Czym jest hydroformowanie – kompletny przewodnik dla początkujących i ekspertów
Jakie jest znaczenie hydroformowania? Hydroformowanie to technika produkcyjna stosowana do manipulowania metalami ciągliwymi w różne złożone części. W tym artykule zagłębimy się w zawiłości procesu hydroformowania, abyś mógł je zrozumieć.
Co to jest hydroformowanie?
Środek do hydroformowania, zwany także tworzące płyn to nowoczesna technika produkcyjna, która wykorzystuje płyn pod wysokim ciśnieniem i matrycę do wytwarzania elastycznych metali. Typowe materiały metalowe stosowane w tej technice obejmują; aluminium, stal, mosiądz, stal nierdzewna itp.
Metalową rurkę lub arkusz umieszcza się na matrycy i przykłada ciśnienie płynu. Zmusza to metal do przyjęcia kształtu wnęki matrycy.
Hydroformowanie
Jak działa hydroformowanie? Do hydroformowania arkuszy przetwarza się blachę i tylko jedną matrycę; używana jest wnęka lub stempel. Płyn pod ciśnieniem hydraulicznym naciska na blachę, zmuszając ją do przyjęcia konturu wnęki.
Podczas gdy w metodzie formowania płynu w rurze metal rury jest umieszczany pomiędzy dwiema matrycami, a ciśnienie hydrauliczne wtłaczane jest do rury. To ciśnienie wypycha rurkę na zewnątrz, wpychając ją do wnęki matrycy, przyjmując jej kształt.
W obu technikach hydroformowania eliminuje się spawanie części, co zapewnia wysokiej jakości wykończenie powierzchni części.
Zalety procesu hydroformowania
Stosowanie procesu formowania płynnego w procesie produkcji metalu ma zalety i obejmują one;
- Hydroformowanie idealnie nadaje się do formowania skomplikowanych części metalowych o nieregularnych wzorach i konturach.
- Nie wymaga spawania dwóch połówek jak w starych metodach, dzięki temu powstałe kształty mają gładkie wykończenie powierzchni. Pozwala to zachować jakość użytego materiału metalowego.
- Eliminuje ryzyko powrotu wyprodukowanych części do pierwotnego kształtu.
- Hydroformowanie jest wysoce specyficzne, w wyniku czego powstają części, które w równym stopniu łączą się bezproblemowo z innymi częściami metalowymi.
- W procesie hydroformowania zmniejsza się rozrzedzenie materiału ze względu na wysoką precyzję wymiarów i procesu formowania.
- Części metalowe utworzone tą metodą mają zmniejszoną masę i zwiększoną wytrzymałość metalu.
- Jest to na ogół technika oszczędzająca koszty, ponieważ zmniejsza przypadki marnotrawstwa materiału, dodatkowe etapy i zmniejsza koszty pracy.
Ograniczenia hydroformowania
Jak każda inna technika formowania metalu, hydroformowanie ma również swoje wady, chociaż są one minimalne.
- Wymaga to wysokiego kapitału początkowego na zakup urządzeń do hydroformowania.
- Czas cyklu w procesie hydroformowania jest wolniejszy, ograniczając liczbę części wyprodukowanych w danym okresie.
Hydroformowanie rur a hydroformowanie blach
Hydroformowanie rur i blach to rodzaje procesów produkcyjnych stosowanych w różnych gałęziach przemysłu.
Hydroformowanie rur
Hydroformowanie rur jest również określane jako „wewnętrzne formowanie pod wysokim ciśnieniem”. lub IHPF. W tym procesie wytwarzania metalu wykorzystuje się metalową rurkę jako surowiec lub półfabrykat umieszczony pomiędzy dwiema matrycami.
Przed rozpoczęciem procesu hydroformowania rura metalowa poddawana jest procesowi gięcia rur. Ten etap prefabrykacji zapewnia odpowiednie zakrzywienie surowego metalu, aby umożliwić jego dopasowanie pomiędzy formami.
Hydroformowanie rur
Po zamontowaniu pomiędzy matrycami i uszczelnionymi końcami, wewnątrz rury przepuszczany jest płyn hydrauliczny pod wysokim ciśnieniem. Zmusza to rurę do wybrzuszenia się na zewnątrz do wnęki formy i przyjęcia jej kształtu.
Produkcja rur metalowych jest powszechnie stosowana w przemyśle lotniczym, hydraulicznym i motoryzacyjnym, gdzie lekkie części rurowe są niezbędnymi komponentami.
