하이드로포밍

Hydroforming
하이드로포밍을 통해 성형되는 플레이트

하이드로포밍은 알루미늄, 황동, 저합금강 및 스테인리스강과 같은 연성금속을 가볍고 구조적으로 견고하며 튼튼한 조각으로 성형하는 비용 효율적인 방법입니다.하이드로포밍의 가장 큰 응용 분야 중 하나는 자동차 산업으로, 하이드로포밍을 통해 가능한 복잡한 형태를 활용하여 보다 견고하고 가볍고 견고한 단차체 구조를 만들어 냅니다.이 기술은 하이엔드 스포츠카 업계에서 특히 인기가 높으며 자전거 프레임용 알루미늄 튜브 성형에도 자주 사용됩니다.

하이드로포밍은 고압 유압 오일을 사용하여 실온 작동 재료를 다이에 압입하는 특수한 유형의 다이 성형입니다.알루미늄을 차량의 프레임 레일에 하이드로포밍하기 위해 알루미늄 중공 튜브를 원하는 모양의 음극 금형 안에 넣습니다.그런 다음 고압 유압 펌프가 알루미늄 튜브 내부에 매우 높은 압력으로 오일을 분사하여 알루미늄 튜브가 금형과 일치할 때까지 팽창합니다.그런 다음 하이드로폼된 알루미늄을 금형에서 제거합니다.하이드로포밍은 요철을 가진 복잡한 형상을 형성할 수 있게 하는데, 이는 표준 고체 다이 스탬핑으로는 어렵거나 불가능할 수 있습니다.하이드로 성형된 부품은 종종 기존의 스탬프 또는 스탬프 및 용접 부품보다 중량 대비 강성비가 높고 단위당 비용이 저렴하게 제조될 수 있습니다.알루미늄, 황동, 탄소 및 스테인리스강, 구리 및 고강도 [1]합금을 포함하여 사실상 냉간 성형이 가능한 모든 금속을 수소 성형할 수 있습니다.

전극을 사용하여 유체를 아크로 폭발적으로 증발시킬 경우 전기유압 성형이라고 하는 유사한 프로세스를 설명할 수 있습니다.

주요 공정 변형

시트 하이드로포밍

이 과정은 미국 [2]오하이오주 신시내티의 Schaible Company의 Fred Leuthesser, Jr.와 John Fox가 1950년대 하이드라몰딩 특허를 기반으로 합니다.그것은 원래 부엌 주둥이를 만드는 데 사용되었습니다.이는 금속의 강화와 더불어 하이드로몰딩이 "알갱이" 부품을 덜 생산하여 금속 [3]마감 작업을 쉽게 할 수 있었기 때문입니다.시트 하이드로포밍에는 블래더 성형(액체를 포함하는 블래더가 있고 시트에 액체가 접촉하지 않음)과 유체가 시트에 접촉하는 하이드로포밍(블래더 없음)이 있습니다.방광 형성은 때때로 플렉스 [4]포밍이라고 불린다.플렉스포밍은 항공우주 [5]분야와 같이 주로 소량 생산에 사용됩니다.부품에 직접 접촉하는 유체로 성형하는 작업은 수성 고체 펀치(이 버전은 수성 기계식[6] 딥 드로잉이라고도 함) 또는 암성 고체 다이로 수행할 수 있습니다.하이드로메카니컬 딥 드로잉에서 워크피스를 수컷 펀치 위의 드로우 링(블랭크 홀더)에 올려놓고 유압실이 워크피스를 둘러싸고 비교적 낮은 초기 압력이 워크피스를 펀치에 맞닿게 한다.그런 다음 펀치가 유압 챔버 안으로 올라가고 압력이 최대 100MPa(15000psi)까지 상승하여 펀치 주변 부품을 형성합니다.그러면 압력이 방출되고 펀치가 수축되며 유압 챔버가 상승하여 프로세스가 완료됩니다.

