ما هو التشكيل المائي – الدليل النهائي للمبتدئين والخبراء
ما هو معنى التشكيل المائي ؟ التشكيل المائي هو تقنية تصنيع تستخدم لمعالجة المعادن القابلة للطرق وتحويلها إلى أجزاء معقدة مختلفة. في هذه المقالة، سوف نتعمق في تعقيدات عملية التشكيل المائي لفهمك.
ما هو التشكيل المائي؟
ويشار إلى وسائل التشكيل المائي أيضًا باسم تشكيل السوائل هي تقنية تصنيع حديثة تستخدم سائل الضغط العالي وقوالب التشكيل لتصنيع معادن مرنة. تشمل المواد المعدنية الشائعة في هذه التقنية؛ الألومنيوم، الصلب، النحاس، الفولاذ المقاوم للصدأ، الخ.
يتم وضع الأنبوب أو الصفيحة المعدنية على قالب ويتم تطبيق ضغط السائل. وهذا يجبر المعدن على اتخاذ شكل تجويف القالب.
التشكيل المائي
كيف يعمل التشكيل الهيدروليكي؟ بالنسبة لعملية التشكيل الهيدروليكي للصفائح، يتم استخدام صفائح معدنية وقطعة واحدة فقط؛ يتم استخدام التجويف أو اللكمة. يضغط السائل الهيدروليكي المضغوط على الصفائح المعدنية مما يجبرها على التكيف مع محيط التجويف.
بينما في طريقة تشكيل سائل الأنبوب، يتم وضع معدن الأنبوب بين قالبين ويتم فرض الضغط الهيدروليكي داخل الأنبوب. يدفع هذا الضغط الأنبوب إلى الخارج مما يجبره على الدخول إلى تجويف القالب ليأخذ شكله.
في كل من تقنيات التشكيل الهيدروليكي، يتم التخلص من لحام الأجزاء مما يؤدي إلى تشطيب سطحي عالي الجودة للأجزاء.
مزايا عملية التشكيل الهيدروليكي
هناك فوائد لاستخدام عملية تشكيل السوائل كعملية تصنيع المعادن الخاصة بك، وهي تشمل؛
- يعتبر التشكيل الهيدروليكي مثاليًا لتشكيل الأجزاء المعدنية المعقدة ذات الأنماط والخطوط غير المنتظمة.
- إنها لا تحتاج إلى لحام نصفين كما في الطرق القديمة، وهذا يضمن أن الأشكال الناتجة لها سطح أملس. وهذا يحافظ على جودة المواد المعدنية المستخدمة.
- فهو يلغي فرص عودة الأجزاء المصنعة إلى شكلها الأصلي.
- يعتبر التشكيل المائي محددًا للغاية مما يؤدي إلى أجزاء ترتبط بسلاسة مع الأجزاء المعدنية الأخرى.
- يتم تقليل ترقق المواد في عملية التشكيل الهيدروليكي نظرًا لدقتها العالية في الأبعاد وعملية التشكيل.
- يتم تقليل وزن الأجزاء المعدنية التي يتم تشكيلها من خلال هذه الطريقة مع تحسين قوة المعدن.
- إنها بشكل عام تقنية توفير التكلفة حيث أنها تقلل من حالات هدر المواد والمراحل الإضافية وتقلل من تكلفة العمالة.
حدود التشكيل المائي
مثل أي تقنية أخرى لتشكيل المعادن، فإن التشكيل المائي له أيضًا عيوبه على الرغم من أنها ضئيلة.
- يتطلب رأس مال أولي مرتفع لشراء معدات التشكيل الهيدروليكي.
- يكون وقت الدورة أبطأ في عملية التشكيل الهيدروليكي مما يحد من عدد الأجزاء المنتجة خلال فترة معينة.
التشكيل الهيدروليكي للأنبوب مقابل التشكيل الهيدروليكي للصفائح المعدنية
يعد التشكيل الهيدروليكي للأنابيب والصفائح المعدنية نوعًا من عمليات التصنيع التي يتم تطبيقها في صناعات مختلفة.