Hydroformowanie arkuszy
Jak sama nazwa wskazuje, ten rodzaj produkcji wykorzystuje blachę jako surowiec lub półfabrykat. Wykorzystuje jedną matrycę, w przeciwieństwie do hydroformowania rur, które wymaga dwóch matryc, co jest kosztowne.
Hydroformowanie arkuszy polega na umieszczeniu arkusza blachy na prasie do hydroformowania i wywieraniu na niego ciśnienia płynu. To ciśnienie zmusza blachę do dostosowania się do kształtu matrycy, na którą naciska.
Niektóre obszary, w których proces ten ma zastosowanie, obejmują: wyroby medyczne, obrona, lotnictwo i inne.
Hydroformowanie arkuszy
Porównywanie Głębokie rysowanie Proces tłoczenia i hydroformowania
Tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia to technika wytwarzania metalu, która wykorzystuje siłę ściskającą do formowania wnęki, cylindra lub misek z metalowego półwyrobu.
Z drugiej strony proces hydroformowania przekształca metalowe półfabrykaty w kształt formy za pomocą ciśnienia płynu hydraulicznego.
Narzędzia do hydroformowania wykonane są z żeliwa, natomiast narzędzia do głębokiego tłoczenia są wykonane z hartowanej stali. Stal jest droższa w porównaniu do żeliwa.
Zwykle proces hydroformowania jest prosty i pozwala uzyskać wysokiej jakości mocne części, stosowane najlepiej w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.
Głębokie tłoczenie
Podczas gdy hydroformowanie zmniejsza przerzedzenie materiału, tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia prowadzi do rozrzedzenia materiału.
Hydroformowanie jest tańsze niż tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia pod względem kosztów rozwojowych, ponieważ nie wymaga za każdym razem nowego narzędzia. Zamiast tego można zmienić tylko rodzaj materiału i wymiary grubości ścianki, aby uzyskać nowy kształt lub części.
Koszt przetwarzania głębokiego tłoczenia jest efektywny tylko w przypadku produkcji na dużą skalę ze względu na wymaganą wiedzę fachową i koszty oprzyrządowania. Jest to sprzeczne z procesem hydroformowania, który jest generalnie tańszy od początkowego kosztu oprzyrządowania do kosztu przetwarzania.
Metoda głębokiego tłoczenia jest sztywna w projektowaniu, ponieważ wymaga tworzenia nowych narzędzi przy każdym nowym projekcie. Proces hydroformowania pozwala na szereg zmian konstrukcyjnych, dzięki czemu jest bardziej elastyczny niż głębokie tłoczenie.
Hydroformowanie jest bardzo precyzyjne, co prowadzi do niewielkich lub żadnych strat materiału, tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia powoduje większe straty materiału.
Proces hydroformowania zajmuje krótszy czas cyklu przy produkcji skomplikowanych wzorów na dużą skalę. Tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia wymaga dłuższych czasów cyklu produkcyjnego w przypadku skomplikowanych konfiguracji projektowych.
Hydroformowanie zapewnia wysokiej jakości gładkie wykończenia w porównaniu do tłoczenia metodą głębokiego tłoczenia, które pozostawia rysy na powierzchni produktu. Zmniejsza to koszty w branżach takich jak przemysł lotniczy, które wymagają dopracowanych standardów wykończenia.
Czynnik do rozważenia w hydroformowaniu
Jak w przypadku każdego innego procesu produkcyjnego, istnieją czynniki, które wpływają na proces hydroformowania i jego wynik. Niektóre z kluczowych zmiennych, które należy wziąć pod uwagę rozważając technikę hydroformowania, to:
Temperatura
Temperatura wpływa na wielkość siły, jaką należy zastosować podczas procesu hydroformowania metalu oraz na stopień plastyczności półwyrobu. Niektóre półfabrykaty metalowe tracą swoją wytrzymałość powyżej pewnych poziomów temperatur.
Nacisk
W procesie hydroformowania stosuje się ciśnienie płynu, aby uzyskać formowanie części. Zastosowany nacisk jest z góry określony w zależności od wytrzymałości materiału półfabrykatu na rozciąganie. Im mocniejszy metal, tym większe jest stosowane ciśnienie.
Ponadto formowanie różnych części wymaga różnych poziomów ciśnienia i czasu działania ciśnienia, aby je uformować.
