Materiale și produse semifinite
În prezent, predominant, aliajele de oțel și aliajele de aluminiu sunt utilizate ca materiale pentru produsele semifinite necesare în producția de hidroformare. Aliajele de cupru și alamă sunt utilizate pentru produsele hidroformate în industria de conducte și în industria sanitară. Aliajele aplicate corespund, în majoritatea cazurilor, materialelor care sunt utilizate pentru procesele obișnuite de deformare la rece, cum ar fi ambutisarea adâncă sau deformarea în masă. În principiu, toate materialele metalice cu o formabilitate suficientă sunt adecvate pentru produse semifabricate în procesele de hidroformare. O structură cu granulație fină combinată cu cantități mari de alungire uniformă, alungire la rupere și un coeficient mare de călire prin deformare sunt avantajoase în extinderea fezabilă a piesei inițiale, realizabilă fără apariția instabilităților materialului. Rezistența componentei finale este îmbunătățită printr-o călire distinctivă a materialului deformat; cu toate acestea, călirea determină, de asemenea, o creștere a încărcărilor de deformare necesare.
Alegiile de oțel utilizate sau testate pentru componentele de hidroformare convenționale sunt oțelurile ductile cu conținut scăzut de carbon, oțelurile călite, oțelurile tratate termic, oțelurile inoxidabile feritice și austenitice, precum și oțelurile de înaltă și foarte înaltă rezistență, de exemplu . În general, materialele tubulare din oțel, care sunt utilizate pentru aplicații de hidroformare, sunt produse din tablă plată prin laminare continuă și sudare longitudinală de înaltă frecvență pentru a închide secțiunea transversală tubulară laminată. Tuburile cu secțiune transversală circulară, precum și profilele care diferă de o formă circulară pot fi generate prin procesul de laminare cu ajutorul unor scule de laminare adecvate. Cu toate acestea, în prezent, pentru producția de componente din oțel prin hidroformare se utilizează în principal produse semifabricate cu secțiune transversală circulară. Dimensiunile tipice ale tuburilor de oțel hidroformate în mod convențional au diametre exterioare, d0, cuprinse între aproximativ 20 mm și 140 mm, cu rapoarte între grosimea peretelui și diametrul exterior, t0/d0, cuprinse între aproximativ 0,012 și 0,16. În ceea ce privește micro-hidroformarea, piața oferă în prezent microtuburi metalice laminate și sudate cu diametre exterioare minime de aproximativ 0,2 mm și grosime minimă a peretelui de aproximativ 0,03 mm.
La selectarea tuburilor adecvate pentru procedeele de hidroformare, trebuie să se facă o distincție între tuburi fără proces de recoacere după formarea la rece prin laminare sau ambutisare, tuburi ambutisate cu o deformare mică rezultată după un proces de recoacere anterior și tuburi recoapte după operația finală de formare la rece. Procedeele de ambutisare, după operația de laminare, servesc la ajustarea diametrului final al tubului și/sau a grosimii peretelui, precum și la creșterea rezistenței datorită efectelor de călire la cald.
Tuburile ambutisate și nerecalmate oferă în mod obișnuit o formabilitate redusă în procesele de hidroformare, în funcție de caracteristicile aliajului de oțel utilizat și de cantitatea de deformare indusă de operația de ambutisare. Tuburile care au fost trase cu o deformație mică rezultată după recoacere prezintă o formabilitate la rece în anumite limite. Cea mai extinsă deformabilitate la rece se obține prin utilizarea tuburilor care au fost recoapte după operația finală de deformare la rece, cum ar fi laminarea sau tragerea.
Pentru a evita spargerea prematură a piesei de prelucrat în cadrul procesului de hidroformare, este necesară o calitate foarte satisfăcătoare a cordonului de sudură pentru tuburile laminate și sudate. Se recomandă evitarea localizării cordonului de sudură în componenta finală hidroformată în zonele în care acționează asupra componentei în timpul procesului de hidroformare tensiuni de tracțiune excesive datorate dilatării.
