Cost redus de fabricație al sculelor [302061]

REZUMAT

SUMMARY

CUPRINS

Introducere

Compania “Cincinatti Milling Machine” a fost fondată în anul 1889 de către Frederick V.Geiger și Fred Holz. Până în anul 1890 își vindea produsele (mașini și scule) în Statele Unite ale Americii și Europa. Începând cu anul 1905 compania a început să crească reușind să ajungă în anul 1930 cel mai mare producător de mașini unelte din lume.

La începutul anilor 1950 compania a format o divizie care a produs prima mașină de ambutisare hidraulică. Aceasta a fost folosită pentru producerea reflectoarelor de lumini și a capacelor cutiilor de viteze. Design-ul unic al matriței a conținut o [anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat] a eliminat costurile de producție a seturilor conjugate de plăci active ale matriței. Compania a produs în jur de 700 de utilaje de acest tip.

În anul 1975 compania “Verson Allsteel Press” din Chicago a cumpărat compania producătoare de prese hidraulice și a realizat îmbunătățiri in ceea ce privește capabilitatea și viteza de deformare. Mașinile au purtat numele de “Verson Hydroform”.

Incipial, ambutisarea hidraulică a tablelor și tuburilor nu a fost luată în considerare pentru fabricația din industria auto datorită duratei ridicate a ciclului de producție. Totuși, progresele din domeniul hidraulic și proiectarea inteligentă a preselor de-a lungul timpului au redus considerabil durata ciclului de fabricație făcând procesul de hidroformare atractiv pentru industria auto. Adițional, hidroformarea tablelor si a tuburilor oferă beneficii precum:

Cost redus de fabricație al sculelor;

Proprietăți mai bune (rezistență la încovoiere și absorbția energiei) ale pieselor ambutisate;

Abilitatea de a obține forme complexe.

[anonimizat] o [anonimizat] a pieței în care dimensiunea loturilor pentru noile modele este mai mică.

Capitolul 1. Generalități privind hidroformarea

Hidroformarea tablelor

Hidroformarea este o modalitate rentabilă de a [anonimizat], rigide din punct de vedere structural și rezistente. [anonimizat] a plăcii active sau a conturului exterior al poansonului. Astfel, matrițele de ambutisare hidraulică pot fi executate în două moduri:

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], iar semifabricatul se deformează în jurul poansonului.

[anonimizat], se folosesc la prelucrarea in serie a [anonimizat]. [anonimizat]. Lichidul este înglobat într-o membrană de cauciuc care acționează precum un poanson, deformând semifabricatul care ia forma plăcii active a matriței.

Matrițele de ambutisare hidraulică cu poanson rigid (fig. 1.1.) au un design mai simplu decât cele cu placă activă rigidă, dat fiind faptul că lichidul se toarnă direct în cavitatea matriței fără a necesita o membrană de cauciuc.

Folosirea membranelor elastice la matrițele cu poanson rigid nu este accesibilă, deoarece odată cu deformarea semifabricatului este necesară și deformarea diafragmei. În acest caz trebuie asigurată etanșeitatea lichidului din placa activă în momentul deformării semifabricatului.

Matrițele hidraulice cu poanson rigid sunt prevăzute cu supape de siguranță, care la o anumită presiune creată de poanson în masa lichidului, să permită eliminarea cantității de lichid deslocuit de poansonul rigid și semifabricat, precum și revenirea lui în cavitatea matriței, după ambutisarea piesei și retragerea poansonului.

Presiunea necesară ambutisării hidraulice poate fi determinată din condiția de rupere a materialului în secțiunea periculoasă a piesei. Astfel, se scrie ecuația de echilibru între forța critică de rupere a materialului și forța necesară deformarii semifabricatului:

de unde rezultă:

unde:

p = presiunea necesară la ambutisarea hidraulică;

g = grosimea materialului;

= rezistența la rupere a materialului;

d = diametrul piesei.

Legea de variație a presiunii în funcție de grosimea semifabricatului, atunci când restul factorilor de influență rămân constanți este conform diagramei din figura 1.2. a). De asemenea, variația presiunii în funcție de diametrul pieselor pentru o grosime constantă este prezentată în figura 1.2. b).

Presiunile de lucru utilizate în cazul acestui procedeu de deformare a metalelor se regăsesc între 300 si 1000 bar.

Avantaje ale extinderii procedeului de hidroformare la scară industrială sunt:

1) Matrițele de ambutisare sunt de construcție simplă, poansonul fiind executat din oțel doar în cazul pieselor din tablă de oțel, dar și în acel caz nu necesită un tratament termic costisitor, reducându-se cheltuielile;

2) Presiunea exercitată de lichid asupra semifabricatului este distribuită uniform;

3) Precizia și calitatea suprafețelor pieselor ambutisate sunt mult mai bune decât în cazul pieselor obținute prin ambutisarea convențională, din cauza lipsei frecării de alunecare dintre placa activă și semifabricat.

Eficiența economică a procesului de ambutisare hidraulică este mai evidentă în cazul prelucrării pieselor de formă complexă care se obțin dificil utilizând metode obișnuite de ambutisare în mai multe operații.

Prin procedeul de hidroformare hidraulică se pot obține componente de forme complexe printr-o singură operație, avand toleranțe strânse, incluzând abaterile dimensionale din industria aerospațială de până la 0,7 mm.

