Hydroformage 101

Une introduction

L’hydroformage est un processus de fabrication de métal rentable qui peut former des géométries complexes dans des pièces à base tubulaire et des étirages profonds prolongés dans des pièces à base de tôle.

Les pièces hydroformées permettent la consolidation des pièces, le nombre réduit de sous-composants réduit les coûts d’assemblage et augmente la résistance et la rigidité de l’assemblage final. Les tolérances varieront en fonction de l’application choisie et de la taille du composant, mais en général, l’hydroformage est capable de tolérances réduites par rapport aux méthodes d’estampage / d’assemblage traditionnelles.

La plupart des pièces qui peuvent être formées en utilisant l’hydroformage peuvent également être créées en utilisant d’autres procédés de formage ou avec une fabrication à plusieurs composants, il est donc important de prendre en compte les coûts, les avantages et les inconvénients de chacun. L’hydroformage sera généralement viable lorsqu’il peut être utilisé pour réduire le nombre de composants dans un assemblage fabriqué.

Torsional Rigidity & Dimensional Accuracy Hydroformed
Presse d'hydroformage HFP4 3000 tonnes

Le processus

Le processus d’hydroformage utilise une presse hydraulique avec une matrice spécialisée, combinée à des systèmes intégrés d’eau et de contrôle pour fluide à haute pression, ce qui amène l’ébauche métallique à confirmer la forme et les contours de la matrice.

Les paramètres du processus dépendent de l’application et du choix du matériau, mais à titre d’exemple pour l’hydroforme en feuille, on estime que la force de serrage nécessaire pour déformer le métal en pièces automobiles telles que les toits, les capots et d’autres panneaux est comprise entre 5000 et 10000 tonnes US.

Pour l’hydroforme tubulaire, il existe des procédés de traitement haute et basse pression. Les applications basse pression utilisent généralement une pression inférieure à 700 bars et nécessitent des presses jusqu’à 2 500 tonnes. Les applications haute pression utilisent généralement des pressions allant jusqu’à 1 500 bar et nécessitent des presses jusqu’à 10 000 tonnes. Il existe des systèmes spécialisés allant jusqu’à 4 000 bars, nécessitant un équipement spécialisé et des presses de tonnage plus élevé.

La sélection des matériaux est importante pour établir les paramètres du processus car les matériaux qui peuvent être formés sont limités (analyse par éléments finis «FEA») par leurs caractéristiques de formabilité et les exigences de la forme finale de la pièce. Les progrès des procédés hydroformés ont rendu possible la formation de matériaux à faible allongement tels que l’aluminium et les aciers à haute résistance.

La température joue également dans le calcul des forces de formage requises et des limites de formabilité du matériau. Avec les opérations de formage à froid comme l’hydroformage, plus de force est requise pour les matériaux à température ambiante car ils sont moins malléables.

L’hydroformage est généralement un processus de formage à froid, mais l’hydroformage à chaud est de plus en plus courant. L’hydroformage à chaud utilise des fluides à des températures de quelques centaines de degrés au-dessus des conditions ambiantes. Ce processus est globalement plus coûteux, étant donné la complexité du processus. Si les températures dépassent 350 degrés Celsius, le gaz est utilisé à la place d’un fluide.

La simulation de formage hydroformé de métal est souvent réalisée à l’aide de méthodes d’analyse de faisabilité de formage de tôle courantes. De plus, en utilisant des fenêtres de processus et des calculs de chemin de charge, des paramètres de processus peuvent être établis.

Les fenêtres de processus et les chemins de charge sont développés à partir de simulations (analyse par éléments finis «FEA») et d’expérimentation, en utilisant les propriétés des matériaux et la géométrie des pièces produites. Les fenêtres de processus offrent une gamme de valeurs, affichées graphiquement pour indiquer au système de presse le chemin de pression par rapport au déplacement à suivre pendant le processus de formage. La séquence de valeurs sera utilisée par le contrôleur de processus pour déterminer la pression de fluide (et la force axiale dans le cas de l’hydroformage de tube) requise dans l’application.

La formation de diagrammes de limites fournit une vue sans machine des capacités du processus. Ils sont produits en analysant la façon dont un matériau va s’étirer pendant l’opération d’hydroformage et permettent de définir les paramètres du processus par l’observation des limites du matériau et du processus.

