Półprodukty i materiały
Obecnie, głównie, stopy stali i stopy aluminium są używane jako materiały na wymagane półprodukty w produkcji hydroformowania. Stopy miedzi i mosiądzu są stosowane do hydroformowania wyrobów w przemyśle rurowym i sanitarnym. Stosowane stopy odpowiadają, w większości przypadków, materiałom, które są używane w powszechnych procesach formowania na zimno, takich jak głębokie tłoczenie lub formowanie masy. W zasadzie wszystkie materiały metalowe o wystarczającej formowalności nadają się na półfabrykaty w procesach hydroformowania. Drobnoziarnista struktura w połączeniu z dużymi wartościami wydłużenia równomiernego, wydłużenia przy zerwaniu i dużym współczynnikiem hartowania przy odkształcaniu są korzystne dla realnego rozszerzenia początkowego przedmiotu obrabianego, osiągalnego bez występowania niestabilności materiału. Wytrzymałość elementu końcowego jest poprawiona przez charakterystyczne hartowanie robocze formowanego materiału; jednakże hartowanie robocze powoduje również wzrost wymaganych obciążeń formujących.
Stopy stali stosowane lub badane na konwencjonalne elementy do hydroformowania to ciągliwe stale niskowęglowe, stale nawęglane, stale do nawęglania, stale do obróbki cieplnej, ferrytyczne i austenityczne stale nierdzewne, jak również stale o wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałości, na przykład . Ogólnie rzecz biorąc, rurowe materiały stalowe, które są używane do zastosowań hydroformowania, są produkowane z płaskiego arkusza materiału poprzez ciągłe formowanie rolkowe i wzdłużne spawanie wysokiej częstotliwości w celu zamknięcia uformowanego rolkowo rurowego przekroju poprzecznego. Rury o okrągłym przekroju poprzecznym, jak również profile, które różnią się od okrągłego kształtu, mogą być wytwarzane w procesie formowania rolkowego przy użyciu odpowiednich narzędzi do formowania rolkowego. Jednak obecnie w produkcji elementów stalowych metodą hydroformowania stosuje się głównie półwyroby o przekroju kołowym. Typowe wymiary konwencjonalnie hydroformowanych rur stalowych to średnice zewnętrzne, d0, pomiędzy około 20 mm a 140 mm, przy stosunku grubości ścianki do średnicy zewnętrznej, t0/d0, pomiędzy około 0,012 a 0,16. Jeśli chodzi o mikroformowanie hydroformujące, to obecnie na rynku dostępne są mikro-rurki metalowe formowane i spawane walcowo o minimalnych średnicach zewnętrznych około 0,2 mm i minimalnej grubości ścianki około 0,03 mm.
Dobierając odpowiednie rury do procesów hydroformowania, należy rozróżnić rury bez procesu wyżarzania po formowaniu na zimno przez walcowanie lub ciągnienie, rury ciągnione z małym naprężeniem wynikowym po poprzedzającym procesie wyżarzania oraz rury wyżarzane po końcowej operacji formowania na zimno. Procesy ciągnienia, następujące po operacji walcowania, służą do dostosowania ostatecznej średnicy rury i/lub grubości ścianki, a także zapewniają wzrost wytrzymałości w wyniku utwardzania w wyniku pracy.
Rury ciągnione i nie wyżarzane zwykle zapewniają zmniejszoną formowalność w procesach hydroformowania, w zależności od właściwości użytego stopu stali i wielkości odkształcenia wywołanego operacją ciągnienia. Rury, które zostały wyciągnięte z niewielkim odkształceniem po wyżarzaniu, wykazują formowalność na zimno w pewnych granicach. Największą podatność na formowanie na zimno uzyskuje się stosując rury, które zostały wyżarzone po końcowej operacji formowania na zimno, takiej jak walcowanie lub ciągnienie.
W celu uniknięcia przedwczesnego pęknięcia przedmiotu obrabianego w procesie hydroformowania, w przypadku rur formowanych i spawanych na walcach wymagana jest bardzo zadowalająca jakość szwu spawalniczego. Zaleca się unikanie umieszczania szwu spawalniczego w końcowym elemencie hydroformowanym w obszarach, w których nadmierne naprężenia rozciągające spowodowane rozszerzaniem działają na element podczas procesu hydroformowania.
