Semifinished products and materials
Huidig worden vooral staallegeringen en aluminiumlegeringen gebruikt als materialen voor de benodigde halffabrikaten bij de hydroforming-productie. Koper- en messinglegeringen worden gebruikt voor hydroformproducten in de pijpen- en sanitairindustrie. De gebruikte legeringen komen in de meeste gevallen overeen met materialen die worden gebruikt voor gewone koudvervormingsprocessen zoals dieptrekken of massavervorming. In principe zijn alle metaalmaterialen met voldoende vervormbaarheid geschikt voor halffabrikaten in hydrovormprocessen. Een fijnkorrelige structuur gecombineerd met grote hoeveelheden gelijkmatige rek, rek bij breuk, en een grote rek-verhardingscoëfficiënt zijn voordelig voor de haalbare uitzetting van het initiële werkstuk, te bereiken zonder het optreden van materiaalinstabiliteiten. De sterkte van het uiteindelijke onderdeel wordt verbeterd door een kenmerkende veredelde harding van het gevormde materiaal; veredelde harding veroorzaakt echter ook een toename van de vereiste vervormingsbelastingen.
Staallegeringen die voor conventionele hydroformingonderdelen worden gebruikt of getest, zijn bijvoorbeeld buigzame koolstofarme staalsoorten, geharde staalsoorten, warmtebehandelbare staalsoorten, ferritische en austenitische roestvrije staalsoorten, alsmede hoogsterkte- en ultrahoogsterkte staalsoorten. In het algemeen worden stalen buisvormige materialen, die gebruikt worden voor hydroforming-toepassingen, geproduceerd uit vlak plaatmateriaal door continu rolvormen en hoogfrequent lassen in de lengterichting om de gerolvormde buisvormige dwarsdoorsnede te sluiten. Buizen met cirkelvormige dwarsdoorsnede evenals profielen die van een cirkelvorm verschillen, kunnen door het rolvormproces worden vervaardigd met gebruikmaking van geschikte rolvormwerktuigen. Momenteel worden echter hoofdzakelijk halffabrikaten met cirkelvormige dwarsdoorsneden gebruikt voor de hydroforming productie van stalen componenten. Typische afmetingen van conventioneel hydrogevormde stalen buizen zijn buitendiameters, d0, tussen ongeveer 20 mm en 140 mm met verhoudingen van wanddikte tot buitendiameter, t0/d0, tussen ongeveer 0,012 en 0,16. Wat micro-hydroforming betreft, biedt de markt momenteel gerolvormde en gelaste metalen microbuizen met een minimale buitendiameter van ongeveer 0,2 mm en een minimale wanddikte van ongeveer 0,03 mm.
Bij de keuze van geschikte buizen voor hydroformingprocessen moet een onderscheid worden gemaakt tussen buizen zonder gloeiproces na koudvervormen door rolvormen of trekken, buizen getrokken met een kleine resulterende spanning na een voorafgaand gloeiproces, en buizen die na de laatste koudvervormingsbewerking zijn uitgegloeid. Trekprocédés, na de rolvervorming, dienen voor de aanpassing van de uiteindelijke buisdiameter en/of wanddikte en zorgen voor een toename van de sterkte als gevolg van werkhardingseffecten.
Getrokken en niet-gegloeide buizen hebben gewoonlijk een verminderde vervormbaarheid in hydrovormprocédés, afhankelijk van de kenmerken van de gebruikte staallegering en de hoeveelheid door de trekverrichting veroorzaakte spanning. Buizen die getrokken zijn met een geringe resulterende rek na het gloeien vertonen een koude vervormbaarheid binnen bepaalde grenzen. De grootste koudvervormbaarheid wordt verkregen door buizen te gebruiken die zijn uitgegloeid na de laatste koudvervormingsbewerking, zoals rolvormen of trekken.
Om te voorkomen dat het werkstuk tijdens het hydroforming-proces voortijdig barst, is voor gerolvormde en gelaste buizen een zeer bevredigende lasnaadkwaliteit vereist. Het verdient aanbeveling de lasnaad in het uiteindelijke hydrogevormde onderdeel niet te plaatsen in gebieden waar tijdens het hydrovormen buitensporige trekspanningen als gevolg van de uitzetting op het onderdeel inwerken.