Operații ce pot avea loc dupa procedeul de hidroformare sunt:

Operații de găurire convețională, găurire cu laser, ștanțare, debitare.

Tunderea surplusului de material folosind tăierea cu laser, matrițe de tundere, tăierea cu fierăstrăul, tăierea cu ghilotine sau prin mașinare.

Operații de îmbinare a tablelor prin sudură, nituire.

Hidroformarea tuburilor

Principiul care stă la baza hidroformării tuburilor este ilustrat în figura 1.3. În primă fază se

așează semifabricatul tubular în cavitatea matriței (a) apoi se închide matrița (b), iar pistoanele de etanșare de la capetele tubului se apropie (c) pe măsură ce începe presurizarea fluidului (d). Cele trei suprafețe ale tubului care acționează ca și suprafețe de etanșare includ:

diametrul exterior al tubului

diametrul interior al tubului

suprafața frontală a tubului

În timpul deformării, combinația dintre creșterea internă a presiunii fluidului și presarea

axială simultană cu o forță F a capetelor pistoanelor de etanșare (e) determină ca materialul de formă tubulară să ia forma conturului matriței. Atunci când lichidul atinge o anumită presiune, pistoanele se retrag, matrița se deschide, iar piesa finită este eliminată din matriță.

Hidroformarea tubulară se împarte în trei tehnici de operare:

1) Hidroformare la presiune joasă – la această tehnică presiunea de deformare este de maxim 800 bar. Durata unui ciclu de deformare este mai mică decât în cazul altor metode de hidrofomare, dar design-ul pieselor trebuie ales cu atenție pentru a facilita deformarea, având în vedere faptul că presiunea de lucru este joasă.

2) Hidroformare la presiune înaltă – se folosec presiuni ale fluidului cuprinse între 1400 si 7000 bar. Valoarea exactă a presiunii necesare este dependentă de mai mulți factori, cum ar fi limita de curgere a materialului, grosimea peretelui tubului și raza interioară a celui mai ascuțit colț din secțiunea transversală. Atunci când tubul este deformat în urma aplicării unei presiuni înalte în cavitatea matriței, grosimea materialului poate varia pe întreaga suprafață a piesei. În plus, este nevoie de prese având gabarit mai mare pentru ambutisarea la presiuni înalte, iar presiunile de operare ridicate pot crește durata ciclului de formare a piesei.

3) Hidroformarea cu mai multe secvențe de presiune – folosește forța de închidere a presei hidraulice pentru a asista hidroformarea semifabricatului. Acesta este amplasat inițial în cavitatea matriței, iar la închiderea ei tubul este parțial deformat. Fluidul având presiune joasă este pompat apoi în interiorul tubului, crescându-i rezistența la compresiune. Matrița încearcă să se închidă din nou cu menținerea presiunii joase dorite, în timp ce secțiunea transversală a tubului se reduce. Odată ce matrița este închisă în întregime, presiunea fluidului crește, forțând semifabricatul să se deformeze după interiorul matriței fără a se reduce grosimea pretelui. Presiunea maximă folosită în acest caz este sub 700 bar.

Avantaje si dezavantaje ale hidroformării față de ambutisarea clasică

Ambutisarea hidraulică prezintă o serie de avantaje, dar și câteva dezavantaje față de ambutisarea clasică.

Avantajele ambutisării hidraulice sunt:

Consolidarea piesei;

Reducerea greutății pieselor datorită proiectării mai eficiente și a adaptării grosimii pereților;

Creșterea rezistenței structurale și a rigidității piesei ambutisate;

Reducerea costurilor cu sculele datorită numărului scăzut de componente necesare;

Reducerea numărului de operații secundare;

Posibilitatea obținerii unor piese având precizii dimensionale ridicate;

Diminuarea numărului de rebuturi;

Obținerea unor piese de forme complexe dintr-o singură operație.

Dezavantajele ambutisării hidraulice sunt:

Durata mare a unui ciclu de ambutisare;

Echipamentul este mai costisitor;

Lipsa unei baze de cunoștiințe extinse în ceea ce privește procesul și proiectarea sculelor.

Factori care influențează procesul de hidroformare:

Pregătirea tuburilor, fapt ce implică selectarea materialului și calitatea materiei prime;

Proiectarea preformei și metoda de producție;

Proiectarea piesei ce urmează a fi ambutisată;

Sudarea și asamblarea componentelor hidroformate;

Rezistența la strivire și rigiditatea îmbinărilor;

Selectarea lubrefiantului care nu trebuie să își piardă proprietățile la presiuni înalte;

Dezvoltarea rapidă a procesului.

Aplicații ale utilizării procedeului de hidroformare

Acest procedeu se utilizează pentru obținerea pieselor de formă complexă din toate domeniile, inclusiv industria aerospațială și auto.

Aplicații din industria auto:

Elemente de caroserie

Sistem de evacuare (Fig 1.4.)

Sistemul de răcire al motorului

Cadrul radiatorului

Elemente de siguranță

Piese din structura șasiului (Fig. 1.5.)

Elemente de osie

Componente integrate

Componente transversale

Suport motor

În figura 1.5. este prezentat șasiul unui autovehicul Chervolet SSR în construcția căruia

s-au folosit elemente obținute prin hidroformare pentru reducerea greutății autovehiculului, dar cu menținerea rezistenței structurii.

