El hidroconformado es una forma rentable de dar forma a metales dúctiles como aluminio , latón , acero de baja aleación y acero inoxidable en piezas ligeras, estructuralmente rígidas y resistentes. Una de las aplicaciones más importantes del hidroformado es la industria automotriz, que hace uso de las formas complejas que el hidroformado hace posible para producir estructuras unibody para vehículos más resistentes, ligeras y rígidas . Esta técnica es particularmente popular en la industria de automóviles deportivos de alta gama y también se emplea con frecuencia en la conformación de tubos de aluminio para cuadros de bicicletas.
El hidroconformado es un tipo especializado de formación de matrices que utiliza un fluido hidráulico de alta presión para presionar el material de trabajo a temperatura ambiente en una matriz. Para hidroformar aluminio en el riel del bastidor de un vehículo, se coloca un tubo hueco de aluminio dentro de un molde negativo que tiene la forma del resultado deseado. Luego, las bombas hidráulicas de alta presión inyectan fluido a muy alta presión dentro del tubo de aluminio, lo que hace que se expanda hasta que coincida con el molde. A continuación, el aluminio hidroformado se retira del molde. El hidroconformado permite formar formas complejas con concavidades, lo que sería difícil o imposible con el estampado estándar de troquel sólido. Las piezas hidroformadas a menudo se pueden fabricar con una relación rigidez / peso más alta y a un costo unitario más bajo que las piezas estampadas o estampadas y soldadas tradicionales. Prácticamente todos los metales capaces de conformarse en frío pueden hidroformarse, incluidos el aluminio, latón, acero al carbono e inoxidable, cobre y aleaciones de alta resistencia. [1]
Variantes de proceso principales
Hidroformado de láminas
Este proceso se basa en la patente de la década de 1950 para el hidramoldeo de Fred Leuthesser, Jr. y John Fox de Schaible Company de Cincinnati, Ohio, Estados Unidos. [2] Originalmente se usó en la producción de picos de cocina. Esto se hizo porque, además del refuerzo del metal, el hidromoldeo también producía piezas menos "granuladas", lo que facilitaba el acabado del metal. [3] En el hidroformado de láminas hay formación de vejiga (donde hay una vejiga que contiene el líquido; ningún líquido entra en contacto con la lámina) e hidroformado donde el fluido entra en contacto con la lámina (sin vejiga). La formación de la vejiga a veces se denomina flexión. [4] Flexforming se utiliza principalmente para producciones de bajo volumen, como en el campo aeroespacial. [5] El formado con el fluido en contacto directo con la pieza se puede realizar con un punzón macizo macho (esta versión a veces se llama embutición profunda hidromecánica [6] ) o con una matriz maciza hembra. En la embutición profunda hidromecánica, se coloca una pieza de trabajo en un anillo de tracción (soporte en blanco) sobre un punzón macho, luego una cámara hidráulica rodea la pieza de trabajo y una presión inicial relativamente baja asienta la pieza de trabajo contra el punzón. Luego, el punzón se eleva a la cámara hidráulica y la presión se incrementa hasta 100 MPa (15000 psi) que forma la parte alrededor del punzón. Luego, se libera la presión y se retrae el punzón, se levanta la cámara hidráulica y se completa el proceso.
Entre estas técnicas, la prueba de abombamiento hidráulico permite un mayor endurecimiento por trabajo del material laminar mediante operaciones de estiramiento distintivas y proporciona una mejor precisión de forma para piezas complejas. Por lo tanto, al seleccionar el material adecuado y los parámetros de formación para el estudio de abombamiento de láminas hidráulicas, se pueden determinar las curvas límite de formación (FLC). [1]
Significado
- La prueba hidráulica de abombamiento es más apropiada para operaciones de conformado de chapa ya que el modo de deformación es biaxial en lugar de uniaxial. También proporciona curvas de flujo para los materiales con un rango extendido de niveles de deformación plástica hasta un 70% antes de que ocurra el estallido.
- Es útil generar los FLC que serán un sentido confiable de entrada de referencia para el solucionador explícito como LS-DYNA. Estos FLC obtenidos se utilizan como entrada de la curva de carga para dichos solucionadores para el análisis.
- Los FLC también sirven de la mejor manera para identificar la zona exacta para las operaciones de conformado sin verse afectados por la formación de cuellos localizados y otros posibles defectos durante el conformado.
- La prueba de abombamiento hidráulico sería útil para calcular el coeficiente de endurecimiento por deformación "n" (es decir, coeficiente de endurecimiento por trabajo) del material, para determinar la capacidad del material a formarse.
- Un enfoque simple y versátil.
- Se puede utilizar una distribución de presión controlada sobre la superficie de la pieza durante el conformado para "controlar" el espesor de la hoja y posponer el estrechamiento localizado.
