Hydroforming 101

Eine Einleitung

Hydroforming ist ein kostengünstiger Metallbearbeitungsprozess, der komplexe Geometrien in rohrförmigen Teilen und ausgedehnte Tiefziehvorgänge in blechbasierten Teilen formen kann.

Hydrogeformte Teile ermöglichen eine Teilekonsolidierung, die reduzierte Anzahl von Unterkomponenten reduziert die Montagekosten und erhöht die Festigkeit und Steifigkeit der Endmontage. Die Toleranzen unterscheiden sich je nach gewählter Anwendung und Größe des Bauteils, aber im Allgemeinen kann Hydroform im Vergleich zu herkömmlichen Stanz-/Montageverfahren geringere Toleranzen aufweisen.

Die meisten Teile, die mit Hydroforming umgeformt werden können, können auch mit anderen Umformverfahren oder mit Mehrkomponentenfertigung hergestellt werden, daher ist es wichtig, die Kosten, Vor- und Nachteile jedes einzelnen zu berücksichtigen. Hydroforming ist im Allgemeinen praktikabel, wenn es verwendet werden kann, um die Anzahl von Komponententeilen in einer gefertigten Baugruppe zu reduzieren.

Torsional Rigidity & Dimensional Accuracy Hydroformed
HFP4 3000 Tonnen Hydroforming-Presse

Der Prozess

Der Hydroforming-Prozess verwendet eine hydraulische Presse mit einer speziellen Matrize, kombiniert mit einem integrierten Wasser- und Kontrollsystem für Hochdruckflüssigkeit, die bewirkt, dass sich der Metallrohling an die Form und Konturen der Matrize anpasst.

Die Prozessparameter hängen von der Anwendung und der Materialauswahl ab, aber als Beispiel für das Hydroformen von Blechen wird geschätzt, dass die erforderliche Klemmkraft zum Umformen von Metall in Automobilteile wie Dächer, Motorhauben und andere Bleche zwischen 5.000 und 10.000 US-Tonnen beträgt.

Für die Rohr-Hydroform gibt es Hoch- und Niederdruckverfahren. Niederdruckanwendungen verwenden typischerweise einen Druck unter 700 bar und erfordern Pressen bis zu 2.500 Tonnen. Hochdruckanwendungen verwenden typischerweise Drücke bis 1.500 bar und erfordern Pressen bis 10.000 Tonnen. Es gibt spezielle Systeme, die bis zu 4.000 bar erreichen und spezielle Ausrüstung und Pressen mit höherer Tonnage erfordern.

Die Materialauswahl ist wichtig, um Prozessparameter festzulegen, da umformbare Materialien durch ihre Umformeigenschaften und die Anforderungen an die endgültige Form des Teils begrenzt sind (Finite-Elemente-Analyse „FEA“). Fortschritte bei Hydroformprozessen haben das Umformen von Materialien mit geringer Dehnung wie Aluminium und hochfesten Stählen möglich gemacht.

Auch die Temperatur spielt bei der Berechnung der erforderlichen Umformkräfte und der Umformgrenzen des Werkstoffs eine Rolle. Bei Kaltumformvorgängen wie Hydroforming ist für Werkstoffe bei Raumtemperatur mehr Kraft erforderlich, da sie weniger formbar sind.

Das Hydroforming war normalerweise ein Kaltumformverfahren, aber das Warm-Hydroforming wird immer häufiger. Beim Warm-Hydroforming werden Flüssigkeiten mit Temperaturen verwendet, die einige hundert Grad über den Umgebungsbedingungen liegen. Dieser Prozess ist angesichts der Prozesskomplexität insgesamt kostspieliger. Bei Temperaturen über 350 Grad Celsius wird anstelle einer Flüssigkeit Gas verwendet.

Die Simulation der Hydroform-Metallumformung wird häufig mit gängigen Methoden der Machbarkeitsanalyse für die Blechumformung durchgeführt. Darüber hinaus können durch die Verwendung von Prozessfenstern und Lastpfadberechnungen Prozessparameter ermittelt werden.

