Félkész termékek és anyagok
A hidroforminggyártásban jelenleg túlnyomórészt acélötvözeteket és alumíniumötvözeteket használnak a szükséges félkész termékek anyagaként. Réz- és sárgarézötvözeteket használnak hidroformázott termékekhez a cső- és szaniteriparban. Az alkalmazott ötvözetek az esetek többségében olyan anyagoknak felelnek meg, amelyeket a szokásos hidegalakítási eljárásokhoz, például mélyhúzáshoz vagy tömegalakításhoz használnak. Elvileg minden megfelelő alakíthatósággal rendelkező fémes anyag alkalmas a hidroformálási eljárásokban félkész termékek előállítására. A finom szemcsés szerkezet nagy mennyiségű egyenletes nyúlással, törési nyúlással és nagy alakváltozási keményedési együtthatóval kombinálva előnyös a kiindulási munkadarab megvalósítható, az anyag instabilitása nélkül elérhető tágításában. A végső alkatrész szilárdságát javítja az alakított anyag markáns munkakeményedése; a munkakeményedés azonban a szükséges alakítási terhelések növekedését is okozza.
A hagyományos hidroforming alkatrészekhez használt vagy vizsgált acélötvözetek a képlékeny, alacsony széntartalmú acélok, tokozott acélok, hőkezelhető acélok, ferrites és ausztenites rozsdamentes acélok, valamint a nagy szilárdságú és ultranagy szilárdságú acélok, például . Általában a hidroformázási alkalmazásokhoz használt csőacél anyagokat lapos lemezanyagból folyamatos henger alakítással és hosszirányú nagyfrekvenciás hegesztéssel állítják elő a henger alakított cső keresztmetszet lezárására. Kör keresztmetszetű csövek, valamint a kör alakútól eltérő profilok is előállíthatók henger alakítási eljárással, megfelelő henger alakító szerszámok használatával. Jelenleg azonban túlnyomórészt kör keresztmetszetű félkész termékeket használnak az acélalkatrészek hidroformálására. A hagyományos hidroformált acélcsövek tipikus méretei a d0 külső átmérő körülbelül 20 mm és 140 mm között van, a falvastagság és a külső átmérő aránya t0/d0 körülbelül 0,012 és 0,16 között van. Ami a mikro-hidroformálást illeti, a piac jelenleg hengerelt és hegesztett fém mikrocsöveket kínál, amelyek minimális külső átmérője körülbelül 0,2 mm és minimális falvastagsága körülbelül 0,03 mm.
A hidroformálási eljárásokhoz megfelelő csövek kiválasztásakor különbséget kell tenni a hengerléssel vagy húzással történő hidegalakítást követő izzítási folyamat nélküli csövek, a megelőző izzítási folyamatot követően kis eredő alakváltozással húzott csövek és a végső hidegalakítási műveletet követően izzított csövek között. A hengerlési műveletet követő húzási eljárások a végső csőátmérő és/vagy falvastagság beállítását szolgálják, valamint a szilárdság növelését biztosítják a munkakeményítő hatásoknak köszönhetően.
A húzott és nem izzított csövek általában csökkent alakíthatóságot biztosítanak a hidroformázási eljárásokban, a felhasznált acélötvözet jellemzőitől és a húzási művelet által kiváltott alakváltozás mértékétől függően. A lágyítás után kis eredő alakváltozással húzott csövek bizonyos határokon belül hidegalakíthatóságot mutatnak. A legkiterjedtebb hidegalakíthatóságot olyan csövek alkalmazásával érik el, amelyeket a végső hidegalakítási művelet, például henger alakítás vagy húzás után lágyítottak.
A munkadarab idő előtti felszakadásának elkerülése érdekében a hidroformázási eljárás során a henger alakított és hegesztett csövek esetében nagyon kielégítő hegesztési varratminőségre van szükség. Ajánlatos elkerülni, hogy a hegesztési varratot a végleges hidroformált alkatrészben olyan területeken helyezzék el, ahol a tágulás miatt túlzott húzófeszültségek hatnak az alkatrészre a hidroformálási folyamat során.
