Formowanie superplastyczne 101: szczegółowy przewodnik dla początkujących i ekspertów

Formowanie superplastyczne umożliwiło wytwarzanie części o unikalnych kształtach, które są lekkie i bardzo mocne w przeciwieństwie do formowania.

To złożone podejście jest wdrażane w różnych obszarach, w tym w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, urządzeniach medycznych i elektronice użytkowej.

Co to jest formowanie superplastyczne?

Formowanie nadplastyczne to metoda produkcji, podczas której gorący arkusz metalu jest rozciągany i formowany w skomplikowane konstrukcje za pomocą ciśnienia gazu.

Wkładasz metal do pieca w temperaturze, która przekształca metal w superplastik rozciągany bez rozrywania metalu. Postępujesz zgodnie z tym, wykorzystując ciśnienie gazu do szeregowania procesu formowania w matrycy.

Technika formowania superplastycznego

Technika formowania superplastycznego

Można to zrobić, formując podstawową strukturę w złożony i szczegółowy kształt lub ulepszając podstawową strukturę. W przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym często utrzymuje się niską masę części, jednocześnie zwiększając wytrzymałość i możliwości.

Zalety formowania superplastycznego.

Oszczędności wynikające z formowania pojedynczych części

Pozwala nie tylko połączyć kilka komponentów w jedną część, ale także zmniejszyć dwa cenne zasoby przedsiębiorstwa.

Wynika to z faktu, że wytwarzane kształty są złożone w jednej operacji, co skutkuje mniejszą liczbą części potrzebnych do montażu. Mniej etapów montażu i związanych z tym kosztów pracy, co ostatecznie przekłada się na ogromne oszczędności w produkcji.

Lepsza zdolność produkcyjna

Technologia ta umożliwia produkcję elementów tego samego rozmiaru lub większych, mocniejszych i lżejszych, których nie da się wyprodukować konwencjonalnymi metodami.

Komponenty te zostały zaprojektowane tak, aby idealnie nadawały się do zastosowań w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i wielu innych gałęziach przemysłu, gdzie stosunek wytrzymałości do masy jest kluczową kwestią.

Mniej Springbacka

Odkształcenie superplastyczne charakteryzuje się niską sprężyną powrotną, która zapewnia, że części zachowują swój kształt idealnie w ostatecznym profilu po ich uformowaniu.

Zdolność tej funkcji do wytwarzania wąskich tolerancji i wysokiej dokładności wymiarowej eliminuje potrzebę regulacji po formowaniu lub przeróbek.

Wymóg jednego narzędzia.

Chociaż formowanie superplastyczne ma tylko jedną formę, następuje prostsza procedura z użyciem narzędzi i zmniejsza koszty oprzyrządowania. W przeciwieństwie do konwencjonalnych procedur kształtowania, które mogą wymagać wielu narzędzi w przypadku skomplikowanych kształtów.

Dzięki formowaniu superplastycznemu kompozytów można tworzyć złożone kształty za pomocą jednego narzędzia, upraszczając produkcję i minimalizując całkowity koszt.

Złożone kształty

Dzięki formowaniu superplastycznemu można tworzyć skomplikowane, trudne lub niemożliwe kształty przy użyciu konwencjonalnych metod. Technika ta daje możliwość tworzenia elementów o delikatnych krzywiznach, kątach i szczegółach, które zwykle odpowiadają potrzebom współczesnych projektów.

Ograniczone operacje dodatkowe

Dzięki eliminacji skomplikowanych operacji obróbki skrawaniem lub łączenia, formowanie superplastyczne acb zmniejsza normy i czas produkcji, jednocześnie oszczędzając koszty. Ta wyjątkowa właściwość pozwala na produkcję kształtek gotowych do użycia, zapobiegając w ten sposób niepotrzebnym etapom i stratom materiału.

Ulepszone właściwości materiału

Dzięki formowaniu superplastycznemu można zachować integralność strukturalną i wytrzymałość materiału podczas kształtowania go w określoną formę.

Efektem tego są części o ulepszonych właściwościach mechanicznych, takich jak lepszy stosunek wytrzymałości do masy i zwiększone granice wytrzymałości, co prowadzi do ogólnej wydajności i trwałości produktu.

Charakterystyka odkształcenia w nadplastyczności.

· Wysoka ciągliwość

Odkształcając się z nadplastycznością, materiały metaliczne wykazują niezwykle wysoką ciągliwość, dzięki czemu mogą ulegać dużym odkształceniom bez pękania.

Dzięki tej funkcji możesz tworzyć skomplikowane formy i rozciągać materiał w trójwymiarowe kształty bez żadnych uszkodzeń konstrukcyjnych.

