Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пластина, формованная гидроформовкой

Гидроформование - это экономичный способ формования пластичных металлов, таких как алюминий , латунь , низколегированная сталь и нержавеющая сталь, в легкие, структурно жесткие и прочные детали. Одно из самых больших применений гидроформинга - автомобильная промышленность, где используются сложные формы, которые стали возможными благодаря гидроформованию, для производства более прочных, легких и более жестких несущих конструкций для транспортных средств. Этот метод особенно популярен в индустрии спортивных автомобилей высокого класса, а также часто используется при формовании алюминиевых трубок для велосипедных рам.

Гидроформинг является специализированным типом штампа , образующего который использует высокого давления гидравлической жидкости в пресс комнатной температуры рабочего материала в пресс - формы. Чтобы гидроформовать алюминий в рельс рамы автомобиля, полая алюминиевая трубка помещается внутрь отрицательной формы, которая имеет форму желаемого результата. Затем гидравлические насосы высокого давления нагнетают жидкость под очень высоким давлением внутрь алюминиевой трубки, в результате чего она расширяется до тех пор, пока не будет соответствовать форме. Затем гидроформованный алюминий удаляется из формы. Гидроформование позволяет формировать сложные формы с вогнутостями, что было бы затруднительно или невозможно при стандартной цельной штамповке. Гидроформованные детали часто могут изготавливаться с более высоким отношением жесткости к массе и с более низким удельным весом.удельная стоимость, чем традиционные штампованные или штампованные и сварные детали. Практически все металлы, способные к холодной штамповке, могут подвергаться гидроформингу, включая алюминий, латунь, углеродистую и нержавеющую сталь, медь и высокопрочные сплавы. [1]

Варианты основного процесса [ править ]

Листовая гидроформовка [ править ]

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 производстве кухонных изливов. Это было сделано потому, что, помимо упрочнения металла, гидроформовка также давала менее «зернистые» детали, что облегчало обработку металла. [3] При гидроформовке листа есть формирование баллона (где есть баллон, содержащий жидкость; жидкость не контактирует с листом) и гидроформование, когда жидкость контактирует с листом (без баллона). Формирование мочевого пузыря иногда называют флексформингом. [4] Flexforming в основном используется для небольших объемов производства, например, в аэрокосмической сфере. [5]Формование с жидкостью, находящейся в непосредственном контакте с деталью, может выполняться либо с помощью цельного пуансона с охватываемой резьбой (эту версию иногда называют гидромеханической глубокой вытяжкой [6] ), либо с помощью цельной матрицы с внутренней резьбой. При гидромеханической глубокой вытяжке заготовка размещается на вытяжном кольце (держателе 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 повышается до 100 МПа (15000 фунтов на квадратный дюйм), которая образует часть вокруг пуансона. Затем давление сбрасывается, пуансон втягивается, гидравлическая камера поднимается, и процесс завершается.

Среди этих методов гидравлическое испытание на выпуклость позволяет повысить деформационное упрочнение листового материала за счет особых операций растяжения и обеспечивает лучшую точность формы для сложных деталей. Следовательно, путем выбора надлежащего материала и параметров формования для исследования вздутия листа при гидравлическом давлении можно определить кривые предела формования (FLC). [1]

Значимость

  • Гидравлическое испытание на выпуклость больше подходит для операций по формовке листового металла, поскольку режим деформации является двухосным, а не одноосным. Также он предоставляет кривые текучести для материалов с расширенным диапазоном уровней пластической деформации до 70% до того, как произойдет разрыв.
  • Полезно сгенерировать FLC, которые будут надежным источником входных данных для явного решателя, такого как LS-DYNA. Эти полученные FLC используются в качестве входных данных кривой нагрузки для таких решающих программ для анализа.
  • FLC также лучше всего подходят для определения точной зоны для операций формовки, не затрагивая локализованное образование шейки и другие возможные дефекты во время формовки.
  • Гидравлическое испытание на выпуклость было бы полезно для расчета коэффициента деформационного упрочнения - «n» (т. Е. Коэффициента деформационного упрочнения) материала, чтобы определить способность материала формироваться.
  • Простой и разносторонний подход.
  • Контролируемое распределение давления по поверхности детали во время формовки можно использовать для «контроля» толщины листа и отсрочки локального образования шейки.
  • Использование инструмента только одной формы с поверхностью, что экономит время и деньги при изготовлении инструмента. Отсутствие жесткого контакта инструмента на одной поверхности также снижает поверхностное трение и, следовательно, поверхностные дефекты, что приводит к хорошей отделке поверхности.

