Semilavorati e materiali
Oggi, prevalentemente, le leghe di acciaio e le leghe di alluminio sono usate come materiali per i semilavorati richiesti nella produzione di idroformatura. Le leghe di rame e ottone sono utilizzate per i prodotti idroformati nell’industria delle tubature e dei sanitari. Le leghe applicate corrispondono, nella maggior parte dei casi, a materiali che vengono utilizzati per i comuni processi di formatura a freddo come l’imbutitura profonda o la formatura in massa. In linea di principio, tutti i materiali metallici con sufficiente formabilità sono adatti per i semilavorati nei processi di idroformatura. Una struttura a grana fine combinata con grandi quantità di allungamento uniforme, allungamento a rottura e un grande coefficiente di deformazione sono vantaggiosi nell’espansione fattibile del pezzo iniziale, ottenibile senza il verificarsi di instabilità del materiale. La resistenza del componente finale è migliorata da un particolare indurimento del materiale formato; tuttavia, l’indurimento provoca anche un aumento dei carichi di formatura richiesti.
Le leghe di acciaio utilizzate o testate per i componenti di idroformatura convenzionali sono acciai duttili a basso contenuto di carbonio, acciai da cementazione, acciai da trattamento termico, acciai inossidabili ferritici e austenitici, nonché acciai ad alta e altissima resistenza, per esempio. In generale, i materiali in acciaio tubolare, che vengono utilizzati per applicazioni di idroformatura, sono prodotti a partire da materiale in lastre piane mediante formatura continua a rulli e saldatura longitudinale ad alta frequenza per chiudere la sezione trasversale tubolare formata a rulli. I tubi con sezione trasversale circolare, così come i profili che differiscono da una forma circolare, possono essere generati dal processo di profilatura utilizzando strumenti di profilatura appropriati. Tuttavia, per la produzione idroformata di componenti in acciaio sono attualmente in uso soprattutto semilavorati con sezioni trasversali circolari. Le dimensioni tipiche dei tubi d’acciaio idroformati convenzionalmente sono diametri esterni, d0, tra circa 20 mm e 140 mm con rapporti tra spessore della parete e diametro esterno, t0/d0, tra circa 0,012 e 0,16. Per quanto riguarda la micro-idroformatura, il mercato fornisce attualmente microtubi metallici laminati e saldati con diametri esterni minimi di circa 0,2 mm e spessori di parete minimi di circa 0,03 mm.
Nella scelta dei tubi appropriati per i processi di idroformatura, si deve distinguere tra tubi senza un processo di ricottura dopo la formatura a freddo mediante laminazione o trafilatura, tubi trafilati con un piccolo sforzo risultante dopo un processo di ricottura precedente e tubi ricotti dopo l’operazione finale di formatura a freddo. I processi di trafilatura, dopo l’operazione di profilatura, servono per la regolazione del diametro finale del tubo e/o dello spessore della parete, oltre a fornire un aumento della resistenza dovuto agli effetti di incrudimento.
I tubi trafilati e non ricotti forniscono comunemente una formabilità ridotta nei processi di idroformatura, a seconda delle caratteristiche della lega di acciaio utilizzata e della quantità di tensione indotta dall’operazione di trafilatura. I tubi che sono stati trafilati con una piccola deformazione risultante dopo la ricottura mostrano una formabilità a freddo entro certi limiti. La formabilità a freddo più estesa si ottiene con l’uso di tubi che sono stati ricotti dopo l’operazione finale di formatura a freddo, come la profilatura o la trafilatura.
Per evitare lo scoppio prematuro del pezzo nel processo di idroformatura, è necessaria una qualità del cordone di saldatura molto soddisfacente per i tubi profilati e saldati. Si raccomanda di evitare di posizionare il cordone di saldatura nel componente idroformato finale all’interno di aree in cui eccessive sollecitazioni di trazione dovute all’espansione agiscono sul componente durante il processo di idroformatura.
La figura 3 mostra esempi di parti microprototipo idroformate realizzate con tubi in acciaio inossidabile ricotto in soluzione. Il materiale iniziale del tubo con un diametro esterno di 0,8 mm e uno spessore della parete di 0,04 mm era stato prodotto mediante un processo di formatura a rotolo continuo e successivi processi di trafilatura e ricottura.
Figura 3. Componenti micro-idroformati.
Per quanto riguarda l’uso di leghe di alluminio per applicazioni convenzionali di idroformatura, le leghe di alluminio 5000 da indurimento sono attualmente utilizzate quando la priorità è data ad un’alta quantità di formabilità e resistenza alla corrosione, mentre le leghe di alluminio 6000 da indurimento per precipitazione sono applicate per componenti che richiedono alta resistenza, per esempio. In generale, i tubi in leghe di alluminio 5000 sono prodotti da lastre piane mediante profilatura continua con saldatura longitudinale, mentre le leghe di alluminio 6000 sono prodotte come profili estrusi. I profili estrusi offrono vantaggi nella flessibilità di progettazione per sezioni trasversali complesse con angoli acuti, cavità multiple e flange. Tuttavia, la ridotta formabilità di questi semilavorati deve essere considerata quando si progetta un rispettivo componente di idroformatura. Inoltre, la selezione del materiale estruso per i microcomponenti idroformati è attualmente limitata dalle dimensioni minime delle sezioni trasversali che possono essere prodotte dalle industrie interessate. La produzione di profili micro-estrusi come semilavorati è stata oggetto di diverse indagini, per esempio .
