هیدروفرمینگ لوله و ورق چیست و چه مزایایی دارد؟

 هیدروفرمینگ (به اختصار HF) روشی است برای شکل دهی مقاطع فلزی با آلیاژهای خاص که قابلیت شکل گیری در دمای اتاق را دارند. این مقاطع می تواند ورق و یا لوله باشد و این آلیاژها می‌تواند استنلس استیل، آلومینیوم، فولاد کربنی و یا برنج باشد. در فرایند هیدروفرمینگ برای شکل‌دهی به فلز، از سیال تحت فشار استفاده می‌شود. Hydroforming از دو کلمه هیدرو (Hydro) به معنی آب و فرمینگ (Forming) به معنی شکل‌گیری یا شکل دهی تشکیل شده است. بنابراین، در روش Hydroforming شکل دهی به مقطع فلزی، به کمک سیال انجام می‌شود. این سیال، اغلب امولسیون آب و روغن است. روش‌های مختلفی برای شکل دهی به صفحات فلزی وجود دارد. اما برای دستیابی به محصولی با سطح صاف و کمترین خط و خش، HF یک روش ایده‌آل است. از آنجا که در این روش از فشار مایع استفاده می‌شود، به راحتی از ایجاد خراش و نقص‌های اینچنینی جلوگیری می‌گردد.

فرایند HF علاوه بر شکل دهی به مقطع فلزی، باعث قوی‌تر شدن و سبک‌تر شدن آن نیز می‌گردد و آن را سخت‌تر و مستحکم‌تر می‌کند. به همین دلیل، این روش در صنعت خودروسازی و هوا فضا بسیار کارآمد است. فرایند HF از اواخر دهه 1940 و اوایل 1950 میلادی توسعه یافت. HF در مورد قطعات فلزی که در برابر stamping مقاومت ندارند، عالی عمل می‌کند. تا قبل از آنکه Hydroforming ابداع شود، برای شکل دهی به صفحات فلزی، آن‌ها را با قالب‌های مخصوص پرس می‌کردند و ورق شکل قالب را به خود می‌گرفت.

به لطف این تکنیک، طراحان از آزادی کامل برای خلق خلاقیت‌های خود برخوردارند. هیدروفرمینگ این امکان را فراهم می‌کند تا محصولاتی با شکل‌های پیچیده که معمولاً به فرآیندهای گران‌تر و پیچیده‌تری نیاز دارند (مانند ریخته گری) بدست آید. این درحالیست که برخی عملیات قدیمی‌تر مانند فورج، برای ایجاد مقاطع در شکل‌های نه چندان پیچیده کاربرد دارد. 

در هیدروفرمینگ ورق (به اختصار SHF) از یک قالب و یک ورق فلزی استفاده می‌شود. فشار زیاد آب به یک طرف ورق اعمال می‌شود و ورق شکل مورد نظر را در سمت دیگر که رو به قالب است، به خود می‌گیرد. به طور کلی هر نوع پلیت فلزی با قابلیت شکل‌گیری سرد، می‌تواند کاندیدای SHF باشد؛ مثل پلیت آلومینیوم، ورق استیل، ورق‌های فولاد کربنی، ورق مسی و برنجی. این روش برای بهبود شکل‌پذیری ورق آلومینیوم در دمای اتاق مطلوب است. همچنین جهت تولید ورق روغنی با استحکام بالاتر استفاده می‌شود.

صفحات فلزی را می‌توان به چند روش هیدروفرم کرد:

1. هیدروفرمینگ ورق با یک قالب متحرک
2. هیدروفرمینگ جفتی صفحه فلزی
3. کشش عمیق هیدرومکانیکی صفحه فلزی

مراحل هیدروفرمینگ ورق

دستگاه شامل یک محفظه روغن (یا آب و روغن) است که در آن، روغن یا سیال، تحت فشار بالا قرار دارد. همچنین یک دیافراگم لاستیکی، یک پد پوشش و یک پانچ نیز در دستگاه تعبیه شده است. پانچ به پیستون هیدرولیک و نگهدارنده یا حلقه‌ای که پانچ را احاطه کرده متصل شده است.

در مورد SHF مراحل زیر رخ می‌دهد:

1. در مرحله اول، یک صفحه فلزی صاف روی حلقۀ نگهدارنده موسوم به blankholder قرار داده شده و در آنجا فیکس می‌شود.
2. پرس بسته می‌شود، قسمت بالای پرس پایین آورده می‌شود و محفظه شکل دهنده، تحت فشار قرار می‌گیرد.
3. پانچ هیدرولیک که همانند یک قلاویز عمل می‌کند، به سمت بالا و به طرف محفظه شکل دهنده می‌رود.
4. قالب فشار شکل مورد نظر را در پلیت ایجاد می‌کند.

از آنجا که بخشی از این روش شکل دهی به فلز لاستیکی است، فرایند شکل دهی عاری از خراش‌هایی است که در فرایندهایی مانند stamping ممکن است رخ دهد.

