Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Kapalina jako tvářecí medium
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Využití kapaliny ke tváření plechů, ale i trubek, se řadí k novým nekonvenčním tvářecím metodám, i když počátky jejího používání sahají až do 70. let minulého století. K prudkému rozmachu technologií pak došlo v 90. letech, a to zejména díky požadavkům na výrobu stále složitějších tvarových dílců v automobilovém průmyslu.
Používání kapaliny ve tvářecích operacích předpokládá užití vody či hydraulických olejů jako hlavního nebo doprovodného tvářecího média v různých aplikacích a konfiguracích lisovacích nástrojů. Efektem je rovnoměrnější rozložení přetvoření lisovaného dílce. Tento fakt umožňuje výrobu komplikovanějších a složitějších tvarů výlisků, které nejsou konvenčními technologiemi dosažitelné. Rovnoměrná deformace dílce s sebou zároveň přináší i jeho vyšší pevnost, čehož se s výhodou využívá např. pro zvýšení tuhosti karoserií. Jedním z dalších benefitů je bezesporu redukce počtu výrobních operací, a to zpravidla na jedinou. Vzhledem k tomu, že lze většinu takto lisovaných dílů vyrábět pouze v jedné operaci, navíc bez nutnosti mezioperačního žíhání, náklady na nástroje mohou být sníženy až o 90 %.


Výrobní metody využívající kapalinu lze souhrnně označit jako metody hydroformování, resp. tzv. hydroforming. V současnosti existuje celá škála metod, které lze rozdělit podle aplikace na dvě základní skupiny, tj. na metody určené ke tváření plechových dílů a na ty, které jsou zaměřeny především na tváření trubek. Zmíněné kategorie jsou charakterizovány specifickými vlastnostmi a nabízejí možnosti dalšího rozdělení.

Hydroformování trubek

Hydroformování trubkových a dutých polotovarů je v základu založeno na přivedení tvářecího média do dutiny tvářeného dílce. Zvýšením tlaku je poté docíleno změny tvaru trubky či uzavřeného profilu na požadovaný, podle tvaru dutiny nástroje – lisovnice, která tvoří negativní tvar hotového výlisku. Polotovarem mohou být nejen klasické švové či bezešvé trubky, ale i kuželovité díly, duté profily nebo trubky o proměnné tloušťce stěny. Hydroformování trubek umožňuje výrobu tvarově rozmanitých dílců. Mohou to být díly s přímou, lomenou nebo prostorově ohnutou osou.

K výrobě požadovaných dílců je možné kromě statických nástrojů, které po uzavření vytvářejí dutinu lisovnice, využít i přídavného axiálního zatížení, zpravidla vyvolaného působením lisovníků. Rozlišení jednotlivých metod hydroformování trubek primárně zohledňuje velikost pracovních tlaků kapaliny při tváření. Z tohoto hlediska se rozeznávají celkem tři hlavní kategorie – nízkotlaké, vícetlaké a vysokotlaké hydroformování.

U nízkotlakého hydroformování se nepředpokládá významnější působení kapaliny uvnitř tvářeného dílce. Jedná se spíše o pomocnou úlohu opory průřezu proti jeho zborcení, např. při operaci ohýbání. Vícetlaké nebo též postupové hydroformování již aktivně používá kapalinu především ke změně tvaru. Tlak kapaliny působí uvnitř tvářeného dílce už při uzavírání nástroje. Tím také dochází k prvotnímu částečnému lisování a ke stabilizaci dílce před vlastním uzavřením nástroje. Kapalina tak usnadňuje materiálový tok polotovaru. Ve druhé etapě, kdy už je nástroj zcela uzavřen, tlak uvnitř polotovaru skokově vzroste a tím vylisuje díl do požadované geometrie. Vysokotlaké hydroformování, jak název sám napovídá, využívá v porovnání s ostatními metodami až několikanásobně vyšších tlaků, které umožňují výrobu složitějších dílců. Lze tedy tvářet i tlustostěnné součásti, a to až na samou hranici ztenčení stěny. Typickým příkladem hydroformování trubek, resp. vysokotlakého hydroformování je výroba nejrůznějších typů „Y“ nebo „T“ tvarovek.