În figura 1.6. sunt reprezentate exemple de tuburi personalizate folosite în diverse aplicații obținute prin procedeul de hidroformare.

Alte aplicații ale procedeului de hidroformare sunt obținerea tuburilor de îmbinare de tip T (Fig. 1.7. a) și a coturilor (Fig. 1.7. b)

De asemenea, prin hidroformarea tablei se pot obține piese de formă complexă printr-o singură operație având o calitate a suprafeței ridicată. În figura 1.8. sunt prezentate diferite exemple de componente obținute prin ambutisarea hidraulică a tablelor metalice.

În figura 1.9 sunt ilustrate diferite forme care demonstrează abilitățile procesului de hidroformare a tablelor.

Comparație între hidroformarea tabelor și ambutisarea clasică

Există multiple procedee de ambutisare a tablelor, una fiind deformarea hidromechanică. Figura 1.10. ilustrează o presă hidromecanică. Acest proces constă în deformarea printr-un poanson rigid a unui semifabricat de tip tablă susținut de un lichid sub presiune. Cavitatea matriței este de obicei umplută cu ulei sau apă. Procesul de hidroformare a tablelor este asemanător procesului normal de ambutisare, cu excepția faptului că în prima situație cavitatea matriței este umplută cu lichid asupra căruia se aplică o presiune hidraulică în timpul procesului de deformare, pe când în cea de-a doua situație, atât poansonul cât și placa activă sunt rigide. Simpla aplicare a presiunii hidraulice în partea inferioară a semifabricatului crează un impact imens asupra procesului de formare. Lichidul asigură materialului o curgere mai bună și îi crește rezistența de rupere la întindere. Acești factori măresc raportul limită de proiectare. Ca urmare, permite ca deformarea să se desfășoare într-o singură operație, pe când în cazul ambutisării convenționale ar fi nevoie de mai multe operații, altfel deformarea nu ar putea fi dusă la bun sfârșit. Raportul de deformare în cazul procesului de ambutisare convențională este 2.2, iar în cazul hidroformării tabelor raportul ajunge până la 3.2 într-o singură operație sau chiar până la 6 în situația utilizării unui sistem radial de presiune, in 2 etape. Sistemul de presiune radială împinge atât pe capătul flanșei, cât și pe suprafața semifabricatului. Presiunea hidraulică din zona flanșei mărește curgerea materialului, îmbunătățind astfel consistența subțierii. Îmbunătățirea controlului subțierii duce la obținerea unor piese mai ușoare reducând de asemenea si costurile materiei prime.

Hidroformarea tablelor are capacități mai bune de lucru decât ambutisarea uzuală, datorită flexibilității crescute și a numărului redus de curse necesare ambutisării unei piese. (Fig. 2.11.)

Procesul de hidroformare al tablelor este format din mai multe etape. Procesul începe cu berbecul în poziție superioară și cu semifabricatul poziționat deasupra cavității plăcii active care este umplută cu fluid. Apoi semifabricatul este reținut și fixat. După aceea fluidul se presurizează menținând contactul pe toata suprafața semifabricatului înspre direcția poansonului. Deformația plastică controlată produce un efect de tensionare asupra tablei. După etapa de preîntindere, poansonul coboară în timp ce fluidul din cavitatea matriței opune o presiune moderată. Pentru calibrare, poansonul se blochează, iar presiunea din interiorul cavității crește. În final, presiunea fluidului scade, berbecul se retrage, iar piesa este eliminată din matriță. Durata unui ciclu de ambutisare hidraulică poate varia între 15 și 45 de secunde în funcție de gabaritul presei, dimensiunile tablei și complexitatea piesei.

Există multe avantaje ale procedeului de hidroformare. Precizia dimensională este sporită în cazul hidroformării tablelor, deoarece este eliminată revenirea elastică a materialului după deformare. Probleme de precizie apar atunci când tabla metalică nu intră în contact cu poansonul și matrița în mod corespunzător în timpul deformării. De asemenea, subțieri locale și distribuția grosimii materialului sunt probleme care apar în timpul procesului de ambutisare convențională. Procesul de hidroformare controlează aceste probleme, deoarece tabla este tensionată în direcția poansonului datorită presiunii hidraulice. De asemenea hidroformarea reduce cu 50% subțierea materialului față de ambutisarea uzuală. Lipsa plăcii active oferă cateva avantaje. Execuția plăcii active presupune costuri ridicate și necesită mult timp pentru ajustarea jocului dintre placă și poanson. Acest timp de matriță se poate folosi pentru prelucrarea tablelor de diferite grosimi. Frecarea dintre semifabricat și apă este foarte mică rezultând precizii ridicate ale suprafețelor. Principala reținere în ceea ce privește hidroformarea tablelor o reprezintă durata mare a ciclului de ambutisare ceea ce face ca acest proces sa nu fie rentabil în cazul producției de masă. Alt dezavantaj îl reprezintă lipsa de cunoaștere în acest domeniu.

Defecte ce pot apărea în procesul de hidroformare

Tipuri de defecte care pot apărea în cazul hidroformării tuburilor sunt:

Fisurarea

Încrețirea

Flambarea

În cazul în care matrița permite scurgeri de lichid prin elementele de îmbinare, atunci apare defectul din figura 1.12. și anume încrețirea matarialului în zona deformației.