Aus Simulationen (Finite-Elemente-Analyse „FEA“) und Experimenten werden Prozessfenster und Lastpfade unter Verwendung der Materialeigenschaften und Geometrie der zu produzierenden Teile entwickelt. Prozessfenster bieten eine Reihe von Werten, die grafisch angezeigt werden, um das Pressensystem über den während des Umformprozesses zu verfolgenden Druck-Verschiebungs-Weg zu informieren. Die Wertefolge wird von der Prozesssteuerung verwendet, um zu bestimmen, wie viel Fluiddruck (und Axialkraft bei Rohr-Hydroforming) in der Anwendung benötigt wird.

Umformgrenzendiagramme geben einen maschinenlosen Überblick über die Prozessfähigkeiten. Sie entstehen durch die Analyse der Materialdehnung während des Hydroforming-Vorgangs und ermöglichen die Definition von Prozessparametern durch die Beachtung der Grenzen des Materials und des Prozesses.

Eine weitere Überlegung, die Auswirkungen auf die Prozessparameter haben wird, ist das Zusammenspiel von Oberflächen und Schmierstoffen, das für die Leistung des Hydroforming-Prozesses insgesamt eine Rolle spielt. Das Ziel besteht normalerweise darin, die Reibung zu reduzieren, um einen Materialfluss zu ermöglichen, aber Reibung kann für den Prozess nützlich sein, indem sie den Materialfluss kontrolliert und eine Materialverdünnung in wichtigen Bereichen verhindert.

Hydroforming-Kategorien

Es gibt zwei verschiedene Kategorien von Hydroforming: Rohre und Bleche, benannt nach der im Prozess verwendeten Rohlingsgeometrie. Diese Kategorien können in Unterkategorien mit unterschiedlichen Prozessen mit unterschiedlichen Prozessvariablen und Ausrüstungsanforderungen unterteilt werden.

  • Rohr: Elektrohydraulisch, Hochdruck-THF, Heißgasrohr-Hyudroforming, Hybrid-Hydroforming, Impulsiv, Hydroforming, Niederdruck-THF, Rohrexpansion, Warm-Hyudroforming, Mit Gegenstanzung.
  • Blatt:
    • Kavität: Doppelblank, elektrohydraulisch, Heißgas-Hydroforming, Impuls-Hydroforming, bewegliche Matrize/Gegenstempel, mehrstufig, Warm-Hydroforming.
    • Stanzen: Heißgas-Hydroforming, Hybrid Double Blank, Hybrid Single Blank, Impulsive Hydroforming, Mehrstufig, Warm Hydroforming.

Zykluszeiten reichen typischerweise von 15 Sekunden bis über 1 Minute, abhängig von der Komplexität der Komponenten. Der Druck hängt von der Anwendung und dem Material ab, jedoch ist beim Hydroforming-Prozess von Blechen aufgrund der größeren aktiven Platinenoberflächen eine größere Kraft erforderlich.

Rohr-Hydroforming

Früher war das Rohr-Hydroforming der Herstellung von Sanitärteilen vorbehalten, wurde aber im Laufe der Jahre auf andere Anwendungen ausgeweitet. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Anwendung von Fluiddruck auf das Innere eines Rohres, das von Matrizen gehalten wird. Die Gesenke werden auf dem Rohr geschlossen, die Enden werden abgedichtet und das Rohr wird mit Hydraulikflüssigkeit bei vorbestimmten Drücken gefüllt, die das Rohr zwingen, sich an die Gesenke anzupassen.

Auf die Enddichtstopfen wird eine Axialkraft ausgeübt, wenn der Innendruck erhöht wird, wodurch eine Druckspannung in axialer Richtung erzeugt wird, um das Rohr zu verformen. Der Druck wird typischerweise mit einem Druckübersetzer gemäß den durch die Umformsimulation identifizierten Prozessparametern genau geregelt.