이러한 기술 중에서 유압 벌지 테스트는 독특한 스트레칭 작업을 통해 시트 재료의 작업 경화를 증가시키고 복잡한 부품에 더 나은 형상 정확도를 제공합니다.따라서 유압 시트 불룩 스터디의 적절한 재료와 형성 파라미터를 선택하면 FLC(성형 한계 곡선)를 결정할 수 있습니다.[1]

중요성

  • 유압 벌지 테스트는 변형 모드가 단일 축이 아닌 양방향이기 때문에 판금 성형 작업에 더 적합합니다.또한 폭발이 발생하기 전에 플라스틱 변형률의 범위가 최대 70%까지 확장된 재료에 대한 흐름 곡선을 제공합니다.
  • LS-DYNA와 같은 명시적 솔버에 대한 신뢰성 있는 기준 입력이 되는 FLC를 생성하면 도움이 됩니다.이렇게 얻은 FLC는 분석용 솔버의 하중 곡선 입력으로 사용된다.
  • 또한 FLC는 성형 시 국소적인 네킹 및 기타 가능한 결함의 영향을 받지 않고 성형 작업을 위한 정확한 구역을 식별하는 데 가장 적합합니다.
  • 유압 벌지 시험은 재료의 변형경화계수 "n"(즉, 워크 경화계수)를 계산하여 재료의 형성 능력을 결정하는 데 도움이 될 것이다.
  • 심플하고 다재다능한 어프로치.
  • 성형 중 부품 표면에 대한 압력 분포를 제어하여 시트 두께를 "제어"하고 국소적인 네킹을 연기할 수 있습니다.
  • 단일 형태 표면 공구만 사용하므로 공구 제조에 드는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.또한 한 표면에 단단한 공구 접촉이 없으면 표면 마찰이 감소하고 표면 결함이 감소하여 표면 마감이 양호합니다.

대체 이름, 기타 변형 및 유사한 프로세스

  • 하이드로멕(Hydromec) (Hydromecic Deep Drawing)
  • 아쿠아드로
  • 벌지 성형
  • 폭약 성형
    • 대형 부품의 경우, 폭발성 하이드로포밍은 물웅덩이에 잠긴 부분(진공 금형 포함) 위에서 전하를 폭발시키는 것만으로 성형 압력을 발생시킬 수 있습니다.이 공구는 프레스 유형 공정에 필요한 것보다 훨씬 저렴할 수 있습니다.하이드로포밍 인 어 몰드 공정도 공기 중의 충격파만을 가압 매체로 사용하여 작동합니다.특히 폭발물이 공작물에 가까울 경우 관성 효과는 정수압만으로 발생하는 것보다 결과를 더 복잡하게 만든다.
  • 고무 패드 성형

튜브 하이드로포밍

튜브 하이드로포밍에는 고압과 저압의 두 가지 주요 방법이 있습니다.고압 프로세스에서는 튜브를 가압하기 전에 튜브가 다이에 완전히 밀폐됩니다.저압에서는 다이를 닫는 동안 튜브가 고정된 체적까지 약간 가압됩니다(이전에는 이를 Variform 프로세스라고 불렀습니다.역사적으로 이 [7]공정은 50년대에 특허를 받았지만 1970년대에 석유 및 가스 산업을 위한 T자형 대형 조인트 생산을 위해 산업적으로 확산되었다.오늘날에는 주로 자동차 부문에서 사용되며, 이 분야에서는 많은 산업 용도를 찾아볼 [8][9]수 있습니다.전기자전거가 등장하면서 전자자전거 제조업체들이 선택하는 방법이 되었습니다.특히 다운튜브나 탑튜브는 전기자전거용 배터리를 장착하기 위해 하이드로포밍으로 제작하는 것이 바람직하다.자전거 업계의 최신 애플리케이션은 이제 에어로 다이내믹스와 인체 공학을 개선하기 위해 하이드로폼 핸들 바입니다.튜브 내 하이드로포밍 압력은 원하는 단면으로 다이로 유지되는 튜브 내부에 가해진다.다이가 닫히면 튜브 단부는 축방향 펀치로 씰링되고 튜브에 유압 오일이 채워집니다.내부 압력이 수천 바까지 올라가면 튜브가 금형에 대해 보정됩니다.오일은 두 축 펀치 중 하나를 통해 튜브로 주입됩니다.축방향 펀치는 이동 가능하며 축방향 압축을 제공하고 팽출 튜브의 중심을 향해 재료를 공급하기 위해 그 작용이 필요합니다.또한 지름/길이비가 작은 돌기를 형성하기 위해 성형 금형에 횡방향 카운터펀치를 포함해도 된다.횡방향 카운터 펀치는 성형 공정의 마지막에 워크피스에 구멍을 뚫기 위해서도 사용할 수 있다.

초기 분석 모델링은 제한된 [10]경우에만 가능하기 때문에 과거에는 프로세스 설계가 어려운 작업이었습니다.최근 몇 년간 FEA와 FEM의 발전으로 하이드로폼 공정은 다양한 부품 및 재료에 대해 보다 광범위하게 설계될 수 있게 되었습니다.실현 가능한 프로세스 솔루션을 찾고 정확한 하중 곡선(압력 대 시간 및 축 이송 대 시간)[11]을 정의하기 위해 FEM 시뮬레이션을 수행해야 하는 경우가 많습니다.튜브 하이드로폼 부품이 더 복잡한 경우 하이드로폼 다이에 장착하기 전에 튜브를 미리 벤딩해야 합니다.튜브 길이가 공급될 때 튜브가 벤딩 디스크(또는 다이) 주위로 벤딩되면서 튜브 길이를 따라 순차적으로 벤딩됩니다.맨드렐을 사용하거나 사용하지 않고 벤딩을 수행할 수 있습니다.이러한 공정의 복잡성은 제조 공정 설계 및 평가를 위한 FEM에 대한 의존도를 더욱 높입니다.하이드로포밍 공정의 타당성은 금속 성형성을 예측하기 위해 초기 튜브 재료 특성과 굽힘 공정과 함께 성형 공정 전체의 유압을 고려해야 한다.

카운터펀치가 있는 T자형 튜브 하이드로포밍 프로세스 시퀀스

일반적인 도구

공구 및 펀치는 다양한 부품 요구사항에 맞게 교환할 수 있습니다.하이드로포밍의 장점 중 하나는 공구 비용 절감입니다.판금에는 드로우 링 및 펀치(금속 가공) 또는 수컷 다이만 필요합니다.펀치는 성형되는 부품에 따라 금속이 아닌 에폭시로 만들 수 있습니다.하이드로폼의 방광은 암컷의 다이 역할을 하므로 제작할 필요가 없습니다.이를 통해 일반적으로 공구를 변경할 필요 없이 재료 두께를 변경할 수 있습니다.그러나 다이는 고도로 연마되어야 하며 튜브 하이드로포밍에서는 개폐가 가능하도록 2피스 다이가 필요합니다.

생성된 지오메트리

하이드로포밍의 또 다른 장점은 복잡한 형상을 한 번에 만들 수 있다는 것이다.방광을 수컷 다이로 하는 시트 하이드로포밍에서는 거의 무한대의 기하학적 형상을 만들 수 있다.그러나 이 공정은 특히 대형 패널과 두꺼운 단단한 재료의 경우 다이를 밀봉하는 데 필요한 매우 높은 닫힘력에 의해 제한됩니다.작은 오목한 모서리 반지름은 너무 큰 압력이 필요하기 때문에 완전히 보정하기 어렵다(즉, 채워짐).실제로 다이 클로징력은 튜브 및 시트 하이드로포밍 모두에서 매우 높을 수 있으며 성형 프레스의 최대 톤수를 쉽게 극복할 수 있습니다.금형 폐쇄력을 규정된 한계 이하로 유지하려면 최대 내부 유체 압력을 제한해야 합니다.이것은 공정의 교정 능력을 감소시킨다. 즉, 오목 반경이 작은 부품을 형성할 가능성을 감소시킨다.시트 하이드로포밍 프로세스의 한계는 과도한 솎아내기, 파손, 주름의 위험으로 인해 발생하며 재료의 성형성 및 공정 파라미터의 적절한 선택(예: 유압 대 시간 곡선)과 엄격히 관련되어 있습니다.튜브 하이드로포밍은 또한 많은 기하학적 옵션을 생성할 수 있으므로 튜브 용접 작업의 필요성이 줄어듭니다.시트 하이드로포밍에서와 유사한 한계와 위험이 나열될 수 있지만 [12]튜브 하이드로포밍에서 최대 폐쇄력이 제한 요인이 되는 경우는 드물다.

공차 및 표면 마감

하이드로포밍은 판금 부품에 대한 공통 공차가 0.76mm(1/30인치) 이내인 항공기 공차를 포함하여 엄격한 공차 내에서 부품을 생산할 수 있습니다.또한 금속 하이드로포밍은 수컷과 암컷 다이를 함께 압압하는 기존 방식에 의해 생성된 드로잉 마크를 제거하여 보다 부드러운 마무리를 가능하게 합니다.

스프링백은 판금 성형 작업에서 오랫동안 논의의 주제가 되어 왔지만 튜브 하이드로포밍에 대한 연구 주제는 훨씬 적었습니다.이는 부분적으로 튜브를 닫힌 단면 형상으로 변형할 때 자연적으로 발생하는 상대적으로 낮은 수준의 스프링백이 원인일 수 있다.튜브 하이드로 성형된 섹션은 닫힌 섹션의 특성상 매우 강하며 부하 시 높은 수준의 탄성 변형을 나타내지 않습니다.이 때문에 튜브 하이드로포밍 시 유도되는 음의 잔류응력이 성형완료 후 부품을 탄성변형하기에 부족할 수 있다.그러나 점점 더 많은 튜브형 부품이 고강도 강철 및 첨단 고강도[13] 강철 부품을 사용하여 제조되고 있기 때문에 폐쇄형 튜브 하이드로폼 부품의 설계 및 제조 시 스프링백을 고려해야 합니다.

예

주목할 만한 예는 다음과 같습니다.

시트 하이드로 성형

  • 앨런 망원경 어레이에 사용되는 것과 같은 최대 직경 6m의 위성 안테나.[14]
  • 조명기구 하우징 및 반사경

튜브 하이드로 성형

  • 야마하 색소폰의 금관.
  • 이 프로세스는 알루미늄 자전거 프레임 제조에 널리 사용되고 있습니다.가장 먼저 상업적으로 제조된 것은 2003년에 처음 출시된 자이언트 매뉴팩처링 리바이브 자전거입니다.
  • 대부분의 자동차에는 이 기술을 사용하여 제조된 주요 구성 요소가 있습니다. 예를 들어 다음과 같습니다.
    • 이 기술은 엔진 크래들 제조에 널리 사용됩니다.첫 양산 모델은 1994년 [15]포드 컨투어 앤 미스티크용이었다.롱 리스트의 다른 모델에는 폰티악 아즈텍,[16] 혼다[17] 어코드, 할리 데이비슨 V-로드 모터사이클 엔진 [18]주변 프레임 등이 있습니다.
    • 하이드로포밍을 위한 주요 자동차 용도는 엔진 크래들뿐만 아니라 서스펜션, 라디에이터 서포트 및 계기판 서포트 빔입니다.1994년식 뷰익 리갈과 올즈모바일 커틀래스에는 하이드로 성형된 계기판 빔이 장착되었습니다.[19] 1990년 크라이슬러 미니밴의 [15]계기판 서포트 빔이 최초로 양산된 자동차 부품입니다.
    • 다양한 차체 및 차체 구성 요소 중 가장 먼저 대량 생산된 것은 1997년식 쉐보레 콜벳입니다.[20]Ford F-150, Shevrolet Silverado 및 Ram 등 미국의 3대 픽업 트럭의 최신 버전은 모두 하이드로폼 프레임 레일,[20] 2006년식 폰티악[21] 동지 및 John Deere HPX Gator 유틸리티 [22]차량 내부의 강철 프레임을 갖추고 있습니다.
  • 이 공정은 최근 알루미늄 휠체어 프레임과 휠체어 핸드 림의 제조에 인기를 끌면서 휠체어를 보다 견고하고 경량화했으며 핸드 림은 보다 [23]인체공학적으로 만들었습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ "The Hydroforming Process". Jones Metal Products. Retrieved 2011-06-21.
  2. ^ "first HF patent". Retrieved 17 July 2012.
  3. ^ 미국 특허 2,713,314
  4. ^ Hatipoğlu, H. Ali; Polat, Naki; Köksal, Arif; Tekkaya, A.Erman (1 January 2007). "Modeling Flexforming (Fluid Cell Forming) Process with Finite Element Method". Key Engineering Materials. 344: 469–476. doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.344.469. S2CID 137151717.
  5. ^ Strano, M (2006). "Optimization under uncertainty of sheet-metal-forming processes by the finite element method". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 220 (8): 1305–1315. doi:10.1243/09544054JEM480. S2CID 108843522.
  6. ^ Dachang, Kang; Yu, Chen; Yongchao, Xu (2005). "Hydromechanical deep drawing of superalloy cups". Journal of Materials Processing Technology. 166 (2): 243–246. doi:10.1016/j.jmatprotec.2004.08.024.
  7. ^ "first thf patent". Retrieved 17 July 2012.
  8. ^ Hydroforming for Advanced Manufacturing, Ed. by M, Kocs, 2009 Woodhead Publishing Limited
  9. ^ 하이드로포밍 기술(회의 보고서):고급 재료 및 프로세스 (권장) : 1997년 5월 1일 : ASM International : v151 : n5 : p50 ( 4 )
  10. ^ Asnafi, Nader (1999). "Analytical modelling of tube hydroforming". Thin-Walled Structures. 34 (4): 295–330. doi:10.1016/S0263-8231(99)00018-X.
  11. ^ Strano, Matteo; Jirathearanat, Suwat; Shr, Shiuan-Guang; Altan, Taylan (2004). "Virtual process development in tube hydroforming". Journal of Materials Processing Technology. 146 (1): 130–136. doi:10.1016/S0924-0136(03)00853-7.
  12. ^ "Hydroforming".
  13. ^ Hertell. "Great Designs in Steel 2015" (PDF). may 11, 2015. Autosteel.org.
  14. ^ Weinreb, Sander (8–11 July 2003). Low cost microwave ground terminals for space communication (PDF). 5th International symposium on reducing the cost of spacecraft ground systems and operations. Pasadena, CA: NASA. Archived from the original (PDF) on 20 March 2009. Retrieved 2008-11-21.
  15. ^ a b Harjinder Singh (2003). Fundamentals of Hydroforming. SME. p. 4. ISBN 978-0-87263-662-0.
  16. ^ Tony Swan (July 2000). "2001 Pontiac Aztek - First Drive Review". Caranddriver.com. Retrieved 2008-12-05.
  17. ^ Eric Lundin (24 July 2003). "Tier 1 supplier builds four-stage competitive strategy". The Fabricator. Retrieved 2008-12-05.
  18. ^ "2009 Harley Davidson V-Rod Muscle". thekneeslider.com. Retrieved 2008-12-05.
  19. ^ "Use of USLAB technologies by automakers growing rapidly". American Iron and Steel Institute. 2008. Retrieved 2008-12-05.[영구 데드링크]
  20. ^ a b "Hydroformed Frame Repairs". I-Car Advantage Online. 13 September 2004. Archived from the original on 21 October 2012. Retrieved 2008-12-05.
  21. ^ "2006 Pontiac Solstice Sheetmetal Hydroforming Technology". The Auto Channel. Retrieved 2008-12-05.
  22. ^ "Utility Vehicle has hydroformed steel frame". ThomasNet. 5 December 2003. Retrieved 2008-12-05.
  23. ^ Silva, D. C.; Paschoarelli, L. C.; Medola, F. O. (2019). "Evaluation of Two Wheelchair Hand Rim Models: Contact Pressure Distribution in Straight Line and Curve Trajectories". Ergonomics. 62 (12): 1563–1571. doi:10.1080/00140139.2019.1660000. PMID 31446854. S2CID 201748187.

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