Grazie al loro alto rapporto forza-peso, le leghe di magnesio offrono un grande potenziale per componenti dal peso ridotto. Tuttavia, l’uso di queste leghe nei processi di formatura a temperatura ambiente è limitato a causa della loro struttura atomica esagonale. Un miglioramento della formabilità si ottiene con l’uso di temperature più elevate, oltre i 200 °C circa, quando si attivano ulteriori piani di scorrimento. In questo contesto, negli ultimi anni sono state condotte varie indagini sull’idroformatura convenzionale di semilavorati in leghe di magnesio con l’uso di una temperatura elevata, ad esempio, .
Nei casi in cui l’idroformatura viene applicata a tubi con microdimensioni, devono essere prese in considerazione le potenziali influenze sul comportamento della formatura, causate dal ridotto rapporto tra spessore della parete del tubo e diametro medio dei grani, t0/dk, della microstruttura del tubo. Questo vale indipendentemente dal materiale del tubo utilizzato. Come esempio, la Figura 4 mostra la microstruttura dei tubi di partenza, usati per l’idroformatura dei componenti in acciaio inossidabile presentati nella Figura 3. Un rapporto medio, t0/dk, tra lo spessore della parete del tubo t0 e la dimensione del grano dk tra 1,54 e 2,56 è stato determinato con un piccolo numero di grani singoli con t0/dk ≈ 1 .
Figura 4. Microstruttura di un microtubo (materiale: AISI 304 ricotto in soluzione, diametro esterno 800 μm, spessore della parete 40 μm), (a) sezione in direzione longitudinale del tubo, (b) sezione perpendicolare alla direzione longitudinale.
La progettazione di processi di idroformatura così come il monitoraggio della qualità del prodotto semifinito nella produzione di idroformatura richiede metodi adatti e affidabili per ottenere parametri del materiale che caratterizzano il comportamento di formatura. Per quanto riguarda l’idroformatura convenzionale dei tubi, sono attualmente in uso soprattutto metodi tradizionali di prova dei materiali, come prove di trazione, metodi di espansione meccanica e analisi della griglia. Tuttavia, l’idoneità di questi metodi è spesso limitata, poiché lo stato di sollecitazione biassiale tipico nei processi di idroformatura non è riprodotto, o lo è solo approssimativamente.
Il metodo più comune in uso per caratterizzare il comportamento di formatura del materiale tubolare applicato è la prova di trazione che è un metodo standardizzato di prova monoassiale del materiale. Si deve fare una distinzione tra l’applicazione di questo test al materiale iniziale della lamiera prima della formatura a rulli e i pezzi formati a rulli e saldati. Testare il materiale della lamiera iniziale significa che i cambiamenti nelle proprietà del materiale dovuti al processo di fabbricazione del tubo non vengono considerati.
Un metodo per l’analisi della deformazione nei componenti idroformati consiste nell’applicazione di griglie circolari o quadrate sulla superficie del semilavorato iniziale. La distorsione misurata dei singoli elementi della griglia sul pezzo idroformato permette la determinazione delle deformazioni locali, che fornisce una valutazione del processo di idroformatura quando si confrontano le deformazioni analizzate con la curva limite di formazione del rispettivo materiale del tubo, ad esempio, . Ci sono restrizioni nell’uso di questo metodo nei processi di micro-idroformatura a causa della dimensione minima della griglia applicabile sui microtubi.
Un esempio di un metodo standardizzato di prova di espansione meccanica è la prova del cono, dove l’estremità del tubo in esame viene espansa da un punzone conico fino alla frattura. Questa prova permette la determinazione principale della formabilità, per esempio, per confrontare diversi lotti di materiale tubolare. Inoltre, i cedimenti sulla superficie del tubo o all’interno del cordone di saldatura sono in grado di essere rilevati. Quando si applica questo metodo di prova, si deve considerare che le variazioni delle condizioni di attrito o la ruvidità della superficie preparata in modo ineguale sulla faccia finale del tubo influenzano l’inizio della frattura della sezione del tubo espanso. La figura 5 mostra i risultati di microtubi espansi meccanicamente in acciaio inossidabile AISI 304.
Figura 5. Prova del cono di espansione e risultati sperimentali.
Per migliorare i metodi di caratterizzazione dei tubi per applicazioni di idroformatura, sono state effettuate diverse indagini sulle prove di espansione dei tubi lavorando con una pressurizzazione interna del tubo testato, che viene bloccato alle sue estremità secondo la figura 6. Questo test di rigonfiamento permette di determinare la pressione di scoppio pb, il diametro di espansione dipendente dalla pressione d(pi), e il diametro di espansione raggiungibile dr sotto lo stato di tensione biassiale. Sono state sviluppate strategie per determinare le proprietà del materiale dei tubi e le loro curve di snervamento basate sul bulge test, per esempio nei Rif. , . Quando si applica il bulge test, bisogna considerare che il rapporto tra la lunghezza del tubo espanso ld e il diametro del tubo d0 influenza la pressione necessaria per espandere un campione tubolare, se il rapporto ld/d0 è al di sotto di un certo limite. Il dispositivo di prova di rigonfiamento mostrato nella figura 6 è stato sviluppato per la prova di microtubi con diametro esterno inferiore a 1 mm ed è adatto ad applicare fino a 4000 bar di pressione interna. La figura 7 mostra come esempio i risultati di test di microtubi condotti con questo dispositivo che ha verificato la mutevolezza della formabilità per processi di idroformatura downscaled, come presentato in .
Figura 6. Dispositivo di prova di scoppio per microtubi.
Figura 7. Rapporto di espansione rispetto alla pressione di scoppio di microtubi in acciaio inossidabile ricotto in soluzione.