· Jednorodne odkształcenie

Superplastyczność umożliwia równomierne odkształcenie wszystkich składników materiału, gwarantując jednolity kształt i grubość. Z tego powodu defekty są minimalizowane, otrzymuje się produkty końcowe, które równomiernie odkształcają się i zapewniane są właściwości mechaniczne o przewidywalnej jakości.

· Niska czułość na odkształcenie

W stanie superplastycznym metale wykazują niewielką wrażliwość na szybkość odkształcania, co oznacza, że mogą utrzymać swoją plastyczność w szerokim zakresie wartości szybkości odkształcania.

Takie cechy umożliwiają precyzyjny przebieg formowania, prowadzący do produkcji dokładnych przedmiotów o tej samej jakości i precyzji.

· Przesuwanie granicy ziarna

Główną zasadą superplastyczności jest przesuwanie się granic ziaren, które obserwuje się albo w poszczególnych fazach, albo na granicach ziaren poddanych naprężeniom. Funkcja ta umożliwia prasowanie materiału w niskiej temperaturze i przy dużej prędkości odkształcania, dzięki czemu może on łatwo wpłynąć do formy podczas procesu formowania superplastycznego.

· Lokalizacja przepływu

W materiałach superplastycznych sąsiadujących z cechami geometrycznymi lub obszarami ognisk naprężeń może wystąpić miejscowe odkształcenie lub koncentracja przepływu. Regulacja kapilary poprzez lokalizację jest znacząca, ponieważ może mieć szkodliwy wpływ na równomierne odkształcenie i ostatecznie prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia.

Proces formowania superplastycznego

Ogrzewanie materiału

Najpierw podgrzewa się blachę do temperatury superplastycznej, która zwykle mieści się w określonym zakresie w zależności od składu materiału.

Temperatura ta jest niezbędna do rozpoczęcia stanu superplastycznego, który umożliwia materiałowi poddanie się długotrwałemu odkształceniu bez pękania. Ogrzewanie można osiągnąć poprzez ogrzewanie pieca lub miejscowe ogrzewanie indukcyjne, które zapewnia równomierny rozkład temperatury w całej blasze.

Przygotowanie matrycy formującej

Umieść matrycę formującą w pożądanym kształcie końcowego elementu. Szczęka matrycy musi być precyzyjnie obrobiona, aby wytrzymać delikatne konturowanie części i dobry przepływ materiału, które są wymagane w procesie formowania. Matrycę można poddać specjalnej obróbce powierzchniowej lub powłokom w celu zmniejszenia tarcia i zapewnienia płynnego uwolnienia części po zakończeniu procedury.

Układanie podgrzewanego arkusza

Precyzyjnie umieść gorącą blachę w matrycy formującej, zapewniając wyrównanie i orientację, aby uzyskać docelową formę. Arkusz powinien być bezpiecznie zaciśnięty lub przytrzymany, aby zapewnić, że podczas procesu formowania nie doszło do przesunięcia, a tym samym zachowana została dokładność wszystkich wymiarów.

Stosowanie ciśnienia gazu

Sprawiasz, że argon lub azot wypełniają komorę formującą i wywierają nacisk na rozgrzaną blachę. Ponieważ na arkusz działa ciśnienie gazu, arkusz odkształca się i wnika w kontury matrycy formującej.

Reguluj ciśnienie i dystrybucję gazu w celu osiągnięcia równomiernego odkształcenia i utrzymania integralności produktu.

Formowanie komponentu

Odpowiednio wysokie ciśnienie gazów powoduje samomodyfikację materiału; superplastyczny materiał rozciąga się i dopasowuje do kształtu matrycy próbnej.

Uważnie nadzoruj proces, aby materiał nadal równomiernie się wylewał i zapobiegał wadliwym defektom, takim jak marszczenie się lub ścieńczenie. Zmieniaj warunki przetwarzania, stale ulepszając warunki formowania, aby uzyskać pożądane wymiary części i specyfikacje powierzchni.

Chłodzenie i usuwanie komponentu

Po zakończeniu procesu formowania stopniowo obniżaj temperaturę uformowanej części, aby zachować stabilny kształt i właściwości mechaniczne.

Chłodzenie można osiągnąć poprzez ręczne chłodzenie lub hartowanie, w zależności od specyfikacji materiału i części. Po wystygnięciu powoli wyjmij kształtkę z formy, zwracając szczególną uwagę, aby uniknąć wad konstrukcyjnych lub zniekształceń.

W razie potrzeby można wykonać operacje po formowaniu, takie jak przycinanie, wykańczanie lub montaż, aby przygotować komponent do jego końcowego użycia.

Proces formowania superplastycznego

Proces formowania superplastycznego

Czynniki wpływające na proces formowania nadplastycznego.

· Temperatura

Należy upewnić się, że temperatura materiału mieści się w zakresie nadplastycznym, umożliwiającym skuteczne odkształcenie. W wyższych temperaturach zwiększa się plastyczność, zmniejszając ciśnienie przepływu i czyniąc materiał bardziej plastycznym.