التشكيل المائي للأنبوب
ويشار إلى التشكيل الهيدروليكي للأنبوب أيضًا باسم 'تشكيل الضغط العالي الداخلي أو IHPF. تستخدم عملية تصنيع المعادن هذه أنبوبًا معدنيًا كمادة خام أو قطعة فارغة توضع بين قالبين.
قبل أن تبدأ عملية التشكيل الهيدروليكي، يتم أخذ الأنبوب المعدني من خلال عملية ثني الأنبوب. تضمن خطوة التصنيع المسبق هذه أن يكون المعدن الخام منحنيًا بشكل صحيح لتمكينه من الملاءمة بين القوالب.
التشكيل المائي للأنبوب
بمجرد تركيبها بين القوالب والأطراف المختومة، يتم تمرير سائل هيدروليكي عالي الضغط داخل الأنبوب. وهذا يجبر الأنبوب على الانتفاخ للخارج في تجويف القالب ليأخذ شكله.
يتم تطبيق تصنيع الأنابيب المعدنية بشكل شائع في صناعات الطيران والسباكة والسيارات حيث تكون أجزاء الأنابيب خفيفة الوزن مكونات أساسية.
تشكيل الورقة بالهيدروجين
كما يوحي الاسم، يستخدم هذا النوع من التصنيع الصفائح المعدنية كمادة خام أو فارغة. يستخدم قالبًا واحدًا على عكس التشكيل الهيدروليكي للأنبوب الذي يتطلب قالبين مما يجعله مكلفًا.
التشكيل الهيدروليكي للصفائح يضع مادة الصفائح المعدنية على مكبس التشكيل الهيدروليكي ويطبق ضغط السائل عليها. يجبر هذا الضغط الصفائح المعدنية على التوافق مع شكل القالب الذي تضغط عليه.
بعض المجالات التي تنطبق عليها هذه العملية تشمل؛ الأجهزة الطبية والدفاع والفضاء وغيرها.
تشكيل الورقة بالهيدروجين
مقارنة رسم عميق عملية الختم والتشكيل الهيدروليكي
ختم الرسم العميق هو تقنية تصنيع معدنية تستخدم قوة الضغط لتشكيل تجويف أو أسطوانة أو أكواب من المعدن الفارغ.
من ناحية أخرى، تعمل عملية التشكيل الهيدروليكي على تحويل الفراغات المعدنية إلى شكل قالب بمساعدة ضغط السائل الهيدروليكي.
أدوات التشكيل الهيدروليكي مصنوعة من الحديد الزهر بينما أدوات الرسم العميق مصنوعة من الفولاذ المقسى. الصلب أغلى مقارنة بالحديد الزهر.
عادةً ما تكون عملية التشكيل الهيدروليكي واضحة ومباشرة وتنتج أجزاء قوية عالية الجودة تُستخدم بشكل مفضل في صناعات السيارات والفضاء.
ختم السحب العميق
في حين أن التشكيل المائي يقلل من ترقق المادة، فإن الختم المسحوب بعمق يؤدي إلى ترقق المادة.
يعتبر التشكيل الهيدروليكي أرخص من ختم السحب العميق من حيث تكلفة التطوير لأنه لا يحتاج إلى أداة جديدة في كل مرة. بدلاً من ذلك، يمكن تغيير أبعاد نوع المادة وسمك الجدار فقط لتحقيق شكل أو أجزاء جديدة.
تعتبر تكلفة معالجة السحب العميق فعالة فقط في الإنتاج واسع النطاق نظرًا للخبرة المطلوبة وتكاليف الأدوات. وهذا يتعارض مع عملية التشكيل الهيدروليكي التي تكون عمومًا أرخص من تكلفة الأدوات الأولية إلى تكلفة المعالجة.
