Puolivalmisteet ja materiaalit
Tällä hetkellä hydroforming-tuotannossa tarvittavien puolivalmisteiden materiaaleina käytetään pääasiassa terässeoksia ja alumiiniseoksia. Kupari- ja messinkiseoksia käytetään putkisto- ja saniteettiteollisuuden vesimuovatuissa tuotteissa. Käytetyt seokset vastaavat useimmissa tapauksissa materiaaleja, joita käytetään yleisissä kylmämuovausprosesseissa, kuten syväveto- tai massamuovausprosesseissa. Periaatteessa kaikki metallimateriaalit, joiden muovattavuus on riittävä, soveltuvat puolivalmisteiksi hydroformausprosesseissa. Hienorakeinen rakenne yhdistettynä suuriin määriin tasaista venymää, murtovenymää ja suurta venymiskovettumiskerrointa on eduksi, kun alkuperäistä työkappaletta voidaan laajentaa ilman materiaalin epävakautta. Lopullisen komponentin lujuus paranee muokatun materiaalin erottuvalla työstökovettumisella; työstökovettuminen aiheuttaa kuitenkin myös vaadittavien muokkauskuormitusten kasvua.
Tavanomaisissa vesipuristuskomponenteissa käytettäviä tai testattuja terässeoksia ovat sitkeät niukkahiiliset teräkset, kotelointikarkaistut teräkset, lämpökäsiteltävät teräkset, ferriittiset ja austeniittiset ruostumattomat teräkset sekä lujat ja ultralujit teräkset, esimerkiksi . Yleensä putkimaista teräsmateriaalia, jota käytetään vesimuovaussovelluksissa, valmistetaan litteästä levymateriaalista jatkuvalla rullamuovauksella ja pituussuuntaisella korkeataajuushitsauksella, jolla suljetaan rullamuovattu putkimainen poikkileikkaus. Pyöreän poikkileikkauksen omaavia putkia sekä pyöreästä muodosta poikkeavia profiileja voidaan valmistaa rullamuovausprosessilla käyttämällä sopivia rullamuovausvälineitä. Tällä hetkellä teräskomponenttien vesimuovaustuotannossa käytetään kuitenkin pääasiassa puolivalmisteita, joiden poikkileikkaus on pyöreä. Tavanomaisesti vesimuovatun teräsputken tyypilliset mitat ovat ulkohalkaisijaltaan d0 noin 20 mm:n ja 140 mm:n välillä ja seinämän paksuuden ja ulkohalkaisijan suhde t0/d0 noin 0,012-0,16 välillä. Mikrohydromuovauksen osalta markkinoilla on tällä hetkellä tarjolla valssattuja ja hitsattuja metallisia mikroputkia, joiden pienin ulkohalkaisija on noin 0,2 mm ja pienin seinämänpaksuus noin 0,03 mm.
Valittaessa sopivia putkia hydromuovausprosesseihin on erotettava toisistaan putket, joita ei ole hehkutettu kylmämuovauksen jälkeen valssausmuovauksen tai vedon jälkeen, putket, jotka on vedetty siten, että niiden syntyvä rasitus on pieni edeltävän hehkutusprosessin jälkeen, ja putket, jotka on hehkutettu lopullisen kylmämuovauksen jälkeen. Vetoprosessit, jotka seuraavat valssauksen jälkeen, palvelevat putken lopullisen halkaisijan ja/tai seinämänpaksuuden säätämistä sekä lujuuden lisäämistä työstökarkaisevaikutusten ansiosta.
Vedettyjen ja hehkuttamattomien putkien muovattavuus on yleisesti heikentynyt vesipuristusprosesseissa riippuen käytetyn terässeoksen ominaisuuksista ja vedon aiheuttaman venytyksen määrästä. Putket, jotka on vedetty niin, että hehkutuksen jälkeen syntyvä venymä on pieni, ovat kylmämuovattavia tietyissä rajoissa. Laajin kylmämuovattavuus saavutetaan käyttämällä putkia, jotka on hehkutettu lopullisen kylmämuovauksen, kuten rullamuovauksen tai vedon, jälkeen.
Välttääksemme työkappaleen ennenaikaisen murtumisen hydromuovausprosessissa, rullamuovattujen ja hitsattujen putkien hitsaussaumojen laatu on erittäin tyydyttävä. On suositeltavaa välttää hitsaussauman sijoittamista lopullisessa hydromuovatussa kappaleessa alueille, joissa kappaleeseen kohdistuu hydromuovausprosessin aikana laajenemisesta johtuvia liiallisia vetojännityksiä.