Hydroformování plechů

Snad nejrozšířenější oblastí využití hydroformovacích metod představuje tváření plechů, pro něž se vžilo označení SHF (sheet hydro-forming). Tato oblast nabízí celou řadu metod pro přetvoření jednoho nebo dvou plechů do požadovaného tvaru a lze docílit širokého spektra tvarově složitých výlisků. Uplatnění nachází např. v automobilovém průmyslu, při výrobě otevřených či dutých výlisků nádrží apod.

Nejjednodušší možností hydroformování plechových polotovarů je přímé využití tlaku kapalinného média. Výhoda tohoto konceptu spočívá především v jeho jednoduchosti – není nutné konstruovat pohyblivý nástroj typu lisovník, neboť jej nahradí kapalina, což dokresluje schematicky znázorněný princip na obrázku někde. Po vložení polotovaru do nástroje dochází k jeho uzavření, tj. sevření okrajů plechu mezi lisovnicemi. Tím je celý systém utěsněn a po přivedení kapaliny se plech začne přetvářet do požadovaného tvaru podle dutiny lisovnice. Nutnou podmínkou je samozřejmě vysoký tlak kapaliny, aby byl překonán deformační odpor tvářeného materiálu (obvykle desítky až stovky MPa podle tvarové a rozměrové složitosti dílce). Do této skupiny spadají např. metody tváření tlakem kapaliny (hydro-stretch forming), paralelní hydroformování (pillow hydroforming), Flexform nebo metoda Verson–Wheelon.

Další možností je lisování s pomocí lisovníku, kdy kapalina, která nahrazuje funkci lisovnice, hraje spíše podpůrnou roli. Kapalina může působit na povrch tvářeného plechu přímo, jako např. u metody hydromechanického tažení. Potom je ale potřeba dostatečně utěsnit celý systém proti jejímu úniku. Proto se v některých aplikacích, jako např. u metody Hydroform či ASEA, s výhodou využívá gumová či polyuretanová membrána, která plně odděluje komoru s kapalinou od tvářeného plechu. Vlastní postup při hydroformování s využitím lisovníku je obdobný jako u předešlého případu. Po uzavření nástroje a zvýšení tlaku v lisovací komoře na požadovanou úroveň dochází ke vnoření lisovníku do již zmíněné lisovací komory zaplněné kapalinou. Tím se také polotovar přetvoří do požadovaného tvaru. Pracovní tlak uvnitř lisovací komory je třeba během lisovacího procesu monitorovat a případně regulovat, např. pomocí externího čerpadla.

Výroba strukturovaných povrchů

Příkladem efektivního využití hydroformování ve výrobní praxi může být výroba strukturovaných povrchů, resp. tvorba sady prolisů v plechovém polotovaru. Toho lze s výhodou využít např. při konstrukci plochých solárních absorbérů, u kterých přídavný reliéf na jejich absorpční straně zvyšuje efektivitu ohřevu teplosměnného média, jež protéká tělem takto vyrobeného solárního absorbéru.

Nabízí se proto využití metody paralelního hydroformování. Tento systém využívá kapaliny ke tváření nikoliv pouze jednoho plechového polotovaru, ale hned dvou nad sebe umístěných plechů, mezi které je po uzavření nástroje přivedeno, např. přes šroubení v jednom z nich, tvářecí médium. Plechy mohou být před samotným tvářením po obvodě svařeny, což zabezpečuje jejich správnou polohu vůči sobě a hlavně slouží jako zábrana proti úniku kapaliny při tvářecím procesu. Finální vzhled výlisku potom zohledňuje tvar obou lisovnic.