Temperatura jest kontrolowana bardzo dokładnie, aby zapobiec nadmiernemu powiększeniu się lalki i pogorszeniu jakości materiału części.

· Stopień odkształcenia

Zmień prędkość naciągania materiału. Niższe szybkości odkształcania powodują głównie zjawiska udoskonalenia odkształcenia, które sprzyjają zachowaniom plastycznym, a zatem materiał jest w stanie wydłużyć się do granic możliwości. Niemniej jednak, niskie prędkości odkształcenia mogą wydłużyć cykl formowania, jeśli są stosowane w sposób ekstensywny.

Dostosuj szybkość odkształcania na podstawie cech materiału, a nie samej szybkości odkształcenia i narzuć wymagane odkształcenie ze względu na jego właściwości.

· Wielkość ziarna

Należy zwrócić uwagę na wielkość ziaren materiału, ponieważ drobniejsze ziarna są na ogół kojarzone z doskonałymi właściwościami superplastycznymi.

Rozdrobnienie ziaren tworzy strefę przesuwania się granic ziaren, ułatwiając nadplastyczność poprzez zapewnienie równomiernego odkształcenia i równomiernego rozkładu odkształceń.

· Skład materiału

Do przeróbki superplastycznej wybieraj materiały o odpowiednich składnikach, zazwyczaj stopy o dużej ciągliwości i drobno rozłożonej mikrostrukturze.

Dodawanie stopów wpływa również na te cechy poprzez zastosowanie modyfikacji chemicznych, takich jak wielkość ziaren, stabilność fazowa i mechanizm odkształcenia. Wybierz takie surowce, które mają dobrą superplastyczność i są przyjazne dla kształtowania.

· Kontrola ciśnienia i gazu

Dokonaj regulacji przepływu gazu i rozmiaru zasuwy zamykającej (komory), aby zapewnić płynny przepływ materiału i jego odkształcenie do dokładnego kształtu. Rozłożenie najpierw różnej siły nacisku zagwarantuje wyeliminowanie wszelkich zmarszczek i przerzedzania się wafla. Utrzymuj natężenie przepływu i ciśnienie procesu formowania na poziomie najbardziej oryginalnym i wykonuj część o wyższym poziomie jakości.

· Projektowanie narzędzi i matryc

Uzyskaj niestandardowe oprzyrządowanie do czyszczenia i formowania oraz matryce formierskie opracowane zgodnie ze specyfikacjami formowania superplastycznego.

Zdefiniuj etapy matrycy od konfiguracji (kształtowania) po wykończenie i kontrolę temperatury; i upraszczają przemieszczanie materiałów (łatwiej je dopasowując) w celu uzyskania wyższych częstotliwości dźwięku. Dokładnie przeanalizuj kąty pochylenia, promienie i linie podziału, aby ułatwić łatwe uwalnianie uformowanych części i uniknąć defektów spowodowanych przez oprzyrządowanie.

Różne techniki formowania superplastycznego.

Formowanie z rozdmuchem pojedynczego arkusza

Pojedynczy arkusz Formowanie rozdmuchowe zatrudnić kogoś płyta superplastyczna który musi zostać podgrzany przed uformowaniem go w pojedynczej wnęce matrycy za pomocą ciśnienia gazu. Ta metoda jest najlepsza do wytwarzania części o prostym kształcie, a często jest wykorzystywana do prototypów lub produkcji małoseryjnej.

Formowanie z rozdmuchem arkusza

Formowanie z rozdmuchem arkusza

Formowanie z rozdmuchem z dużą prędkością

Manipulując szybkim ciśnieniem gazu, elastyczne tworzywa sztuczne pozwalają osobie szybko przekształcić produkt zgodnie z jego wolą, ze znaczną szybkością. W związku z tym spodziewamy się wzrostu produktywności i czasu cykli.

Formowanie z rozdmuchem z dużą prędkością

Formowanie z rozdmuchem z dużą prędkością

Ze względu na przykład robota przemysłowego, prędkość, przepustowość i wydajność są najważniejszymi czynnikami budzącymi obawy.

Formowanie pustej jamy

Zrób puste przestrzenie lub pustki, wpadając w szał i aktywując dodatkowe funkcje, takie jak frez palcowy u podstawy matrycy. Podczas tego procesu superplastyczny materiał jest rozciągany i formowany wokół pozostałych części w złożone części z wewnętrznymi strumieniami.

Jest szeroko stosowany w produkcji lekkich elementów konstrukcyjnych wytwarzających systemy pustych przestrzeni, szczególnie w oddziałach lotniczych i motoryzacyjnych.