Prozessparameter

Prozessparameter werden durch Simulation und experimentelle Mittel ermittelt und versuchen, ein Gleichgewicht zwischen Flüssigkeitsdruck und Axialkraft herzustellen, um eine „Arbeitszone“ zu bestimmen, in der das Teil optimal ohne Knicken, Bersten oder Dichtungsfehler hergestellt wird.

Die wichtigsten Prozessvariablen beim Rohr-Hydroforming-Prozess sind die Einstellung des Flüssigkeitsdrucks, der axiale Druck oder die Verschiebung des Verschlussstopfens, die Schmierung und in einigen Fällen die Temperatur. Manchmal sind Vorformprozesse erforderlich, die das Rohr in bestimmten Bereichen flachdrücken, damit das Rohr richtig in das Hydroformwerkzeug passt. Eine Vorform wird auch verwendet, um die Rohrenden so zu formen, dass sie einem Verschlussstopfen entsprechen, der die gleiche Querschnittsform wie das fertig geformte Teil haben kann.

Beim Innenhochdruckumformen von Rohren gibt es zwei Hauptpraktiken, die als „Hochdruck“ und „Niederdruck“ bekannt sind.

Bei Hochdruckumformsystemen wird das Rohr vor der Druckbeaufschlagung des Rohres vollständig von einer Matrize umschlossen. Das Rohr hat im Allgemeinen einen etwas kleineren Umfang als die Matrize, um ein Falten oder Knicken zu verhindern. Der hohe Innendruck ermöglicht es dem Rohr, sich an die Werkzeugform anzupassen, wobei sich das Rohr innerhalb der Umformgrenzen des Materials ausdehnt. Die Materialausdehnung führt in der Regel zu einer Materialverdünnung und sogar zu Materialspaltungen, wenn die Umformgrenze überschritten wird. Der Hochdruckprozess ist im Allgemeinen auf Materialien mit geringerer Festigkeit und höherer Umformbarkeit beschränkt und erfordert eine gründliche Simulationsanalyse, um sicherzustellen, dass keine Risse auftreten.

Bei Niederdruck-Umformsystemen wird das Rohr während des Schließens der Matrize leicht unter Druck gesetzt, wodurch das Rohr beim Schließen der Matrize die Form der Matrize annimmt. Der Prozess beginnt damit, dass das Rohr mit Druckflüssigkeit gefüllt wird und dann die Schließkraft der Presse verwendet wird, um das Rohr zu formen. Da das Rohr direkt die runde Form ohne Expansion formt, können höherfeste, niedrigere Materialien im Vergleich zum Hochdruckverfahren geformt werden. Beim „Niederdruck“-Verfahren ist eine Umformsimulation weniger erforderlich, da die Wahrscheinlichkeit einer Materialspaltung sehr gering ist. Der Umfang der Teilekonstruktion muss jedoch sehr genau mit dem Umfang des ursprünglichen Rundrohrs übereinstimmen.

Niederdruckanwendungen erfordern kleinere Pressen, verbrauchen weniger Energie, haben kürzere Zykluszeiten und beanspruchen weniger Stellfläche.

So ermitteln Sie den erforderlichen Druck zum Aufweiten von Metallrohren:

Pmax = Rm.t/R
Rm = Zugfestigkeit des Materials
t = Nennwandstärke
R = Radius der Matrizenkavität im Bereich, in dem das Rohr aufgeweitet werden soll
Pmax = Umformdruck

So ermitteln Sie die Schließkraft im Rohr-Hydroforming-Verfahren:

Stößelkraft = Pmax · Rohrlänge · Rohrinnendurchmesser (ungefähr)
Stößelkraft = Pmax · projizierte Fläche der Rohrinnenseite basierend auf CAD (genau)

Der vom Pressenstößel ausgeübte Druck muss die Kraftwirkung ausgleichen, die durch den im rohrförmigen Rohling wirkenden hydraulischen Druck erzeugt wird.

