Superplastic Forming 101: راهنمای مفصل برای مبتدیان و متخصصان

شکل دهی سوپرپلاستیک امکان تولید قطعاتی با فرم های منحصر به فرد را فراهم کرده است که بر خلاف قالب گیری سبک و بسیار قوی هستند.

این رویکرد پیچیده در حوزه‌های مختلفی از جمله هوافضا و خودروسازی، تجهیزات پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی اجرا می‌شود.

Superplastic Forming چیست؟

شکل دهی سوپرپلاستیک یک روش تولیدی است که در آن یک ورق فلز داغ کشیده شده و با فشار گاز به طرح های پیچیده تبدیل می شود.

شما فلز را در دمایی در کوره قرار می دهید که فلز را به یک سوپر پلاستیک کشیده بدون پارگی فلز تبدیل می کند. شما این را با استفاده از فشار گاز برای سری‌بندی فرآیند قالب‌گیری در قالب دنبال می‌کنید.

تکنیک شکل دهی سوپر پلاستیک

شما این کار را یا با شکل دادن به ساختار اصلی به شکل پیچیده و دقیق یا با تقویت ساختار اصلی انجام می دهید. در صنایع هوافضا و خودروسازی، کم نگه داشتن وزن قطعه و در عین حال افزایش استحکام و قابلیت رایج است.

مزایای شکل دهی سوپرپلاستیک

صرفه جویی در هزینه از تشکیل تک قسمتی

این شما را قادر می سازد نه تنها چندین جزء را در یک قسمت ترکیب کنید، بلکه دو منبع ارزشمند یک شرکت را نیز کاهش دهید.

این به دلیل این واقعیت است که اشکال در حال تولید در یک عملیات پیچیده هستند و در نتیجه قطعات کمتری برای مونتاژ مورد نیاز است. مراحل مونتاژ کمتر، و هزینه های نیروی کار مرتبط، که در نهایت به صرفه جویی عظیم در هزینه تولید تبدیل می شود.

توانایی تولید بهتر

این فناوری این امکان را برای شما فراهم می کند که بتوانید قطعاتی با اندازه یکسان یا بزرگتر، قوی تر و سبک تر تولید کنید که ساخت آنها با روش های مرسوم غیرممکن است.

این قطعات به گونه ای طراحی شده اند که برای صنایع هوافضا، خودروسازی و بسیاری از صنایع دیگر که در آن نسبت قدرت به وزن یک موضوع حیاتی است، ایده آل باشند.

کمتر بهار

تغییر شکل سوپرپلاستیک دارای پشت فنری کم است که باعث می شود قطعات پس از شکل گیری شکل خود را کاملاً در مشخصات نهایی حفظ کنند.

توانایی این ویژگی برای ایجاد تلرانس های نزدیک و دقت ابعادی بالا، نیاز به تنظیمات یا کار مجدد پس از شکل دهی را بی نیاز می کند.

تک ابزار مورد نیاز.

در حالی که شکل‌دهی سوپرپلاستیک تنها یک قالب دارد، روش ساده‌تری را با ابزارها دنبال می‌کند و هزینه‌های ابزارسازی را کاهش می‌دهد. برخلاف روش‌های شکل‌دهی مرسوم که ممکن است به ابزارهای متعددی برای اشکال پیچیده نیاز داشته باشند.

شکل دهی سوپرپلاستیک کامپوزیت می تواند با یک ابزار واحد اشکال پیچیده ایجاد کند و تولید را ساده کرده و هزینه کلی را به حداقل برساند.

اشکال پیچیده

با شکل دهی سوپرپلاستیک، می توانید با استفاده از روش های مرسوم، اشکال پیچیده، دشوار یا غیرممکن بسازید. این تکنیک به شما این توانایی را می دهد که قطعاتی با منحنی ها، زاویه ها و جزئیات ظریف بسازید که معمولاً نیازهای طراحی های مدرن را برآورده می کند.

کاهش عملیات ثانویه

از طریق حذف عملیات پیچیده ماشینکاری یا اتصال، شکل دهی فوق پلاستیک acb هنجارها و زمان های تولید را کاهش می دهد و در عین حال در هزینه ها نیز صرفه جویی می کند. این خاصیت منحصر به فرد امکان تولید قطعات شکلی آماده برای استفاده را فراهم می کند و در نتیجه از اتلاف مواد غیرضروری جلوگیری می کند.

