هیدروفرمینگ چیست و چه کاربردی دارد؟

هیدروفرمینگ

در دنیای صنعت روش‌های شکل‌دهی مختلف و متفاوتی وجود دارد که یکی از آنها Hydroforming یا هیدروفرمینگ است. شکل‌دهی هیدرولیکی یا هیدروفرمینگ یک‌راه مقرون‌به‌صرفه برای شکل‌دهی فلزات انعطاف‌پذیر مانند آلومینیوم، برنج، فولاد کم آلیاژ و فولاد ضدزنگ به قطعات سبک‌وزن، سفت و قوی ازلحاظ ساختاری است. یکی از بزرگ‌ترین کاربردهای هیدروفرمینگ در صنعت خودرو است که استفاده از شکل‌های پیچیده در تولید سازه‌های قوی، سبک، سفت‌وسخت را برای بدنه وسایل نقلیه ممکن می‌سازد. این فن به‌خصوص در صنعت ماشین مسابقه‌ای محبوبیت دارد و همچنین غالباً در شکل‌دهی لوله‌های آلومینیومی برای ساخت قاب‌های دوچرخه به کار می‌رود.

در هیدروفرمینگ یا تشکیل فشار سیال، ورق در قالب توسط فشار سیال شکل داده می‌شود. در بسیاری از موارد، یک دیافراگم منعطف بر روی ورق قرار داده می شود و سپس آن را در یک حفره قالب زن شکل می دهد که در شکل نشان داده شده است. مزیت این فرآیند این است که ساخت قالب ساده تر است و ممکن است این فرآیند برای ساخت تعداد کمتر قطعات مقرون به صرفه باشد. یک عیب این است که ممکن است فشارهای بسیار بالا مورد نیاز باشد و زمان چرخه بیشتر از مهر زنی در یک پرس مکانیکی است.

هیدروفرمینگ

هیدروفرمینگ نیز برای تشکیل قطعات لوله ای مانند براکت برای بدنه دوچرخه یا اتصالات لوله استفاده می شود. نیروی محوری ممکن است به لوله و همچنین فشار داخلی اعمال شود. این باعث ایجاد تنش فشاری در یک جهت می شود به طوری که عناصر لوله بدون نازک شدن و پارگی تغییر شکل می دهند. با استفاده از ماشین های فرم دهی خاص، تعداد زیادی از قطعات را می توان با هزینه کم توسط این فرآیند تشکیل داد.

هیدروفرمینگ

کاربرد دیگر شکل دادن قطعاتی مانند اجزای قاب خودرو است. یک لوله گرد خم شده و سپس همانطور که در شکل نشان داده شده است در قالب قرار می گیرد. سپس به صورت داخلی تحت فشار قرار می گیرد و به یک بخش مربع تبدیل می شود.

هیدروفرمینگ

در طریقه سنتی برای شکل‌دهی ورقهای فلزی ورق را درون قالب مربوطه قرار داده و به کمک فشار دستگاه‌های پرس سنگین ورق شکل قالب را به خود می‌گرفت. هیدروفرمینگ یا شکل‌دهی به کمک فشار آب تکنیکی جدید در ساخت و شکل‌دهی قطعاتی است که قبلاً به صورت پرسی ساخته می‌شدند. در زمینه هیدروفرمینگ ورق تحقیقات بسیاری در طی سال‌های اخیر انجام شده و روش‌های مختلفی از سوی محققان ارائه شده‌است.

معمولاً از این روش برای ساخت قطعات پیچیده با سطح مقطع‌های مختلف در یک قطعه استفاده می‌شود. در حال حاضر با توجه به فضای رقابتی، منابع محدود مواد اولیه و مالی، سوخت مصرفی و همچنین مشکلات زیست‌محیطی، ضرورت استفاده از فناوری‌های جدید روز به روز بیشتر احساس می‌شود. استفاده از روش هیدروفرمینگ، نقش مهمی در کاهش وزن قطعه، هزینه ابزار و هزینه تولید دارد.

