Hidroformado 101

Una introducción

El hidroconformado es un proceso de fabricación de metal rentable que puede formar geometrías complejas en piezas de base tubular y embutidos profundos extendidos en piezas de chapa metálica.

Las piezas hidroformadas permiten la consolidación de piezas, el número reducido de subcomponentes reduce los costes de montaje y aumenta la resistencia y rigidez del montaje final. Las tolerancias diferirán según la aplicación elegida y el tamaño del componente, pero en general el hidroformado es capaz de tolerancias reducidas en comparación con los métodos tradicionales de estampado / ensamblaje.

La mayoría de las piezas que se pueden formar usando hidroformado también se pueden crear usando otros procesos de conformado o con fabricación de múltiples componentes, por lo que es importante considerar los costos, ventajas y desventajas de cada uno. El hidroconformado generalmente será viable cuando se pueda utilizar para reducir el número de piezas componentes en un conjunto fabricado.

Torsional Rigidity & Dimensional Accuracy Hydroformed
Prensa de hidroconformado de láminas de 3000 toneladas HFP4

El proceso

El proceso de hidroconformado emplea una prensa hidráulica con una matriz especializada, combinada con un agua integrada y sistemas de control para fluido a alta presión, lo que hace que la pieza en bruto de metal confirme la forma y los contornos de la matriz.

Los parámetros del proceso dependen de la aplicación y la selección del material, pero como ejemplo para el hidroformado de láminas, se estima que la fuerza de sujeción requerida para deformar el metal en piezas automotrices como techos, capotas y otros paneles está entre 5,000 y 10,000 toneladas estadounidenses.

Para el hidroformado de tubos, existen métodos de proceso de alta y baja presión. Las aplicaciones de baja presión suelen utilizar una presión inferior a 700 bar y requieren prensas de hasta 2500 toneladas. Las aplicaciones de alta presión suelen utilizar presiones de hasta 1.500 bar y requieren prensas de hasta 10.000 toneladas. Existen sistemas especializados que llegan hasta los 4.000 bar, requiriendo equipos especializados y prensas de mayor tonelaje.

La selección del material es importante para establecer los parámetros del proceso, ya que los materiales que se pueden formar están limitados (análisis de elementos finitos “FEA”) por sus características de conformabilidad y los requisitos de la forma final de la pieza. Los avances en los procesos de hidroformado han hecho factible la formación de materiales de bajo alargamiento, como el aluminio y los aceros de alta resistencia.

La temperatura también influye en el cálculo de las fuerzas de conformado requeridas y los límites de conformabilidad del material. Con las operaciones de conformado en frío como el hidroconformado, se requiere más fuerza para los materiales a temperatura ambiente, ya que son menos maleables.

El hidroconformado ha sido típicamente un proceso de conformado en frío, pero el hidroconformado en caliente se está volviendo cada vez más común. El hidroformado tibio utiliza fluidos a temperaturas de unos cientos de grados por encima de las condiciones ambientales. Este proceso es más costoso en general, dada la complejidad del proceso. Si las temperaturas superan los 350 grados Celsius, se usa gas en lugar de un fluido.

La simulación de conformado de hidroformado de metal a menudo se realiza utilizando métodos comunes de análisis de viabilidad de conformado de chapa metálica. Además, mediante el uso de ventanas de proceso y cálculos de ruta de carga, se pueden establecer parámetros de proceso.

Las ventanas de proceso y las rutas de carga se desarrollan a partir de simulaciones (análisis de elementos finitos “FEA”) y experimentación, utilizando las propiedades del material y la geometría de las piezas que se están produciendo. Las ventanas de proceso ofrecen un rango de valores, que se muestran gráficamente para instruir al sistema de prensa sobre la trayectoria de presión versus desplazamiento a seguir durante el proceso de conformado. El controlador de proceso utilizará la secuencia de valores para determinar cuánta presión de fluido (y fuerza axial en el caso del hidroformado de tubos) se requiere en la aplicación.

Los diagramas de límites de formación proporcionan una vista sin máquina de las capacidades del proceso. Se producen analizando la forma en que un material se estirará durante la operación de hidroconformado y permite definir los parámetros del proceso a través de la observación de los límites del material y el proceso.