Formowanie pustej jamy

Formowanie pustej jamy

Formowanie wielu arkuszy

Zastosuj superplastyczne materiały połączone ze sobą i wyprodukowane jednocześnie, aby wytworzyć konstrukcje o różnej grubości lub wytrzymałości materiału.

Jest to możliwość stosowania różnych materiałów lub dodawania warstw wzmacniających, co umożliwia uzyskanie komponentów o lepszej wydajności i funkcjonalności.

Wieloetapowe przyrostowe formowanie arkusza

Wieloetapowe przyrostowe formowanie arkusza

Szybkie formowanie plastyczne

Zmniejszając pobór ciepła i czas spędzony na przetwarzaniu, co oznacza, że ilość zużywanej energii będzie mniejsza.

Nadzwyczajna plastyczność w połączeniu z metodami szybkiego nagrzewania poprzez nagrzewanie indukcyjne lub ogrzewanie mikrofalowe to technologie stojące za szybkim formowaniem tworzyw sztucznych z dużą wydajnością produkcji przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości części. Wydają się najbardziej skuteczne w dziedzinach, w których kluczowe znaczenie mają duże prędkości ekonomiczne i duża produkcja.

Szybkie formowanie plastyczne

Szybkie formowanie plastyczne

Rodzaje materiałów superplastycznych.

  • Stopy aluminium (AA5083 i AA7475.
  • Stop tytanu Ti-AI-4V.
  • Stop magnezu AZ31 (przy 425).
  • Nadstopy na bazie niklu.

Ograniczenia formowania nadplastycznego

Ograniczenia materiałowe

Zanim zaczniesz przewężać w procesie formowania superplastycznego, niektóre materiały, na które musisz zwrócić uwagę, to wybór materiału, który nie nadaje się do żadnego formowania superplastycznego. Niektóre materiały nie mają wymaganej elastyczności ani ziarnistości, która jest istotna dla odkształcenia. Wybierz materiały w oparciu o proces formowania, a także cechy wymagane dla komponentu.

Sprzęt i udogodnienia

Należy zauważyć, że proces ten wymaga takich cech, jak specjalny sprzęt i oprzyrządowanie, a jednocześnie wiąże się z wysoką ceną zarówno zakupu, jak i konserwacji.

Przeanalizuj inwestycję obejmującą główne maszyny, takie jak piece, prasy formujące i matryce. Z wysokim ryzykiem konserwacji i wymiany narzędzi oraz innych kosztów bieżących.

Brak ich symulacji w prawdziwym życiu

Upewnij się, że wiesz, że SPF jest dobry do odlewania prostych lub średnio złożonych kształtów 3D, a nie dokładnych symetrycznych części.

Części, niezależnie od tego, czy są duże, czy małe, oraz ich złożone kształty mogą stać się wyzwaniem w zakresie jednolitego przepływu materiałów i projektowania narzędzi. Sprawdź geometrię i możliwości formowania, które muszą odpowiadać parametrom sprzętu i właściwościom materiałów.

Wyzwania związane z kontrolą procesu.

Upewnij się, że potrafisz stawić czoła wyzwaniom związanym z kontrolą procesu, które może cały czas generować formowanie superplastyczne, w tym równomiernością temperatury, rozkładem ciśnienia gazu i spójnością odkształceń.

Prawie optymalne warunki formowania wymagają precyzyjnego dostosowania parametrów, w tym szybkości nagrzewania, szybkości odkształcania i szybkości chłodzenia, które w większości podlegają zakłóceniom, utrudniając w ten sposób spójność procesu formowania.

Wzrost ziarna materiału

W tym kontekście należy zatem upewnić się, że w miarę powstawania w wysokich temperaturach nie pojawi się zagrożenie rozrostem ziaren, które mogłoby wystąpić, co spowodowałoby pogorszenie właściwości.

Ultraodległości ziaren Mayera mogą pogarszać nadmierną plastyczność i w ten sposób powodować defekty, takie jak pęknięcia i rozdarcia. Spowolnij wzrost ziaren poprzez schematy, takie jak zakres temperatur lub materiał uszlachetniający, co znacznie poprawia strukturę ziarnistą materiału.

Praktyczne zastosowania

  • Komponenty lotnicze.
  • Panele nadwozia samochodowego.
  • Produkcja wyrobów medycznych.
  • Obudowa elektroniki użytkowej.
  • Sprzęt do energii odnawialnej.
  • Zastosowania obronne i wojskowe

Wniosek

Formowanie superplastyczne to technika, która zmienia proces produkcyjny, umożliwiając firmom tworzenie wyrafinowanych projektów. Jeśli szukasz dostawców do inwestycji w produkcję części np. dla przemysłu motoryzacyjnego, ta technika usprawni Twoją pracę.

Więcej zasobów:

Rodzaje maszyn CNC – Źródło: TSINFA

Formowanie plastyczne – Źródło: SCIENCE DIRECT