زمانی که چرخه هیدروفرمینگ کامل شد، فشار از محفظه شکل دهنده برداشته می‌شود و پانچ از بخش انتهایی خارج می‌شود. برای این امر، پرس بالا رفته، فشار برداشته شده و پانچ پایین می‌آید.

در تمامی مراحل، مقدار فشار محفظه مهم است. اگر این فشار از حد استاندارد بیشتر باشد، پاره شدن صفحه فلزی را در پی خواهد داشت. فشار کمتر از حد استاندارد نیز منجر به ایجاد چروک در سطح پلیت خواهد شد. بنابراین، برای شکل دادن به یک پلیت فلزی با استفاده از روش Hydroforming سه عامل مهم است و باید در نظر گرفته شود:

1. پارامتر هندسی: این پارامتر شامل ضخامت قطر بلانک و سرعت پانچ است.
2. خواص ذاتی مواد: چگالی، استحکام، تنش تسلیم، مدول یانگ.
3. پارامتر فرایند: نسبت تنش اسمی، ضریب اصطکاک، فشار داخلی.

• روشی کم هزینه است؛ صرفه جویی در نیروی کار، ابزار و مواد.
• کاهش میزان ضایعات.
• با استفاده از این روش، نازک شدن مواد به حدأقل می‌رسد.
• ایجاد چین و چروک، خطوط شوک، خطوط کشیدگی و پارگی های مرتبط با قالب گیری یا قالب زنی حذف می شود.
• بدون انجام فرایند طولانی مدت بر فلز می‌توان سختی و استحکام آن را افزایش داد.
• محصولی که با استفاده از این روش تولید می‌شود، در عین استحکام بالا، سبک وزن است.
• برای ایجاد قطعاتی با شکل‌های پیچیده، زوایه‌های غیر معمول و کنتورهای نامنظم (irregular contours) یک روش ایده‌آل است؛ بدون آنکه سختی فلز به خطر افتد.
• در مورد طیف وسیعی از فلزات از جمله آلومینیوم، استنلس استیل، تیتانیوم، برنج، مس و فلزات روکش دار کارآمد است.
• هیدروفرمینگ ورق، محصولاتی با کیفیت سطحی نسبتاً خوب در مقایسه با روش کشش عمیق ارائه می‌دهد.

روش کشش عمیق و هیدروفرمینگ، هر دو سبب ایجاد کشش در سطح پلیت می‌شوند. اما مقدار کششی که در روش Hydroforming ایجاد می‌شود، بیشتر است. این کششِ بیشتر در حالی ایجاد می‌شود که سطح ورق کیفیت خود را از دست نمی‌دهد؛ حتی با بهبود کیفیت سطح همراه است و دیگر اثری از لکه‌های سطحی نیست.

صرفه جویی در هزینه و زمان، از دیگر برتری‌ها و مزیت‌های هیدروفرمینگ ورق بر روش کشش عمیق است. در کارهای فنی، ابزار اغلب مهمترین بخش هزینه‌ها را به خود اختصاص می‌دهد. قیمت ابزارهای SHF کمتر است و نصب و تراز کردن شان نیز راحت‌تر می‌باشد. علاوه بر این، برای ایجاد قطعات با شکل‌های پیچیده، دیگر نیاز به عبور از چرخه‌های متعدد پرس نیست. برای ساخت چنین قطعاتی عبور از یک چرخۀ هیدروفرم کفایت می‌کند. همین امر سبب مدیریت زمان شده و کار را با سرعت بیشتری پیش می‌برد.

 هیدروفرمینگ علاوه بر پلیت فلزی، در مورد لوله نیز اجرا می‌شود. لوله‌های خمیده مثل لوله سه راهی، به طور گسترده‌ای در صنایع هوا فضا، ساخت خودرو و هوانوردی برای انتقال مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرند. ایجاد خم در لوله‌ها با استفاده از فرایند خمش ساده چالش‌های زیادی ایجاد می‌کند. فرایند stamping-welding یکی از راه‌های موجود برای ایجاد زانویی در این لوله هاست. اما این روش معایبی دارد؛ کاهش عملکرد آب‌بندی و در نتیجه خطر نشت مایعات و همچنین افزایش وزن لوله به واسطه فرایند جوشکاری، از جمله این معایب است. هیدروفرمینگ لوله (Tube hydroforming) یا به اختصار THF، یک راه حل خوب جهت رفع این مشکلات است. THF برای تولید مقاطع زیر ایده آل است:

• پروفیل یا لوله‌های با مقطع گرد، چهارگوش و بیضی شکل
• لوله‌های مخروطی شکل
• لوله‌های T کل و Y شکل
• لوله‌های با قطر و شعاع متغیر

تفاوت SHF با THF، شکل اولیه فلزی است که بر روی دستگاه قرار می‌گیرد. در فرایند THF فشار هیدرولیکی بالا و تغذیه محوری بر روی دیواره داخلی لوله اعمال می‌شود تا لایه را مجبور به اتصال به حفره قالب کند.