În cazul exemplului de mai sus s-au folosit tuburi din alamă, aluminiu și cupru având grosimea pereților de 1.5 mm.

Alt tip de defect care poate apărea în timpul hidrofomării tuburilor este ruperea materialului sau fisurare acestuia (Fig. 1.13.)

Analiza cu element finit în cadrul hidroformării semifabricatelor

Analiza cu element finit (în engleză FEA – Finite Element Analysis) reprezintă un model de simulare pe calculator care folosește calcule numerice pentru a analiza efectele multiplelor variații ale materialelor în anumite condiții. Simulând factori precum intensitatea tensiunilor, curgerea fluidelor și transferul de căldură, ininerii sunt capabili să determine fezabilitatea pieselor și de asemenea să îmbunătățească design-ul.

Analiza cu element finit se utilizează și pentru studiul efectelor parametrilor de deformare care apar în timpul procesului de hidroformare a tuburilor și tablelor. Acest program oferă posibilitatea de determinare a posibilității de execuție prin hidroformare a diferitelor componente. Prin utilizarea simulărilor de FEA se pot identifica defecte de proiectare, în timp ce se calculează deplasările elementelor, deformațiile și tensiunile care apar în diferite condiții. Acest lucru duce la înlocuirea testelor experimentale și a cheltuielilor cu sculele de încercare. Obiectivul simulărilor cu element finit este acela de a identifica presiunea internă optimă necesară deformării tuburilor sau tablelor metalice. Acest lucru permite procederea componentelor având o rigiditate structurală mai ridicată, o rezistență mai bună, grosimea pereților constantă și o integritate mai bună.

Îmbunătățiri aduse de analizele cu element finit în cadrul pieselor supuse hidroformării:

Creșterea rezistenței structurale;

Minimizarea subțierii severe a pereților;

Determinarea presiunii optime;

Creșterea rezistenței pieselor;

Uniformitatea grosimii pereților pieselor;

Cercetarea numerică se poate realiza prin intermediul programului specializat în analiză cu element finit și anume Dassault Systèmes Abaqus FEA Software care ne oferă soluții tehnice pentru diferite aplicații industriale, inclusiv pentru operațiile de deformare plastică.

Programul constă în două module de analiză, primul modul utilizând metoda implicită pentru analize termice, statice și dinamice denumit Abaqus Standard. Cel de-al doilea modul folosește metoda explicită pentru analize pe jumătate statice și dinamice denumit Abaqus Explicit.

Realizarea analizei cu element finit constă în trei parți:

Pre-procesarea

Soluționarea analizei

Post-procesarea

Pre-procesarea constă în definirea modelului fizic al procesului de analizat. Se modelează tridimensional geometria elementelor componente ale sistemului de analizat. În cazul procesului de hidroformare se modelează semifabricatul (corp deformabil), placa activă și inelul de reținere (corpuri rigide). Următorul pas presupune introducerea datelor de material. Acestea se obțin fie de la furnizorul de material, fie din literatura de specialitate, fie experimental, cum ar fi:

modulul de elasticitate [MPa];

coeficientul lui Poisson [-];

densitatea [kg/dm3];

coeficienții de anizotropie r [-];

curba tensiune – deformație;

curba limită de deformare FLD.

Pasul următor constă în asamblarea componentelor modelate în poziția de început a procesului de hidroformare. Apoi se definesc etapele analizei și durata lor, precum și rezultatele ce se doresc a fi determinate la finalul analizei. În pasul următor se stabilesc interacțiunile dintre componente.

Ulterior, se stabilesc pentru fiecare etapă în parte condițiile de frontieră (simetrie, încastrare etc.) și încărcările (forțe, presiuni, momente, viteze, deplasări, accelerații, etc.)

Pasul următor presupune discretizarea fiecărei componente în parte prin asignarea tipului de element finit corespunzător fiecărei componente. Acest pas este deosebit de important, deoarece influențează acuratețea rezultatelor, prin mărirea sau micșorarea gradului de eroare. În industrie, un model se consideră corect discretizat dacă procetul de eroare este . Utilizatorul poate alege între modul automat de discretizare al componentelor oferit de program sau cel manual. Prin alegerea modului manual de discretizare, utilizatorul poate concentra analiza asupra unor noduri cheie pentru atingerea unor rezultate mai exacte. Timpul de soluționare al analizei este direct proporțional cu gradul de discretizare. Cu cât o componentată este discretizată mai fin, cu atât timpul de rulare al analizei va crește.

A doua parte a programului constă în soluționarea analizei prin aplicarea unor algoritmi definiți anterior în etapa de pre-procesare pentru fiecare increment de timp până la finalizarea analizei.

Ultima parte o reprezintă post-procesarea, în care baza de date creată de program poate fi vizualizată și analizată de către utilizatorul programului în diferite forme grafice, numerice sau tabelare.

În figura 1.15 sunt prezentați pe scurt pașii de simulare ai programului Abaqus prin metoda elementelor finite.

Modelul geometric analizat prin metoda elementului finit

Analiza unui proces cu ajutorul programelor cu element finit este foarte importantă în ziua de astăzi, deoarece prin intermediul ecuațiilor diferențiale se poate aproxima foarte bine procesul real. Aceste metode sunt utilizate și pentru studiul cât mai exact al procesului de hidroformare.