Otra consideración que tendrá implicaciones en los parámetros del proceso es la interacción de las superficies y los lubricantes, que jugarán un papel en el desempeño del proceso de hidroconformado en general. El objetivo suele ser reducir la fricción para permitir el flujo de material, pero la fricción puede ser útil para el proceso al controlar el flujo de material y evitar su adelgazamiento en áreas importantes.

Categorías de hidroconformado

Hay dos categorías distintas de hidroconformado: tubo y lámina, nombradas así por la geometría en blanco utilizada en el proceso. Estas categorías se pueden dividir en subcategorías con distintos procesos con diferentes variables de proceso y requisitos de equipo.

  • Tubo: electrohidráulico, THF de alta presión, hidroconformado de tubo de gas caliente, hidroconformado híbrido, impulsivo, hidroconformado, THF de baja presión, expansión de tubo, hidroconformado en caliente, con contrapunzón.
  • Sábana:
    • Cavidad: Doble Blank, Electrohidráulico, Hidroformado de gas caliente, Hidroformado impulsivo, Troquel móvil / Contrapunzonado, Multifase, Hidroformado en caliente.
    • Perforadora: Hidroformado de gas caliente, doble blanqueador híbrido, hueco simple híbrido, hidroformado impulsivo, multietapa, hidroformado en caliente.

Los tiempos de ciclo suelen oscilar entre 15 segundos y más de 1 minuto, según la complejidad del componente. La presión dependerá de la aplicación y el material, pero se requiere una mayor fuerza en el proceso de hidroconformado de la hoja dadas las áreas de superficie activa más grandes en blanco.

Hidroformado de tubos

Históricamente, el hidroformado de tubos se reservaba para la producción de piezas de plomería, pero con el paso de los años se expandió para incluir otras aplicaciones. El proceso se caracteriza por la aplicación de presión de fluido en el interior de un tubo que se sujeta mediante matrices. Los troqueles se cierran en el tubo, los extremos se sellan y el tubo se llena con fluido hidráulico a presiones predeterminadas que obligarán al tubo a adaptarse a los troqueles.

Se aplica fuerza axial a los tapones de sellado de los extremos a medida que aumenta la presión interna, creando una tensión de compresión en la dirección axial para deformar el tubo. La presión se controla típicamente con precisión con un intensificador de presión de acuerdo con los parámetros del proceso identificados por la simulación de formación.

Parámetros de proceso

Los parámetros del proceso se establecen mediante simulación y medios experimentales y buscan establecer un equilibrio entre la presión del fluido y la fuerza axial para determinar una “zona de trabajo” donde la pieza se producirá de manera óptima sin pandeo, estallido o fallas en el sello.

Las principales variables del proceso en el proceso de hidroformado de tubos son los ajustes de presión del fluido, la presión axial o el desplazamiento del tapón de sellado, la lubricación y, en algunos casos, la temperatura. A veces es necesario un proceso de preformado que aplana el tubo en ciertas áreas para que el tubo encaje correctamente en el troquel hidroformado. La preforma también se utiliza para dar forma a los extremos de los tubos para que coincidan con un tapón de sellado que puede tener la misma forma de sección transversal que la pieza formada final.

Hay dos prácticas principales en el hidroformado de tubos, conocidas como “alta presión” y “baja presión”.

En los sistemas de formación de alta presión, el tubo está completamente encerrado en una matriz antes de la presurización del tubo. El tubo generalmente tiene una circunferencia ligeramente más pequeña que el troquel para evitar arrugas o pandeo. La alta presión interna permite que el tubo confirme la forma de la matriz con la expansión del tubo dentro de los límites de formación del material. La expansión del material generalmente da como resultado un adelgazamiento del material e incluso el material se divide si se excede el límite de formación. El proceso de alta presión generalmente se limita a materiales de menor resistencia y mayor conformabilidad y requiere un análisis de simulación exhaustivo para garantizar que no se produzcan divisiones.