Une autre considération qui aura des implications sur les paramètres du processus est l’interaction des surfaces et des lubrifiants, qui jouera un rôle dans la performance du processus d’hydroformage dans son ensemble. L’objectif est généralement de réduire le frottement pour permettre l’écoulement du matériau, mais le frottement peut être utile au processus en contrôlant le flux de matériau et en empêchant l’amincissement du matériau dans des zones importantes.

Catégories d'hydroformage

Il existe deux catégories distinctes d’hydroformage: le tube et la feuille, du nom de la géométrie de l’ébauche utilisée dans le processus. Ces catégories peuvent être divisées en sous-catégories avec des processus distincts avec des variables de processus et des exigences d’équipement différentes.

  • Tube: électrohydraulique, THF haute pression, hyudroformage de tube de gaz chaud, hydroformage hybride, impulsif, hydroformage, THF basse pression, expansion de tube, hyudroformage chaud, avec contre-poinçon.
  • Feuille:
    • Cavité: double blanc, électrohydraulique, hydroformage à gaz chaud, hydroformage impulsif, matrice / contre-poinçon mobile, hydroformage à plusieurs étages et à chaud.
    • Poinçon: hydroformage au gaz chaud, double blanc hybride, blanc simple hybride, hydroformage impulsif, hydroformage à plusieurs étages et à chaud.

Les temps de cycle varient généralement de 15 secondes à plus d’une minute, selon la complexité des composants. La pression dépendra de l’application et du matériau, mais une plus grande force est requise dans le processus d’hydroformage de la feuille étant donné les plus grandes surfaces de flan actif.

Hydroformage de tube

Historiquement, l’hydroformage de tubes était réservé à la production de pièces de plomberie, mais au fil des ans, il s’est développé pour inclure d’autres applications. Le processus est caractérisé par l’application d’une pression de fluide à l’intérieur d’un tube qui est maintenu par des matrices. Les matrices sont fermées sur le tube, les extrémités sont scellées et le tube est rempli de fluide hydraulique à des pressions prédéterminées qui forceront le tube à se conformer aux matrices.

Une force axiale est appliquée aux bouchons d’étanchéité d’extrémité lorsque la pression interne est augmentée, créant une contrainte de compression dans la direction axiale pour déformer le tube. La pression est généralement contrôlée avec précision avec un intensificateur de pression en fonction des paramètres de processus identifiés par la simulation de formage.

Paramètres de processus

Les paramètres de processus sont établis par simulation et par des moyens expérientiels et cherchent à établir un équilibre entre la pression du fluide et la force axiale pour déterminer une «zone de travail» où la pièce sera produite de manière optimale sans flambage, éclatement ou rupture de joint.

Les principales variables de processus dans le processus d’hydroformage du tube sont les réglages de pression du fluide, la pression axiale ou le déplacement du bouchon d’étanchéité, la lubrification et, dans certains cas, la température. Des processus de préformage qui aplatissent le tube dans certaines zones sont parfois nécessaires pour que le tube s’insère correctement dans la filière hydroformée. La préforme est également utilisée pour façonner les extrémités du tube pour qu’elles correspondent à un bouchon d’étanchéité qui peut avoir la même forme de section transversale que la pièce formée finale.

Il existe deux principales pratiques d’hydroformage des tubes, appelées «haute pression» et «basse pression»

Dans les systèmes de formage à haute pression, le tube est entièrement enfermé dans une filière avant la mise sous pression du tube. Le tube est généralement légèrement plus petit en circonférence que la matrice pour éviter le froissement ou le flambage. Une pression interne élevée permet au tube de confirmer la forme de la matrice avec une expansion du tube dans les limites de formage du matériau. L’expansion du matériau entraîne généralement un amincissement du matériau et même des fissures de matériau si la limite de formage est dépassée. Le procédé haute pression est généralement limité à des matériaux de faible résistance et de formabilité plus élevée et nécessite une analyse de simulation approfondie pour s’assurer que les fissures ne se produisent pas.

