :10.1016/j.jmatprotec.2004.08.024.
7. "Первый патент" . Проверено 17 июля 2012 г.
8. Гидроформовка для современного производства, Под ред. М. Коч, 2009 г. Woodhead Publishing Limited
9. Технология гидроформинга. (отчет конференции): Advanced Materials & Processes (Refereded): 1 мая 1997 г.: ASM International: v151: n5: p50(4)
10. Аснафи, Надер (1999). «Аналитическое моделирование гидроформовки труб». Тонкостенные конструкции . 34 (4): 295–330. дои : 10.1016/S0263-8231(99)00018-X.
11. Страно, Маттео; Джиратхеаранат, Суват; Шр, Шиуань-Гуан; Алтан, Тайлан (2004). «Разработка виртуального процесса гидроформовки труб». Журнал технологии обработки материалов . 146 (1): 130–136. дои : 10.1016/S0924-0136(03)00853-7.
12. «Гидроформинг».
13. Хертелл (11 мая 2015 г.). «Великий дизайн из стали, 2015» (PDF) . Autosteel.org .
14. Вайнреб, Сандер (8–11 июля 2003 г.). Недорогие наземные микроволновые терминалы для космической связи (PDF) . 5-й Международный симпозиум по снижению стоимости наземных систем и эксплуатации космических аппаратов. Пасадена, Калифорния: НАСА. Архивировано из оригинала (PDF) 20 марта 2009 года . Проверено 21 ноября 2008 г.
15. Харджиндер Сингх (2003). Основы гидроформинга. МСП. п. 4. ISBN 978-0-87263-662-0.
16. Тони Свон (июль 2000 г.). «Pontiac Aztek 2001 года — обзор первой поездки» . Caranddriver.com . Проверено 5 декабря 2008 г.
17. Эрик Лундин (24 июля 2003 г.). «Поставщик первого уровня строит четырехэтапную конкурентную стратегию». Фабрикатор . Проверено 5 декабря 2008 г.
18. "Harley Davidson V-Rod Muscle 2009 года" . thekneeslider.com . Проверено 5 декабря 2008 г.
19. «Использование технологий USLAB автопроизводителями быстро растет». Американский институт железа и стали . 2008 год . Проверено 5 декабря 2008 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
20. «Ремонт рамы гидроформованием». I-Car Advantage онлайн . 13 сентября 2004 г. Архивировано из оригинала 21 октября 2012 г. Проверено 5 декабря 2008 г.
21. «Технология гидроформовки листового металла Pontiac Solstice, 2006 г.» . Автоканал . Проверено 5 декабря 2008 г.
22. «Коммунальный автомобиль имеет стальную раму, изготовленную методом гидроформования» . ТомасНет . 5 декабря 2003 года . Проверено 5 декабря 2008 г.
23. Сильва, округ Колумбия; Пасчоарелли, LC; Медола, ФО (2019). «Оценка двух моделей ободьев рук в инвалидных колясках: распределение контактного давления по прямым и кривым траекториям». Эргономика . 62 (12): 1563–1571. дои : 10.1080/00140139.2019.1660000. PMID  31446854. S2CID  201748187.

[2]