- El uso de herramientas de superficie de forma única, lo que ahorra tiempo y gastos en la fabricación de herramientas. La ausencia de contacto rígido de la herramienta en una superficie también reduce la fricción de la superficie y, por lo tanto, los defectos de la superficie, lo que da como resultado un buen acabado de la superficie.
Nombres alternativos, otras variantes y procesos similares
- Hydromec (embutición hidromecánica profunda)
- Aquadraw
- Formación de protuberancias
- Formación explosiva
- Para piezas grandes, el hidroconformado explosivo puede generar la presión de formación simplemente haciendo explotar una carga sobre la pieza (completa con el molde evacuado) que se sumerge en un charco de agua. Las herramientas pueden ser mucho más baratas de lo que se requeriría para cualquier proceso de tipo prensa. El proceso de hidroformado en un molde también funciona utilizando solo una onda de choque en el aire como medio de presión. Particularmente cuando los explosivos están cerca de la pieza de trabajo, los efectos de la inercia hacen que el resultado sea más complicado que el formado por presión hidrostática solamente.
- Formación de almohadillas de goma
Hidroformado de tubos
En el hidroformado de tubos hay dos prácticas principales: alta presión y baja presión . Con el proceso de alta presión, el tubo está completamente encerrado en una matriz antes de la presurización del tubo. A baja presión, el tubo se presuriza ligeramente a un volumen fijo durante el cierre de la matriz (esto solía llamarse el proceso Variform). Históricamente, el proceso se patentó en los años 50, [7] pero se extendió industrialmente en los años 70 para la producción de grandes juntas en forma de T para la industria del petróleo y el gas. Hoy en día se utiliza principalmente en el sector de la automoción, donde se pueden encontrar muchas aplicaciones industriales. [8] [9] También es un método de elección para varios miembros tubulares de bicicletas. En el hidroformado de tubos se aplica presión al interior de un tubo que se sujeta mediante troqueles con las secciones y formas deseadas. Cuando las matrices están cerradas, los extremos del tubo se sellan mediante punzones axiales y el tubo se llena con fluido hidráulico . La presión interna puede subir hasta unos pocos miles de bares y hace que el tubo se calibre contra las matrices. El fluido se inyecta en el tubo a través de uno de los dos punzones axiales. Los punzones axiales son móviles y su acción es necesaria para proporcionar compresión axial y para alimentar material hacia el centro del tubo abultado. También pueden incorporarse contrataladros transversales en la matriz de formación para formar protuberancias con una relación diámetro / longitud pequeña. También se pueden usar contratampones transversales para perforar agujeros en la pieza de trabajo al final del proceso de conformado.
En el pasado, diseñar el proceso ha sido una tarea desafiante, ya que el modelado analítico inicial solo es posible en casos limitados. [10] Los avances en FEA y FEM en los últimos años han permitido que los procesos de hidroformado se diseñen más ampliamente para variedades de piezas y materiales. A menudo, se deben realizar simulaciones FEM para encontrar una solución de proceso factible y definir las curvas de carga correctas: presión frente a tiempo y avance axial frente a tiempo. [11] En el caso de piezas hidroformadas de tubos más complejas, el tubo debe doblarse previamente antes de cargarlo en la matriz de hidroformado. El doblado se realiza de forma secuencial a lo largo del tubo, y el tubo se dobla alrededor de los discos de doblado (o matrices) a medida que se introduce la longitud del tubo. El doblado se puede realizar con o sin mandriles. Esta complejidad adicional del proceso aumenta aún más la dependencia de FEM para diseñar y evaluar los procesos de fabricación. La viabilidad de un proceso de hidroconformado debe tener en cuenta las propiedades iniciales del material del tubo y su potencial de variación, junto con el proceso de doblado, la presión hidráulica a lo largo del proceso de conformado, incluida la alimentación axial o no, con el fin de predecir la conformabilidad del metal.
Herramientas típicas
Las herramientas y los punzones se pueden intercambiar para diferentes requisitos de piezas. Una ventaja del hidroconformado es el ahorro en herramientas. Para láminas de metal, solo se requiere un anillo de tracción y un punzón (metalurgia) o una matriz macho. Dependiendo de la pieza que se esté formando, el punzón puede estar hecho de epoxi, en lugar de metal. La vejiga del hidroformado en sí actúa como el troquel femenino eliminando la necesidad de fabricarlo. Esto permite que se realicen cambios en el grosor del material sin que normalmente se realicen cambios necesarios en la herramienta. Sin embargo, las matrices deben estar muy pulidas y en el hidroformado de tubos se requiere una matriz de dos piezas para permitir la apertura y el cierre.