În figura 1.16 este reprezentat un model geometric obținut prin hidroformarea unei foi de tablă. Procesul de hidroformare este evaluat pentru diferite materiale metalice de diferite grosimi, printr-o analiza parametrizată. Ansamblul procesului explicat în cele ce urmează este compus din placă activă, semifabricat și inel de reținere.

În acest caz, cele trei componente sunt modelate pe un sfert din suprafața totală, deoarece sunt piese de revoluție, simetrice față de două axe. Astfel se reduce timpul de analiză al procesului.

Placa activă prezintă parametrul variabil pentru raza de curbură cu semifabricatul și raza la vârf . Are o adâcime de [mm], un diametru interior de [mm] pentru definirea peretelui exterior al piesei ce urmează a fi hidroformată și un diametru exterior de [mm] pe care se aplică forța de strângere materializată pe suprafața de strângere prin presiunea .

Semifabricatul supus analizei este de formă circulară cu un diametru de [mm]. Diferența de diametre este dezavantajoasă pentru centrarea în matriță, dar benefică pentru spațiul de „joc” pentru semifabricat la acțiunea presiunii de hidroformare .

Inelul de reținere prezintă un diametru variabil la interior, definit în funcție de raza plăcii active, de aceea are valoarea [mm], și un diametru exterior [mm] identic cu cel al plăcii active.

Presiunea de strângere este exercitată pe întreaga suprafață exterioară a plăcii active, iar presiunea de hidroformare își exercită forța de jos în sus, prin intermediul inelului de reținere, acționând pe suprafața semifabricatului deformându-l după conturul plăcii active.

Tabelul 1.1. Valorile parametrilor modelului geometric supus analizei numerice

Proprietățile materialelor utilizate la acest proces de hidrofomare sunt reprezentate în Tabelul 1.2, Tabelul 1.3 și Tabelul 1.4.

Tabel 1.2. Materialele analizate numeric

Tabel 1.3. Proprietățile chimice ale materialelor supuse analizei.

Tabelul 1.4. Proprietățile fizice la ale materialelor supuse analizei

Pre-procesarea și soluționarea analizei cu element finit

Pentru cercetarea numerică a procesului de hidroformare s-au parcurs pașii descriși în algoritmul din introducerea actualului subcapitol.

Utilizând modulul Part al programului Abaqus se modelează semifabricatul, placa activă

și inelul de reținere. Modelul tridimensional se realizează doar pe un sfert din suprafața componentelor datorită faptului ca acestea sunt corpuri de revoluție. Componentele sunt modelate cu elemente de tip învelitoare (din engleza shell). Întregul model este definit pe fibra medie a fiecărei componente.

Corpurile discret rigide au un punct de referință pentru aplicarea condițiilor de inerție. Inițial se definește în punctul de inerție al plăcii active condiția de inerție de 0,00001 fiind componenta care preia ambele forțe principale ale procesului. Cele trei componente sunt ilustrate în Figura 1.17.

Apoi, din modulul Property se definesc datele de material pentru semifabricat. Elementele rigide nu necesită atribuirea datelor de material, deoarece sunt considerate nedeformabibile.

Modulul Assembly, presupune asamblarea componentelor în poziția de început al procesului de hidroformare, dar nefiind nici un contact între componente după cum se poate observa în Figura 1.18.

Placa activă, Semifabricatul, Inelul de reținere (vizualizat de sus în jos)

Definirea etapelor analizei și timpul acestora se face în pasul următor, Modulul Step. De asemenea aici se definește și metoda de calcul explicită pentru soluționarea ecuațiilor diferențiale. Etapele analizei sunt reprezentate în Tabelul 1.5.

Tabelul 1.5. Etapele analizei numerice

Următorul pas presupune stabilirea interacțiunilor dintre componente, în Modulul Interaction. Pentru etapa E2 se definesc cele două contacte, primul contact e cel dintre Semifabricat și Inelul de Reținere, iar al doilea contact dintre Placa Activă și Semifabricat. Pentru ambele contacte este folosit coeficientul de frecare .

În pasul următor, în Modulul Load, se stabilesc pentru fiecare etapă condițiile de frontieră și încărcările pentru întregul model de analizat, acestea fiind activate sau dezactivate în funcție de etapele necesare a fi parcurse pentru succesul operației de hidroformare. Condițiile de frontieră pentru modelul de analizat sunt:

CF1 – Încastrarea Inelului de Reținere

CF2 – Încastrarea Plăcii Active

CF3 – Încastrarea Semifabricatului

CF4 – Simetria Semifabricatului față de axa X

CF5 – Simetria Semifabricatului față de axa Z

CF6 – Deplasarea pentru stabilirea contactelor pe direcția Y

Încărcările aplicate asupra modelului de analizat sunt:

IN1 – Presiunea de strângere

IN2 – Presiunea de hidroformare

În Tabelul 1.6. este reprezentat modul de aplicare a condițiilor de frontieră și a încărcarilor corespuzătoare fiecărei etape.

Tabel 1.6. Aplicarea condițiilor de frontieră și a încărcărilor în fiecare etapă

Apoi fiecare componentă este discretizată elemente finite folosind modulul Mesh. Pentru componentele discret rigide se aleg elemente rigide, tridimensionale cu 4 noduri, iar pentru semifabricat se utilizează elemente de tip învelitoare, cu 4 noduri, având integrare redusă.