A 3. ábra példákat mutat oldottan lágyított rozsdamentes acélcsövekből készült hidroformált mikroprototípus alkatrészekre . A 0,8 mm külső átmérőjű és 0,04 mm falvastagságú kiindulási csőanyagot folyamatos hengeres alakítással, majd ezt követő húzással és lágyítással állították elő.
3. ábra. Mikro-hidroformázott alkatrészek .
Az alumíniumötvözetek hagyományos hidroformázási alkalmazásokhoz történő felhasználását illetően, a munkakeményedő alumínium 5000 ötvözeteket jelenleg akkor használják, amikor a nagyfokú alakíthatóság és korrózióállóság élvez prioritást, míg a csapadékkeményedő alumínium 6000 ötvözeteket nagy szilárdságot igénylő alkatrészeknél alkalmazzák, pl. . Általában az alumínium 5000 ötvözetekből készült csöveket sík lemezanyagból folyamatos henger alakítással, hosszirányú hegesztéssel állítják elő, míg az alumínium 6000 ötvözeteket extrudált profilként gyártják. Az extrudált profilok előnyöket kínálnak a tervezési rugalmasság terén az összetett keresztmetszetek, éles sarkok, többszörös üregek és peremek esetében. A megfelelő hidroformázó alkatrész tervezésekor azonban figyelembe kell venni e félkész termékek csökkent alakíthatóságát. Ezenkívül az extrudált anyagok kiválasztását a hidroformált mikroalkatrészekhez jelenleg az érintett iparágak által előállítható minimális keresztmetszeti méretek korlátozzák. A mikro-extrudált profilok félkész termékként történő gyártása több vizsgálat tárgyát képezte, például .
A magnéziumötvözetek nagy szilárdság/tömeg arányuk miatt nagy lehetőséget kínálnak a súlycsökkentett alkatrészekhez. Ezeknek az ötvözeteknek a szobahőmérsékleten működő alakítási folyamatokban való felhasználása azonban hexagonális atomszerkezetük miatt korlátozott. Az alakíthatóság javulása magasabb hőmérsékleten, kb. 200 °C felett érhető el, amikor további siklósíkok aktiválódnak. Ennek fényében az elmúlt néhány évben különböző vizsgálatokat végeztek a magnéziumötvözetekből készült félkész termékek megemelt hőmérsékleten történő hagyományos hidroformálására, pl. .
Ahol a hidroformálást mikroméretű csövekre alkalmazzák, figyelembe kell venni a csőfalvastagság és a cső mikroszerkezetének átlagos szemcseátmérője, t0/dk, csökkentett aránya által az alakítási viselkedésre gyakorolt lehetséges hatásokat . Ez a felhasznált csőanyagtól függetlenül érvényes. A 4. ábra példaként a 3. ábrán bemutatott rozsdamentes acélból készült alkatrészek hidroformázásához használt kiindulási csövek mikroszerkezetét mutatja. A cső falvastagság t0/dk átlagos t0/dk arányát a dk szemcsemérethez képest 1,54 és 2,56 között határozták meg, kis számú egyszemcsés t0/dk ≈ 1 .
4. ábra. Egy mikrocső mikroszerkezete (anyag: AISI 304 oldatlágyított, külső átmérő 800 μm, falvastagság 40 μm) , (a) metszet a cső hosszirányában, (b) metszet a hosszirányra merőlegesen.
A hidroformázási eljárások tervezése, valamint a félkész termék minőségének ellenőrzése a hidroformázási gyártás során megfelelő és megbízható módszereket igényel az alakítási viselkedést jellemző anyagparaméterek meghatározására. Ami a hagyományos csövek hidroformálását illeti, jelenleg túlnyomórészt hagyományos anyagvizsgálati módszereket alkalmaznak, például szakítóvizsgálatokat, mechanikai tágulási módszereket és rácselemzést. Ezen módszerek alkalmassága azonban gyakran korlátozott, mivel a hidroformázási folyamatokban jellemző kéttengelyű feszültségi állapotot nem, vagy csak közelítőleg reprodukálják.
