Halvfabrikat och material
För närvarande används främst stål- och aluminiumlegeringar som material för de halvfabrikat som krävs vid hydroformning. Koppar- och mässingslegeringar används för hydroformade produkter inom rör- och sanitetsindustrin. De använda legeringarna motsvarar i de flesta fall material som används för vanliga kallformningsprocesser som djupdragning eller massformning. I princip är alla metallmaterial med tillräcklig formbarhet lämpliga för halvfabrikat i hydroformningsprocesser. En finkornig struktur i kombination med stora mängder enhetlig töjning, töjning vid brott och en stor töjningshärdningskoefficient är fördelaktigt för en möjlig expansion av det ursprungliga arbetsstycket, som kan uppnås utan att det uppstår instabila materialförhållanden. Den slutliga komponentens hållfasthet förbättras genom en distinkt arbetshärdning av det formade materialet, men arbetshärdning orsakar också en ökning av de nödvändiga formningsbelastningarna.
Stållegeringar som används eller testas för konventionella hydroformningskomponenter är duktila lågkolstål, sätthärdade stål, värmebehandlingsbara stål, ferritiska och austenitiska rostfria stål samt höghållfasta och ultrahöghållfasta stål, till exempel . I allmänhet tillverkas rörformade stålmaterial som används för hydroformning av plåtmaterial genom kontinuerlig valsning och längsgående högfrekvenssvetsning för att stänga det valsade rörformade tvärsnittet. Rör med cirkulärt tvärsnitt samt profiler som avviker från en cirkulär form kan framställas genom rullformningsprocessen med hjälp av lämpliga rullformningsverktyg. För närvarande används dock främst halvfabrikat med cirkulära tvärsnitt vid hydroformning av stålkomponenter. Typiska dimensioner för konventionellt hydroformade stålrör är ytterdiametrar, d0, mellan ca 20 mm och 140 mm med ett förhållande mellan väggtjocklek och ytterdiameter, t0/d0, mellan ca 0,012 och 0,16. När det gäller mikrohydroformning erbjuder marknaden för närvarande rullformade och svetsade mikrorör av metall med en minsta ytterdiameter på cirka 0,2 mm och en minsta väggtjocklek på cirka 0,03 mm.
När man väljer ut lämpliga rör för hydroformningsprocesser ska man skilja mellan rör utan glödgningsprocess efter kallformning genom rullformning eller dragning, rör som dragits med en liten resulterande spänning efter en föregående glödgningsprocess, och rör som glödgats efter den slutliga kallformningen. Dragningsprocesser efter rullformning används för att justera den slutliga rördiametern och/eller väggtjockleken samt för att öka hållfastheten på grund av arbetshärdningseffekter.
Tröjda och icke glödgade rör har vanligen en minskad formbarhet i hydroformningsprocesser, beroende på egenskaperna hos den stållegering som används och på hur mycket töjning som framkallas genom dragningsprocessen. Rör som har dragits med en liten resulterande spänning efter glödgning uppvisar en kallformbarhet inom vissa gränser. Den mest omfattande kallformbarheten erhålls genom användning av rör som har glödgats efter den slutliga kallformningen, t.ex. rullformning eller dragning.
För att undvika att arbetsstycket spricker i förtid i hydroformningsprocessen krävs en mycket tillfredsställande kvalitet på svetsfogen för rullformade och svetsade rör. Det rekommenderas att undvika att placera svetsfogen i den slutliga hydroformade komponenten inom områden där överdrivna dragspänningar på grund av expansionen verkar på komponenten under hydroformningsprocessen.
Figur 3 visar exempel på hydroformade mikroprototypdelar tillverkade av lösningsglödgade rör av rostfritt stål . Det ursprungliga rörmaterialet med en ytterdiameter på 0,8 mm och en väggtjocklek på 0,04 mm hade tillverkats genom kontinuerlig rullformning och efterföljande dragning och glödgning.
Figur 3. Mikrohydroformade komponenter .
När det gäller användningen av aluminiumlegeringar för konventionella hydroformningstillämpningar används för närvarande arbetshärdande aluminium 5000-legeringar när hög formbarhet och korrosionsbeständighet prioriteras, medan utfällningshärdande aluminium 6000-legeringar används för komponenter som kräver hög hållfasthet, t.ex. I allmänhet tillverkas rör av aluminium 5000-legeringar av plåtmaterial genom kontinuerlig rullformning med längsgående svetsning, medan aluminium 6000-legeringar tillverkas som extruderade profiler. Extruderade profiler ger fördelar när det gäller konstruktionsflexibilitet för komplexa tvärsnitt med skarpa hörn, flera håligheter och flänsar. Den minskade formbarheten hos dessa halvfabrikat måste dock beaktas vid utformningen av respektive hydroformningskomponent. Dessutom begränsas valet av extruderat material för hydroformade mikrokomponenter för närvarande av de minimala tvärsnittsdimensioner som kan produceras av de berörda industrierna. Tillverkningen av mikroextruderade profiler som halvfabrikat har varit föremål för flera undersökningar, t.ex. .
