Газовая формовка горячего металла

Формовка горячего металла газом ( HMGF ) — это метод штамповки , при котором металлическая трубка нагревается до пластичного состояния, близкого к точке плавления , но ниже ее температуры , затем изнутри подвергается давлению газом, чтобы сформировать трубку наружу в форму, определяемую охватывающей полостью штампа. Высокие температуры позволяют металлу удлиняться или растягиваться в гораздо большей степени без разрыва, чем это было возможно в ранее используемых методах холодной и теплой штамповки. Кроме того, металл можно формовать в более мелкие детали, и требуется меньшее общее усилие формовки, чем при традиционных методах.

HMGF представляет собой эволюцию экономической эффективности и применимости нескольких существующих коммерческих процессов: сверхпластического формования , горячего выдувного формования [ ^1] и гидроформования .

Сложные трубы могут быть изготовлены из нескольких листовых компонентов, сформированных и сваренных вместе, но это добавляет ненужные затраты и создает проблемы качества на соединениях. Гидроформовка использует жидкость под экстремальным давлением для формирования металлических труб. Она была разработана для сантехнической промышленности и к 1990 году достигла эффективности производства, подходящей для крупносерийных автомобилей. Обычно гидроформовка выполняется при температуре окружающей среды и ограничивает удлинение формовки металлов до 8–12% увеличения диаметра для алюминия и 25–40% для стали . Это ограничивает сложность формы детали, которую можно изготовить. Кроме того, рабочие центры и инструменты могут быть большими и дорогими из-за внутреннего давления жидкости, необходимого для формирования окружающих труб. HMGF может формировать трубы с большей сложностью формы всего за один этап формовки и, как правило, при более низком внутреннем давлении, чем при обычной гидроформовке труб.

Выдувное формование началось со стекла давно, и теперь является широко распространенным методом формования пластика в полые структуры. Опять же, свойства нагретого материала обеспечивают множество преимуществ обработки. Теплая формовка была предметом обширных исследований в последние десятилетия. Она определяется как формование выше температуры окружающей среды, но ниже температуры рекристаллизации сплава, ^[2] и с использованием принципов гидроформовки может быть выполнена на трубах. Температуры, как правило, ограничены из-за проблем безопасности, связанных с нагретыми формовочными жидкостями. ^[3] При этих температурах время цикла может быть все еще относительно большим, а удлинение все еще не приближается к таковому при горячей формовке. ^[4]

Сверхпластическая формовка часто применяется в аэрокосмической промышленности, но она требует использования очень мелкозернистых металлических сплавов, деформированных до очень больших значений деформации, но с очень низкой скоростью деформации. Поэтому HMGF потенциально быстрее сверхпластической формовки.

Как естественная эволюция, потребность в HMGF привела к исследованиям, начавшимся в 1990-х годах. Короткие циклы, недорогие инструменты и оборудование, возникающие из-за давления на порядок ниже, чем при гидроформовке, и экстремальные соотношения формования из-за высокотемпературной формовки создают убедительное экономическое обоснование для крупносерийного производства с низкой себестоимостью.

В 1999 году разработка технологий HMGF началась как проект Программы передовых технологий (ATP), финансируемый Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST). ^[5] Этот проект был завершен в 1993 году, и исследования показали, что возможны коэффициенты расширения до 150% для алюминия и 50% для стали, с дальнейшими возможностями расширения за счет использования торцевой подачи материала для минимизации истончения стенок. ^[1]

Чтобы идти в ногу с исследованиями США, европейский проект финансировался Исследовательским фондом угля и стали (RFCS). Начиная с июля 2004 года, в течение 3 лет этот проект дополнительно исследовал процесс HMGF. К 2007 году консорциум европейских исследовательских и коммерческих организаций доказал концепции более простого нагрева и конструкции штампа, и, сосредоточившись на более требовательных стальных сплавах, проиллюстрировал свободную деформацию 140% с использованием концевой подачи для контроля истончения стенок и задержки разрыва . ^[6] Метод, используемый в этих экспериментах, запатентован в соответствии с патентом США 7,285,761 . ^{[ необходима ссылка ]}

Также в Европе параллельные исследования дали инновационный подход к концепции. К 2006 году метод HEATform для газовой формовки горячего металла продемонстрировал доказательства уникальных металлических форм, которые «исторически были возможны только в области выдувки стекла и выдувных формованных деталей» с алюминиевой формовкой с коэффициентом расширения более 270% при предполагаемом времени производственного цикла 20 секунд. Ссылаясь на то, что закалка и последующее разрушение ограничат формовку алюминиевого сплава ниже 460 °C (860 °F), наилучшее поведение потока наблюдалось при 550 °C (1022 °F). Это значительно выше возможностей формовки под давлением теплой жидкости или теплого газа. Методы HEATform для управления конечной подачей достигли равномерной толщины стенки при значениях деформации до 300%. ^[7]

В то время как продолжаются значительные исследования в области совместимости материалов и методов прогностического анализа, горячая газовая формовка металла была поставлена ​​на коммерческую основу по крайней мере одной компанией, которая обеспечивает горячее расширение в сочетании с подачей материала на конце.

Типичные области применения — автомобильная и аэрокосмическая промышленность , где хорошо известна предыдущая технология гидроформовки. Другие области применения включают спортивное оборудование и мебель . Многоматериальные возможности используются в декоративных заготовках и сантехнике . ^{[ требуется цитата ]}

Процесс HMGF совместим практически с любым металлом. ^{[ необходима цитата ]} Самым значительным преимуществом HMGF является то, что материалы, устойчивые к холодной формовке, становятся жизнеспособными для сложной формовки. Часто сплавы улучшаются дорогими материалами, чтобы обеспечить холодную формовку и повысить обрабатываемость , однако с HMFG можно использовать менее дорогой сплав, что снижает цены на деталь. Одним из примеров является использование ферритных нержавеющих сталей , таких как сплав 1.4512, для компонентов выхлопной системы. Обычно выбирается более дорогая аустенитная нержавеющая сталь , такая как сплав 1.4301, для деталей, требующих сложной формовки из-за ее 40% преимущества в способности к формовке в окружающей среде (38,5% против 27,4% типичного A%). ^[8] Закаливаемые металлические сплавы (например, борсодержащие стали) могут использоваться в HMGF. В этом случае штамп можно использовать не только как формовочный инструмент, но и как закаливающий инструмент, так что окончательная твердость сформированной трубы после формовки и охлаждения увеличивается. В этом случае процесс часто называют «прессовой закалкой».

• Использование гидравлических трубогибов с оправкой