Figuur 3 toont voorbeelden van hydrogevormde micro-prototype onderdelen gemaakt van in oplossing gegloeide roestvrijstalen buizen . Het oorspronkelijke buismateriaal met een buitendiameter van 0,8 mm en een wanddikte van 0,04 mm was vervaardigd door continu rolvormen en daaropvolgende trek- en gloeiprocessen.
Figuur 3. Micro-hydroformed componenten .
Met betrekking tot het gebruik van aluminiumlegeringen voor conventionele hydroformingtoepassingen, worden momenteel werkhardende aluminium 5000 legeringen gebruikt wanneer prioriteit wordt gegeven aan een hoge mate van vervormbaarheid en corrosiebestendigheid, terwijl precipitatiehardende aluminium 6000 legeringen worden toegepast voor componenten die een hoge sterkte vereisen, b.v. . In het algemeen worden buizen gemaakt van aluminium 5000 legeringen uit vlak plaatmateriaal vervaardigd door continue rolvorming met lassen in de lengterichting, terwijl aluminium 6000 legeringen worden vervaardigd als geëxtrudeerde profielen. Geëxtrudeerde profielen bieden voordelen in ontwerpflexibiliteit voor complexe dwarsdoorsneden met scherpe hoeken, meerdere holten, en flenzen. Bij het ontwerpen van een hydroforming onderdeel moet echter rekening worden gehouden met de verminderde vervormbaarheid van deze halffabrikaten. Bovendien wordt de keuze van geëxtrudeerd materiaal voor hydrogevormde micro-componenten momenteel beperkt door de minimale afmetingen van de dwarsdoorsnede die door de betrokken industrieën kunnen worden geproduceerd. De fabricage van microgeëxtrudeerde profielen als halffabrikaten was onderwerp van verschillende onderzoeken, bijvoorbeeld .
Door hun hoge sterkte-gewichtsverhouding bieden magnesiumlegeringen een groot potentieel voor gewichtsreducerende componenten. Het gebruik van deze legeringen in vervormingsprocessen die bij kamertemperatuur werken, is echter beperkt wegens hun hexagonale atomaire structuur. Een verbetering van de vervormbaarheid wordt bereikt door het gebruik van hogere temperaturen, boven ongeveer 200 °C, wanneer bijkomende glijvlakken geactiveerd worden. Tegen deze achtergrond zijn de laatste jaren verschillende onderzoeken verricht naar het conventionele hydrovormen van halffabrikaten van magnesiumlegeringen door gebruikmaking van een verhoogde temperatuur, b.v. .
In gevallen waarin hydrovormen wordt toegepast op buizen met micro-dimensies, moet rekening worden gehouden met potentiële invloeden op het vormgedrag, veroorzaakt door de verminderde verhouding van de wanddikte van de buis tot de gemiddelde diameter van de korrelgrootte, t0/dk, van de microstructuur van de buis . Dit geldt ongeacht het gebruikte buismateriaal. Figuur 4 toont bij wijze van voorbeeld de microstructuur van de basisbuizen die zijn gebruikt voor het hydrovormen van de in figuur 3 afgebeelde roestvrijstalen componenten. Een gemiddelde verhouding, t0/dk, van de wanddikte van de buis t0 tot de korrelgrootte dk tussen 1,54 en 2,56 werd bepaald met een klein aantal enkelvoudige korrels met t0/dk ≈ 1 .
Figuur 4. Microstructuur van een microbuisje (materiaal: AISI 304 oplossing gegloeid, buitendiameter 800 μm, wanddikte 40 μm) , (a) doorsnede in de lengterichting van de buis, (b) doorsnede loodrecht op de lengterichting.
Het ontwerp van hydrovormprocessen alsook de bewaking van de kwaliteit van halffabrikaten bij hydrovormproductie vereist geschikte en betrouwbare methoden om materiaalparameters te verkrijgen die het vormgedrag karakteriseren. Wat conventioneel hydrovormen van buizen betreft, zijn momenteel overwegend traditionele materiaalbeproevingsmethoden in gebruik, zoals trekproeven, mechanische expansiemethoden, en rasteranalyse. Nochtans, is de geschiktheid van deze methodes vaak beperkt, aangezien de typische biaxiale spanningstoestand in hydrovormprocessen niet, of slechts bij benadering, wordt gereproduceerd.
De meest gebruikelijke methode in gebruik om het vormgedrag van het toegepaste buisvormige materiaal te karakteriseren is de trekproef die een gestandaardiseerde uniaxiale materiaalproefmethode is. Er moet een onderscheid worden gemaakt tussen de toepassing van deze proef op het aanvankelijke plaatmateriaal vóór het rolvormen en de gerolvormde en gelaste werkstukken. Het testen van het initiële plaatmateriaal betekent dat veranderingen in materiaaleigenschappen als gevolg van het fabricageproces van de buis buiten beschouwing blijven.
Een methode voor rekanalyses in hydrogevormde onderdelen bestaat uit het aanbrengen van cirkelvormige of kwadratische roosters op het oppervlak van het initiële halffabricaat. De gemeten vervorming van de afzonderlijke rasterelementen op het gehydroformeerde werkstuk maakt de bepaling van plaatselijke spanningen mogelijk, hetgeen een beoordeling van het hydroformingproces oplevert wanneer de geanalyseerde spanningen worden vergeleken met de vervormingslimietkromme van het respectieve buismateriaal, b.v. . Er zijn beperkingen in het gebruik van deze methode in micro-hydroforming processen wegens de minimale toepasbare rastermaat op micro-buizen.
Een voorbeeld van een gestandaardiseerde mechanische expansie testmethode is de kegelproef, waarbij het uiteinde van de onderzochte buis door een kegelvormige pons wordt geëxpandeerd tot breuk optreedt. Met deze proef kan de vervormbaarheid principieel worden bepaald, bijvoorbeeld om verschillende partijen buismateriaal met elkaar te vergelijken. Ook kunnen breuken aan het buisoppervlak of binnen de lasnaad worden opgespoord. Bij de toepassing van deze testmethode moet er rekening mee worden gehouden dat variaties in de wrijvingsomstandigheden of ongelijkmatig geprepareerde oppervlakteruwheid aan het uiteinde van de buis van invloed zijn op het ontstaan van breuk van het geëxpandeerde buisgedeelte. Figuur 5 toont de resultaten van mechanisch geëxpandeerde microbuizen gemaakt van roestvast staal AISI 304 .
Figuur 5. Uitzettingsproef en experimentele resultaten.
Om de methoden voor de karakterisering van buizen voor hydroformingtoepassingen te verbeteren, zijn verschillende onderzoeken uitgevoerd naar uitzettingsproeven voor buizen waarbij wordt gewerkt met een inwendige druk op de geteste buis, die aan de uiteinden wordt vastgeklemd volgens figuur 6. Deze bollingstest maakt het mogelijk de barstdruk pb, de drukafhankelijke uitzettingsdiameter d(pi), en de bereikbare uitzettingsdiameter dr onder de biaxiale trekspanningstoestand te bepalen. Er zijn strategieën ontwikkeld om de materiaaleigenschappen van buizen en hun vloeikrommen op basis van de opbollingstest te bepalen, bijvoorbeeld in ref. , . Bij de toepassing van de bollingstest moet er rekening mee worden gehouden dat de verhouding tussen de geëxpandeerde buislengte ld en de buisdiameter d0 van invloed is op de vereiste druk om een buisvormig proefstuk te expanderen, indien de verhouding ld/d0 onder een bepaalde grens ligt. Het in figuur 6 afgebeelde apparaat voor de uitbuiktest is ontwikkeld voor het testen van microbuizen met een buitendiameter van minder dan 1 mm en is geschikt om tot 4000 bar inwendige druk uit te oefenen. Figuur 7 toont als voorbeeld testresultaten van microbuizen uitgevoerd met dit apparaat dat veranderende vervormbaarheid voor downscaled hydroforming processen geverifieerd, zoals gepresenteerd in .
Figuur 6. Bollingstestapparaat voor microbuizen.
Figuur 7. Uitzettingscoëfficiënt versus barstdruk van microbuisjes gemaakt van in oplossing gegloeid roestvrij staal.