På grund av deras höga hållfasthets- och viktförhållande erbjuder magnesiumlegeringar en stor potential för viktreducerade komponenter. Användningen av dessa legeringar i formningsprocesser som arbetar vid rumstemperatur är dock begränsad på grund av deras hexagonala atomstruktur. En förbättring av formbarheten uppnås genom användning av högre temperaturer, över ca 200 °C, då ytterligare glidplan aktiveras. Mot denna bakgrund har olika undersökningar av konventionell hydroformning av halvfabrikat av magnesiumlegeringar genom användning av förhöjd temperatur genomförts under de senaste åren, t.ex. .
I de fall där hydroformning tillämpas på rör med mikrodimensioner måste man ta hänsyn till potentiella influenser på formningsbeteendet, som orsakas av det minskade förhållandet mellan rörets väggtjocklek och den genomsnittliga kornstorleksdiametern, t0/dk, i rörets mikrostruktur. Detta gäller oavsett vilket rörmaterial som används. Som exempel visar figur 4 mikrostrukturen hos de startrör som används för hydroformning av de komponenter av rostfritt stål som visas i figur 3. Ett genomsnittligt förhållande, t0/dk, mellan rörets väggtjocklek t0 och kornstorlek dk mellan 1,54 och 2,56 fastställdes med ett litet antal enskilda korn med t0/dk ≈ 1 .
Figur 4. Mikrostruktur av ett mikrorör (material: AISI 304 lösningsglödgad, ytterdiameter 800 μm, väggtjocklek 40 μm) , (a) snitt i rörets längdriktning, (b) snitt vinkelrätt mot längdriktningen.
Utformningen av hydroformningsprocesser samt övervakningen av halvfabrikatskvaliteten vid hydroformningsproduktion kräver lämpliga och tillförlitliga metoder för att erhålla materialparametrar som karakteriserar formningsbeteendet. När det gäller konventionell hydroformning av rör används för närvarande främst traditionella materialprovningsmetoder, såsom dragprov, metoder för mekanisk expansion och rutnätsanalys. Dessa metoders lämplighet är dock ofta begränsad, eftersom det typiska biaxiella spänningstillståndet i hydroformningsprocesser inte reproduceras, eller endast approximativt.
Den vanligaste metoden som används för att karakterisera formningsbeteendet hos det tillämpade rörmaterialet är dragprovet, som är en standardiserad uniaxial materialprovningsmetod. En åtskillnad ska göras mellan tillämpningen av detta prov på det ursprungliga plåtmaterialet före rullformning och de rullformade och svetsade arbetsstyckena. Testning av det ursprungliga plåtmaterialet innebär att förändringar i materialegenskaperna till följd av tillverkningsprocessen av röret förblir obeaktade.
En metod för töjningsanalyser i hydroformade komponenter består i att applicera cirkulära eller kvadratiska rutnät på ytan av den ursprungliga halvfabrikaten. Den uppmätta förvrängningen av de enskilda rutnätselementen vid det hydroformade arbetsstycket gör det möjligt att bestämma lokala töjningar, vilket ger en bedömning av hydroformningsprocessen genom att jämföra de analyserade töjningarna med formningsgränskurvan för respektive rörmaterial, t.ex. Det finns begränsningar i användningen av denna metod i mikrohydroformningsprocesser på grund av den minimala tillämpliga rutstorleken på mikrorör.
Ett exempel på en standardiserad provningsmetod för mekanisk expansion är konprovet, där änden av det undersökta röret expanderas med en konisk stans tills brott uppstår. Detta test möjliggör en principiell bestämning av formbarhet, t.ex. för att jämföra olika partier av rörmaterial. Dessutom kan man upptäcka brott på rörets yta eller i svetsfogen. Vid tillämpning av denna provningsmetod måste man ta hänsyn till att variationer i friktionsförhållandena eller ojämnt preparerad ytjämnhet vid rörets ändyta påverkar initieringen av brottet i den expanderade rörsektionen. Figur 5 visar resultaten av mekaniskt expanderade mikrorör tillverkade av rostfritt stål AISI 304 .
Figur 5. Expansionskonstest och experimentella resultat.
För att förbättra metoderna för karakterisering av rör för hydroformningstillämpningar har flera undersökningar utförts av rörexpansionstester som arbetar med en inre trycksättning av det testade röret, som kläms fast i sina ändar enligt figur 6. Detta utbuktningstest gör det möjligt att bestämma sprängningstrycket pb, den tryckberoende expansionsdiametern d(pi) och den uppnåeliga expansionsdiametern dr under det biaxiella dragspänningstillståndet. Strategier för att bestämma rörens materialegenskaper och deras sträckkurvor på grundval av utbuktningsprovet har utvecklats, t.ex. i Refs. , . När man tillämpar bulge-testet måste man ta hänsyn till att förhållandet mellan den expanderade rörlängden ld och rördiametern d0 påverkar det tryck som krävs för att expandera en rörformig provkropp, om förhållandet ld/d0 ligger under en viss gräns . Den utbuktningsprovningsanordning som visas i figur 6 har utvecklats för provning av mikrorör med en ytterdiameter på mindre än 1 mm och är lämplig för att applicera ett inre tryck på upp till 4 000 bar . Figur 7 visar som exempel provningsresultat av mikrorör som utförts med denna anordning och som verifierat förändrad formbarhet för nedskalade hydroformningsprocesser, enligt .
Figur 6 . Utbuktningstestanordning för mikrorör.
Figur 7. Expansionskvot mot sprängningstryck för mikrorör tillverkade av lösningsglödgat rostfritt stål.
.