Prensas hidráulicas de conformado superplástico (SPF)

Introducción

La superplasticidad es una característica de los metales o sus aleaciones, que se vuelven más maleables a altas temperaturas. Debido a esta característica, las aleaciones se pueden estirar en tamaños mucho más grandes, produciendo componentes livianos de alta resistencia con geometrías complejas.

En el proceso de formación de superplásticos (SPF), las láminas de metal se exponen a gases inertes como el argón (extremadamente puro) dentro de un sistema de vacío. El gas se aplica uniformemente a la hoja sobre la cavidad de la matriz. El material se moldea sobre moldes para producir las piezas necesarias, incluidas estructuras tridimensionales como estructuras huecas o de panal. Se utilizan presiones de gas variables para asegurar que se logre el espesor deseado.

Prensa de conformado superplástica de 400 toneladas

Materiales y aplicaciones

La superplasticidad se encuentra en varios materiales, incluidos metales y aleaciones, cerámicas, vidrios metálicos a granel y materiales geológicos. El aluminio se vuelve superplástico a temperaturas superiores a 500 grados Celsius y el titanio a temperaturas superiores a 900 grados Celsius. También están surgiendo nuevas aleaciones en el mercado, que exhibe superplasticidad incluso a temperaturas más bajas.

Materiales como estos permiten hojas más delgadas, mejorando tanto la vida útil de los moldes como las piezas y reduciendo el peso y el costo de los componentes. En comparación con los métodos de conformado tradicionales, SPF ofrece ahorros de material (> 10%), costes de herramientas reducidos (> 20%), plazos de entrega más cortos y resistencia mejorada de la pieza.

Una de las ventajas más importantes de SPF es la capacidad de producir piezas más grandes, más fuertes y más ligeras que una prensa tradicional, con menos uniones y soldaduras. Esto se debe, en parte, a un material laminado particular (y secreto) que se utiliza en el proceso, como el que se utiliza en la fabricación de motores a reacción, por ejemplo.

La alta relación resistencia-peso y la resistencia a la corrosión de los componentes SPF los hacen ideales para aplicaciones de la industria aeroespacial. Las prensas SPF se utilizan en algunos de los programas de aviones comerciales más extensos del mundo para producir partes de alas, carcasas de motores, palas y timones. El SPF también se usa para componentes automotrices, dispositivos médicos, paneles arquitectónicos e incluso cabezas de palos de golf.

Un ejemplo de SPF en acción en la industria aeroespacial está en uso por parte de la fabricación líder para aeronaves, espacio y defensa, donde se utilizó la aleación Ti-6AI-4V para fabricar un marco de viga central de góndola en un solo componente, como alternativa. a los ocho elementos y 96 sujetadores requeridos anteriormente, utilizando tanto SPF como unión por difusión, resultó en un ahorro de costos del 55 por ciento y un ahorro de peso del 33 por ciento.

La unión por difusión es otro proceso, más respetuoso con el medio ambiente, que se utiliza en las industrias nuclear y aeroespacial para unir varias láminas en un entorno de vacío o gas inerte. El proceso de difusión de estado sólido permite que las moléculas de las láminas se integren a altas temperaturas y presiones, al tiempo que retienen la mayoría de las propiedades inherentes de los metales o aleaciones individuales.

Establecimiento de parámetros de proceso

El proceso SPF es muy distinto y requiere ciclos prolongados a temperaturas extremadamente altas. El tiempo medio que se tarda en fabricar una pieza a temperaturas que oscilan entre los 930 y los 970 grados Celsius es de unas 7 horas.

Una velocidad de formación lenta hace que el proceso sea ideal para aplicaciones de producción de bajo volumen, aunque es una de las desventajas del SPF. Afortunadamente, los avances en la tecnología de procesos han dado paso a un rendimiento más rápido y tiempos de ciclo mejorados, lo que hace que el SPF sea más competitivo para aplicaciones de alto volumen, como las que se usan en aplicaciones automotrices.