مراحل هیدروفرمینگ لوله

در مورد Tube hydroforming مراحل زیر طی می‌شود:

عملیات هیدروفرمینگ لوله، با یک لوله فلزی شروع می‌شود. این لوله داخل دستگاه قرار می‌گیرد و توسط قالب آن احاطه می‌شود. سپس، یک سیال تحت فشار، از داخل لوله حرکت می‌کند و لوله فلزی را به شکل قالب خود فرم می‌دهد.

اگر لازم شود که لوله دارای خم باشد، لوله خام را در قسمت خم کننده لوله قرار می‌دهند. این باعث خم شدن لوله می‌شود و به آن انحنای لازم را می‌دهد. لوله خم شده معمولاً تحت پرس پیش فرم قرار می‌گیرد. پرس‌ِ پیش فرم باعث شکل‌گیری و تغییر شکل قطعه شده و به روند hydroforming کمک می‌کند.

سپس قطعه به پرس هیدروفرمینگ می‌رود. این پرس، آب داخل لوله را تحت فشار قرار می‌دهد و شکل نهایی را به لوله می‌بخشد. قطعاتی که هیدروفرم می‌شوند، در صورت لزوم، برای برش یا استنسیل دقیق لیزری برش داده می‌شوند.

• آزادی عمل بیشتر برای طراحی و تولید قطعات با شکل‌های پیچیده
• به حداقل رساندن اتصالات (مونتاژ یا جوش)
• کاهش مصرف مواد و وزن قطعه
• استحکام مکانیکی بالاتر و ماندگاری بیشتر
• دقت ابعادی بالا
• دقت شکل‌دهی بالا، کاهش حالت برگشت فنری (springback) و افزایش ثبات ابعادی قطعه.

• زمان روند چرخه یا فرایند آهسته است.
• تجهیزات هزینه بر است.
• در فشارهای بالا، باید روان کننده‌های صنعتی مناسب انتخاب شود تا به مقطع آسیب نرسد.

نداشتن دانش گسترده در مورد فرایند و طراحی ابزار از دیگر کاستی‌هایی است که در مورد THF وجود دارد. با افزایش دانش و گسترۀ آگاهی در مورد این فرایند، در آینده این معایب از بین خواهد رفت.

 SHF و THF در صنایع زیر مطلوب هستند:

• صنایع دفاع.
• صنعت هوا فضا.
• صنعت تولید برق.
• لوله کشی و گرمایش.
• صنعت خودروسازی؛ در تولید تجاری قطعات فولادی خودرو کاربرد دارد.

در صنعت خودرو، Hydroforming عمدتاً برای تولید اجزای سیستم اگزوز و شاسی‌ها و قسمت‌های مختلف بدنه استفاده می‌شود. این روشِ پیشرفته، برای صنعت خودرو بسیار کاربردی است. زیرا آزادی عمل بیشتری در طراحی قطعات ایجاد کرده و در عین حال قطعات را بسیار مقاوم و سبک می‌کند. همچنین باعث صرفه جویی در مصرف مواد می‌شود.

 فشار مورد نیاز برای تغییر شکل قطعات در فرایند Hydroforming تا حد زیادی به متریال مورد استفاده، ضخامت متریال و حدأقل شعاع ایجاد شده در لوله دارد. علاوه بر موارد فوق، فشاری که اعمال می‌شود باید به حدی باشد که باعث تغییر شکل قطعه خام شده و باعث شود تا قطعه شکل حفره قالب را بگیرد.

1. هیدروفرمینگ فشار پایین (LPH): فشار زیر 1200 psi است.
2. هیدروفرمینگ فشار بالا (HPH): فشار بین 1200 تا 6000 psi است.
3. هیدروفرمینگ فشار متغیر

ویژگی ها و شرایط LPH

کنترل ابعادی در هیدروفرمینگ فشار پایین (LPH) راحت‌تر از هیدروفرمینگ فشار بالاست. قطعاتی که قرار است با LPH شکل بگیرند، باید به دقت طراحی شوند تا چروکیدگی‌های اولیه که به واسطه عملیات بسته شدن قالب ایجاد می‌شود، به کمترین مقدار ممکن برسد.

ویژگی ها و شرایط HPH

• برای کار با HPH ابزارهای مستحکم‌تر و پرس‌های بزرگ‌تر نیاز است.
• کل سرمایه مورد نیاز و مدت زمانی که در HPH برای تولید صرف می‌شود، بیشتر از LPH است.
• به دلیل فشار بالا، برای جلوگیری از نازک شدن موضعی و خرابی قطعات، روانکاری باید انجام شود.

ویژگی ها و شرایط هیدروفرمینگ فشار متغیر

• اگر انبساط مقطع بین 1-3 درصد نگه داشته شود، فرم‌دهی به فلز در فشار متغیر، مزیت‌های LPH را دارد.
• می‌توان در فشار متغیر، همانند حالت فشار بالا، قطعاتی با شکل‌دهی پیچیده تولید کرد.
• نیاز به روانکار به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• کیفیت سطحی مقطع فلزی حتی در فشارهای شکل‌دهی کمتر، مناسب است.