El hidroconformado es un método para dar forma a metales dúctiles como el aluminio , el latón , el acero de baja aleación y el acero inoxidable y convertirlos en piezas ligeras, estructuralmente rígidas y resistentes. Una de las aplicaciones más importantes del hidroconformado rentable es la industria automotriz, que utiliza las formas complejas que se obtienen mediante el hidroconformado para producir estructuras monocasco más resistentes, ligeras y rígidas para vehículos. Esta técnica es particularmente popular en la industria de los autos deportivos de alta gama y también se emplea con frecuencia en el conformado de tubos de aluminio para cuadros de bicicletas.
El hidroformado es un tipo especializado de troquelado que utiliza un fluido hidráulico a alta presión para presionar el material de trabajo a temperatura ambiente en un troquel. 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. Luego, el aluminio hidroformado se retira del molde. El hidroformado permite formar formas complejas con concavidades, lo que sería difícil o imposible con el estampado de troqueles sólidos estándar . Las piezas hidroformadas a menudo se pueden fabricar con una mayor relación rigidez-peso y a un menor costo por unidad que las piezas estampadas tradicionales 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. [ aclarar ] [1]
El conformado electrohidráulico utiliza electrodos para vaporizar el fluido explosivamente en un arco para deformar el material de trabajo.
Este proceso se basa en la patente de los años 50 para el hidromoldeo de Fred Leuthesser, Jr. y John Fox de la Schaible Company de Cincinnati, Ohio, en los Estados Unidos. [2] Se utilizó originalmente para producir caños de cocina. Esto se hizo porque además del fortalecimiento del metal, el hidromoldeo también producía piezas menos "granuladas", lo que permitía un acabado más fácil del metal. [3] En el hidroconformado de láminas hay conformado con 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). El conformado con vejiga a veces se denomina flexformado. [4] El flexformado se utiliza principalmente para producciones de bajo volumen, como en el campo aeroespacial. [5] El conformado 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 una matriz sólida hembra. En la embutición profunda hidromecánica, se coloca una pieza de trabajo sobre un anillo de embutición (soporte de pieza bruta) 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 hacia la cámara hidráulica y la presión se incrementa hasta 100 MPa (15000 psi), lo que forma la pieza alrededor del punzón. Luego, se libera la presión y el punzón se retrae, la cámara hidráulica se eleva y el proceso está completo.
Entre estas técnicas, la prueba de abombamiento hidráulico permite un mayor endurecimiento por deformación del material de la lámina 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 conformado para el estudio de abombamiento hidráulico de la lámina, se pueden determinar las curvas límite de conformado (CLC). [1]
Significado
En el hidroformado de tubos hay dos prácticas principales: alta presión y baja presión. Con el proceso de alta presión, el tubo se encierra completamente en una matriz antes de la presurización del tubo. Con 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 fue patentado en los años 50, [7] pero se extendió industrialmente en la década de 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 automotriz, donde se pueden encontrar muchas aplicaciones industriales. [8] [9] Con el auge de la bicicleta eléctrica, ahora es un método de elección para los fabricantes de bicicletas eléctricas. Especialmente los tubos inferiores y superiores se fabrican favorablemente con hidroformado para ajustar la batería para la bicicleta eléctrica. Las aplicaciones más nuevas en la industria de la bicicleta ahora son los manillares hidroformados para mejorar la dinámica aerodinámica y la ergonomía. En el hidroformado de tubos, la presión se aplica al interior de un tubo que se sujeta mediante matrices 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 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 se pueden incorporar contrapunzones transversales en la matriz de conformado para formar protuberancias con una pequeña relación diámetro/longitud. Los contrapunzones transversales también se pueden utilizar para perforar agujeros en la pieza de trabajo al final del proceso de conformado.
En el pasado, el diseño del proceso ha sido una tarea complicada, ya que el modelado analítico inicial solo es posible para 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 vs. tiempo y alimentación axial vs. 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 secuencialmente a lo largo de la longitud del tubo, y el tubo se dobla alrededor de discos de doblado (o matrices) a medida que se alimenta 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 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 durante todo el proceso de conformado, la inclusión de alimentación axial o no, para poder predecir la formabilidad del metal.
Las herramientas y los punzones se pueden intercambiar para diferentes requisitos de piezas. Una ventaja del hidroconformado es el ahorro en herramientas. Para la chapa metálica, solo se necesita un anillo de embutición y un punzón (trabajo en metal) 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 hidroconformador actúa como la matriz hembra, eliminando la necesidad de fabricarla. Esto permite realizar cambios en el espesor del material sin necesidad de realizar cambios en la herramienta. Sin embargo, las matrices deben estar muy pulidas y en el hidroconformado de tubos se requiere una matriz de dos piezas para permitir la apertura y el cierre.
Otra ventaja del hidroconformado es que se pueden realizar 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 requerida para sellar las matrices, especialmente para paneles grandes y materiales duros y gruesos. Los radios de esquina cóncavos pequeños son difíciles de calibrar por completo, es decir, de 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 conformado. Para mantener la fuerza de cierre de la matriz dentro de los límites prescritos, la presión interna máxima del fluido debe ser limitada. 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, arrugamiento y están estrictamente relacionados con la formabilidad del material y con una selección adecuada de los parámetros del proceso (por ejemplo, la presión hidráulica frente a la 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 de cierre máxima rara vez es un factor limitante en el hidroconformado de tubos. [12]
El hidroconformado permite producir piezas con tolerancias estrictas, incluidas las tolerancias aeronáuticas, donde una tolerancia común para piezas de chapa metálica es de 0,76 mm (1/30 de pulgada). El hidroconformado de metales también permite un acabado más suave, ya que se eliminan las marcas de embutición producidas por el método tradicional de prensar un troquel macho y uno 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 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 hidroformadas de tubos 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 de tubos pueda ser insuficiente para deformar la pieza elásticamente después de completar el conformado. Sin embargo, como cada vez se fabrican más piezas tubulares utilizando piezas de acero de alta resistencia y acero avanzado de alta resistencia [13] , la recuperación elástica debe tenerse en cuenta en el diseño y la fabricación de piezas hidroformadas de tubos de sección cerrada.
Algunos ejemplos notables incluyen:
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