Rysunek 3 przedstawia przykłady hydroformowanych części mikroprototypowych wykonanych z rur ze stali nierdzewnej wyżarzanych w roztworze. Początkowy materiał rur o średnicy zewnętrznej 0,8 mm i grubości ścianki 0,04 mm został wytworzony w procesie ciągłego kształtowania rolkowego, a następnie ciągnienia i wyżarzania.
Figura 3. Elementy mikro-hydroformowane .
W odniesieniu do stosowania stopów aluminium do konwencjonalnych zastosowań hydroformowania, utwardzane cieplnie stopy aluminium 5000 są obecnie stosowane, gdy priorytetem jest wysoka formowalność i odporność na korozję, podczas gdy utwardzane opadowo stopy aluminium 6000 są stosowane do elementów wymagających wysokiej wytrzymałości, np. Ogólnie rzecz biorąc, rury wykonane z aluminium 5000 stopów są produkowane z płaskiego materiału arkusza przez ciągłe walcowanie ze spawaniem wzdłużnym, podczas gdy stopy aluminium 6000 są produkowane jako profile wyciskane. Wyciskane profile oferują zalety w zakresie elastyczności projektowania złożonych przekrojów poprzecznych z ostrymi narożnikami, wieloma zagłębieniami i kołnierzami. Jednakże, ograniczona formowalność tych półproduktów musi być brana pod uwagę przy projektowaniu odpowiedniego elementu do hydroformowania. Dodatkowo, wybór materiału wyciskanego dla mikroelementów hydroformowanych jest obecnie ograniczony minimalnymi wymiarami przekroju poprzecznego, które mogą być produkowane przez odpowiednie gałęzie przemysłu. Wytwarzanie profili mikrowyciskanych jako półproduktów było przedmiotem kilku badań, na przykład .
Dzięki wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do masy, stopy magnezu oferują duży potencjał dla komponentów o obniżonej masie. Jednak zastosowanie tych stopów w procesach formowania w temperaturze pokojowej jest ograniczone ze względu na ich heksagonalną strukturę atomową. Poprawę formowalności uzyskuje się poprzez zastosowanie podwyższonej temperatury, powyżej ok. 200 °C, kiedy to uaktywniają się dodatkowe płaszczyzny ślizgowe. W związku z tym w ciągu ostatnich kilku lat przeprowadzono różne badania dotyczące konwencjonalnego hydroformowania półwyrobów wykonanych ze stopów magnezu z zastosowaniem podwyższonej temperatury, np.
W przypadkach, gdy hydroformowanie jest stosowane do rur o mikrowymiarach, należy wziąć pod uwagę potencjalny wpływ na zachowanie się podczas formowania, spowodowany zmniejszonym stosunkiem grubości ścianki rury do średniej średnicy wielkości ziarna, t0/dk, mikrostruktury rury. Ma to zastosowanie niezależnie od użytego materiału rury. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowo mikrostrukturę rur wyjściowych używanych do hydroformowania elementów ze stali nierdzewnej przedstawionych na rysunku 3. Określono średni stosunek, t0/dk, grubości ścianki rurki t0 do wielkości ziarna dk w zakresie od 1,54 do 2,56 przy niewielkiej liczbie pojedynczych ziaren o t0/dk ≈ 1 .
Rysunek 4. Mikrostruktura mikrorurki (materiał: AISI 304 wyżarzany w roztworze, średnica zewnętrzna 800 μm, grubość ścianki 40 μm) , (a) przekrój w kierunku podłużnym rury, (b) przekrój prostopadły do kierunku podłużnego.
Projektowanie procesów hydroformowania, jak również monitorowanie jakości półfabrykatów w produkcji hydroformowania wymaga odpowiednich i wiarygodnych metod uzyskiwania parametrów materiałowych charakteryzujących zachowanie się podczas formowania. W przypadku konwencjonalnego hydroformowania rur, obecnie stosowane są głównie tradycyjne metody badania materiałów, takie jak próby rozciągania, metody rozszerzania mechanicznego i analiza siatki. Przydatność tych metod jest jednak często ograniczona, ponieważ typowy dwuosiowy stan naprężenia w procesach hydroformowania nie jest odtwarzany lub jest odtwarzany tylko w przybliżeniu.