Materiał
Wybór materiału ma kluczowe znaczenie w hydroformowaniu, ponieważ ogranicza się do materiałów ciągliwych, a także wpływa na charakterystykę wymagań części składowych.
Okres przetwarzania i ścieżka obciążenia
Znajomość parametrów procesu, takich jak wartości ciśnienia hydraulicznego do załączenia i droga obciążenia, którą należy podążać, jest kluczem do precyzyjnego formowania. Wartości te można określić, przeprowadzając proces symulacji na żądanym wcześniej rodzaju materiału i konstrukcji części.
Wartości wygenerowane z procesu doświadczalnego i wyznaczona droga obciążenia pomogą w rzeczywistym procesie hydroformowania.
Smary
Smarowanie powierzchniowe jest ważne w tym procesie, ponieważ minimalizuje tarcie i ułatwia przepływ materiału, co wpływa na ogólną wydajność procesu. Wręcz przeciwnie, tarcie jest również potrzebne do kontrolowania przepływu materiału i zapobiegania poziomowi przerzedzania materiału.
Proces hydroformowania krok po kroku
Krok 1: Proces hydroformowania rozpoczyna się od ustawienia oprzyrządowania, na które składają się:
- Komora żeńska lub górna, która składa się z komory płynu pod ciśnieniem, gumowej membrany i podkładki ścieralnej
- Dolną matrycę lub komorę męską można zastąpić pierścieniem i stemplem. Do stempla podłączony jest tłok hydrauliczny, uchwyt półfabrykatu lub pierścień
Krok 2: Następnym krokiem jest bezpieczne umieszczenie metalowego półfabrykatu w komorze hydroformowania w celu rozpoczęcia procesu.
Zamykanie komory odbywa się poprzez obniżenie ciśnienia hydraulicznego. Następnie wywiera się nacisk poprzez podniesienie stempla na żeńskim pierścieniu matrycowym.
Półfabrykat dopasowuje się do kształtu i wzorów na elementach matrycy tworząc pożądaną część.
Następnie usuwa się ciśnienie z półfabrykatu, kończąc cykl procesu hydroformowania.
Końcowa część ma gładką powierzchnię dzięki gumowej membranie w górnej komorze, która podtrzymuje półfabrykat.
Krok 3: Jest to końcowy etap procesu hydroformowania i charakteryzuje się usunięciem zarówno górnej, jak i dolnej komory po rozhermetyzowaniu. Powstałą część można poddać innym etapom, takim jak cięcie laserowe, w zależności od obszaru zastosowania.
Ogólnie rzecz biorąc, straty materiału w tym procesie są minimalne, ponieważ rozpoczyna się od metalowego półfabrykatu o wymaganym rozmiarze.
Proces hydroformowania
Czynniki determinujące koszt hydroformowania
Ustalenie całkowitego kosztu procesu hydroformowania może pomóc w ocenie jego wykonalności w porównaniu z innymi procesami produkcyjnymi.
Koszt oprzyrządowania do hydroformowania
Komora do hydroformowania składa się z komór matrycy żeńskiej i męskiej. Komora żeńska wyposażona jest w membranę z płynem pod ciśnieniem i gumową membranę odpowiedzialną za redukcję kosztów procesu o około 50%, jak zobaczymy później.
Poza tym narzędzia do hydroformowania wykonane są z żeliwa, które jest tańsze w porównaniu ze stalą hartowaną przy tłoczeniu metodą głębokiego tłoczenia. Narzędzia do hydroformowania są przyjazne dla użytkownika, dlatego ich instalacja nie wymaga specjalistycznej wiedzy.
Koszt procesu
Podczas procesu wytwarzania metalu manipulację projektem osiąga się po prostu poprzez zmianę rodzaju materiału i zmiany wymiarów grubości ścianki. To samo nie ma zastosowania w przypadku tłoczenia metodą głębokiego tłoczenia, ponieważ dla konkretnego projektu należy stworzyć nowe narzędzie. Zmniejsza to znacznie koszty procesu hydroformowania.
Koszty operacyjne
Aby uformować określoną część, tłoczenie metodą głębokiego tłoczenia wymaga wielu cykli prasowania. Z drugiej strony hydroformowanie dopasowuje się do kształtu matrycy w jednym cyklu prasowania. Prowadzi to do skrócenia czasu prasowania w hydroformowaniu o około 65% w porównaniu do 40% w metodzie głębokiego tłoczenia.