Dans les systèmes de formage à basse pression, le tube est légèrement pressurisé pendant la fermeture de la matrice, ce qui amène le tube à confirmer la forme de la matrice lorsque la matrice se ferme. Le processus commence par remplir le tube de fluide sous pression, puis en utilisant la force de fermeture de la presse pour former le tube. Étant donné que les formes de tube forment directement la forme ronde, la forme de la pièce sans expansion, une résistance supérieure, des matériaux inférieurs peuvent être formés par rapport au processus haute pression. Avec le procédé «basse pression», la simulation de formage est moins nécessaire car il y a très peu de risques de fractionnement du matériau. Cependant, la circonférence de la conception de la pièce doit correspondre très précisément à la circonférence du tube rond d’origine.

Les applications basse pression nécessitent des presses plus petites, elles consomment moins d’énergie, ont des temps de cycle plus courts et occupent moins d’espace au sol.

Comment déterminer la pression nécessaire pour dilater les tubes métalliques:

Pmax = Rm.t / R
Rm = La résistance à la traction du matériau
t = épaisseur de paroi nominale
R = Le rayon de la cavité de la matrice dans la zone où le tube doit être expansé
Pmax = pression de formage

Comment déterminer la force de fermeture dans le processus d’hydroformage du tube:

Force de poussée = Pmax · longueur du tube · diamètre intérieur du tube (approximatif)
Force de poussée = Pmax · surface projetée de l’intérieur du tube basée sur la CAO (précise)

La pression exercée par le vérin de presse doit équilibrer l’effet de la force créée par la pression hydraulique agissant à l’intérieur de l’ébauche tubulaire.

Comment déterminer la force d’étanchéité axiale dans les bouchons d’étanchéité des tubes:

La force axiale sur le bouchon d’étanchéité a trois objectifs:

Maintenez le contact avec l’extrémité du tube pour sceller le tube pour la pressurisation
Imposer une contrainte de compression à l’extrémité du tube pour alimenter le tube dans les zones dilatées

Surmonter la force hydraulique de la pression interne sur le bouchon d’étanchéité
Pour calculer: Déterminez la somme des forces correspondant à la contrainte de compression requise à l’extrémité du tube et la force hydraulique due à la pression de formage interne.

Fs = [π (dt) · t · Rc] +[Pmax· π (d-2t)2/4]
Fs = Force du bouchon d’étanchéité
d = diamètre du tube
t = épaisseur de paroi
Rc = contrainte de compression requise à l’extrémité du tube

Étapes de processus supplémentaires à prendre en compte dans l’hydroformage de tubes

L’épaississement et l’amincissement sont communs à tout processus de formage à froid et en définissant des paramètres précis, ils peuvent être évités ou maintenus dans les limites du matériau. Bien que ces problèmes puissent être gérés en optimisant les paramètres de processus, un certain nombre de caractéristiques de conception doivent être prises en compte:

  1. Emplacement de courbure du tube: Dans l’hydroformage de tube, une conception avec des coudes près de l’extrémité du tube diminue la capacité du mouvement d’alimentation axiale à remplacer le matériau qui s’amincit pendant l’expansion du tube. L’expansion du tube avec alimentation en extrémité n’est pratique qu’entre l’extrémité du tube et le premier coude. Deuxièmement, pour un cintrage économique, il doit y avoir une longueur de tube droite entre les virages. La longueur droite minimale est de 1,5 fois le diamètre du tube. Des longueurs droites inférieures à cela sont possibles mais nécessitent des matrices de serrage profilées sur la cintreuse
  2. Courbures à petit rayon: Les changements de matériau qui ont lieu dans le processus de cintrage de tube peuvent avoir des implications sur la capacité à se former pendant le processus d’hydroformage. Lorsque le rayon de courbure est inférieur à 1,5 fois le diamètre du tube, il est important d’évaluer l’amincissement du matériau le long de l’extérieur du coude.
  3. Rayons de section transversale nets: plus le rayon est petit, plus la pression requise pour le former est élevée et plus le processus sera complexe, plus la pression de formage est élevée et plus les forces de la matrice sont élevées. Une pression de formage plus élevée nécessite une presse de tonnage plus élevé, ce qui entraîne un coût plus élevé.
    Une règle générale consiste à maintenir les rayons à au moins trois à quatre fois l’épaisseur du matériau pour un procédé à haute pression et sept fois ou plus pour un procédé à basse pression.
  4. Gonflement excessif: la dilatation physique du matériau dépend des propriétés du matériau, mais également de la taille initiale du tube et de la géométrie finale. Une bonne façon d’estimer le plus grand point de dilatation avant que le matériau ne tombe en panne consiste à effectuer une simulation de formage.