برای اولین بار این روش در تولید قطعات خودرو و بدنه هواپیما در سال ۱۹۸۰ مورد استفاده قرار گرفت و در سال‌های ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۰ این روش پیشرفت‌های زیادی داشت. در این روش به سبب اعمال فشار مکانیکی و در اثر کشش ورق گوشه‌های ورق هنگام شکل‌دهی ضخامتی کمتر از قسمت مرکزی آن پیدا می‌کند. به همین دلیل طراحان ورق را با ضخامتی بیشتر از ضخامت اصلی مورد نیاز در نظر می‌گیرند که جبران کاهش ضخامت در موقع کشش به وسیلهٔ پرس را در نظر گرفته باشند.

همچنین در این روش شکل‌دهی ورق‌ها به سبب خاصیت ارتجاعی فولاد باید با زوایایی تیزتر از زاویه مورد نیاز پرس شوند تا خاصیت ارتجاعی ورق هم لحاظ شده باشد. این فرایند شبیه فرایند متداول کشش ورق بوده که در آن ابتدا یک طرف قالب که بر اساس نوع قطعه و هزینه‌های ساخت تعیین می‌شود، ساخته شده و سپس در دستگاه هیدروفرمینگ، نصب می‌شود. قطعه اولیه توسط ورق‌گیر بر روی قالب گرفته شده و پانچ(Punch) قطعه مورد نظر را به درون قالب می‌کشاند.

هیدروفرمینگ

طوری‌که در پشت دیافراگم لاستیکی فشاری از روغن وجود دارد که در واقع کار حفره را انجام می‌دهد و شکل قالب را به آن می‌دهد. اختلاف عمده روش هیدروفرمینگ ورق نسبت به فرایند موسوم کشش ورق در نوع سنبه آن بوده و در این روش از یک سیال (معمولاً امولسیون آب و روغن) یا یک ماده انعطاف‌پذیر به‌جای سنبه استفاده می‌شود.

روغن تأمین‌کننده نیروی کاری و آب مایع عمل‌کننده فرایند (به‌علت فراوانی و ارزان بودن آن) و سیستم عملکرد آن‌ها نیز مشابه سرنگ است. قالب به یک محفظه فشار تبدیل گردیده و فشار سیال از طریق یک دیافراگم لاستیکی واقع در بین ورق و سیال به ورق منتقل می‌شود و ورق خام شکل موردنظر را پیدا می‌کند.

هیدروفرمینگ

هیدروفرمینگ در سال‌های اخیر برای تولید در زمینه‌های مهم صنعتی، مانند صنعت خودروسازی، به خوبی تثبیت شده است. این به طور مداوم در حال توسعه بیشتر است، در مورد انواع فرآیندهای جدید و مواد سبک وزن مدرن، که به طور فزاینده ای مورد توجه قرار می گیرند، مانند فولادهای پیشرفته با استحکام بالا، آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم نیز این روش بکار گرفته می‌شود. مدل‌های قابل اعتماد برای پشتیبانی از طراحی فرآیندهای هیدروفرمینگ و بهبود خصوصیات مواد لوله از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

برای هیدروفرمینگ اشکال چند ضلعی، مدل‌های تحلیلی گسترده‌ای توسعه داده شد که امکان پیش‌بینی شکل هیدروفرم شده وابسته به اصطکاک، نازک شدن دیواره و فشار داخلی ضروری را فراهم می‌آورد، که به موجب آن تحقیقات بیشتر باید ناهمسانگردی پلاستیکی مواد لوله را در نظر بگیرد. در نتیجه پیچیدگی فرآیند، رویکردهای تجزیه و تحلیل هیدروفرمینگ شاخه‌های لوله در مقایسه با رویکردهای انبساط متقارن چرخشی و برای هیدروفرمینگ اجزا با اشکال مقطع چند ضلعی به طور قابل‌توجهی کمتر پوشش داده شده است.

نامهای جایگزین، انواع دیگر و فرآیندهای مشابه

  • هیدرومک (Hydromec) (کشش عمیق هیدرومکانیکی)
  • آکوادراو
  • شکل دهی محدبی (برآمدگی)
  • شکل دهی انفجاری
  • شکل گیری لایه لاستیکی

مزایا و معایب

هیدروفرمینگ

مزایا این روش، در تیراژ پایین تولید و در مقیاس نمونه‌سازی می‌تواند جایگزین مناسبی برای فرایند کشش عمیق باشد. کیفیت سطحی بالای قطعات، یکنواختی ضخامت بسیار مناسب، کشش قطعات پیچیده در یک مرحله، عمق کشش بیشتر به همراه توزیع مناسب کرنش، در برخی موارد عدم نیاز به ساخت قالب و در نتیجه کاهش هزینه از مزایای این روش نسبت به فرایند کشش عمیق می‌باشد.