En los sistemas de formación de baja presión, el tubo se presuriza ligeramente durante el cierre de la matriz, lo que hace que el tubo confirme la forma de la matriz a medida que la matriz se cierra. El proceso comienza llenando el tubo con fluido presurizado y luego usando la fuerza de cierre de la prensa para formar el tubo. Dado que las formas del tubo forman directamente la forma redonda, la forma de la pieza sin expansión, se pueden formar materiales más bajos y de mayor resistencia en comparación con el proceso de alta presión. Con el proceso de “baja presión” hay menos necesidad de simulación de conformado porque hay muy pocas posibilidades de que el material se parta. Sin embargo, la circunferencia del diseño de la pieza debe coincidir muy exactamente con la circunferencia del tubo redondo original.

Las aplicaciones de baja presión requieren prensas más pequeñas, consumen menos energía, tienen tiempos de ciclo más cortos y ocupan menos espacio en el piso.

Cómo determinar la presión requerida para expandir los tubos metálicos:

Pmax = Rm.t / R
Rm = La resistencia a la tracción del material
t = Espesor nominal de la pared
R = El radio de la cavidad de la matriz en el área donde se expandirá el tubo.
Pmax = presión de formación

Cómo determinar la fuerza de cierre en el proceso de hidroformado de tubos:

Fuerza de ariete = Pmax · longitud del tubo · diámetro interior del tubo (aproximado)
Fuerza de ariete = Pmax · área proyectada del interior del tubo según CAD (precisa)

La presión ejercida por el pistón de la prensa debe equilibrar el efecto de la fuerza creada por la presión hidráulica que actúa dentro de la pieza en bruto tubular.

Cómo determinar la fuerza de sellado axial en los tapones de sellado del tubo:

La fuerza axial en el tapón de sellado tiene tres propósitos:

Mantenga el contacto con el extremo del tubo para sellar el tubo para la presurización.
Impartir una tensión de compresión en el extremo del tubo para alimentar el tubo en las áreas expandidas

Supere la fuerza hidráulica de la presión interna en el tapón de sellado
Para calcular: Determine la suma de las fuerzas correspondientes a la tensión de compresión requerida en el extremo del tubo y la fuerza hidráulica debida a la presión de formación interna.

Fs = [π (dt) · t · Rc] +[Pmax· π (d-2t)2/4]
Fs = fuerza del obturador del sello
d = diámetro del tubo
t = espesor de la pared
Rc = esfuerzo de compresión requerido en el extremo del tubo

Pasos adicionales del proceso a considerar en el hidroformado de tubos:

El espesamiento y el adelgazamiento son comunes a cualquier proceso de conformado en frío y, al establecer parámetros precisos, se puede evitar que ocurra o se mantenga dentro de los límites del material. Si bien estos problemas se pueden manejar optimizando los parámetros del proceso, hay una serie de características de diseño que requieren consideración:

  1. Ubicación de la curva del tubo: en el hidroformado de tubos, un diseño con curvas cerca del extremo del tubo reduce la capacidad del movimiento de alimentación axial para reemplazar el material que se adelgaza durante la expansión del tubo. La expansión del tubo con alimentación final solo es práctica entre el extremo del tubo y la primera curva. En segundo lugar, para un curvado económico, es necesario que haya un tramo recto de tubo entre los dobleces. La longitud recta mínima es 1,5 veces el diámetro del tubo. Son posibles longitudes rectas inferiores a estas, pero requieren troqueles de sujeción contorneados en la dobladora
  2. Curvas de radio pequeño: los cambios de material que tienen lugar en el proceso de curvado de tubos pueden tener implicaciones en la capacidad de formación durante el proceso de hidroformado. Cuando el radio de curvatura es menos de 1,5 veces el diámetro del tubo, es importante evaluar el adelgazamiento del material a lo largo del exterior de la curvatura.
  3. Radios de sección transversal afilados: cuanto más pequeño es el radio, más presión se requiere para formarlo y cuanto más complejo será el proceso, mayor será la presión de formación y las fuerzas de la matriz. Una presión de formación más alta requiere una prensa de mayor tonelaje, lo que conlleva un mayor gasto.
    Una regla general es mantener los radios al menos tres o cuatro veces el espesor del material para procesos de alta presión y siete veces o más para procesos de baja presión.
  4. Abultamiento excesivo: la expansión física del material depende de las propiedades del material, pero también del tamaño inicial del tubo y la geometría final. Una buena forma de estimar el mayor punto de expansión antes de que falle el material es realizar una simulación de conformado.