So ermitteln Sie die axiale Dichtkraft in den Rohrdichtstopfen:

Die Axialkraft auf den Verschlussstopfen hat drei Zwecke:

Halten Sie den Kontakt zum Ende des Schlauchs aufrecht, um den Schlauch für die Druckbeaufschlagung abzudichten
Üben Sie eine Druckspannung auf das Ende des Rohres aus, um das Rohr in die erweiterten Bereiche einzuführen

Überwinden Sie die hydraulische Kraft des Innendrucks auf den Verschlussstopfen
Zur Berechnung: Ermitteln Sie die Summe der Kräfte, die der erforderlichen Druckspannung am Rohrende und der hydraulischen Kraft aufgrund des inneren Umformdrucks entsprechen.

Fs=[ (dt)·t·Rc]+[Pmax· π (d-2t)2/4]
Fs= Dichtstopfenkraft
d = Rohrdurchmesser
t = Wandstärke
Rc = erforderliche Druckspannung am Rohrende

Zusätzliche Prozessschritte, die beim Rohr-Hydroforming zu berücksichtigen sind:

Eindicken und Ausdünnen sind bei jedem Kaltumformprozess üblich und können durch die Einstellung genauer Parameter verhindert oder innerhalb der Materialgrenzen gehalten werden. Obwohl diese Probleme durch die Optimierung der Prozessparameter gelöst werden können, gibt es eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen, die berücksichtigt werden müssen:

  1. Position der Rohrbiegung: Beim Rohr-Hydroforming verringert eine Konstruktion mit Biegungen in der Nähe des Rohrendes die Fähigkeit der axialen Vorschubbewegung, Material zu ersetzen, das während der Rohrexpansion dünner wird. Die Rohraufweitung mit Endzuführung ist nur zwischen Rohrende und erstem Bogen sinnvoll. Zweitens muss für wirtschaftliches Biegen eine gerade Rohrlänge zwischen den Biegungen vorhanden sein. Die minimale gerade Länge beträgt das 1,5-fache des Rohrdurchmessers. Geringere gerade Längen sind möglich, erfordern jedoch konturierte Spannbacken am Bieger
  2. Biegungen mit kleinem Radius: Materialänderungen, die beim Rohrbiegeprozess auftreten, können Auswirkungen auf die Formbarkeit während des Hydroformprozesses haben. Wenn der Biegeradius weniger als das 1,5-fache des Rohrdurchmessers beträgt, ist es wichtig, die Materialverdünnung entlang der Außenseite der Biegung zu bewerten.
  3. Scharfe Querschnittsradien: Je kleiner der Radius, desto mehr Druck wird zum Umformen benötigt und je komplexer der Prozess, desto höher der Umformdruck und desto höher die Werkzeugkräfte. Ein höherer Umformdruck erfordert eine Presse mit höherer Tonnage, die mit höheren Kosten verbunden ist.
    Als Faustregel gilt, die Radien beim Hochdruckverfahren auf mindestens das Drei- bis Vierfache der Materialstärke und beim Niederdruckverfahren auf das Siebenfache oder mehr zu halten.
  4. Übermäßiges Ausbeulen: Die physikalische Ausdehnung des Materials hängt von den Materialeigenschaften, aber auch von der anfänglichen Rohrgröße und der endgültigen Geometrie ab. Eine gute Möglichkeit, den größten Dehnungspunkt abzuschätzen, bevor das Material versagt, ist die Durchführung einer Umformsimulation.

Hydroforming von Blechen

Das Hydroforming von Blechen gilt in den USA seit den 1940er Jahren als Standard-Fertigungsgerät, obwohl seine Geschichte viel weiter zurückreicht. Im Laufe seiner Entwicklung hat das Hydroforming von Blechen seine Fähigkeit für tiefere Ziehungen stark verbessert. Hydroforming-Maschinen können jetzt ±0,002 Zoll bei Ziehtiefen von ±2 Prozent erreichen.

Das Hydroforming von Blechen arbeitet mit einem Werkzeug anstelle von zwei, was die Werkzeugkosten im Vergleich zu anderen Kaltumformverfahren reduziert.