Koszt wykończenia
Gumowa membrana w matrycy zapewnia gładkie wykończenie utworzonej części metalowej, eliminując procesy wtórne, takie jak wytłaczanie. Obniża to koszty procesu hydroformowania. Nie jest to możliwe w przypadku tłoczenia metodą głębokiego tłoczenia, które pozostawia na powierzchni rysy, które wymagają dalszego usunięcia w dodatkowych procesach.
W rezultacie hydroformowanie jest preferowane w produkcji części lotniczych i kosmicznych, a także w zastosowaniach medycznych.
Dalszą redukcję kosztów osiąga się w procesie hydroformowania ze względu na prostą konstrukcję oprzyrządowania, koszt użytego materiału, niski koszt robocizny przy instalacji itp.
Materiały odpowiednie do procesu hydroformowania
W procesie hydroformowania wykorzystuje się metale plastyczne, takie jak aluminium, stal, miedź, mosiądz itp. W tej sekcji przyjrzymy się bliżej, dlaczego są to preferowane materiały w procesie hydroformowania.
Aluminium: Jest miękkim, lekkim i trwałym metalem, który łatwo dopasowuje się do różnych kształtów form. To sprawia, że jest to jeden z najpopularniejszych metali stosowanych w wielu gałęziach przemysłu.
Mosiądz: Wytwarzanie mosiądzu jest łatwe, ponieważ jest mniej problematyczne i łatwo przyjmuje kształt formy z gładkim wykończeniem.
Miedź: Miedź to ciągliwy metal, który jest wszechstronny ze względu na inne właściwości, takie jak przewodność elektryczna i cieplna, odporność na korozję itp. Rury i blachy są szeroko stosowanymi komponentami w różnych gałęziach przemysłu.
Inconel: Jest to specjalny stop znany z doskonałej tolerancji na ekstremalne warunki, takie jak temperatura, ciśnienie lub obciążenie mechaniczne. Jest on formowany na zamówienie w części, które można stosować w częściach silników w statkach kosmicznych, gdzie temperatury są bardzo wysokie.
Stal nierdzewna: Jest to metal wysokiej jakości, popularny w różnych gałęziach przemysłu ze względu na swoje pożądane właściwości. Jest znany między innymi ze swojej wytrzymałości, trwałości, braku rdzy. Ze stali nierdzewnej można wytwarzać złożone części bez pękania i pękania.
Inne materiały używane do określonego celu, zwane materiałami specjalnymi, obejmują:
Hastelloy: Ten nadstop wykonany jest z połączenia niklu, chromu, żelaza i molibdenu, dzięki czemu doskonale sprawdza się w ekstremalnie korozyjnych warunkach. Produkuje bezspawowe części odpowiednie do stosowania w zakładach chemicznych, które są silnie korozyjne, minimalizując w ten sposób ryzyko uszkodzenia części.
Waspaloy: Ten mocny nadstop niklu jest wystarczająco twardy, aby można go było stosować w budowie turbin, przemyśle lotniczym itp.
Zastosowania procesu hydroformowania
W procesie hydroformowania można wykonać wiele części i komponentów. Praktycznie wszystkie gałęzie przemysłu odniosły korzyści z tej techniki wytwarzania blachy.
Oto kilka przykładów:
| Przemysł | Przykłady części |
| Branża motoryzacyjna | · Kaptury · Panele · Części hamulcowe, · Osłony silnika · Zbiorniki gazu · Osłony czujników itp. |
| Branża Opieki Zdrowotnej | · Pokrywy pojemników na kurz · Sprzęt chirurgiczny · Tace do sterylizacji narzędzi itp. |
| Przemysł spożywczy | · Tace · Sokowirówki · Płaszcze itp. |
| Przemysł obronny | · Obudowy samolotów · Osłony silnika · Sprzęt ochronny itp. |
| Przemysł oświetleniowy | · Lekka obudowa · Skrzynki elektryczne |
Wniosek
Podsumowując, proces hydroformowania jest zaawansowaną metodą kształtowania metalu, która może być stosowana w różnych gałęziach przemysłu produkcyjnego. Jest to zdecydowanie tańsze i wydajniejsze niż tradycyjne techniki wytwarzania metalu.
W Tsinfa CNC Equipment produkujemy szeroką gamę maszyn CNC przeznaczonych do różnych zastosowań – porozmawiaj z nami teraz, jeśli masz jakiekolwiek pytania.