Geometría producida
Otra ventaja del hidroformado es que se pueden realizar formas complejas en un solo paso. En el hidroformado de láminas con la vejiga actuando como matriz macho se pueden producir geometrías casi ilimitadas. Sin embargo, el proceso está limitado por la fuerza de cierre muy alta requerida para sellar las matrices, especialmente para paneles grandes y materiales duros gruesos. Los radios de esquina cóncavos pequeños son difíciles de calibrar completamente, es decir, rellenar, porque se requeriría una presión demasiado grande. de hecho, la fuerza de cierre de la matriz puede ser muy alta, tanto en el hidroconformado de tubos como de láminas, y puede superar fácilmente el tonelaje máximo de la prensa de formación. Para mantener la fuerza de cierre de la matriz por debajo de los límites prescritos, se debe limitar la presión máxima del fluido interno. Esto reduce las capacidades de calibración del proceso, es decir, reduce la posibilidad de formar piezas con radios cóncavos pequeños. Los límites del proceso de hidroconformado de láminas se deben a los riesgos de adelgazamiento excesivo, fractura, arrugas y están estrictamente relacionados con la conformabilidad del material y con una selección adecuada de los parámetros del proceso (por ejemplo, presión hidráulica frente a la curva de tiempo). El hidroformado de tubos también puede producir muchas opciones geométricas, lo que reduce la necesidad de operaciones de soldadura de tubos. Se pueden enumerar limitaciones y riesgos similares a los del hidroformado de láminas; sin embargo, la fuerza máxima de cierre rara vez es un factor limitante en el hidroformado de tubos. [12]
Tolerancias y acabado superficial
La hidroconformación es capaz de producir piezas dentro de tolerancias estrictas, incluidas las tolerancias de las aeronaves, donde una tolerancia común para las piezas de chapa metálica está dentro de 0,76 mm (1/30 de pulgada). El hidroformado de metales también permite un acabado más suave, ya que se eliminan las marcas de estiramiento producidas por el método tradicional de presionar un dado macho y hembra juntos.
Si bien la recuperación elástica ha sido durante mucho tiempo un tema de discusión para las operaciones de conformado de chapa metálica, ha sido mucho menos un tema de investigación para el hidroformado de tubos. Esto puede ser en parte el resultado de los niveles relativamente bajos de recuperación elástica que ocurren naturalmente cuando se deforman los tubos en sus geometrías de sección cerrada. Las secciones tubulares hidroformadas por la naturaleza de sus secciones cerradas son muy rígidas y no muestran altos grados de deformación elástica bajo carga. Por esta razón, es probable que la tensión residual negativa inducida durante el hidroconformado del tubo sea insuficiente para deformar la pieza elásticamente después de completar el conformado. Sin embargo, a medida que se fabrican cada vez más piezas tubulares utilizando acero de alta resistencia y piezas de acero avanzado de alta resistencia [13] , la recuperación elástica debe tenerse en cuenta en el diseño y fabricación de piezas hidroformadas de tubos de sección cerrada.
Ejemplos de
Los ejemplos notables incluyen:
Hidroconformado de hojas
- Antenas de satélite de hasta 6 metros de diámetro, como las que se utilizan en el Allen Telescope Array . [14]
- Carcasa de luminaria y reflector
Hidroconformado de tubos
- El tubo de latón de los saxofones Yamaha .
- El proceso se ha vuelto popular para la fabricación de cuadros de bicicleta de aluminio. El primero fabricado comercialmente fue el de la bicicleta Giant Manufacturing Revive que se comercializó por primera vez en 2003.
- Muchos vehículos de motor tienen componentes principales fabricados con esta tecnología, por ejemplo:
- La técnica se utiliza ampliamente en la fabricación de soportes de motores. El primero producido en serie fue para Ford Contour y Mystique en 1994. [15] Otros de una larga lista incluyen el Pontiac Aztek , [16] el Honda Accord [17] y el marco perimetral alrededor de la motocicleta Harley Davidson V-Rod. motor de. [18]
- Además de los soportes de motor, las principales aplicaciones automotrices del hidroformado son la suspensión, los soportes del radiador y las vigas de soporte del panel de instrumentos. El Buick Regal y Oldsmobile Cutlass de 1994 tenía vigas de panel de instrumentos hidroformadas. [19] El primer componente automotriz producido en serie fue en 1990 con la viga de soporte del panel de instrumentos para la minivan Chrysler. [15]
- Varias carrocerías y componentes de la carrocería, siendo el Chevrolet Corvette 1997 el más antiguo producido en serie . [20] Una selección de muchos ejemplos son las versiones actuales de las tres camionetas pickup más importantes de los Estados Unidos, la Ford F-150 , Chevrolet Silverado y Ram, que tienen rieles de bastidor hidroformado, [20] Pontiac Solstice 2006 [21] y el marco de acero dentro del vehículo utilitario John Deere HPX Gator. [22]
- El proceso se ha vuelto popular recientemente para la fabricación de armazones de sillas de ruedas de aluminio y aros de mano para sillas de ruedas, lo que hace que la silla de ruedas sea más rígida y liviana y los aros de mano más ergonómicos. [23]
Referencias
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