همچنین باید اشاره کرد که در روش سنتی پرس، احتمال پارگی ورق، خستگی در اثر کشش و ایجاد ترک‌های موئی در هنگام پرس وجود دارد ولی در روش هیدروفرم به سبب اینکه فشار آب درون لوله در همه جای آن یکنواخت است ضخامت ورق حاصل از این کار نیز در همه جای آن یکنواخت خواهد بود و نیز مشکل پارگی یا خستگی ورق در اثر شکل‌دهی و همچنین ترک‌های موئی درون ورق نیز از بین رفته و ضمناً فرم قطعه پس از خروج از درون قالب دقیقاً به شکل قالب می‌باشد و حالت فنری نیز ندارد.

هیدروفرمینگ

به این ترتیب طراحان می‌توانند از نازکترین ورق ممکن جهت کاهش وزن و حداکثر استحکام بهره بگیرند. معایب در شکل‌دهی فلزات به روش هیدروفرمینگ همانند دیگر روش‌های فرم دهی، موانع و محدودیت‌هایی وجود دارد که موجب ایجاد عیوبی در قطعه شکل داده شده می‌شود. بسته به نوع محدودیت‌هایی که در این فرایند وجود دارد، عیوبی که به وجود می‌آید را می‌توان در ۳ گروه دسته‌بندی کرد. پارگی یا ترکیدگی، چروکیدگی و کمانش.

تمامی این عیوب و ناپایداری‌ها زمانی رخ می‌دهد که تنش و کرنش در یک جزء به مقدار بحرانی خود برسد یا در واقع دیگر نتوان بین نیروهای داخلی (فشار سیال) و نیروهای خارجی (تغذیه محوری از سوی پانچ‌ها) تعادل برقرار کرد. عموماً پارگی زمانی اتفاق می‌افتد که فشار داخلی سیال نسبت به تغذیه محوری آنقدر بالا باشد که جابجایی محوری فرصت جبران کاهش ضخامت را نداشته باشد و در نتیجه پدیده گلویی شدن و در نهایت پارگی اتفاق می‌افتد.

هیدروفرمینگ

در واقع هرگاه بر اثر نیروی کششی یک ناپایداری موضعی در ناحیه‌ای از پوسته ایجاد شود، در آن ناحیه یک تغییر شکل موضعی ایجاد شده که باعث نازک شدن جداره شده و به پارگی منجر می‌شود و بر عکس چروکیدگی و کمانش زمانی رخ می‌دهد که قطعه تحت تنش فشاری محوری بیش از اندازه قرار گرفته و در نتیجه سبب ایجاد یک قطعه معیوب می‌شود اما وقوع هر کدام از دو پدیده فوق (چروکیدگی و کمانش) بستگی به شکل هندسی قطعه اولیه دارد.

امروزه تقاضای زیادی برای استفاده از این روش در مورد شکل‌دهی ورق آلیاژ منیزیم و ورقهای کامپوزیت وجود دارد. از میان تحقیقات وسیع شرکت‌های مهندسی در راس آن‌ها شرکت “R&D” و دانشگاه دورتموند آلمان و انستیتو هاربین نتایج مؤثری حاصل شد ولی این روش هنوز به کندی پیش می‌رود و علل آن عبارتند از: نیاز به پرس با تناژ بسیار بالا بزرگ بودن میز کار پرس و ابزارهای مورد نیاز کم بودن سرعت تعویض ابزار در خلال عملیات هیدروفرمینگ سرمایه‌گذاری بسیار بالا در مورد پرس ابزار.

هیدروفرمینگ قادر به تولید قطعات با تلرانس‌های تنگ است؛ مثلاً در هواپیما؛ در هواپیما یک تلرانس متداول برای قطعات ورقه‌ای فلزی 0.76 mm است. هیدروفرمینگ فلز همچنین باعث ایجاد یک سطح صاف برای قطعات می‌شود.

 

منبع : ویکی‌پدیا و sciencedirect

 

 

 

مقالات مرتبط

پاسخ‌ها

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.