Kuvassa 3 on esimerkkejä liuoksella hehkutetuista ruostumattomasta teräksestä valmistetuista liuoskehitetyistä putkista valmistetuista hydromuovatuista mikroprototyyppikappaleista . Alkuperäinen putkimateriaali, jonka ulkohalkaisija oli 0,8 mm ja seinämänpaksuus 0,04 mm, oli valmistettu jatkuvalla rullamuovauksella ja sitä seuranneilla veto- ja hehkutusprosesseilla.
Kuva 3. Mikrohydromuovatut komponentit .
Alumiiniseosten käytöstä tavanomaisissa hydromuovaussovelluksissa on todettava, että työstökarkaistavia alumiini-5000-seoksia käytetään nykyisin silloin, kun etusijalle asetetaan suuri muovattavuus ja korroosionkestävyys, kun taas saostuskarkaistavia alumiini-6000-seoksia käytetään komponentteihin, jotka vaativat korkeaa lujuutta, esim. . Alumiini-5000-seoksista valmistetut putket valmistetaan yleensä litteästä levymateriaalista jatkuvalla rullamuovauksella ja pitkittäishitsauksella, kun taas alumiini-6000-seokset valmistetaan puristetuiksi profiileiksi. Suulakepuristetut profiilit tarjoavat etuja suunnittelun joustavuuden kannalta, kun kyseessä ovat monimutkaiset poikkileikkaukset, joissa on teräviä kulmia, useita onteloita ja laippoja. Näiden puolivalmisteiden heikompi muovattavuus on kuitenkin otettava huomioon suunniteltaessa vastaavaa hydroformauskomponenttia. Lisäksi suulakepuristetun materiaalin valintaa vesimuovattaviin mikrokomponentteihin rajoittavat tällä hetkellä ne vähimmäispoikkileikkausmitat, joita asianomainen teollisuus voi tuottaa. Mikropuristettujen profiilien valmistusta puolivalmisteina on tutkittu useissa tutkimuksissa, esimerkiksi .
Magnesiumseokset tarjoavat suuren lujuus-painosuhteensa vuoksi suuren potentiaalin painonvähennyskomponenteille. Näiden seosten käyttö huoneenlämmössä toimivissa muokkausprosesseissa on kuitenkin rajoitettua niiden heksagonaalisen atomirakenteen vuoksi. Muovattavuus paranee, kun käytetään korkeampia lämpötiloja, yli 200 °C, jolloin ylimääräiset liukutasot aktivoituvat. Tätä taustaa vasten viime vuosina on tehty useita tutkimuksia magnesiumseoksista valmistettujen puolivalmisteiden tavanomaisesta vesimuovauksesta käyttämällä kohonnutta lämpötilaa, esim. .
Tapauksissa, joissa vesimuovausta sovelletaan putkiin, joilla on mikromittoja, on otettava huomioon mahdolliset vaikutukset muokkauskäyttäytymiseen, jotka johtuvat putken seinämän paksuuden pienemmästä suhteesta putken mikrorakenteen keskimääräiseen raekokohalkaisijaan t0/dk . Tämä pätee käytetystä putkimateriaalista riippumatta. Kuvassa 4 esitetään esimerkkinä kuvassa 3 esitettyjen ruostumattomasta teräksestä valmistettujen komponenttien vesimuovaukseen käytettyjen lähtöputkien mikrorakenne. Putken seinämänpaksuuden t0/dk ja raekoon dk keskimääräinen suhde t0/dk välillä 1,54-2,56 määritettiin pienellä määrällä yksittäisiä rakeita, joiden t0/dk ≈ 1 .
Kuva 4. Putken seinämänpaksuuden t0 ja raekoon dk keskimääräinen suhde. Mikroputken mikrorakenne (materiaali: AISI 304 liuoshehkutettu, ulkohalkaisija 800 μm, seinämänpaksuus 40 μm) , (a) poikkileikkaus putken pituussuunnassa, (b) poikkileikkaus kohtisuoraan putken pituussuuntaan nähden.
Vesipainesuunnitteluprosessien suunnittelu sekä puolivalmisteen laadun seuranta vesipainesuunnittelutuotannossa edellyttävät sopivia ja luotettavia menetelmiä, joiden avulla voidaan saada muokkauskäyttäytymistä luonnehtivia materiaaliparametreja. Perinteisessä putkien vesimuovauksessa käytetään tällä hetkellä pääasiassa perinteisiä materiaalin testausmenetelmiä, kuten vetokokeita, mekaanisia laajenemismenetelmiä ja verkkoanalyysejä. Näiden menetelmien soveltuvuus on kuitenkin usein rajallinen, koska hydroformausprosesseissa tyypillistä kaksiakselista jännitystilaa ei toisteta tai toistetaan vain likimääräisesti.