Figura 3 prezintă exemple de piese micro-prototip hidroformate realizate din tuburi din oțel inoxidabil recopt în soluție . Materialul tubului inițial cu un diametru exterior de 0,8 mm și o grosime a peretelui de 0,04 mm a fost fabricat prin laminare continuă și procese ulterioare de ambutisare și recoacere.
Figura 3. Componente microhidroformate .
În ceea ce privește utilizarea aliajelor de aluminiu pentru aplicații convenționale de hidroformare, aliajele de aluminiu 5000 cu întărire prin deformare sunt utilizate în prezent atunci când se acordă prioritate unei cantități mari de formabilitate și rezistență la coroziune, în timp ce aliajele de aluminiu 6000 cu întărire prin precipitare sunt aplicate pentru componente care necesită o rezistență ridicată, de exemplu, . În general, tuburile realizate din aliaje de aluminiu 5000 sunt fabricate din materiale plate prin laminare continuă cu sudare longitudinală, în timp ce aliajele de aluminiu 6000 sunt produse sub formă de profile extrudate. Profilele extrudate oferă avantaje în ceea ce privește flexibilitatea de proiectare pentru secțiuni transversale complexe cu colțuri ascuțite, goluri multiple și flanșe. Cu toate acestea, capacitatea redusă de formare a acestor semifabricate trebuie să fie luată în considerare la proiectarea unei componente de hidroformare respective. În plus, selecția materialelor extrudate pentru microcomponentele hidroformate este limitată în prezent de dimensiunile minime ale secțiunii transversale care pot fi produse de industriile relevante. Fabricarea profilelor microextrudate ca produse semifabricate a făcut obiectul mai multor investigații, de exemplu .
Datorită raportului ridicat rezistență/greutate, aliajele de magneziu oferă un mare potențial pentru componente cu greutate redusă. Cu toate acestea, utilizarea acestor aliaje în procesele de deformare care lucrează la temperatura camerei este limitată din cauza structurii lor atomice hexagonale. O îmbunătățire a capacității de formare se obține prin utilizarea unor temperaturi ridicate, peste aproximativ 200 °C, când se activează planuri de alunecare suplimentare. În acest context, în ultimii ani au fost efectuate diverse investigații privind hidroformarea convențională a semifabricatelor realizate din aliaje de magneziu prin utilizarea unei temperaturi ridicate, de exemplu, .
În cazurile în care hidroformarea se aplică la tuburi cu microdimensiuni, trebuie să se țină seama de influențele potențiale asupra comportării la deformare, cauzate de raportul redus dintre grosimea peretelui tubului și diametrul mediu al dimensiunii granulelor, t0/dk, al microstructurii tubului . Acest lucru se aplică indiferent de materialul utilizat pentru tuburi. Ca exemplu, figura 4 prezintă microstructura tuburilor inițiale, utilizate pentru hidroformarea componentelor din oțel inoxidabil prezentate în figura 3. A fost determinat un raport mediu, t0/dk, între grosimea peretelui tubului t0 și dimensiunea grăuntelui dk între 1,54 și 2,56, cu un număr mic de grăunți simpli cu t0/dk ≈ 1 .
Figura 4. Microstructura unui microtub (material: AISI 304 recoaptă în soluție, diametrul exterior 800 μm, grosimea peretelui 40 μm) , (a) secțiune pe direcția longitudinală a tubului, (b) secțiune perpendiculară pe direcția longitudinală.
Proiectarea proceselor de hidroformare, precum și monitorizarea calității semifabricatelor în producția de hidroformare necesită metode adecvate și fiabile de obținere a parametrilor materialului care să caracterizeze comportarea la deformare. În ceea ce privește hidroformarea convențională a tuburilor, în prezent se utilizează în mod predominant metode tradiționale de testare a materialelor, cum ar fi încercările de tracțiune, metodele de expansiune mecanică și analiza grilă. Cu toate acestea, adecvarea acestor metode este adesea limitată, deoarece starea de tensiune biaxială tipică în procesele de hidroformare nu este reprodusă sau este doar aproximativ.