Als Platinen dienen beim Hydroforming-Verfahren gewalzte Bleche, deren Größe und Form durch Simulationsergebnisse bestimmt werden, die zur Ermittlung von Prozessparametern zur Optimierung des Materialflusses durchgeführt werden.

Das Hydroforming von Blechen wird typischerweise unter Verwendung eines Hohlraumgesenks oder eines Stempels durchgeführt. Das Stanz-Hydroforming wird auch als hydromechanisches Tiefziehen bezeichnet. Um zu entscheiden, ob ein Stempel oder eine Kavität verwendet wird, müssen die geometrische Komplexität und die Ziehtiefe des umzuformenden Teils berücksichtigt werden.

Kavitätenmatrizen werden ausgewählt, wenn ein Teil komplizierte Oberflächenmerkmale wie Ausbuchtungen und Stanzungen aufweist, sind anwendbar, wenn ein Teil eine zylindrische Geometrie und eine einfache Oberfläche hat. Stanzpressen sind größenmäßig nachteilig, da sie meist eine kleinere Bettgröße haben und nur einfachere Formen zeichnen können. Die Vorteile sind tiefere Züge und weniger Materialausdünnung.

superplastic forming
HFP2 3000 Tonnen Hydroforming-Presse

Prozessparameter

Zu den wichtigsten Prozessparametern zählen der Druck, der zeitliche Druckverlauf und die Temperatur, wobei beim Stanz-Hydroforming-Verfahren auch der Stempelversatz zu berücksichtigen ist.

So ermitteln Sie die erforderliche Kraft zum Verformen von Blechen:

F = (UTS)
T = Blechdicke
W = Breite der Matrizenöffnung
L = Gesamtlänge der Biegung
UTS = Zugfestigkeit des Materials


Setup-Variablen:

  • Die Verwendung von Abstandshaltern oder Perlen.
  • Der Druck für den Gegenstempel, ggf.
  • Haltekraft des Rohlings (in Fällen, in denen der Rohling physisch gehalten wird).
  • Schmierzustand und Reibung.
    Leere Form.
  • Die Verwendung einer Blase oder des direkten Flüssigkeitskontakts (DFC).

Blase versus direkter Flüssigkeitskontakt (DFC)

Das Hydroformen von Blechen kann mit einer flexiblen Blase durchgeführt werden, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit mit dem Rohling in Kontakt kommt, oder mit Flüssigkeit, die in direktem Kontakt mit dem Material steht, was häufig Sekundärprozesse wie Entfetten erfordert und zu einer besseren Oberflächenqualität führt.

Blasen verhindern die Vermischung des Schmiermittels mit dem Arbeitsmedium und ermöglichen den Einsatz bestimmter Umformtechniken, wie zum Beispiel kreisförmige Druckübersetzer, die Radien verengen können. Ohne die Blase wäre dies nicht möglich, da die Blase verhindert, dass die Flüssigkeit um den Druckübersetzer herum austritt, anstatt eine feste Kraft auszuüben.

Obwohl Blasen gegenüber DFC-Prozessen sicherlich Vorteile haben, hat die Blase eine begrenzte Lebensdauer und muss bei Bruch repariert werden, was die Prozesseffizienz verringert. Es erfordert auch schwerere Pressen. Unabhängig davon, welches gewählt wird, hat es jedoch wenig Einfluss auf das Ziehverhältnis.

Hydroforming-Anwendungen

Rohr-Hydroforming wird typischerweise für Anwendungen wie Fahrzeugaufhängungsträger, A-Säulen, Karosseriestrukturkomponenten, Abgaskomponenten, rotierende Motorkomponenten und Stoßfänger ausgewählt. Rohr-Hydroforming ermöglicht Bauteile mit variablen Querschnitten ohne die Notwendigkeit von Sekundärprozessen wie Schweißen. Dies reduziert die Anzahl der Komponenten, die zur Herstellung des endgültigen Teils erforderlich sind.

Hydroforming von Platten ist wegen der Formbarkeit und Oberflächengüte attraktiv, die es als endkonturnaher Herstellungsprozess erreichen kann. Es wird zur Herstellung von Türverkleidungen, Dächern und seitlichen Kotflügeln der Karosserie verwendet.

