Semifinished products and materials
På nuværende tidspunkt anvendes overvejende stållegeringer og aluminiumslegeringer som materialer til de nødvendige halvfabrikata i hydroformingproduktionen. Kobber- og messinglegeringer anvendes til hydroformede produkter i rør- og sanitetsindustrien. De anvendte legeringer svarer i de fleste tilfælde til materialer, der anvendes til almindelige koldformningsprocesser som f.eks. dybtrækning eller masseformning. I princippet er alle metalmaterialer med tilstrækkelig formbarhed egnede til halvfabrikata i hydroformningsprocesser. En finkornet struktur kombineret med store mængder af ensartet forlængelse, brudforlængelse og en stor koefficient for hærdning er en fordel i forbindelse med den mulige udvidelse af det oprindelige emne, som kan opnås uden forekomst af ustabilitet i materialet. Styrken af den endelige komponent forbedres ved en udpræget arbejdshærdning af det formede materiale; arbejdshærdning medfører dog også en forøgelse af de krævede formningsbelastninger.
Stållegeringer, der anvendes eller afprøves til konventionelle hydroformingkomponenter, er duktilt lavkulstofstål, trykhærdet stål, varmebehandlingsbart stål, ferritisk og austenitisk rustfrit stål samt højstyrkestål og ultrahøjstyrkestål, f.eks . Generelt fremstilles rørformede stålmaterialer, der anvendes til hydroformning, af flade pladematerialer ved kontinuerlig valsning og højfrekvenssvejsning i længderetningen for at lukke det valsede rørformede tværsnit. Rør med cirkulært tværsnit samt profiler, der afviger fra en cirkulær form, kan fremstilles ved hjælp af rulleformningsprocessen ved hjælp af passende rulleformningsværktøjer. I dag anvendes der dog hovedsagelig halvfabrikata med cirkulært tværsnit til hydroformning af stålkomponenter. Typiske dimensioner for konventionelt hydroformede stålrør er yderdiametre, d0, på mellem ca. 20 mm og 140 mm med et forhold mellem vægtykkelse og yderdiameter, t0/d0, på mellem ca. 0,012 og 0,16. Hvad angår mikrohydroformning, findes der på markedet i øjeblikket valsede og svejsede metalmikrorør med en ydre diameter på mindst ca. 0,2 mm og en vægtykkelse på mindst ca. 0,03 mm.
Ved udvælgelse af passende rør til hydroformningsprocesser skal der skelnes mellem rør uden glødningsproces efter koldformning ved valsning eller trækning, rør trukket med en lille resulterende belastning efter en forudgående glødningsproces og rør, der glødes efter den endelige koldformningsproces. Trækprocesser efter valsedannelsen tjener til at justere den endelige rørdiameter og/eller vægtykkelse samt til at øge styrken på grund af arbejdshærdende virkninger.
Trukne og ikke-glødende rør giver almindeligvis nedsat formbarhed i hydroformningsprocesser, afhængigt af egenskaberne ved den anvendte stållegering og størrelsen af den belastning, der fremkaldes af trækprocessen. Rør, der er blevet trukket med en lille resulterende belastning efter udglødning, viser en koldformbarhed inden for visse grænser. Den mest omfattende koldformbarhed opnås ved anvendelse af rør, der er blevet udglødet efter den endelige koldformningsproces, f.eks. valsning eller trækning.
For at undgå for tidlig sprængning af emnet under hydroformningsprocessen kræves en meget tilfredsstillende svejsesømkvalitet for valsede og svejsede rør. Det anbefales at undgå at placere svejsesømmen i den endelige hydroformede komponent inden for områder, hvor overdrevne trækspændinger som følge af ekspansionen virker på komponenten under hydroformningsprocessen.
Figur 3 viser eksempler på hydroformede mikroprototypedele fremstillet af opløsningsglødede rør af rustfrit stål . Det oprindelige rørmateriale med en udvendig diameter på 0,8 mm og en vægtykkelse på 0,04 mm var blevet fremstillet ved kontinuerlig valsning og efterfølgende træk- og udglødningsprocesser.
Figur 3. Mikro-hydroformede komponenter .
Med hensyn til anvendelsen af aluminiumslegeringer til konventionelle hydroformningsapplikationer anvendes arbejdshærdende aluminium 5000-legeringer i øjeblikket, når der lægges vægt på en høj grad af formbarhed og korrosionsbestandighed, mens udfældningshærdende aluminium 6000-legeringer anvendes til komponenter, der kræver høj styrke, f.eks. Generelt fremstilles rør af aluminium 5000-legeringer af fladt plademateriale ved kontinuerlig valsning med langsgående svejsning, mens aluminium 6000-legeringer fremstilles som ekstruderede profiler. Ekstruderede profiler giver fordele med hensyn til designfleksibilitet i forbindelse med komplekse tværsnit med skarpe hjørner, flere fordybninger og flanger. Der skal dog tages hensyn til den reducerede formbarhed af disse halvfabrikata, når der skal konstrueres en hydroformingskomponent. Desuden er valget af ekstruderet materiale til hydroformede mikrokomponenter i øjeblikket begrænset af de minimale tværsnitsdimensioner, som kan produceres af de relevante industrier. Fremstilling af mikroextruderede profiler som halvfabrikata har været genstand for flere undersøgelser, f.eks. .