Modelul geometric discretizat este reprezentat în Figura 1.19.

Post-procesarea analizei cu element finit

Ultima parte o reprezintă post-procesarea, unde utilizatorul vizualizează si analizează baza de date creată de către program.

În acest capitol sunt exemplificate rezultatele obținute numeric pentru materialul W1.4301 cu parametrii [mm]; [mm]; [bar]; [bar] în figurile următoare.

Rezultatele urmărite prin analiza cu element finit sunt legate de deformațiile principale și (Figura 1.20 ,Figura 1.21), criteriul FLD (Figura 1.22.), distribuția variației grosimii (Figura 1.23.) și evoluția presiunii în timpul procesului (Figura 1.24). Pentru reprezentarea mai ușoară a rezultatelor deformării sunt reprezentate doar semifabricatul și inelul de reținere.

Capitolul 2. Proiectarea unui stand pentru hidroformarea unei piese tip butoi

2.1. Obiectivul lucrării

Obiectivul lucrării este realizarea unui stand de hidroformare pentru obținerea unei piese tip butoi, pornind de la un semifabricat tip tub metalic.

S-a pornit de la un semifabricat tubular închis la un capăt (Fig. 2.1.) având următoarele dimeniuni:

Luningime: 275 mm;

Grosime: 1 mm;

Diametrul exterior: 130 mm.

Materialul din care este confecționat semifabricatul este aluminiu. Semifabricatul tip tub se obține prin procedeul de extrudare inversă.

Piesa tip butoi pentru care a fost realizat standul de hidroformare este reprezentată în figura 2.2.

2.2. Construcția standului

Consturcția standului a început pornind de la forma finală a piesei (Fig. 2.2.) prezentată în subcapitolul anterior.

2.2.1. Elementele componente ale standului

Standul se compune din următoarele elemente:

Placa de bază

Placa activă formată din două semimatrițe

Doi cilindri hidraulici

Doi suporți pentru cilindrii hidraulici

Cep așezare semifabricat

Placă superioară

Inel de reținere

Suport membrană

Membrană elastică

Inel de etanșare tip “O”

2.2.1.1. Placa de bază

Placa de bază (Fig. 2.4.) are rolul de a suține toate elementele componente ale standului de hidroformare. Aceasta are grosimea de 100 mm, este prevăzută cu găuri de fixare și orientare pentru elementele pe care le susține. În zona centrală a batiului s-a prelucrat un alezaj special petru cepul pe care se așează semifabricatul. În zonele laterale placa este prevăzută cu găuri pentru orientarea și fixarea celor doi suporți ai cilindrilor.

Materialul ales pentru placa de bază este OL52 având un cost de achiziție redus în comparație cu alte oțeluri aliate și putând rezista cu ușurință solicitărilor de compresiune la care este spus batiul.

2.2.1.2. Suporții cilindrilor hidraulici

Suporții cilindrilor hidraulici (Fig. 2.5.) sunt confecționați din OL52-2K, material având proprietăți bune de sudură, prezentând rezistență structurală ridicată și au rolul de a orienta și fixa cilindrii hidraulici.

Suportul este format dintr-o placă de bază și două profile tip “C” dispuse simetric pe placă. Fixarea dintre suport și placă (Fig. 2.6.) se realizează prin intermediul a patru șuruburi cu cap înfundat M14 x 130, iar orientarea este asigurată prin folosirea a două știfturi 22 x 140 mm dispuse pe diagonala plăcii de bază a suporților.

Cilindrul hidraulic este ghidat și fixat prin intermediul suportului pe care este amplasat (Fig. 2.7.). Cilindrul este fixat cu ajutorul a 4 șuruburi de-o parte și de alta a profilelor de tip “C” ale suportului.

2.2.1.3. Cilindrii hidraulici

În construcția standului intră doi cilindri acționați hidraulic care au rolul de a închide (Fig. 2.8. b) și deschide (Fig 2.8.a) cele două semimatrițe. Altă funcție pe care trebuie să o îndeplinească cei doi cilindrii o reprezintă menținerea semimatrițelor închise pe tot parcursul deformării pieselor, prin asigurarea unei presiuni mai mari decât presiunea necesară deformării tubului.

Cilindrii se fixează de semimatrițe prin intermediul plăcii de presiune (Fig. 2.9.) care este prinsă prin șuruburi. Fiecare cilindru realizează mișcările de translație cu ajutorul pinstonul central care acționează cele două semimatrițe fiind fixat de placa de presiune și ghidat de două coloane. Acționarea celor doi cilindri se face simultan.

2.2.1.4. Semimatrițele

Placa activă rigidă este formată din două semimatrițe conjugate al căror contur interior (Fig. 2.10. a) a fost prelucrat în concordanță cu exteriorul piesei tip butoi care se dorește a se ambutisa. Pe partea exterioară a semimatrițelor s-a frezat un bosaj (Fig. 2.10.b) pentru prinderea cilindrilor prin intermediul plăcii de presiune.

Materialul ales pentru construcția celor două semimatrițe este OLC 45. Alegerea unui oțel de scule nu se pretează, deoarece costurile tratamentelor termice în acel caz sunt ridicate, iar solicitările la care este supusă placa activă nu sunt mari.

