El hidroconformado es una forma rentable de dar forma a metales dúctiles como el aluminio , el latón , el acero de baja aleación y el acero inoxidable en piezas livianas, estructuralmente rígidas y resistentes. Una de las aplicaciones más importantes del hidroconformado es la industria automotriz, que utiliza las formas complejas posibles gracias al hidroconformado para producir estructuras unibody más fuertes, livianas y rígidas para vehículos. Esta técnica es particularmente popular en la industria de los automóviles deportivos de alta gama y también se emplea con frecuencia para dar forma a tubos de aluminio para cuadros de bicicletas.
El hidroconformado es un tipo especializado de conformado de matrices que utiliza un fluido hidráulico de alta presión para presionar material de trabajo a temperatura ambiente en una matriz. Para hidroformar aluminio en el riel del marco 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. Luego se retira el aluminio hidroformado del molde. El hidroconformado permite formar formas complejas con concavidades, lo que sería difícil o imposible con el estampado con matriz sólida estándar . Las piezas hidroformadas a menudo se pueden fabricar con una mayor relación rigidez-peso y a un costo unitario menor que las piezas tradicionales estampadas o estampadas y soldadas. Prácticamente todos los metales capaces de conformarse en frío se pueden hidroformar, incluidos el aluminio, el latón, el acero al carbono y el acero inoxidable, el cobre y las aleaciones de alta resistencia. [1]
Si se utilizan electrodos para vaporizar el fluido de forma explosiva en un arco, esto describiría un proceso similar conocido como formación electrohidráulica .
Este proceso se basa en la patente de hidramoldeo de la década de 1950 de Fred Leuthesser, Jr. y John Fox de Schaible Company de Cincinnati, Ohio , Estados Unidos. [2] Se utilizó originalmente en la producción de caños de cocina. Esto se hizo porque, además de fortalecer el metal, el hidromolde también produjo piezas menos "granuladas", lo que permitió un acabado del metal más fácil. [3] En el hidroconformado de láminas hay formación de vejiga (donde hay una vejiga que contiene el líquido; ningún líquido entra en contacto con la lámina) e hidroconformado donde el fluido entra en contacto con la lámina (sin vejiga). La formación de la vejiga a veces se denomina formación flexible. [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 sólido macho (esta versión a veces se denomina embutición profunda hidromecánica [6] ) o con un troquel sólido 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 aumenta hasta 100 MPa (15000 psi), que forma la pieza alrededor del punzón. Luego se libera la presión, se retrae el punzón, se levanta la cámara hidráulica y se completa el proceso.
Entre estas técnicas, las pruebas de abultamiento hidráulico permiten un mayor endurecimiento por trabajo del material en lámina mediante operaciones de estiramiento distintivas y proporcionan 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 la lámina hidráulica, se pueden determinar las curvas límite de formación (FLC). [1]
Significado
En el hidroconformado de tubos existen 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. En baja presión, el tubo se presuriza ligeramente hasta un volumen fijo durante el cierre de la matriz (esto solía llamarse proceso Variform). Históricamente, el proceso se patentó en los años 50, [7] pero se difundió industrialmente en los años 1970 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] Con el auge de la bicicleta eléctrica, ahora es un método elegido por los fabricantes de bicicletas eléctricas. Especialmente los tubos diagonales y los tubos superiores se fabrican favorablemente con hidroformado para adaptarse a la batería de la bicicleta eléctrica. Las aplicaciones más recientes en la industria de la bicicleta son ahora los manillares hidroformados para mejorar la aerodinámica y la ergonomía. En el hidroconformado de tubos, se aplica presión al interior de un tubo que se sujeta mediante troqueles con las secciones transversales 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 alcanzar unos pocos miles de bares y hace que el tubo se calibre con respecto a 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 alimentar material hacia el centro del tubo abultado. También se pueden incorporar contrapunzones transversales en la matriz de formación para formar protuberancias con una relación diámetro/longitud pequeña. También se pueden utilizar contrapunzones 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 sólo 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 versus tiempo y alimentación axial versus tiempo. [11] En el caso de piezas hidroformadas de tubos más complejas, el tubo debe doblarse previamente antes de cargarlo en el troquel de hidroformado. El doblado se realiza secuencialmente a lo largo del tubo, con el tubo doblado alrededor de discos de doblado (o troqueles) 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 del FEM para diseñar y evaluar 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 durante todo el proceso de conformado, con inclusión de alimentación axial o no, para poder predecir la formabilidad del metal.
Las herramientas y punzones se pueden intercambiar para diferentes requisitos de piezas. Una ventaja del hidroformado es el ahorro en herramientas. Para chapa metálica sólo 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 actúa como el troquel hembra, eliminando la necesidad de fabricarlo. Esto permite realizar cambios en el espesor del material sin necesidad de realizar cambios en la herramienta. Sin embargo, los troqueles deben estar muy pulidos y en el hidroconformado de tubos se requiere un troquel de dos piezas para permitir la apertura y el cierre.
Otra ventaja del hidroconformado es que se pueden crear formas complejas en un solo paso. En el hidroconformado de láminas con la vejiga actuando como matriz macho se pueden producir geometrías casi ilimitadas. Sin embargo, el proceso está limitado por la muy alta fuerza de cierre necesaria para sellar los troqueles, especialmente para paneles grandes y materiales duros y gruesos. Es difícil calibrar completamente, es decir, llenar, los radios de esquinas cóncavos pequeños, 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 formadora. Para mantener la fuerza de cierre del troquel dentro 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 riesgos de adelgazamiento excesivo, fractura y arrugas y están estrictamente relacionados con la formabilidad del material y con una selección adecuada de los parámetros del proceso (por ejemplo, presión hidráulica versus curva de tiempo). El hidroconformado 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 hidroconformado de láminas; sin embargo, la fuerza máxima de cierre rara vez es un factor limitante en el hidroconformado de tubos. [12]
El hidroconformado es capaz de producir piezas dentro de tolerancias estrictas, incluidas las tolerancias aeronáuticas, donde una tolerancia común para piezas de chapa metálica está dentro de 0,76 mm (1/30 de pulgada). El hidroconformado de metal también permite un acabado más suave, ya que se eliminan las marcas producidas por el método tradicional de presionar un troquel macho y hembra.
Si bien la recuperación elástica ha sido durante mucho tiempo un tema de discusión para las operaciones de conformado de láminas metálicas, ha sido mucho menos un tema de investigación para el hidroconformado de tubos. Esto puede ser en parte el resultado de los niveles relativamente bajos de recuperación elástica que se producen naturalmente al deformar los tubos en sus geometrías de sección cerrada. Las secciones de tubo hidroformadas por la naturaleza de sus secciones cerradas son muy rígidas y no presentan 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 elásticamente la pieza una vez finalizado el conformado. Sin embargo, a medida que se fabrican cada vez más piezas tubulares utilizando acero de alta resistencia y piezas avanzadas de acero de alta resistencia [13] , se debe tener en cuenta la recuperación elástica en el diseño y fabricación de piezas hidroformadas de tubos de sección cerrada.
Ejemplos notables incluyen:
[2]