تعتبر طريقة الرسم العميق صارمة في التصميم لأنها تتطلب إنشاء أدوات جديدة مع كل تصميم جديد. تسمح عملية التشكيل المائي بمجموعة من تغييرات التصميم مما يجعلها أكثر مرونة من السحب العميق.
يتميز التشكيل المائي بالدقة العالية مما يؤدي إلى فقدان القليل من المواد أو عدم فقدانها على الإطلاق، كما أن ختم السحب العميق يؤدي إلى إهدار مواد أعلى.
تستغرق عملية التشكيل المائي وقتًا أقصر في الإنتاج واسع النطاق للأنماط المعقدة. يستغرق ختم السحب العميق أوقات دورة إنتاج أطول لتكوينات التصميم المعقدة.
ينتج Hydroforming تشطيبات ناعمة عالية الجودة مقارنة بختم السحب العميق الذي يترك خدوشًا على أسطح المنتج. وهذا يقلل من تكاليف صناعات مثل الطيران التي تتطلب معايير تشطيب مصقولة.
عامل يجب مراعاته في التشكيل المائي
مثل أي عملية تصنيع أخرى، هناك عوامل تؤثر على عملية التشكيل الهيدروليكي ونتائجها. بعض المتغيرات الرئيسية التي يجب مراعاتها أثناء التفكير في تقنية التشكيل المائي هي:
درجة حرارة
تؤثر درجة الحرارة على مقدار القوة التي سيتم تطبيقها أثناء عملية التشكيل الهيدروليكي للمعادن ومدى مرونة الفراغ. تفقد بعض الفراغات المعدنية قوتها الهائلة بعد مستويات حرارة معينة.
ضغط
تطبق عملية التشكيل الهيدروليكي ضغط السائل لتحقيق تكوين الجزء. يتم تحديد الضغط المطبق مسبقًا اعتمادًا على قوة شد المادة الفارغة. كلما كان المعدن أقوى كلما زاد الضغط المطبق.
بالإضافة إلى ذلك، يتطلب تكوين الأجزاء المختلفة مستويات مختلفة من الضغط ووقت التعرض للضغط لتشكيلها.
مادة
يعد اختيار المادة أمرًا بالغ الأهمية في التشكيل الهيدروليكي نظرًا لأنه يقتصر على المواد المرنة ويؤثر أيضًا على خصائص متطلبات الجزء المكون.
فترة العملية ومسار التحميل
تعد معرفة معلمات العملية مثل قيم الضغط الهيدروليكي المراد تشغيلها ومسار التحميل الذي يجب اتباعه أمرًا أساسيًا للتكوين الدقيق. يمكن تحديد هذه القيم من خلال إجراء عملية محاكاة على نوع المادة وتصميم الأجزاء المطلوبة مسبقًا.
ستساعد القيم الناتجة عن العملية التجريبية ومسار التحميل المحدد في عملية التشكيل الهيدروليكي الفعلية.
مواد التشحيم
يعد تشحيم السطح مهمًا في هذه العملية لأنه يقلل الاحتكاك ويشجع تدفق المواد مما يؤثر على الأداء العام للعملية. على العكس من ذلك، هناك حاجة أيضًا إلى الاحتكاك ليكون بمثابة تحكم في تدفق المواد لمنع مستوى ترقق المادة.
عملية التشكيل الهيدروليكي خطوة بخطوة
الخطوة 1: تبدأ عملية التشكيل الهيدروليكي بإعداد الأدوات التي تتكون من:
- تتكون الحجرة الأنثوية أو العلوية من حجرة السوائل المضغوطة والحجاب الحاجز المطاطي ووسادة التآكل
- يمكن تبادل القالب السفلي أو حجرة الذكر بحلقة ولكمة. يتم توصيل المثقاب بمكبس هيدروليكي أو حامل فارغ أو حلقة
الخطوة 2: والخطوة التالية هي وضع المعدن الفارغ بشكل آمن في غرفة التشكيل الهيدروليكي لبدء العملية.
يتم إغلاق الغرفة عن طريق خفض نظام الضغط الهيدروليكي. ثم يتم تطبيق الضغط عن طريق رفع المثقاب على حلقة القالب الأنثوية.
يتوافق الفراغ مع الشكل والأنماط الموجودة على عناصر القالب التي تشكل الجزء المطلوب.
بعد ذلك، يتم سحب الضغط من الفراغ لإنهاء دورة عملية التشكيل الهيدروليكي.
الجزء الأخير ذو سطح أملس بسبب الغشاء المطاطي الموجود في الحجرة العلوية والذي يدعم المعدن الفارغ.
الخطوه 3: هذه هي الخطوة الأخيرة في عملية التشكيل الهيدروليكي وتتميز بإزالة كل من الحجرة العلوية والسفلية بعد إزالة الضغط. يمكن إخضاع الجزء الناتج لمراحل أخرى مثل القطع بالليزر حسب مجال تطبيقه.
بشكل عام، يكون هدر المواد في حده الأدنى في هذه العملية لأنه يبدأ بفراغ معدني بالحجم المطلوب.
عملية التشكيل الهيدروليكي
العوامل التي تحدد تكلفة التشكيل الهيدروليكي
يمكن أن يساعدك تحديد التكلفة الإجمالية لعملية التشكيل الهيدروليكي في قياس جدواها مقارنة بعمليات التصنيع الأخرى.
تكلفة أدوات التشكيل الهيدروليكي
تتكون غرفة التشكيل الهيدروليكي من غرف الموت للإناث والذكور. تحتوي الحجرة الأنثوية على سائل مضغوط وغشاء مطاطي مسؤول عن تقليل تكلفة العملية بنسبة 50% تقريبًا كما سنرى لاحقًا.
علاوة على ذلك، فإن أدوات التشكيل الهيدروليكي مصنوعة من الحديد الزهر وهو أقل تكلفة مقارنة بالفولاذ المقسى في ختم السحب العميق. أدوات التشكيل الهيدروليكي سهلة الاستخدام وبالتالي لا تحتاج إلى خبرة لتثبيتها.
تكلفة العملية
خلال هذه العملية من تصنيع المعادن، يتم تحقيق التلاعب بالتصميم ببساطة عن طريق تغيير نوع المادة وتغيير أبعاد سمك الجدار. لا ينطبق الأمر نفسه على ختم السحب العميق حيث يجب إنشاء أداة جديدة لتصميم معين. وهذا يقلل من تكلفة عملية التشكيل الهيدروليكي بشكل كبير.
التكلفة التشغيلية
لتشكيل جزء معين، يتطلب الختم بالسحب العميق دورات ضغط متعددة. من ناحية أخرى، يتوافق التشكيل الهيدروليكي مع شكل القالب في دورة ضغط واحدة. يؤدي هذا إلى تقليل وقت الضغط في التشكيل الهيدروليكي بحوالي 65% مقارنة بـ 40% في طريقة السحب العميق.
تكلفة التشطيب
يضمن الغشاء المطاطي الموجود في القالب الأنثوي أن الجزء المعدني الذي تم تشكيله يتمتع بلمسة نهائية ناعمة مما يزيل العمليات الثانوية مثل النقش. هذا يقلل من تكلفة عملية التشكيل الهيدروليكي. هذا غير ممكن في عملية الختم بالسحب العميق التي تترك خدوشًا على السطح تحتاج إلى مزيد من الإزالة عن طريق عمليات إضافية.
نتيجة لذلك، يُفضل التشكيل الهيدروليكي في إنتاج أجزاء الطيران وكذلك في التطبيقات الطبية.
يتم تحقيق المزيد من التخفيض في التكلفة في عملية التشكيل الهيدروليكي بسبب بنية الأدوات البسيطة، وتكلفة المواد المستخدمة، وتكلفة عمالة التركيب الرخيصة، وما إلى ذلك.