Hydroformage en feuille

L’hydroformage en feuille est considéré comme un équipement de fabrication standard aux États-Unis depuis les années 1940, bien que son histoire remonte à bien plus loin. Tout au long de son évolution, l’hydroformage des plaques a considérablement amélioré sa capacité à des étirages plus profonds. Les machines d’hydroformage peuvent désormais atteindre ± 0,002 pouce avec des profondeurs d’étirage de ± 2%.

L’hydroformage des feuilles utilise un seul outil au lieu de deux, ce qui réduit le coût de la filière par rapport aux autres procédés de formage à froid.

La tôle laminée, coupée à la taille, sert de flans dans le processus d’hydroformage de la feuille, dont la taille et la forme sont déterminées par les résultats des simulations qui seront effectuées pour déterminer les paramètres du processus afin d’optimiser le flux de matière.

L’hydroformage de la feuille est généralement réalisé à l’aide d’une matrice à empreinte ou d’un poinçon. L’hydroformage par poinçonnage est également connu sous le nom d’emboutissage hydromécanique profond. Pour déterminer si un poinçon ou une cavité sera utilisé, la complexité géométrique et la profondeur d’étirage de la pièce en cours de formation devront être prises en compte.

Les matrices d’empreinte sont sélectionnées si une pièce présente des fonctions de surface complexes telles que des renflements et des poinçons sont applicables si une pièce a une géométrie cylindrique et une surface simple. Les presses à poinçonner sont désavantageuses du point de vue de la taille car elles ont généralement une taille de lit plus petite et ne peuvent dessiner que des formes plus simples. Les avantages sont des étirages plus profonds et moins d’amincissement du matériau.

superplastic forming
Presse d'hydroformage HFP2 3000 tonnes

Paramètres de processus

Les paramètres clés du processus comprennent la pression, la variation de la pression dans le temps et la température, bien que lors de l’utilisation d’un processus d’hydroformage par poinçon, le déplacement du poinçon doit également être pris en compte.

Comment déterminer la force requise pour déformer la tôle:

F = (UTS)
T = Épaisseur de la feuille
W = Largeur de l’ouverture de la matrice
L = Longueur totale du coude
UTS = Résistance ultime à la traction du matériau

Variables de configuration:

  • L’utilisation d’entretoises ou de perles.
  • La pression pour le contre-poinçon, le cas échéant.
  • Force de maintien du blanc (dans les cas où le flan est physiquement maintenu).
  • Condition de lubrification et frottement.
    Forme vierge.
  • L’utilisation d’une vessie ou d’un contact fluide direct (DFC).

Vessie versus contact fluide direct (DFC)

L’hydroformage de la feuille peut être effectué à l’aide d’une vessie flexible pour empêcher le fluide d’entrer en contact avec le flan, ou en utilisant un fluide qui est en contact direct avec le matériau, ce qui conduit souvent à la nécessité de processus secondaires comme le dégraissage et entraîne une meilleure qualité de surface.

Les vessies empêchent le lubrifiant de se mélanger au fluide de travail et permettent l’utilisation de certaines techniques de formage, telles que des intensificateurs de pression circulaires qui peuvent resserrer les rayons. Sans la vessie, cela ne serait pas possible car la vessie empêche le fluide de fuir autour de l’intensificateur de pression, au lieu d’appliquer une force ferme.

Bien qu’il existe certainement des avantages de la vessie par rapport aux processus DFC, la vessie a une durée de vie limitée et devra être réparée lorsqu’elle est cassée, ce qui réduit l’efficacité du processus. Cela nécessite également des presses plus lourdes. Indépendamment de ce qui est choisi, cependant, cela aura peu d’impact sur le rapport d’étirage.