Metoda cea mai frecvent utilizată pentru a caracteriza comportarea la deformare a materialului tubular aplicat este încercarea la tracțiune, care este o metodă standardizată de încercare uniaxială a materialului. Trebuie făcută o distincție între aplicarea acestei încercări la materialul laminat inițial înainte de laminare și la piesele laminate și sudate. Testarea materialului inițial din tablă înseamnă că modificările proprietăților materialului datorate procesului de fabricare a tubului rămân neconsiderate.
O metodă de analiză a deformațiilor în componentele hidroformate constă în aplicarea unor grile circulare sau pătratice pe suprafața semifabricatului inițial. Deformarea măsurată a elementelor individuale ale grilei la nivelul piesei hidroformate permite determinarea deformațiilor locale, ceea ce oferă o evaluare a procesului de hidroformare atunci când se compară deformațiile analizate cu curba limită de deformare a materialului respectiv al tubului, de exemplu, . Există restricții în utilizarea acestei metode în procesele de micro-hidroformare din cauza dimensiunii minime aplicabile a grilei la microtuburi.
Un exemplu de metodă standardizată de testare a dilatării mecanice este testul conic, în care capătul tubului investigat este expandat cu un perforator conic până la producerea fracturii. Acest test permite determinarea principală a formabilității, de exemplu, pentru a compara diferite loturi de material tubular. De asemenea, pot fi detectate defecțiuni la suprafața tubului sau în interiorul cordonului de sudură. Atunci când se aplică această metodă de încercare, trebuie să se ia în considerare faptul că variațiile condițiilor de frecare sau rugozitatea inegală a suprafeței pregătite la fața de capăt a tubului influențează inițierea ruperii secțiunii de tub expandat. În figura 5 sunt prezentate rezultatele obținute pentru microtuburi expandate mecanic din oțel inoxidabil AISI 304 .
Figura 5. Testul conului de expansiune și rezultatele experimentale.
Pentru a îmbunătăți metodele de caracterizare a tuburilor pentru aplicații de hidroformare, au fost efectuate mai multe investigații în testele de expansiune a tuburilor care lucrează cu o presurizare interioară a tubului testat, care este prins la capetele sale, conform figurii 6. Acest test de umflare permite determinarea presiunii de spargere pb, a diametrului de dilatare d(pi), care depinde de presiune, și a diametrului de dilatare realizabil dr în stare de tensiune de tracțiune biaxială. Au fost elaborate strategii de determinare a proprietăților materiale ale tuburilor, precum și a curbelor de curgere ale acestora, pe baza testului de umflare, de exemplu în Refs. , . Atunci când se aplică testul de umflare, trebuie să se țină seama de faptul că raportul dintre lungimea ld a tubului expandat și diametrul d0 al tubului influențează presiunea necesară pentru a extinde o epruvetă tubulară, dacă raportul ld/d0 este sub o anumită limită . Dispozitivul de testare a umflării prezentat în figura 6 a fost dezvoltat pentru testarea microtuburilor cu diametre exterioare mai mici de 1 mm și este adecvat pentru a aplica o presiune internă de până la 4 000 bar . Figura 7 prezintă, ca exemplu, rezultatele testelor microtuburilor efectuate cu acest dispozitiv care au verificat capacitatea de schimbare a formabilității pentru procesele de hidroformare la scară redusă, așa cum este prezentat în .
Figura 6. Dispozitiv de testare a umflăturii pentru microtuburi.
Figura 7. Raportul de expansiune în funcție de presiunea de spargere a microtuburilor realizate din oțel inoxidabil recopt în soluție.
.