Najczęściej stosowaną metodą charakteryzującą zachowanie podczas formowania zastosowanego materiału rurowego jest próba rozciągania, która jest znormalizowaną jednoosiową metodą badania materiału. Należy dokonać rozróżnienia pomiędzy zastosowaniem tej próby do wstępnego materiału arkuszowego przed formowaniem rolkowym oraz do elementów formowanych i spawanych rolkowo. Badanie początkowego materiału arkusza oznacza, że zmiany właściwości materiału wynikające z procesu wytwarzania rury pozostają nieuwzględnione.
Metoda analizy odkształceń w elementach hydroformowanych polega na nanoszeniu siatek kołowych lub kwadratowych na powierzchnię początkowego półfabrykatu. Mierzone odkształcenia poszczególnych elementów siatki przy hydroformowanym elemencie umożliwiają wyznaczenie lokalnych odkształceń, co zapewnia ocenę procesu hydroformowania przy porównaniu analizowanych odkształceń z krzywą graniczną formowania danego materiału rurowego, np. . Istnieją ograniczenia w stosowaniu tej metody w procesach mikro-hydroformowania ze względu na minimalną możliwą do zastosowania wielkość siatki na mikrorurkach.
Przykładem znormalizowanej metody badania rozszerzalności mechanicznej jest próba stożkowa, w której koniec badanej rurki jest rozszerzany stożkowym stemplem do momentu wystąpienia pęknięcia. Badanie to umożliwia główne określenie formowalności, na przykład w celu porównania różnych partii materiału rurowego. Ponadto, uszkodzenia na powierzchni rury lub w obrębie szwu spawalniczego są w stanie być wykryte. Podczas stosowania tej metody badania należy wziąć pod uwagę, że zmiany warunków tarcia lub nierównomiernie przygotowana chropowatość powierzchni na powierzchni czołowej rury mają wpływ na inicjację pęknięcia rozszerzonego odcinka rury. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki badań mechanicznie rozszerzanych mikrorurek wykonanych ze stali nierdzewnej AISI 304 .
Rysunek 5. Próba stożka rozprężania i wyniki eksperymentalne.
W celu udoskonalenia metod charakteryzacji rur do zastosowań hydroformowania, przeprowadzono kilka badań w zakresie prób rozprężania rur, pracujących z wewnętrznym ciśnieniem badanej rury, która jest zaciskana na końcach zgodnie z rysunkiem 6. Ta próba umożliwia wyznaczenie ciśnienia rozrywającego pb, zależnej od ciśnienia średnicy rozszerzenia d(pi) oraz możliwej do uzyskania średnicy rozszerzenia dr w stanie dwuosiowego naprężenia rozciągającego. Strategie określania właściwości materiałowych rur, jak również ich krzywych plastyczności na podstawie próby wybrzuszenia zostały opracowane, na przykład w Refs. , . Stosując próbę wypukłości należy wziąć pod uwagę, że stosunek długości rozprężonej rury ld do średnicy rury d0 ma wpływ na wymagane ciśnienie do rozprężenia próbki rurowej, jeżeli stosunek ld/d0 jest poniżej pewnej wartości granicznej. Urządzenie do badania wybrzuszeń przedstawione na rysunku 6 zostało opracowane do badania mikrorurek o średnicy zewnętrznej poniżej 1 mm i jest przystosowane do pracy z ciśnieniem wewnętrznym do 4000 barów. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe wyniki badań mikrorurek przeprowadzonych za pomocą tego urządzenia, które zweryfikowały zmieniającą się formowalność dla obniżonych procesów hydroformowania, jak przedstawiono w .
Figura 6. Urządzenie do badania wybrzuszeń mikrorurek.
Rysunek 7. Współczynnik rozszerzalności w funkcji ciśnienia rozrywającego mikrorur wykonanych ze stali nierdzewnej wyżarzanej w roztworze.
.