Fiecare semimatriță este prevăzută cu două știfturi de ghidare dispuse pe diagonală (Fig. 2.11.) și cu alte două alezaje de ghidare, care au rolul de a asigura centrarea în momentul închiderii celor două semimatrițe.

2.2.1.5. Cepul de susținere a piesei

Cepul (Fig. 2.12.) este fixat prin presare în placa de bază. Acesta, împreună cu cele două semimatrițe formează placa activă a matriței de ambutisare hidraulică (Fig. 2.13.)

Este confecționat din OLC 45, iar pe el se așează semifabricatul tubular care se dorește a fi prelucrat. De asemenea are rolul susținerii piesei finite în momentul deschiderii celor două semimatrițe, piesa urmând ulterior a fi eliminată din matriță, de către un operator sau prin intermediul unui braț robotic programat.

2.2.1.6. Placa superioară

Placa superioară (Fig. 2.14.) este confecționată din OLC 45. Este prevăzută cu 36 de găuri filetate dispuse radial folosite pentru fixarea inelul de reținere și a suportului membranei elastice.

În interiorul plăcii este prelucrat canalul de distribuție al lichidului hidraulic, prin intermediul căruia fluidul sub presiune avansează în membrana elastică realizând ambutisarea hidraulică.

Legătura dintre stand și presa de hidraulică se face prin placa superioară.

2.2.1.7. Inelul de reținere

Inelul de reținere (Fig. 2.15.) este confecționat din OLC 45 și este fixat de placa superioară prin intermediul a 24 de șuruburi cu cap înfundat.

Acesta are rolul de a susține și fixa membrana elastică. Pe suprafața superioară, unde inelul intră în contact cu diafragma, acesta este prevăzut cu 3 proeminențe (rizuri) circulare care se amprentează în membrana elastică împiedicând alunecare acesteia. Partea inferioară a inelului de reținere realizează orientarea părții mobile superioare față de cele două semimatrițe.

2.2.1.8. Suportul membranei

Suportul membranei are rolul de a susține diafragma. Are forma unui tub cu flanșă. Flanșa este prevăzută cu alezaje de fixare prin intermediul cărora acesta este fixat de placa superioară. Corpul suportului este perforat pentru a facilita avansarea fluidului către membrana elastică în scopul deformării membranei și implicit a semifabricatului. În flanșa suportului este prelucrat un canal semicircular în care este amplasat un inel elastic de tip “O” pentru asigurarea etanșeității fluidului în membrană și pentru a evita pierderile de presiune.

2.2.1.9. Elemente de etanșare

Elementele de etanșare sunt membrana elastică și inelele elastice de tip “O”. Diafragma este confecționată din cauciuc prezentând o bună elasticitate. Aceasta are rolul de a deforma semifabricatul, sub acțiunea presiunii lichidului hidraulic și de a menține fluidul în interiorul ei.

În figura 2.17. este prezentată diafragma atât în stare de repaus cât și în stare deformată sub acțiunea lichidului hidraulic. Sub acțiunea lichidului hidraulic, membrana se deformeză obligând semifabricatul să își modifice forma după conturul plăcii active.

Suportul membranei se fixează de placa superioară prin șuruburi. Membrana se poziționează în inelul de reținere pe suport, iar apoi se strâng șuruburile dintre inel și placa superioară, realizându-se fixarea membranei elastice. Se folosesc două inele tip “O” pentru asigurarea etanșeității.

Membrana elastică îmbracă suportul metalic. Prinderea acesteia se datorează inelului de reținere care este fixat de placa superioară prin 24 de șuruburi. Inelul asigură totodată și etanșeitatea membranei prin presarea acesteia între inel și suport în zona superioară. Cele două inele de tip “O” asigură etanșeitatea membranei față de placa superioară. Un inel elastic este poziționat în suportul membranei, iar celălalt în placa de reținere.

2.3. Etapele de lucru ale standului de hidroformare

2.3.1. Faza 1 – Poziția inițială a standului

În primă fază cele două semimatrițe sunt deschise, iar placa superioară se găsește în poziție ridicată. Semifabricatul tubular se poziționează pe cepul de ghidare după cum se poate observa în figura 2.20, însă pentru a evita eventuale rebuturi care pot să apară în timpul închiderii semimatrițelor, este recomandat ca semifabricatul să se poziționeze doar după închiderea lor.

2.3.2. Faza 2 – Închiderea semimatrițelor și poziționarea semifabricatului

În cea de-a doua etapă are loc închiderea semimatrițelor, acestea fiind acționate de către cei doi cilindri hidraulici care au și rolul de a menține semimatrițele închise pe tot parcusul deformării piesei. Orientarea setului de scule se realizează prin intermediul a 4 știfturi de ghidare, amplasate câte două pe diagonala fiecărei semimatrițe în parte și cu ajutorul cepului de ghidare din placa de bază.

După închiderea completă a semimatrițelor, se poziționează semifabricatul tubular în interiorul acestora, fiind ghidat de suprafata superioară a matriței care are aceeași dimensiune cu diametrul exterior al tubului, baza de așezare constituind-o cepul din placa de bază.