Yleisin käytössä oleva menetelmä käytetyn putkimateriaalin muokkauskäyttäytymisen karakterisoimiseksi on vetokoe, joka on standardoitu yksiakselinen materiaalin testausmenetelmä. On erotettava toisistaan tämän testin soveltaminen alkuperäiseen levymateriaaliin ennen rullamuovausta ja rullamuovattuihin ja hitsattuihin työkappaleisiin. Alkuperäisen levymateriaalin testaaminen tarkoittaa sitä, että putken valmistusprosessista johtuvia materiaaliominaisuuksien muutoksia ei oteta huomioon.
Vesimuovattujen kappaleiden venymäanalyysimenetelmässä on kyse pyöreiden tai neliönmuotoisten ristikoiden levittämisestä alkuperäisen puolivalmisteen pinnalle. Yksittäisten ristikkoelementtien mitattu vääristymä hydroformatun työkappaleen kohdalla mahdollistaa paikallisten muodonmuutosten määrittämisen, mikä mahdollistaa hydroformausprosessin arvioinnin, kun analysoituja muodonmuutoksia verrataan asianomaisen putkimateriaalin muodonmuutoksen rajakäyrään, esim . Tämän menetelmän käytölle mikrohydromuovausprosesseissa on rajoituksia, koska mikroputkiin sovellettavan ruudukon koko on minimaalinen.
Esimerkki standardoidusta mekaanisen laajenemisen testausmenetelmästä on kartiokoe, jossa tutkittavan putken päätä laajennetaan kartiomaisella lävistimellä murtumiseen asti. Tämä testi mahdollistaa muovattavuuden pääasiallisen määrittämisen, esimerkiksi eri putkimateriaalierien vertailemiseksi. Myös putken pinnalla tai hitsaussaumassa olevat murtumat voidaan havaita. Tätä testimenetelmää sovellettaessa on otettava huomioon, että kitkaolosuhteiden vaihtelut tai epätasaisesti valmistettu pinnankarheus putken päädyssä vaikuttavat laajentuneen putken osan murtumisen alkamiseen. Kuvassa 5 esitetään ruostumattomasta teräksestä AISI 304 valmistettujen mekaanisesti paisutettujen mikroputkien tulokset .
Kuva 5. Ruostumattomasta teräksestä AISI 304 valmistettujen mekaanisesti paisutettujen mikroputkien tulokset. Paisutuskartiokoe ja kokeelliset tulokset.
Hydroforming-sovelluksissa käytettävien putkien karakterisointimenetelmien parantamiseksi on tehty useita tutkimuksia putkien paisutuskokeista, joissa on työskennelty siten, että tutkittavan putken sisäpuolinen paineistus on puristettu sen päistä kuvan 6 mukaisesti. Tämän pullistumakokeen avulla voidaan määrittää murtumispaine pb, paineesta riippuvainen laajenemisläpimitta d(pi) ja saavutettavissa oleva laajenemisläpimitta dr kaksiaksiaalisessa vetojännitystilassa. Putkien materiaaliominaisuuksien ja myötökäyrien määrittämiseksi pullistuskokeen perusteella on kehitetty strategioita, esimerkiksi viitteissä Ref. , . Paisuntakokeen soveltamisessa on otettava huomioon, että laajentuneen putken pituuden ld ja putken halkaisijan d0 suhde vaikuttaa putkikappaleen laajentamiseen tarvittavaan paineeseen, jos suhde ld/d0 on alle tietyn rajan . Kuvassa 6 esitetty pullistumatestauslaite on kehitetty sellaisten mikroputkien testaamiseen, joiden ulkohalkaisija on alle 1 mm, ja se soveltuu jopa 4000 baarin sisäiseen paineeseen . Kuvassa 7 on esimerkkinä tällä laitteella suoritettujen mikroputkien testaustulokset, joilla todennettiin muuttuva muovattavuus pienennetyissä hydroformausprosesseissa, kuten .
Kuvassa 6 on esitetty. Mikroputkien pullistumatestilaite.
Kuva 7. Liuotuskehitetystä ruostumattomasta teräksestä valmistettujen mikroputkien laajenemissuhde suhteessa murtumispaineeseen.