Альтернативные названия, другие варианты и аналогичные процессы [ править ]

  • Hydromec (Гидромеханическая глубокая вытяжка)
  • Aquadraw
  • Формирование выпуклости
  • Взрывное формование
    • Для больших деталей взрывная гидроформовка может создать давление формования, просто взорвав заряд над деталью (в комплекте 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 с использованием только ударной волны в воздухе в качестве среды давления. В частности, когда взрывчатые вещества находятся близко к заготовке, эффекты инерции делают результат более сложным, чем формирование только за счет гидростатического давления.
  • Формование резиновой прокладки

Гидроформовка труб [ править ]

При гидроформовке труб используются два основных метода: высокое и низкое . При использовании процесса высокого давления трубка полностью закрывается в матрице до создания давления в трубке. При низком давлении в трубке немного повышается давление до фиксированного объема во время закрытия матрицы (раньше это называлось вариформным процессом). Исторически этот процесс был запатентован в 50-х годах [7], но в 1970-х годах он получил промышленное распространение для производства больших Т-образных соединений для нефтегазовой промышленности. Сегодня он в основном используется в автомобильном секторе, где можно найти множество промышленных применений. [8] [9]Это также предпочтительный метод для нескольких трубчатых элементов велосипедов. При гидроформовке трубы давление прикладывается к внутренней части трубы, которая удерживается штампами с желаемыми поперечными сечениями и формами. Когда штампы закрыты, концы трубок уплотняются осевыми пробойниками, и трубка заполняется гидравлической жидкостью.. Внутреннее давление может доходить до нескольких тысяч бар, что приводит к калибровке трубки относительно штампов. Жидкость нагнетается в трубку через один из двух осевых штампов. Осевые пуансоны подвижны, и их действие требуется для обеспечения осевого сжатия и подачи материала к центру выступающей трубы. Поперечные встречные штампы также могут быть включены в формовочную головку для образования выступов с малым отношением диаметра к длине. Поперечные встречные штампы также могут использоваться для пробивки отверстий в заготовке в конце процесса формования.

В прошлом разработка процесса была сложной задачей, поскольку первоначальное аналитическое моделирование возможно только в ограниченных случаях. [10] Достижения в области FEA и FEM в последние годы позволили более широко разрабатывать процессы гидроформовки для различных деталей и материалов. Часто моделирование методом конечных элементов необходимо выполнять, чтобы найти возможное технологическое решение и определить правильные кривые нагрузки: давление в зависимости от времени и осевая подача в зависимости от времени. [11]В случае более сложных трубных гидроформованных деталей труба должна быть предварительно изогнута перед загрузкой в ​​гидроформовочную головку. Гибка выполняется последовательно по длине трубки, причем трубка изгибается вокруг гибочных дисков (или штампов) по мере подачи длины трубки. Гибка может выполняться с оправками или без них. Эта дополнительная сложность процесса еще больше увеличивает зависимость от МКЭ при проектировании и оценке производственных процессов. Осуществимость процесса гидроформовки должна учитывать исходные свойства материала трубы и его возможность изменения, наряду с процессом гибки, гидравлическое давление на протяжении всего процесса формования, включая осевую подачу или нет, чтобы предсказать формуемость металла.

Последовательность процессов гидроформовки трубы Т-образной формы с контрпуншином

Типовые инструменты [ править ]

Инструменты и пуансоны можно менять местами в зависимости от требований к деталям. Одним из преимуществ гидроформинга является экономия на инструментах. Для листового металла требуются только вытяжное кольцо и пуансон (металлообработка) или матрица с наружной резьбой. В зависимости от формируемой детали пуансон может быть изготовлен из эпоксидной смолы, а не из металла. Сама камера гидроформы действует как матрица, что устраняет необходимость в ее изготовлении. Это позволяет изменять толщину материала, как правило, без внесения необходимых изменений в инструмент. Однако матрицы должны быть хорошо отполированы, а при гидроформовке труб требуется двухэлементная матрица, позволяющая открываться и закрываться.