Hidroformado de láminas

El hidroformado de láminas se ha considerado un equipo de fabricación estándar en los EE. UU. Desde la década de 1940, aunque su historia se remonta mucho más atrás. A lo largo de su evolución, el hidroformado de láminas ha mejorado enormemente su capacidad para embutidos más profundos. Las máquinas de hidroconformado ahora pueden alcanzar ± 0,002 de pulgada con profundidades de extracción de ± 2 por ciento.

El hidroformado de láminas funciona con una herramienta en lugar de dos, lo que reduce el costo de la matriz en comparación con otros procesos de conformado en frío.

La chapa laminada, cortada a medida, sirve como espacios en blanco en el proceso de hidroconformado de chapa, cuyo tamaño y forma se determinan mediante los resultados de las simulaciones que se realizarán para determinar los parámetros del proceso para optimizar el flujo de material.

El hidroformado de láminas se realiza típicamente utilizando un troquel de cavidad o un punzón. El hidroformado por punzón también se conoce como embutición profunda hidromecánica. Para determinar si se utilizará un punzón o una cavidad, se deberá considerar la complejidad geométrica y la profundidad de dibujo de la pieza que se está formando.

Los troqueles de cavidad se seleccionan si una pieza tiene características de superficie complicadas como protuberancias y punzones son aplicables si una pieza tiene una geometría cilíndrica y una superficie simple. Las prensas perforadoras son desventajosas desde la perspectiva del tamaño, ya que generalmente tienen un tamaño de cama más pequeño y solo pueden dibujar formas más simples. Las ventajas son estiramientos más profundos y menos adelgazamiento del material.

superplastic forming
Prensa de hidroconformado de láminas de 3000 toneladas HFP2

Parámetros de proceso

Los parámetros clave del proceso incluyen la presión, la variación de la presión a lo largo del tiempo y la temperatura, aunque cuando se utiliza un proceso de hidroconformado de punzón, también se debe considerar el desplazamiento del punzón.

Cómo determinar la fuerza necesaria para deformar la chapa:

F = (UTS)
T = Espesor de la hoja
W = Ancho de la abertura de la matriz
L = Longitud total de la curva
UTS = Resistencia máxima a la tracción del material

Variables de configuración:

  • El uso de espaciadores o abalorios.
  • La presión para el contragolpe, si corresponde.
  • Fuerza de sujeción de la pieza en bruto (en casos en los que la pieza en bruto se mantiene físicamente).
  • Estado de lubricación y fricción.
    Forma en blanco.
  • El uso de vejiga o contacto directo con fluidos (DFC).

Vejiga versus contacto directo con líquidos (DFC)

El hidroformado de láminas se puede realizar usando una vejiga flexible para evitar que el fluido entre en contacto con la pieza en bruto, o usando fluido que está en contacto directo con el material, lo que a menudo conduce a la necesidad de procesos secundarios como desengrasado y da como resultado una mejor calidad de la superficie.

Las vejigas evitan que el lubricante se mezcle con el fluido de trabajo y permiten el uso de ciertas técnicas de formación, como los intensificadores de presión circular que pueden apretar los radios. Sin la vejiga, esto no sería posible ya que la vejiga evita que el líquido se filtre alrededor del intensificador de presión, en lugar de aplicar una fuerza firme.

Si bien existen ciertamente ventajas de los procesos de vejiga frente a DFC, la vejiga tiene una vida útil limitada y deberá repararse cuando se rompa, lo que reduce la eficiencia del proceso. También requiere prensas más pesadas. Independientemente de cuál se elija, sin embargo, tendrá poco impacto en la relación de estirado.