El siguiente cuadro generaliza algunos de los parámetros de proceso de SPF:

Parámetro Distancia
Tonelaje típico 50 – 800 toneladas
Tamaño de cama típico 60 “x 40” a 120 “a 80”
Presión de prensado típica 500 – 1000 psi
Prensa de conformado superplástico de 600 toneladas

Ejemplo :

Las especificaciones de tonelaje de las prensas SPF dependen del tamaño de la matriz y del componente. Las prensas son prácticamente mecanismos de sujeción y las velocidades no son las mismas que en una operación de prensa normal. Aparte de la presión de 500 psi requerida para abrir la prensa, el tonelaje debe ser mayor para proporcionar el efecto de sujeción adecuado.

Si la pieza tiene 50 pulgadas por 30 pulgadas de tamaño, el área de la pieza será de 1,500 pulgadas cuadradas. Tome esas 1500 pulgadas cuadradas y multiplíquelas por la presión: 500 psi equivaldría a 750,000 libras de fuerza (o 375 toneladas). Idealmente, el tonelaje de la prensa debe ser de 450 a 500 toneladas, con una velocidad de cierre rápido de alrededor de 50 pulgadas por minuto, un retorno rápido de 50 pulgadas por minuto y presionando de 1 a 5 pulgadas por minuto.

Es esencial asegurarse de que los materiales tengan un espesor uniforme en toda el área de la hoja para garantizar que se mantenga una resistencia a la tracción uniforme. El proceso también debe adaptarse a los efectos de la recuperación elástica, que tiende a ocurrir una vez que se libera la presión durante el proceso de producción.

Asimismo, el desgaste puede ocurrir cuando hay fricción y adherencia, lo que causa rugosidad localizada y otros defectos superficiales. Es particularmente cierto en el caso del aluminio cuando se calienta a un estado superplástico y está sujeto a fuerzas de compresión. Para evitar que el material intermedio se adhiera al molde, lo que provoca variaciones en el flujo del material a medida que se estira, utilice lubricación a alta temperatura para limitar la fricción y mitigar el riesgo de excoriación.

Diseño de prensa hidráulica SPF

Una prensa hidráulica diseñada específicamente para una aplicación de SPF es el núcleo de cualquier operación de SPF. Varias características clave de la prensa SPF tendrán implicaciones en los resultados del proceso:

  • Presiones de gas argón precisas y repetibles y control de temperatura multizona. Estos son elementos críticos para una operación de SPF exitosa. Para maximizar la efectividad de estos sistemas, se requiere un control de prensa flexible y repetible. Los sistemas de gestión de gas de precisión incluyen intercambiadores de calor para el enfriamiento de gas caliente durante el escape y proporcionan presiones de gas argón precisas y repetibles.
  • Las innovadoras características hidráulicas y de control permiten que el tonelaje de la prensa se incremente proporcionalmente al aumento de la presión del argón y viceversa para minimizar la carga de los sellos de la matriz.
  • Los escudos térmicos de alta eficiencia y el aislamiento cerámico son estándar en las prensas Macrodyne SPF y brindan un aislamiento óptimo de las altas temperaturas resultantes del proceso al tiempo que garantizan una larga vida útil de los componentes y la seguridad del operador.
  • Las disposiciones especializadas de guía del émbolo compuestas por un conjunto de guía de tipo émbolo central y una barra guía con compensación de temperatura / disposición antirrotación ubicada en la cruceta proporcionan una guía mejorada de la platina móvil.
  • Los sistemas de adquisición de datos de alta velocidad proporcionan un mayor acceso para procesar información variable y optimizan la integración de datos entre la prensa y las redes internas.
  • Los sistemas de control avanzados para administrar las variables del proceso, incluido el control de temperatura multizona, garantizan operaciones de conformado superplástico exitosas.
  • Soportes de rodadura para un cambio de matrices rápido y seguro. Son personalizables y están disponibles en configuraciones de matriz simple y doble para viajes de una sola dirección o tipo T.
Prensa de conformado superplástico de 175 toneladas

¿Por qué Macrodyne?

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