Applications d’hydroformage

L’hydroformage de tubes est généralement sélectionné pour des applications telles que les berceaux de suspension automobile, les montants A, les composants de structure de carrosserie, les composants d’échappement, les composants de moteur rotatifs et les pare-chocs. L’hydroformage des tubes permet des composants avec des sections transversales variables sans avoir besoin de processus secondaires, comme le soudage. Cela réduit le nombre de composants nécessaires pour produire la pièce finale.

L’hydroformage en feuille est attrayant en raison de la formabilité et de la finition de surface qu’il peut obtenir en tant que processus de fabrication de forme presque nette. Il est utilisé pour produire des panneaux de porte, des toits et des ailes latérales de carrosserie.

Matériaux

Différents métaux produiront des résultats différents dans différents processus. Ainsi, le choix du matériau joue un rôle important dans la détermination des paramètres de processus pour les processus d’hydroformage. Par exemple, plus le matériau est résistant, plus la pression requise pour produire les géométries souhaitées est élevée.

Les matériaux utilisés dans d’autres procédés de formage à froid peuvent être hydroformés, notamment l’aluminium, le laiton, l’acier, l’acier inoxydable, le cuivre, l’Inconel, les exotiques comme l’Hastelloy et les aciers à haute teneur en nickel, le cobalt, le plomb, l’acier zingué et le bronze.

Les caractéristiques spécifiques du matériau qui sont bénéfiques pour le processus d’hydroformage sont une ductilité élevée, un allongement uniforme, un coefficient d’écrouissage important, une structure à grains fins et une différence significative entre le rendement et la résistance à la traction.

Formabilité et pression du matériau requises:

Dans le calcul des paramètres de processus, les propriétés du matériau d’intérêt sont la résistance à la traction ultime (UTS), la limite d’élasticité conventionnelle, l’allongement proportionnel sous la force maximale et l’allongement total en dessous de la force maximale.

Par rapport à d’autres procédés de pressage traditionnels, tels que l’estampage, l’hydroformage est plus adapté au traitement de métaux comme le titane, le cuivre et d’autres alliages à haute teneur en nickel. L’acier à allongement élevé est plus performant que l’acier doux, mais il a également un prix plus élevé. De même, des matériaux comme l’acier inoxydable permettront des étirages plus profonds que d’autres matériaux en raison de sa formabilité et de sa ductilité.

L’acier de travail à chaud au chrome a une dureté de travail comprise entre 400 et 500 HV, ce qui en fait un acier à outils ductile et résistant, car il a la capacité de résister à une exposition continue à des températures allant jusqu’à 540 degrés Celsius et peut maintenir des niveaux de résistance à la traction d’environ 5 MPa. Température. Les alliages corroyés d’aluminium et de magnésium offrent la résistance la plus élevée des alliages non traitables avec un UTS de 230-280 MPa et un rendement en traction de 130-180 MPa.

Avantages de l’hydroformage

Le principal avantage de l’hydroformage est la consolidation des pièces, plusieurs composants peuvent être repensés en une seule pièce, réduisant ou éliminant les processus d’assemblage et de soudage. Dans certaines applications, la résistance et la rigidité des pièces sont augmentées parce que la section transversale est homogène plutôt que des demi-coques soudées. La plupart des nouveaux systèmes hydroformés réduisent davantage les coûts en formant le tube bout à bout et en éliminant les rebuts de processus des extrémités de tube coupées.

Le processus d’hydroformage présente un avantage dans sa capacité à contrôler et à faire varier la pression en fonction du chemin de charge optimisé et d’autres paramètres du processus. La pression du fluide est également appliquée uniformément sur la totalité de la surface de l’ébauche pour favoriser une expansion uniforme du matériau et fournit une force de formage dans des orientations contraires à la direction de formage pour permettre la création de caractéristiques proéminentes supplémentaires.

Comme d’autres procédés de formage à froid, l’hydroformage entraîne des niveaux élevés d’écrouissage, ce qui augmente la limite d’élasticité du matériau de base.

Les composants hydroformés sont plus légers, plus rigides et plus résistants que les pièces d’emboutissage assemblées et, pour cette raison, sont souvent utilisés dans les rails de toit automobiles pour éviter l’écrasement du toit en cas de retournement du véhicule.