Aplicaciones de hidroconformado

El hidroformado de tubos se selecciona típicamente para aplicaciones tales como soportes de suspensión de automóviles, pilares A, componentes de la estructura de la carrocería, componentes del escape, componentes del motor giratorio y parachoques. El hidroformado de tubos permite componentes con secciones transversales variables sin la necesidad de procesos secundarios, como la soldadura. Esto reduce el número de componentes necesarios para producir la pieza final.

El hidroformado de láminas es atractivo debido a la conformabilidad y el acabado superficial que puede lograr como un proceso de fabricación de forma casi neta. Se utiliza para producir paneles de puertas, techos y guardabarros laterales de carrocería.

Materiales

Los diferentes metales producirán diferentes resultados en diferentes procesos. Por lo tanto, la elección del material juega un papel importante en la determinación de los parámetros del proceso para los procesos de hidroconformado. Por ejemplo, cuanto más fuerte es el material, mayor es la presión requerida para producir las geometrías deseadas.

Los materiales que se utilizan en otros procesos de conformado en frío pueden ser hidroformados, incluyendo aluminio, latón, acero, acero inoxidable, cobre, Inconel, exóticos como Hastelloy y aceros con alto contenido de níquel, cobalto, plomo, acero recubierto de zinc y bronce.

Las características específicas del material que son beneficiosas para el proceso de hidroconformado son alta ductilidad, alargamiento uniforme, un gran coeficiente de endurecimiento por deformación, estructura de grano fino y una diferencia significativa entre el rendimiento y la resistencia a la tracción.

Formabilidad del material y presión requerida:

En el cálculo de los parámetros del proceso, las propiedades del material de interés son la resistencia máxima a la tracción (UTS), el límite elástico convencional, el alargamiento proporcional bajo la fuerza máxima y el alargamiento total por debajo de la fuerza máxima.

En comparación con otros procesos de prensado tradicionales, como el estampado, el hidroformado es más adecuado para procesar metales como el titanio, el cobre y otras aleaciones con alto contenido de níquel. El acero de alto alargamiento funciona mejor que el acero dulce, pero también tiene un precio más alto. Asimismo, materiales como el acero inoxidable permitirán embutidos más profundos que otros materiales debido a su conformabilidad y ductilidad.

El acero para trabajo en caliente al cromo tiene una dureza de trabajo de entre 400 y 500 HV, lo que lo convierte en un acero para herramientas dúctil y resistente, ya que tiene la capacidad de resistir la exposición continua a temperaturas de hasta 540 grados Celsius y puede mantener niveles de resistencia a la tracción de ~ 5MPa en este temperatura. Las aleaciones forjadas de aluminio y magnesio ofrecen la mayor resistencia de las aleaciones no tratables con un UTS de 230-280 MPa y un rendimiento a la tracción de 130-180 MPa.

Ventajas del hidroconformado

La principal ventaja del hidroformado es la consolidación de piezas, los componentes múltiples se pueden rediseñar como una sola pieza, reduciendo o eliminando los procesos de ensamblaje y soldadura. En muchas aplicaciones, la resistencia y la rigidez de las piezas aumentan porque la sección transversal es homogénea en lugar de medias carcasas soldadas. Muchos de los sistemas hidroformados más nuevos reducen aún más los costos al formar el tubo de extremo a extremo y eliminar el desperdicio del proceso de los extremos de los tubos cortados.

El proceso de hidroconformado tiene la ventaja de su capacidad para controlar y variar la presión en función de la ruta de carga optimizada y otros parámetros del proceso. La presión del fluido también se aplica uniformemente a través de la totalidad de la superficie en bruto para promover la expansión uniforme del material y proporciona una fuerza de formación en orientaciones contrarias a la dirección de formación para permitir la creación de características prominentes adicionales.

Al igual que otros procesos de conformado en frío, el hidroconformado da como resultado altos niveles de endurecimiento por trabajo, lo que aumenta el límite elástico del material base.

Los componentes hidroformados son más livianos, más rígidos y más fuertes que las piezas de estampación ensambladas y, por esta razón, se utilizan a menudo en los rieles del techo de automóviles para evitar que el techo se aplaste en caso de vuelco del vehículo.