Созданная геометрия [ править ]

Еще одно преимущество гидроформинга состоит в том, что сложные формы можно изготавливать за один этап. При гидроформовке листа с баллоном, работающим в качестве охватываемого штампа, можно получить практически неограниченные геометрические формы. Однако процесс ограничен очень высокой силой закрытия, необходимой для герметизации штампов, особенно для больших панелей и толстых твердых материалов. Небольшие радиусы углов вогнутых частей трудно полностью откалибровать, то есть заполнить, потому что потребуется слишком большое давление. Фактически, сила закрытия матрицы может быть очень высокой как при гидроформовке труб, так и листов, и может легко преодолеть максимальную грузоподъемность формовочного пресса. Чтобы удерживать усилие закрытия матрицы в установленных пределах, максимальное внутреннее давление жидкости должно быть ограничено. Это снижает возможности калибровки процесса, т. Е.это снижает возможность формования деталей с малым радиусом вогнутости. Ограничения процесса гидроформовки листов обусловлены рисками чрезмерного утонения, разрушения, образования складок и строго связаны с формуемостью материала и правильным выбором параметров процесса (например, зависимости гидравлического давления от времени). Гидравлическое формование труб также позволяет создавать множество геометрических вариантов, снижая необходимость в сварке труб. Подобные ограничения и риски могут быть перечислены как в листовой гидроформинге; однако максимальная сила закрытия редко является ограничивающим фактором при гидроформовке труб.Гидравлическое формование труб также позволяет создавать множество геометрических вариантов, снижая необходимость в сварке труб. Подобные ограничения и риски могут быть перечислены как в листовой гидроформинге; однако максимальная сила закрытия редко является ограничивающим фактором при гидроформовке труб.Гидравлическое формование труб также позволяет создавать множество геометрических вариантов, снижая необходимость в сварке труб. Подобные ограничения и риски могут быть перечислены как в листовой гидроформинге; однако максимальная сила закрытия редко является ограничивающим фактором при гидроформовке труб.[12]

Допуски и обработка поверхности [ править ]

Гидроформование позволяет производить детали с жесткими допусками, включая допуски самолетов, где общий допуск для деталей из листового металла находится в пределах 0,76 мм (1/30 дюйма). Гидроформование металла также позволяет получить более гладкую поверхность, поскольку исключаются следы вытяжки, полученные традиционным методом прессования штампа с резьбой и фильерой.

Несмотря на то, что упругая отдача долгое время была темой обсуждения операций по формовке листового металла, гидроформование труб было гораздо менее предметом исследований. Частично это может быть результатом относительно низких уровней упругого возврата, возникающего естественным образом при деформации труб до их закрытой геометрии. Трубы, подвергнутые гидроформовке, по своей природе замкнутого сечения очень жесткие и не проявляют высокой степени упругой деформации под нагрузкой. По этой причине вполне вероятно, что отрицательное остаточное напряжение, создаваемое во время гидроформовки трубы, может быть недостаточным для упругой деформации детали после завершения формования. Однако по мере того, как все больше и больше трубчатых деталей производится с использованием высокопрочной стали и современной высокопрочной стали [13] деталей, упругая отдача должна быть учтена при проектировании и производстве гидроформованных деталей из труб закрытого сечения.

Примеры [ править ]

Известные примеры включают:

Листовое гидроформование [ править ]

  • Спутниковые антенны диаметром до 6 метров, такие как те, что используются в телескопической решетке Аллена . [14]
  • Корпус осветительной арматуры и отражатель

Трубная гидроформовка [ править ]

  • Латунная трубка саксофонов Yamaha .
  • Этот процесс стал популярным при производстве алюминиевых велосипедных рам. Самый ранний из них - это велосипед Giant Manufacturing Revive, впервые выпущенный на рынок в 2003 году.
  • Многие автомобили имеют основные компоненты, изготовленные с использованием этой технологии, например:
    • Техника широко используется при изготовлении опор двигателя. Первый массового производства один был для Ford Contour и Mystique в 1994 году [15] Другие из длинного списка включают Pontiac Aztek , [16] на Honda Accord [17] и по периметру рамки вокруг мотоцикла Harley Davidson V- образным Rod двигатель. [18]
    • Помимо опор двигателя, гидроформинг в основном используется в автомобилях для подвески, опор радиатора и опорных балок приборной панели. У Buick Regal и Oldsmobile Cutlass 1994 года были гидроформованные балки приборной панели. [19] Первые массовое производством автомобильных компонентов были в 1990 году с опорной балкой приборной панели для минивэна Chrysler. [15]
    • Различные кузова и компоненты кузова, самым ранним из которых стал Chevrolet Corvette 1997 года выпуска . [20] Некоторые из множества примеров представляют собой текущие версии трех основных пикапов США - Ford F-150 , Chevrolet Silverado и Ram - все они имеют гидроформованные рельсы рамы, [20] Pontiac Solstice 2006 года [21] и стальная рама внутри внедорожника John Deere HPX Gator. [22]
  • В последнее время этот процесс стал популярным для производства алюминиевых каркасов инвалидных колясок и ободов для рук для инвалидных колясок, что делает инвалидные коляски более жесткими и легкими, а ободья для рук - более эргономичными. [23]