2.3.3. Faza 3 – Închiderea matriței și hidroformarea piesei

În cea de-a treia etapă are loc închiderea matriței prin coborârea subansamblului superior, sub acțiunea presei hidraulice. Ulterior, prin intermediul instalției hidraulice se pompează ulei mineral cu presiune în canalul de distribuție către membrana elastică. Sub acțiunea presiunii lichidului hidraulic, diafragma se deformează, oblingând semifabricatul tubular să se deformeze, acesta luând forma cavității plăcii active. Pe tot parcursul deformării semifabricatului, clindrii hidraulici asigură o presiune de sigilare care este mult mai mare decât presiunea interioară necesară deformării tubului de grosime 1 mm confecționat din aluminiu.

La coborârea plăcii superioare inelul de reținere asigură centrarea subansamblului superior față de cele două semimatrițe aflate in poziție închisă, datorita simplului fapt că placa de reținere îmbracă cele două semimatrițe, asigurând totodata și menținerea închiderii semimatrițelor în partea superioară.

Forma finală a piesei ambutisate hidraulic este complexă, specifică unui butoi având diametrul din zona mediană mult mai mic decât dimensiunile diametrelor de la extremitățile acestuia.

2.3.4. Faza 4 – Deschiderea matriței

După ce piesa a ajuns la forma finală, presiunea din interiorul membranei ajunge la o valoare cunoscută și începe să scadă. Membrana elastică se mulează pe suport facilitând deschiderea matriței. Deschiderea matriței are loc datorită retragerii plăcii superioare acționate de presa hidraulică pe care este montat standul.

2.3.5. Faza 5 – Deschiderea semimatrițelor și eliminarea piesei finite

În ultima etapă se deschid cele două semimatrițe sub acțiunea cilindrilor hidraulici facilitând eliminarea piesei finite. După deschiderea semimatrițelor, semifabricatul rămâne sprijinit pe cepul de ghidare și poate fi eliminat din matrița fie de către un operator fie de un braț robotic programat.

Capitolul 3. Concluzii și contribuții originale

BIBLIOGRAFIE

Asnafi, N. & Skogsgardh, A. Theoretical and experimental analysis of stroke controlled tube hydroforming, Materials Science and Engineering, 2000.

Aust, Matthias and J. Beyer (2000). “Hydromechanical Deep-Drawing of Fuel Tanks.” SAE International, 2000-01-0415.

Domșa, A., ș.a., – Materiale metalice în construcția de mașini, Editura tehnică București, 1978.

Dohmann F. and C. Hartl, Hydroforming – A Method of Manufacturing light

weight Parts, Journal of Materials and processing Technology, Vol. 60, 1996

Dușe, D., Bondrea, I., – Optimizarea proceselor tehnologice, Sibiu 1994.

Dușe, D., Dârzu, V. – Tehnologii de prelucrare, vol I și II, Editura Universității din Sibiu 2001.

Gârbea , D. Analiză cu elemente finite Ed. Tehnică, 1990

Hwang Y.M. and T. Altan. Finite element analysis o f tube hydrofroming processes

in a rectangular die, Finite Element in Analysis and Design, Vol. 39, Issue 11, August 2003.

Iliescu C. – Tehnologia presării la rece, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1984.

J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou, J. Allwood, Asymmetric single point incremental forming of sheet metal, CIRP Annals-Manufacturing Technology 54, 2005.

Nakagawa, Takeo -Advances in Prototype and Low Volume Sheet Forming and Tooling, 2000.

Novotny, S and P. Hein – Hydroforming of Sheet Metal Pairs from Aluminum Alloys, 2001

Oleksik, V., Pascu, A. Proiectarea optimal a mașinilor și utilajelor, Ed. Universității ”Lucian Blaga” din Sibiu, Sibiu, 2007.

Sokolowski, T., Gerke, K., Ahmetoglu, M. & Atlan, T. Evaluation of tube formability and material characteristics: hydraulic bulge testing of tubes, Journal of Materials Processing Technology, 2000.

Schuler GMBH, Schuler Metal Forming Handbook, April, 2006

Takayuki Hama, Hitoshi Fujimotoa – Finite-element simulation of the elliptical cup deep drawing process by sheet hydroforming, Finite Elements in Analysis and Design, 2006.

Teodorescu, M., ș.a., Prelucrări prin deformare plastică la rece., București, Editura Tehnică, 1988.

Teodorescu, M., Zgură, Gh., Tehnologia presării la rece, București, Editura Didactică și Pedagogică, 1980.

Wifi A. S., Study on large strain elasto-plasticity and finite element analysis of deformation process, University of Tokyo, Tokyo, 1978.

Yamashita, M., Gotoh, M., Atsumi, S.-Y., Numerical simulation of incremental forming of sheet metal. Journal of Materials Processing Technology, 2008.

Zhang, S.H. and J. Danckert “Development of Hydro-Mechanical Deep Drawing.” J. Mats. Proc. Tech., 1998

*** Matrițe și ștanțe pentru prelucrarea la rece. NT 413…66 I.C.T.C.M. București.

*** www.americanhydroformers.com

*** www.autoform.com

*** www.hydroforming.net

*** www.jmpforming.com

*** www.matbase.com

*** www.schuler-hydroforming.de

*** www.vari-form.net

OPIS

Prezenta lucrare conține :

– parte scrisă: 131 pagini, 49 figuri, 24 tabele.

Sunt de acord cu susținerea lucrării în fața comisiei de licență.

Sibiu, …………………..

Semnătura,