V daném případě byla realizována výroba sady jehlancovitých prolisů o vrcholovém úhlu 60° a výšce cca 4 mm do plechu tloušťky 0,8 mm, a to na ploše 1 000 × 166 mm. K tomuto účelu byly vyrobeny lisovací nástroje, tj. horní a spodní lisovnice, která tvoří negativní tvar požadovaného reliéfu.

Mezi tyto nástroje byl vložen polotovar v podobě dvojice po obvodě svařených plechů. Polotovar byl po obvodě sevřen prostřednictvím sešroubování horního a spodního dílu nástroje. Následně byla mezi plechy přivedena kapalina. Samotný přívod kapaliny, ale i nezbytné odvzdušnění, je možné realizovat různými cestami. Nejvhodnější je použití dvojice otvorů se závity, které je možné vytvořit např. vyhrdlením pomocí rotujícího konického nástroje (tzv. termálním vrtáním), jimiž je opatřen jeden z tvářených plechů. Pro zmíněnou realizaci byla takto vytvořena dvojice olemovaných otvorů se závity G1/4". Velkou výhodou je, že se po tváření lemy se závity nemusejí složitě odstraňovat, neboť poslouží coby vstup a výstup teplosměnné kapaliny při vlastním provozu absorbéru. Během přívodu kapaliny mezi dvojici plechů, tj. v průběhu vlastního tvářecího procesu, je nutné obě lisovnice (byť je celek sešroubován) k sobě přitlačovat dodatečnou silou. Tlak kapaliny 70 MPa, který je potřebný pro správné vytvoření požadovaných prolisů, by totiž mohl způsobit nežádoucí deformaci obou lisovnic, v krajním případě až destrukci celého nástroje. Proto je třeba hydroformování realizovat s podporou hydraulického lisu, jež zabezpečí dostatečnou tuhost nástrojů.

Na obrázcích někde je vidět detail finální vylisované struktury i celkový pohled na vylisovaný dílec. Jednotlivé segmenty opatřené strukturovaným povrchem lze potom sériově spojovat do libovolně velkých absorpčních ploch.

Závěrem lze říci, že využití popsaných konceptů je v principu jednoduché a vzhledem ke svým možnostem velmi efektivní. Metody využívající kapalinu jako tvářecí médium mají i v budoucnu určitě své místo a uplatnění, už kvůli požadavkům na stále složitější vyráběné tvary, a to nejen v automobilovém či leteckém průmyslu. Další otázkou moderních přístupů k výrobě jsou i pevnější nové materiály, které se s využitím konvenčních postupů dají tvářet jen s obtížemi. Proto je cesta využití hydroformování stále aktuálnější, i když je nutno zmínit, že v České republice stále některé koncepty hydroformovacích metod čekají na své objevení a využití ve výrobní praxi.

 


Obr. 1. Základní rozdělení hydroformovacích metod


Obr. 2. Příklady tvarových skupin dílců trubkového hydroformování


Obr. 3. Řízení tlaku v jednotlivých etapách hydroformování trubek


Obr. 4. Princip vysokotlakého hydroformování


Obr. 5. Příklady tvarových skupin dílců hydroformování plechů


Obr. 6. Princip tváření tlakem kapaliny


Obr. 7. Princip tváření metodou Hydroform


Obr. 8. Výroba strukturovaného povrchu


Obr. 9. Horní a spodní lisovnice


Obr. 10a. Proces hydroformování


Obr. 10b. Detail výlisku


Obr. 11. Vyrobený dílec

Kontakt:
Kamil Podaný
podany@fme.vutbr.cz
http://ust.fme.vutbr.cz/tvareni/

Autor: Ing. Jan Řiháček, Ph.D., Ing. Kamil Podaný, Ph.D., Ing. Eva Peterková, Ph.D.

Firma: VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologi

Další články

Hydraulika/ hydraulické prvky
Nekonvenční technologie
Technologie tváření, slévárenství

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: