Presses hydrauliques de formage superplastique (SPF)

introduction

La superplasticité est une caractéristique des métaux ou alliages métalliques, qui deviennent plus malléables à haute température. En raison de cette caractéristique, les alliages peuvent être étirés dans des tailles beaucoup plus grandes, produisant des composants légers à haute résistance avec des géométries complexes.

Dans le processus de formage superplastique (SPF), les feuilles de métal sont exposées à des gaz inertes comme l’argon (extrêmement pur) dans un système de vide. Le gaz est appliqué uniformément sur la feuille sur la cavité de la filière. Le matériau est façonné sur des moules pour produire les pièces requises, y compris des structures tridimensionnelles telles que des structures creuses ou en nid d’abeilles. Des pressions de gaz variables sont utilisées pour garantir que l’épaisseur souhaitée est atteinte.

Presse de formage superplastique de 400 tonnes

Matériaux et applications

La superplasticité se trouve dans divers matériaux, y compris les métaux et alliages, les céramiques, les verres métalliques en vrac et les matériaux géologiques. L’aluminium devient superplastique à des températures supérieures à 500 degrés Celsius et le titane à des températures dépassant 900 degrés Celsius. De nouveaux alliages font également leur apparition sur le marché, qui présente une superplasticité même à des températures plus basses.

Des matériaux comme ceux-ci permettent d’obtenir des feuilles plus minces, améliorant à la fois la durée de vie des moules et des pièces et réduisant le poids et le coût des composants. Par rapport aux méthodes de formage traditionnelles, SPF offre des économies de matière (> 10%), réduction des coûts d’outillage (> 20%), des délais d’exécution plus courts et une résistance de la pièce améliorée.

L’un des avantages les plus importants du SPF est la capacité de produire des pièces plus grandes, plus résistantes et plus légères qu’une presse traditionnelle, avec moins de joints et de soudures. Cela est dû, en partie, à un matériau stratifié particulier (et secret) qui est utilisé dans le processus, comme celui utilisé dans la fabrication de moteurs à réaction, par exemple.

Le rapport résistance / poids élevé et la résistance à la corrosion des composants SPF les rendent idéaux pour les applications de l’industrie aérospatiale. Les presses SPF sont utilisées pour certains des programmes d’avions commerciaux les plus étendus au monde pour produire des pièces d’aile, des carters de moteur, des pales et des gouvernails. Le SPF est également utilisé pour les composants automobiles, les dispositifs médicaux, les panneaux architecturaux et même les têtes de clubs de golf.

Un exemple de SPF en action dans l’industrie aérospatiale est utilisé par les principaux fabricants pour l’aéronef, l’espace et la défense, où l’alliage Ti-6AI-4V a été utilisé pour fabriquer un cadre de poutre centrale de nacelle en un seul composant, comme alternative. aux huit éléments et aux 96 fixations nécessaires auparavant – l’utilisation à la fois de SPF et de collage par diffusion a permis de réaliser des économies de coûts de 55 pour cent et une économie de poids de 33 pour cent.

Le collage par diffusion est un autre procédé, plus respectueux de l’environnement, utilisé dans les industries nucléaire et aérospatiale pour coller plusieurs feuilles ensemble sous vide ou dans un environnement de gaz inerte. Le processus de diffusion à l’état solide permet aux molécules des feuilles de s’intégrer à des températures et pressions élevées tout en conservant la plupart des propriétés inhérentes aux métaux ou alliages individuels.

Établissement des paramètres de processus

Le procédé SPF est très distinct et nécessite de longues durées de cycle à des températures extrêmement élevées. Le temps moyen nécessaire pour fabriquer une pièce à des températures comprises entre 930 et 970 degrés Celsius est d’environ 7 heures.

Une vitesse de formage lente rend le procédé idéal pour les applications de production à faible volume, bien que ce soit l’un des inconvénients du SPF. Heureusement, les progrès de la technologie des procédés ont permis un débit plus rapide et des temps de cycle améliorés, rendant le SPF plus compétitif pour les applications à volume élevé, comme celles utilisées dans les applications automobiles.

Le tableau ci-dessous généralise certains des paramètres de processus du SPF:

Paramètre Varier
Tonnage typique 50 à 800 tonnes
Taille de lit typique 60 “x 40” à 120 “à 80”
Pression de pressage typique 500 à 1000 psi
Presse de formage superplastique de 600 tonnes

Exemple :

Les spécifications de tonnage des presses SPF dépendent de la taille de la matrice et du composant. Les presses sont pratiquement des mécanismes de serrage, et les vitesses ne sont pas les mêmes que dans une opération de presse régulière. Hormis la pression de 500 psi requise pour ouvrir la presse, le tonnage doit être plus élevé pour fournir le bon effet de serrage.

Si la pièce mesure 50 pouces sur 30 pouces, la surface de la pièce sera de 1 500 pouces carrés. Prenez ces 1500 pouces carrés et multipliez-les par la pression: 500 psi équivaudrait à 750 000 livres de force (ou 375 tonnes). Idéalement, le tonnage de la presse devrait être de 450 à 500 tonnes, avec une vitesse de fermeture rapide d’environ 50 pouces par minute, un retour rapide de 50 pouces par minute et une pression de 1 à 5 pouces par minute.

Il est essentiel de s’assurer que les matériaux sont d’épaisseur uniforme sur toute la surface de la feuille pour garantir une résistance à la traction uniforme. Le processus doit également tenir compte des effets du retour élastique, qui a tendance à se produire une fois que la pression est relâchée pendant le processus de production.

De même, le grippage peut se produire en cas de frottement et d’adhérence, ce qui provoque une rugosité localisée et d’autres défauts de surface. Cela est particulièrement vrai de l’aluminium lorsqu’il est chauffé à un état superplastique et soumis à des forces de compression. Pour éviter que le matériau intermédiaire n’adhère au moule, ce qui entraîne des variations de l’écoulement du matériau lors de son étirage, utilisez une lubrification à haute température pour limiter les frottements et atténuer les risques de grippage.

Conception de presse hydraulique SPF

Une presse hydraulique spécialement conçue pour une application SPF est au cœur de toute opération SPF. Plusieurs fonctionnalités clés de la presse SPF auront des implications sur les résultats du processus:

  • Pressions de gaz argon précises et reproductibles et contrôle de la température multi-zone. Ce sont des éléments critiques d’une opération SPF réussie. Pour maximiser l’efficacité de ces systèmes, une commande de presse flexible et répétable est nécessaire. Les systèmes de gestion de gaz de précision comprennent des échangeurs de chaleur pour le refroidissement des gaz chauds pendant l’échappement et fournissent des pressions de gaz d’argon précises et répétables.
  • Des fonctions hydrauliques et de contrôle innovantes permettent d’augmenter le tonnage de la presse proportionnellement à l’augmentation de la pression d’argon et vice versa pour minimiser la charge des joints de filière.
  • Des écrans thermiques et une isolation en céramique hautement efficaces sont standard sur les presses Macrodyne SPF et offrent une isolation optimale des températures élevées résultant du processus tout en garantissant une longue durée de vie des composants et la sécurité de l’opérateur.
  • Des agencements de guidage de plongeur spécialisés comprenant un ensemble de guidage central de type plongeur et un agencement de barre de guidage à compensation de température / anti-rotation situé dans la traverse fournissent un guidage amélioré du plateau mobile.
  • Les systèmes d’acquisition de données à grande vitesse offrent un accès accru aux informations variables de processus et optimisent l’intégration des données entre la presse et les réseaux internes.
  • Des systèmes de contrôle avancés pour gérer les variables de processus, y compris le contrôle de température multi-zone, garantissent le succès des opérations de formage superplastique.
  • Coussins roulants pour un changement rapide et sûr des matrices. Ils sont personnalisables et sont disponibles dans des configurations à une ou deux filières pour un déplacement unidirectionnel ou de type T.
Presse de formage superplastique 175 tonnes

Pourquoi Macrodyne?

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