På grund af deres høje styrke/vægt-forhold giver magnesiumlegeringer et stort potentiale for vægtreducerede komponenter. Anvendelsen af disse legeringer i formningsprocesser, der arbejder ved stuetemperatur, er imidlertid begrænset på grund af deres hexagonale atomstruktur. En forbedring af formbarheden opnås ved anvendelse af højere temperaturer, over ca. 200 °C, hvor yderligere glideplaner aktiveres. På denne baggrund er der i de seneste år blevet gennemført forskellige undersøgelser af den konventionelle hydroformning af halvfabrikata af magnesiumlegeringer ved anvendelse af en forhøjet temperatur, f.eks. .
I tilfælde, hvor hydroformning anvendes på rør med mikrodimensioner, skal der tages hensyn til potentielle påvirkninger af formningsadfærden, som skyldes det reducerede forhold mellem rørets vægtykkelse og den gennemsnitlige kornstørrelsesdiameter, t0/dk, i rørets mikrostruktur . Dette gælder uanset det anvendte rørmateriale. Som et eksempel viser figur 4 mikrostrukturen af de udgangsrør, der anvendes til hydroformning af de i figur 3 viste komponenter af rustfrit stål. Et gennemsnitligt forhold, t0/dk, mellem rørets vægtykkelse t0 og kornstørrelse dk på mellem 1,54 og 2,56 blev bestemt med et lille antal enkeltkorn med t0/dk ≈ 1 .
Figur 4. Mikrostruktur af et mikrorør (materiale: AISI 304 opløsningsglødet, udvendig diameter 800 μm, vægtykkelse 40 μm) , (a) snit i rørets længderetning, (b) snit vinkelret på længderetningen.
Design af hydroformningsprocesser samt overvågning af halvfabrikatets kvalitet i hydroformningsproduktionen kræver egnede og pålidelige metoder til at opnå materialeparametre, der karakteriserer formningsadfærden. Med hensyn til konventionel hydroformning af rør anvendes der i øjeblikket overvejende traditionelle materialeprøvningsmetoder, såsom trækprøvninger, metoder til mekanisk ekspansion og gitteranalyse. Disse metoders egnethed er imidlertid ofte begrænset, da den typiske biaxiale spændingstilstand i hydroformningsprocesser ikke eller kun tilnærmelsesvis reproduceres.
Den mest almindelige metode, der anvendes til at karakterisere det anvendte rørmateriales formningsadfærd, er trækprøvning, som er en standardiseret uniaxial materialeprøvningsmetode. Der skal skelnes mellem anvendelsen af denne prøve på det oprindelige plademateriale før valsning og på de valsede og svejsede emner. Prøvning af det oprindelige plademateriale betyder, at ændringer i materialeegenskaberne som følge af rørets fremstillingsproces ikke tages i betragtning.
En metode til belastningsanalyser i hydroformede komponenter består i påføring af cirkulære eller kvadratiske gitre på overfladen af det oprindelige halvfabrikata. Den målte forvrængning af de enkelte gitterelementer på det hydroformede emne gør det muligt at bestemme lokale belastninger, hvilket giver en vurdering af hydroformningsprocessen, når man sammenligner de analyserede belastninger med formningsgrænsekurven for det pågældende rørmateriale, f.eks. Der er begrænsninger i anvendelsen af denne metode i mikro-hydroformningsprocesser på grund af den minimale anvendelige gitterstørrelse på mikrorør.
Et eksempel på en standardiseret mekanisk udvidelsesprøvningsmetode er kegleprøven, hvor enden af det undersøgte rør udvides med et konisk stempel, indtil der opstår brud. Denne test gør det muligt at foretage en principiel bestemmelse af formbarhed, f.eks. for at sammenligne forskellige partier af rørmateriale. Desuden kan der påvises brud på rørets overflade eller i svejsesømmen. Ved anvendelse af denne prøvningsmetode skal der tages hensyn til, at variationer i friktionsforholdene eller uensartet overfladeruhed på rørets endeflade påvirker bruddet på den udvidede rørsektion. Figur 5 viser resultaterne af mekanisk ekspanderede mikrorør fremstillet af rustfrit stål AISI 304 .
Figur 5. Ekspansionskegleforsøg og eksperimentelle resultater.
For at forbedre metoderne til karakterisering af rør til hydroforming-applikationer er der gennemført flere undersøgelser af rørekspansionstests, der arbejder med en indre trykbelastning af det testede rør, som er fastspændt i enderne i henhold til figur 6. Denne udbulningsprøvning gør det muligt at bestemme sprængtrykket pb, den trykafhængige ekspansionsdiameter d(pi) og den opnåelige ekspansionsdiameter dr under den toaksiske trækspændingstilstand. Der er blevet udviklet strategier til bestemmelse af rørenes materialeegenskaber og deres flydekurver på grundlag af udbulningsprøven, f.eks. i Refs. , . Ved anvendelse af buleprøven skal der tages hensyn til, at forholdet mellem den udvidede rørlængde ld og rørdiameteren d0 har indflydelse på det tryk, der kræves for at udvide en rørprøve, hvis forholdet ld/d0 er under en vis grænse . Udbulningsprøvningsanordningen, der er vist i figur 6, er udviklet til prøvning af mikrorør med en ydre diameter på under 1 mm og er egnet til at anvende et indre tryk på op til 4000 bar . Figur 7 viser som et eksempel testresultater af mikrorør udført med denne anordning, som verificerede skiftende formbarhed for nedskalerede hydroformningsprocesser, som præsenteret i .
Figur 6. Buleprøveanordning for mikrorør.
Figur 7. Ekspansionsforhold i forhold til sprængtryk for mikrorør fremstillet af opløsningsglødet rustfrit stål.