Materialien

Unterschiedliche Metalle führen in unterschiedlichen Prozessen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Somit spielt die Materialwahl eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Prozessparameter für Hydroforming-Prozesse. Je fester das Material ist, desto größer ist beispielsweise der Druck, der erforderlich ist, um die gewünschten Geometrien zu erzeugen.

Materialien, die in anderen Kaltumformprozessen verwendet werden, können hydrogeformt werden, einschließlich Aluminium, Messing, Stahl, Edelstahl, Kupfer, Inconel, Exoten wie Hastelloy und Hochnickelstähle, Kobalt, Blei, verzinkter Stahl und Bronze.

Spezifische Werkstoffeigenschaften, die für den Hydroforming-Prozess günstig sind, sind hohe Duktilität, gleichmäßige Dehnung, ein großer Kaltverfestigungskoeffizient, feines Korngefüge und ein deutlicher Unterschied zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit.

Materialformbarkeit und erforderlicher Druck:

Bei der Berechnung der Prozessparameter sind die interessierenden Materialeigenschaften die Zugfestigkeit (UTS), die konventionelle Streckgrenze, die proportionale Dehnung unter der maximalen Kraft und die Gesamtdehnung unter der maximalen Kraft.

Im Vergleich zu anderen traditionellen Pressverfahren wie dem Stanzen eignet sich das Hydroforming besser für die Verarbeitung von Metallen wie Titan, Kupfer und anderen Nickellegierungen. Stahl mit hoher Dehnung schneidet besser ab als Baustahl, hat aber auch einen höheren Preis. Ebenso ermöglichen Materialien wie Edelstahl aufgrund seiner Formbarkeit und Duktilität tiefere Ziehungen als andere Materialien.

Chrom-Warmarbeitsstahl hat eine Arbeitshärte zwischen 400 und 500 HV, was ihn zu einem duktilen und zähen Werkzeugstahl macht, da er einer anhaltenden Temperaturbelastung von bis zu 540 Grad Celsius standhält und dabei eine Zugfestigkeit von ~5 MPa aufrechterhalten kann Temperatur. Aluminium- und Magnesium-Knetlegierungen bieten die höchste Festigkeit nicht behandelbarer Legierungen mit einer UTS von 230-280 MPa und einer Zugstreckgrenze von 130-180 MPa.

Vorteile des Hydroforming

Der Hauptvorteil von Hydroform ist die Teilekonsolidierung, mehrere Komponenten können zu einem einzigen Teil umgestaltet werden, wodurch Montage- und Schweißprozesse reduziert oder eliminiert werden. In vielen Anwendungen wird die Festigkeit und Steifigkeit der Teile erhöht, da der Querschnitt homogen ist und nicht bei geschweißten Halbschalen. Viele der neueren Hydroform-Systeme reduzieren die Kosten weiter, indem sie das Rohr durchgehend formen und den Prozessabfall der abgeschnittenen Rohrenden eliminieren.

Der Hydroforming-Prozess hat den Vorteil, dass der Druck basierend auf dem optimierten Lastpfad und anderen Prozessparametern gesteuert und variiert werden kann. Der Druck des Fluids wird auch gleichmäßig über die gesamte Rohlingoberfläche aufgebracht, um eine gleichmäßige Materialausdehnung zu fördern und eine Umformkraft in Richtungen entgegen der Umformrichtung bereitzustellen, um die Erzeugung zusätzlicher markanter Merkmale zu ermöglichen.

Wie bei anderen Kaltumformverfahren führt das Hydroforming zu einer hohen Kaltverfestigung, die die Streckgrenze des Grundwerkstoffs erhöht.

Hydrogeformte Komponenten sind leichter, steifer und fester als montierte Stanzteile und werden aus diesem Grund häufig in Fahrzeugdachreling verwendet, um ein Eindrücken des Daches bei einem Fahrzeugüberschlag zu verhindern.