خواص مواد پیشرفته

با شکل دهی سوپرپلاستیک، می توانید یکپارچگی ساختاری و استحکام مواد را در حالی که به شکل خاصی در می آید حفظ کنید.

این به قطعاتی با خواص مکانیکی تقویت‌شده، مانند نسبت استحکام به وزن افزایش یافته و محدودیت‌های استقامتی طولانی‌تر منجر می‌شود که منجر به عملکرد کلی محصول و طول عمر می‌شود.

ویژگی های تغییر شکل در فوق پلاستیک

· شکل پذیری بالا

در حالی که مواد فلزی در حالت فوق پلاستیسیته تغییر شکل می‌دهند، شکل‌پذیری غیرعادی بالایی از خود نشان می‌دهند و به آن‌ها اجازه می‌دهد بدون شکستن، تغییر شکل‌های بزرگی را متحمل شوند.

از طریق این ویژگی می توانید فرم های پیچیده ایجاد کنید و مواد را بدون هیچ گونه خرابی ساختاری به شکل های سه بعدی درآورید.

· تغییر شکل همگن

فوق پلاستیک اجازه می دهد تا تغییر شکل همگن تمام اجزای مواد، تضمین شکل و ضخامت یکنواخت. به همین دلیل، عیوب به حداقل می رسد، محصولات نهایی که به طور همگن تغییر شکل می دهند، به دست می آیند، و تضمین خاصیت مکانیکی از کیفیت قابل پیش بینی وجود دارد.

· حساسیت نرخ کرنش کم

در حالت فوق‌پلاستیک، فلزات حساسیت نرخ کرنش کمی از خود نشان می‌دهند، به این معنی که می‌توانند شکل‌پذیری خود را در محدوده وسیعی از مقادیر نرخ کرنش حفظ کنند.

چنین ویژگی هایی یک دوره شکل دهی دقیق را امکان پذیر می کند و منجر به تولید اقلام دقیق با همان کیفیت و دقت می شود.

· کشویی مرز دانه

اصل فوق‌العاده اصلی، لغزش مرز دانه‌ها است که یا در فازهای جداگانه یا در مرزهای دانه‌ای که تحت تنش هستند مشاهده می‌شود. این عملکرد مواد را قادر می سازد تا در دمای پایین و نرخ کرنش بالا فشرده شوند و بنابراین می توانند به راحتی در طی فرآیند شکل دهی سوپرپلاستیک در قالب جریان پیدا کنند.

· محلی سازی جریان

تغییر شکل موضعی یا غلظت جریان ممکن است در مواد فوق‌پلاستیک مجاور ویژگی‌های هندسی یا مناطق تمرکز تنش رخ دهد. تنظیم مویرگی توسط محلی سازی قابل توجه است زیرا می تواند برای تغییر شکل یکنواخت مضر باشد و در نهایت منجر به شکست زودرس شود.

فرآیند تشکیل سوپر پلاستیک

گرم کردن مواد

ابتدا ورق فلزی را تا دمای فوق‌پلاستیک آن گرم می‌کنید، که معمولاً بسته به ترکیب ماده در محدوده مشخصی قرار می‌گیرد.

این دما برای شروع شرایط فوق‌پلاستیک حیاتی است، که باعث می‌شود مواد بدون ترک‌خوردگی دچار تغییر شکل طولانی‌تر شوند. گرمایش را می توان از طریق گرمایش کوره یا گرمایش القایی موضعی بدست آورد که توزیع یکنواخت دما را در سراسر ورق می دهد.

آماده سازی قالب تشکیل دهنده

قالب فرم دهنده را به شکل دلخواه جزء نهایی قرار دهید. فک قالب باید دقیقاً ماشین کاری شود تا کانتورینگ ظریف قطعه و جریان خوب مواد را که برای فرآیند شکل‌دهی لازم است انجام دهد. قالب را می توان با پوشش های سطحی یا پوشش های ویژه ای برای کاهش اصطکاک و اطمینان از آزاد شدن صاف قطعه پس از اتمام کار درمان کرد.