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Процесс гидроформинга» . Jones Metal Products . Проверено 21 июня 2011 .
  2. ^ "первый патент HF" . Проверено 17 июля 2012 года .
  3. ^ Патент США 2713314
  4. ^ Хатипоглу, Х. Али; Полат, Наки; Коксал, Ариф; Теккая, А.Эрман (1 января 2007 г.). «Моделирование процесса Flexforming (формирование ячеек жидкости) методом конечных элементов». Ключевые инженерные материалы . 344 : 469–476. DOI : 10,4028 / www.scientific.net / KEM.344.469 . S2CID 137151717 . 
  5. ^ Strano, M (2006). «Оптимизация в условиях неопределенности процессов обработки листового металла методом конечных элементов». Труды Института инженеров-механиков, Часть B: Журнал машиностроения . 220 (8): 1305–1315. DOI : 10.1243 / 09544054JEM480 . S2CID 108843522 . 
  6. ^ Дачанг, Канг; Ю, Чен; Юнчао, Сюй (2005). «Гидромеханическая глубокая вытяжка чашек из жаропрочных сплавов». Журнал технологий обработки материалов . 166 (2): 243–246. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2004.08.024 .
  7. ^ "первый патент" . Проверено 17 июля 2012 года .
  8. ^ Гидроформинг для перспективного производства / Под ред. Автор: М. Коч, 2009 Woodhead Publishing Limited
  9. ^ Технология гидроформинга. (отчет конференции): Advanced Materials & Processes (Refereed): 1 мая 1997 г .: ASM International: v151: n5: p50 (4)
  10. ^ Asnafi Надер (1999). «Аналитическое моделирование гидроформовки труб». Тонкостенные конструкции . 34 (4): 295–330. DOI : 10.1016 / S0263-8231 (99) 00018-X .
  11. ^ Страно, Маттео; Джиратеаранат, Суват; Shr, Shiuan-Guang; Алтан, Тайлан (2004). «Разработка виртуальных процессов гидроформовки труб». Журнал технологий обработки материалов . 146 (1): 130–136. DOI : 10.1016 / S0924-0136 (03) 00853-7 .
  12. ^ http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2006/hydroforming.html
  13. ^ Хертелл. «Великие конструкции в стали 2015» (PDF) . 11 мая 2015 . Autosteel.org.
  14. ^ Вайнреб, Sander (8-11 июля 2003). Недорогие наземные микроволновые терминалы для космической связи (PDF) . V Международный симпозиум по удешевлению наземных систем и эксплуатации космических аппаратов. Пасадена, Калифорния: НАСА. Архивировано из оригинального (PDF) 20 марта 2009 года . Проверено 21 ноября 2008 .
  15. ^ а б Харджиндер Сингх (2003). Основы гидроформинга . SME. п. 4. ISBN 978-0-87263-662-0.
  16. ↑ Тони Свон (июль 2000 г.). "2001 Pontiac Aztek - Первый обзор привода" . Caranddriver.com . Проверено 5 декабря 2008 .
  17. ↑ Эрик Лундин (24 июля 2003 г.). «Поставщик первого уровня выстраивает четырехэтапную конкурентную стратегию» . Изготовитель . Проверено 5 декабря 2008 .
  18. ^ "2009 Harley Davidson V-Rod Muscle" . thekneeslider.com . Проверено 5 декабря 2008 .
  19. ^ «Использование технологий USLAB автопроизводителями стремительно растет» . Американский институт железа и стали . 2008 . Проверено 5 декабря 2008 .[ постоянная мертвая ссылка ]
  20. ^ a b «Ремонт гидроформованной рамы» . I-Car Advantage Online . 13 сентября 2004 года Архивировано из оригинала 21 октября 2012 года . Проверено 5 декабря 2008 .
  21. ^ "Технология гидроформования листового металла Pontiac Solstice 2006" . Авто канал . Проверено 5 декабря 2008 .
  22. ^ «Utility Vehicle имеет стальную раму гидравлической вытяжки» . ThomasNet . 5 декабря 2003 . Проверено 5 декабря 2008 .
  23. ^ Сильва, округ Колумбия; Пашоарелли, LC; Медола, ФО (2019). «Оценка двух моделей обода руки инвалидной коляски: распределение контактного давления по прямой и кривой траектории» . Эргономика . 62 (12): 1563–1571. DOI : 10.1080 / 00140139.2019.1660000 . PMID 31446854 . S2CID 201748187 .  

[2]