المواد المناسبة لعملية التشكيل الهيدروليكي
تستخدم عملية التشكيل الهيدروليكي معادن قابلة للسحب مثل الألومنيوم والنحاس الصلب والنحاس وما إلى ذلك. في هذا القسم، سننظر عن كثب في سبب كونها المواد المفضلة لعملية التشكيل الهيدروليكي.
الألومنيوم: معدن ناعم وخفيف الوزن ومتين يسهل تشكيله في أشكال القوالب المختلفة. وهذا يجعله أحد المعادن الشائعة المستخدمة في العديد من الصناعات.
نحاس: من السهل تصنيع النحاس لأنه أقل إشكالية ويأخذ شكل القالب بسهولة مع لمسة نهائية ناعمة.
نحاس: النحاس معدن قابل للطرق ومتعدد الاستخدامات نظرًا لخصائصه الأخرى مثل التوصيل الكهربائي والحرارة، ومقاوم للتآكل، وما إلى ذلك. وتُستخدم أنابيبه وألواحه على نطاق واسع في مختلف الصناعات.
إنكونيل: هذه سبيكة خاصة معروفة بتحملها الممتاز للظروف القاسية مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الحمل الميكانيكي. يتم تشكيلها خصيصًا إلى أجزاء يمكن استخدامها لأجزاء المحرك في المركبات الفضائية حيث تكون درجات الحرارة مرتفعة جدًا.
الفولاذ المقاوم للصدأ: هذا معدن عالي الجودة يحظى بشعبية في مختلف الصناعات بسبب خصائصه المرغوبة. وهي معروفة بقوتها ومتانتها وخالية من الصدأ، من بين أشياء أخرى كثيرة. يمكن تصنيع مادة الفولاذ المقاوم للصدأ إلى أجزاء معقدة دون أن تنكسر أو تتشقق.
تشمل المواد الأخرى المستخدمة لغرض محدد والتي يشار إليها باسم المواد المتخصصة ما يلي:
هاستيلوي: هذه السبائك الفائقة مصنوعة من الجمع بين النيكل والكروم والحديد والموليبدينوم مما يجعلها ممتازة لظروف التآكل الشديد. إنها تنتج أجزاء غير ملحومة مناسبة للاستخدام في المصانع الكيميائية التي تكون شديدة التآكل وبالتالي تقلل من فرص فشل الأجزاء.
واسبالوي: هذه السبائك الفائقة من النيكل قوية بما يكفي لاستخدامها في بناء التوربينات والفضاء وما إلى ذلك.
تطبيقات عملية التشكيل الهيدروليكي
يمكنك صنع العديد من الأجزاء والمكونات من خلال عملية التشكيل المائي. لقد استفادت جميع الصناعات تقريبًا من تقنية تصنيع الصفائح المعدنية.
فيما يلي بعض الأمثلة القليلة:
صناعة | أمثلة على الأجزاء |
صناعة السيارات | · اغطية
· اللوحات · أجزاء الفرامل، · دروع المحرك · خزانات الغاز · أغطية أجهزة الاستشعار، الخ. |
قطاع الرعاية الصحية | · أغطية سلة المهملات
· المعدات الجراحية · صواني تعقيم الأدوات، الخ. |
الصناعات الغذائية | · الصواني
· العصارات · الملابس، الخ. |
صناعة الدفاع | · إسكان الطائرات
· أغطية المحرك · معدات الحماية، الخ. |
صناعة الإضاءة | · السكن الخفيف
· الصناديق الكهربائية |
خاتمة
في الختام، عملية التشكيل الهيدروليكي هي طريقة متقدمة لتشكيل المعادن التي يمكن استخدامها في مختلف الصناعات التحويلية. ومن الواضح أنها أرخص وأكثر كفاءة من تقنيات تصنيع المعادن التقليدية.
في Tsinfa CNC Equipment، نقوم بتصنيع مجموعة من آلات CNC المصممة لمجموعة من التطبيقات - تحدث معنا الآن لأية استفسارات.