قرار دادن ورق گرم شده

ورق فلزی داغ را با اطمینان از تراز و جهت گیری برای به دست آوردن فرم هدف، دقیقاً در قالب قالب قرار دهید. ورق باید به طور ایمن گیره یا نگه داشته شود تا اطمینان حاصل شود که هیچ جابجایی در طول فرآیند شکل‌دهی صورت نگرفته است و بنابراین، دقت تمام ابعاد حفظ شده است.

اعمال فشار گاز

شما کاری می کنید که گاز آرگون یا نیتروژن محفظه شکل دهی را پر کرده و روی ورق فلزی گرم شده فشار بیاورید. از آنجایی که فشار گاز به ورق اعمال می شود، ورق تغییر شکل می دهد و به خطوط قالب شکل می گیرد.

تنظیم فشار و توزیع گاز با هدف دستیابی به تغییر شکل یکنواخت و حفظ یکپارچگی محصول.

تشکیل کامپوننت

فشار مناسب گازها باعث می شود که مواد خود را تغییر دهند. مواد فوق پلاستیک کشیده شده و با شکل قالب آزمایشی مطابقت دارد.

بر این فرآیند به دقت نظارت کنید تا مواد به طور یکنواخت به ریختن ادامه دهند و از عیوب معیوب مانند چروک شدن یا نازک شدن جلوگیری کنید. تغییر شرایط پردازش در حالی که به بهبود شرایط شکل‌دهی ادامه می‌دهد تا ابعاد قطعه و مشخصات سطح مورد نظر تولید شود.

خنک کردن و حذف کامپوننت

پس از انجام فرآیند شکل دهی، به تدریج دمای قطعه شکل گرفته را کاهش دهید تا شکل و خواص مکانیکی آن ثابت بماند.

خنک‌سازی را می‌توان با سرعت خنک‌سازی دستی یا خاموش کردن، بسته به مشخصات مواد و قطعه، به دست آورد. پس از فرآیند سرد شدن، به آرامی قسمت شکل گرفته را از قالب خارج کنید، با توجه ویژه برای جلوگیری از نقص یا اعوجاج ساختاری.

عملیات پس از شکل دهی مانند پیرایش، تکمیل یا مونتاژ می تواند در صورت نیاز انجام شود تا قطعه برای استفاده نهایی آماده شود.

فرآیند تشکیل سوپر پلاستیک

عوامل موثر بر فرآیند تشکیل سوپرپلاستیک

· درجه حرارت

برای تغییر شکل موفقیت آمیز، باید مطمئن شوید که دمای مواد در محدوده فوق پلاستیک خود قرار دارد. در دماهای بالاتر، شکل‌پذیری افزایش می‌یابد، فشار جریان را کاهش می‌دهد و مواد را انعطاف‌پذیرتر می‌کند.

دما بسیار دقیق کنترل می شود تا از بزرگ شدن بیش از حد عروسک و بدتر شدن کیفیت مواد قطعه جلوگیری شود.

· نرخ کرنش

سرعت اعمال کشش روی مواد را تغییر دهید. نرخ کرنش پایین‌تر عمدتاً پدیده‌های پالایش کرنش را نشان می‌دهد که به نفع رفتار پلاستیک است، و از این رو، ماده می‌تواند تا حد خود کشیده شود. با این حال، نرخ کرنش پایین ممکن است چرخه شکل‌دهی را در صورت اعمال گسترده طولانی‌تر کند.

نرخ کرنش را بر اساس ویژگی های مواد به جای نرخ کرنش تنظیم کنید و تغییر شکل مورد نیاز را به دلیل کیفیت آن اعمال کنید.

· اندازه دانه

به اندازه دانه مواد توجه داشته باشید زیرا دانه های ریزتر معمولاً با ویژگی های فوق پلاستیک عالی همراه هستند.

ریزدانه شدن دانه ها ناحیه ای از لغزش مرز دانه را تشکیل می دهد که با ایجاد تغییر شکل یکنواخت و توزیع کرنش یکنواخت، فوق پلاستیک را تسهیل می کند.

· ترکیب مواد

موادی را با اجزای مناسب برای شکل‌دهی سوپرپلاستیک انتخاب کنید، معمولاً آلیاژهایی که دارای شکل‌پذیری بالا و ساختار ریز توزیع شده‌اند.

آلیاژسازی نیز با اعمال تغییرات شیمیایی، مانند اندازه دانه، پایداری فاز و مکانیسم تغییر شکل، بر این ویژگی‌ها تأثیر می‌گذارد. برخی از مواد اولیه را انتخاب کنید که خاصیت فوق‌العاده خوبی دارند و فرم‌دهی خوبی دارند.

· کنترل فشار و گاز

برای اطمینان از جریان صاف مواد و تغییر شکل آن به شکل دقیق، جریان گاز و اندازه درب بسته (محفظه) را تنظیم کنید. پخش مقادیر مختلف فشار ابتدا باعث از بین رفتن هر گونه چین و چروک یا ویفر نازک می شود. نرخ دبی و فشارهای فرآیند شکل‌دهی را به بهترین شکل حفظ کنید و قطعه را با کیفیت بالاتری بسازید.

· طراحی ابزار و قالب

لوازم نظافت و شکل دهی سفارشی، قالب های قالب گیری را که مطابق با مشخصات شکل دهی فوق پلاستیک ساخته شده اند، تهیه کنید.

مراحل قالب را از پیکربندی (شکل دادن) تا تکمیل و کنترل دما تعریف کنید. و حرکت مواد را برای فرکانس‌های صدای بالاتر ساده‌تر می‌کند (مطابقات روان‌تر). زوایای پیش نویس، شعاع و خطوط جداکننده را به دقت تجزیه و تحلیل کنید تا به راحتی آزادسازی قطعات تشکیل شده را تسهیل کنید و از عیوب ناشی از ابزار کاری جلوگیری کنید.

تکنیک های مختلف در شکل دهی سوپرپلاستیک

شکل دهی تک ورق

تک برگه Blow Forming از یک ورقه فوق پلاستیک استفاده کنید که باید قبل از تشکیل آن روی یک حفره قالب با فشار گاز گرم شود. روش مورد استفاده برای ساخت قطعات با شکل ساده بهترین است و اغلب نمونه های اولیه یا تولید کم حجم برای آن استفاده می شود.

شکل دهی ورق

شکل دهی با سرعت بالا

با دستکاری فشار سریع گاز، پلاستیک های انعطاف پذیر به فرد اجازه می دهند که محصول را به سرعت مطابق با میل خود با سرعت قابل توجهی اصلاح کند. بنابراین، ما انتظار داریم بهره وری و زمان چرخه نیز رشد کند.

شکل دهی با سرعت بالا

با توجه به مثال ربات صنعتی، سرعت، توان عملیاتی و کارایی مهم ترین عوامل نگران کننده هستند.

تشکیل حفره توخالی

با عصبانی شدن و فعال کردن عملکردهای اضافی مانند آسیاب انتهایی در پایه قالب، تخلیه یا توخالی ایجاد کنید. در طی این فرآیند، مواد فوق پلاستیک کشیده شده و در اطراف سایر قسمت ها به قطعات پیچیده با جریان های داخلی تبدیل می شوند.

این به طور گسترده در تولید اعضای ساختاری سبک وزن که سیستم های حفره توخالی تولید می کنند به ویژه در بخش های هوا و خودرو استفاده می شود.

تشکیل حفره توخالی

شکل دهی چند ورق

برای تولید ساختارهایی با ضخامت ها یا استحکام مواد مختلف، از مواد فوق پلاستیکی که با هم جفت شده و ساخته می شوند، استفاده کنید.

این توانایی وارد کردن مواد مختلف یا افزودن لایه‌های تقویت‌کننده است که امکان داشتن قطعاتی با عملکرد و عملکرد بهتر را فراهم می‌کند.

شکل دهی ورق افزایشی چند مرحله ای

شکل دهی سریع پلاستیک

با کاهش مصرف گرما و زمان صرف شده برای پردازش، به این معنی است که مقدار انرژی مصرفی کمتر خواهد بود.

انعطاف پذیری فوق العاده با روش های گرمایش سریع گرمایش القایی یا گرمایش مایکروویو، فناوری هایی هستند که در پشت قالب گیری سریع پلاستیک با نرخ تولید بالا و در عین حال حفظ ویژگی های قطعه خوب هستند. به نظر می رسد که آنها برای میادینی که سرعت اقتصادی سریع و تولید بزرگ حیاتی است، مؤثرتر باشند.

شکل دهی سریع پلاستیک

انواع مواد سوپرپلاستیک

• آلیاژهای آلومینیوم (AA5083 و AA7475.
• آلیاژ تیتانیوم Ti-AI-4V.
• آلیاژ منیزیم AZ31 (در 425).
• سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل

محدودیت های شکل دهی سوپرپلاستیک

محدودیت های مواد

قبل از شروع کار با گردن در شکل دهی سوپرپلاستیک، برخی از موادی که باید به انتخاب مواد اهمیت دهید، برای هر شکل دهی سوپرپلاستیک مناسب نیستند. برخی از مواد دارای انعطاف پذیری یا دانه بندی لازم نیستند که برای تغییر شکل مهم است. مواد را بر اساس فرآیند شکل دهی و همچنین ویژگی های مورد نیاز برای قطعه انتخاب کنید.

تجهیزات و امکانات

توجه به این نکته حائز اهمیت است که این فرآیند به ویژگی هایی مانند تجهیزات و ابزار ویژه ای نیاز دارد که با قیمت بالایی هم برای خرید و هم برای نگهداری در نظر گرفته می شود.

سرمایه گذاری که ماشین آلات اصلی را پوشش می دهد، مانند کوره ها، پرس های شکل دهی و قالب ها را تجزیه و تحلیل کنید. با ریسک بالای نگهداری و تعویض ابزار و سایر هزینه های جاری.

فقدان شبیه سازی زندگی واقعی آنها

مطمئن شوید که می دانید SPF برای ریخته گری اشکال سه بعدی با پیچیدگی ساده تا متوسط و نه قطعات دقیق متقارن خوب است.

قطعات بزرگ یا کوچک و اشکال پیچیده آنها می تواند در جریان یکنواخت مواد و همچنین طراحی ابزار به چالش تبدیل شود. هندسه و قابلیت تشکیل را بررسی کنید که باید با پارامترهای تجهیزات و همچنین خواص مواد مطابقت داشته باشد.

چالش های کنترل فرآیند

مطمئن شوید که در مقابل چالش مسائل کنترل فرآیند که شکل‌دهی فوق‌پلاستیک می‌تواند همیشه ایجاد کند، از جمله یکنواختی دما، توزیع فشار گاز و ثبات تغییر شکل، ایستادگی می‌کنید.

شرایط شکل‌دهی تقریباً بهینه نیاز به تنظیم دقیق پارامترها از جمله نرخ گرمایش، نرخ کرنش و نرخ خنک‌کننده دارد که عمدتاً در معرض اختلال هستند، بنابراین از ثبات فرآیند شکل‌دهی جلوگیری می‌کنند.

رشد دانه مواد

بنابراین، در این زمینه، اطمینان حاصل کنید که با تشکیل آن در دماهای بالا، خطر رشد دانه، آنطور که ممکن است ظاهر نشود و از خواص آن کاسته شود.

فواصل فوق العاده دانه مایر ممکن است به فوق العاده انعطاف پذیری آسیب برساند و در نتیجه نقص هایی مانند ترک و پارگی ایجاد کند. رشد دانه را از طریق طرح‌ها، مانند محدوده دما یا مواد تصفیه‌شده، کاهش دهید، که به طور قابل‌توجهی ساختار دانه‌ای ماده را افزایش می‌دهد.

کاربردهای عملی

• اجزای هوافضا
• پانل های بدنه خودرو.
• ساخت دستگاه های پزشکی.
• مسکن لوازم الکترونیکی مصرفی.
• تجهیزات انرژی های تجدیدپذیر
• کاربردهای دفاعی و نظامی

نتیجه

شکل دهی سوپر پلاستیک تکنیکی است که فرآیند تولید را تغییر می دهد و به شرکت ها اجازه می دهد طرح های پیچیده ای ایجاد کنند. اگر به دنبال تامین کننده ای برای سرمایه گذاری در تولید قطعات مانند صنعت خودرو هستید، این تکنیک کار شما را کارآمدتر می کند.

منابع بیشتر:

انواع ماشین های CNC – منبع: TSINFA

شکل دهی پلاستیک – منبع: SCIENCE DIRECT