A leggyakrabban alkalmazott módszer az alkalmazott csőanyag alakítási viselkedésének jellemzésére a szakítóvizsgálat, amely egy szabványosított egytengelyű anyagvizsgálati módszer. Különbséget kell tenni e vizsgálatnak a henger alakítás előtti kiindulási lemezanyagra, valamint a henger alakított és hegesztett munkadarabokra történő alkalmazása között. A kezdeti lemezanyag vizsgálata azt jelenti, hogy a cső gyártási folyamatából adódó anyagtulajdonság-változások figyelmen kívül maradnak.
A hidroformált alkatrészek alakváltozásainak vizsgálatára szolgáló módszer a kezdeti félkész termék felületén kör- vagy négyzetes rácsok alkalmazásából áll. Az egyes rácselemek hidroformált munkadarabon mért torzulása lehetővé teszi a helyi alakváltozások meghatározását, ami a hidroformálási folyamat értékelését teszi lehetővé, ha az elemzett alakváltozásokat összehasonlítjuk az adott csőanyag alakítási határgörbéjével, pl. . Ennek a módszernek a mikro-hidroformálási folyamatoknál való alkalmazása korlátozott a mikrocsöveken alkalmazható minimális rácsméret miatt.
Egy szabványosított mechanikai tágulási vizsgálati módszerre példa a kúpvizsgálat, ahol a vizsgált cső végét egy kúpos lyukasztóval a törés bekövetkezéséig tágítják. Ez a vizsgálat lehetővé teszi az alakíthatóság elvi meghatározását, például különböző csőanyagtételek összehasonlítására. A cső felületén vagy a hegesztési varraton belüli hibák is kimutathatók. E vizsgálati módszer alkalmazásakor figyelembe kell venni, hogy a súrlódási viszonyok változása vagy az egyenlőtlenül előkészített felületi érdesség a cső végfelületén befolyásolja a tágított csőszakasz törésének megindulását. Az 5. ábra az AISI 304 rozsdamentes acélból készült mechanikusan expandált mikrocsövek eredményeit mutatja .
5. ábra. Tágulási kúpvizsgálat és kísérleti eredmények.
A hidroformázási célú csövek jellemzési módszereinek javítása érdekében több vizsgálatot végeztek a csőtágulási vizsgálatokkal kapcsolatban, amelyek a vizsgált cső belső nyomás alá helyezésével dolgoztak, amelyet a 6. ábra szerint a végeinél leszorítottak. Ez a kidudorodási vizsgálat lehetővé teszi a pb felszakadási nyomás, a nyomásfüggő d(pi) tágulási átmérő és az elérhető dr tágulási átmérő meghatározását biaxiális húzófeszültségi állapotban. A csövek anyagtulajdonságainak, valamint folyásgörbéinek a kidudorodási vizsgálaton alapuló meghatározására stratégiákat dolgoztak ki, például a hivatkozásokban. , . A kitüremkedési vizsgálat alkalmazásakor figyelembe kell venni, hogy a kitágított cső hosszának ld és a cső átmérőjének d0 aránya befolyásolja a csőminta kitágításához szükséges nyomást, ha az ld/d0 arány egy bizonyos határérték alatt van. A 6. ábrán látható kidudorodási vizsgálóberendezést 1 mm alatti külső átmérőjű mikrocsövek vizsgálatára fejlesztették ki, és alkalmas akár 4000 bar belső nyomás alkalmazására . A 7. ábra példaként az ezzel az eszközzel végzett mikrocsövek vizsgálati eredményeit mutatja be, amelyek a .
6. ábra bemutatott, lekicsinyített hidroformázási eljárások változó alakíthatóságát igazolták. Mikrocsövek kidudorodási tesztberendezése.
7. ábra. Oldattal lágyított rozsdamentes acélból készült mikrocsövek tágulási aránya a felszakítási nyomás függvényében.