هیدروفرمینگ یکی از فرآیندهای شکل دهی فلزات است که از سال 1980 میلادی توسعه صنعتی آن آغاز شد. در این روش به کمک سیال پر فشار قطعه خام اولیه به شکل حفره درون قالب در می آید. قطعه خام اولیه را می توان به صورت ورق و یا لوله فولادی یا سایر لوله ها به کار برد. اگر در این فرآیند از ورق استفاده گردد فرآیند هیدروفرمینگ ورق و اگر از مقاطع لوله ای استفاده شود فرآیند هیدروفرمینگ لوله نامیده می شود. در هر کدام از این فرآیندها همواره به یک پرس هیدرولیک، قالب هیدروفرمینگ و یک سیستم تقویت کننده فشار نیاز است.
به طور عمومی یک سیکل فرآیند شامل جایگذاری قطعه خام اولیه در قسمت پایین قالب، بسته شدن قالب و اعمال سیال پر فشار به درون لوله فولادی و یا یک طرف ورق می باشد. فشار سیال باید به میزانی باشد که باعث تغییر شکل قطعه خام شده و باعث گردد که قطعه شکل حفره قالب را بگیرد. امروزه فرآیند هیدروفرمینگ لوله در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوا فضا، لوازم خانگی و شیرآلات بهداشتی و صنایع نظامی و هسته ای به خوبی مورد استفاده قرار می گیرد.
لوله اولیه در قسمت پایین قالب قرار می گیرد
قسمت بالایی بخشی از مسیر حرکتی خود را طی کرده تا برای عملیات پیش شکل دهی با لوله برخورد کند.
مخروط های آب بندی به موقعیت آب بندی مناسب پیش رانده می شود.
لوله فولادی با سیال هیدروفرمینگ پر می شود و فشار سیال تا فشار قالب بسته بالا می رود.
قسمت بالای قالب کاملا تا موقعیت بسته شدن پایین می آید.
اگر تغذیه انتهایی نیاز باشد مخروط های آب بندی به پیش روی کنترل شده خود جهت راندن ماده به درون حفره قالب ادامه می دهد.
فشار درون لوله تا فشار ماکزیمم کالیبراسیون افزایش می یابد.
پانچ ها به حرکت در آمده و سوراخ ها و شکاف ها مورد نظر را در سطح قطعه ایجاد می نمایند.
فشار درون لوله تا سطح فشار اتمسفر کاهش می یابد.
پانچ ها به موقعیت اولیه خود برمی گردند.
قسمت بالایی به سمت بالا حرکت می کند.
قطعه هیدروفرم شده از قالب پایینی خارج می شود.
فرآیند هیدروفرمینگ را می توان به شاخه های اصلی زیر تقسیم نمود.
میزان فشار استفاده شده در هیدروفرمینگ فشار پایین زیر 12000 psi است. در هیدروفرمینگ فشار پایین محیط قسمت هیدروفرم شده لوله فولادی و یا سایر انواع لوله تقریبا یکسان با محیط لوله خام می ماند. در برخی از اجزای متشکله با توجه به خواص و ضخامت محیط لوله ممکن است تقریبا تا 3 درصد افزایش یابد. در حین فرآیند هیدروفرمینگ هنگامی که قالب در ابتدا بسته است، هیچ فشار سیالی در داخل لوله فولادی وجود ندارد. بنابراین سطح قطعه خام ممکن است تغییر شکل داده و چروکیده شود. این چروکیدگی ها می تواند با اعمال فشار سیال از بین بروند اما یک چروک عمیق با فشارهای پایین این فرآیند از بین نمی رود.
علاوه بر این امکان رانده شدن ماده به گوشه بالایی سطح قالب در فشار کمتر از 12000 psi وجود ندارد. برای هیدروفرمینگ فشار پایین اجزا تشکیل دهنده باید به دقت طراحی شود تا چروکیدگی های اولیه که به واسطه عملیات بسته شدن قالب ایجاد می شوند به کمترین مقدار ممکن برسند. به علت اینکه در این نوع هیدروفرمینگ انبساط محیطی کمی وجود دارد کمترین تغییرات ضخامت در محیط قطعه پدیدار می شود. کنترل ابعادی در سیستم هیدروفرمینگ فشار پایین ساده تر از هیدروفرمینگ فشار بالا است. کل سرمایه مورد نیاز و مدت زمان تولید برای هیدروفرمینگ فشار پایین به طور کلی کمتر از هیدروفرمینگ فشار بالا است.
دامنه فشارهای استفاده شده در هیدروفرمینگ فشار بالا به طور کلی 12000 psi تا 60000 psi می باشد. فشارهای بالاتر به قطعه های هیدروفرم شده امکان می دهد که تا حد نهایی کرنش پلاستیک ماده، قطعه منبسط شود. هر تغییر شکل و چروکیدگی سطحی که در طول مرحله بسته شدن قالب اتفاق افتد در فشارهای بالاتر بعدی از بین می رود. به دلیل انبساط بیشتر بخش های هیدروفرمینگ شده به طور کلی دارای کرنش پلاستیک کششی بالاتر بوده که در نتیجه باعث کاهش برگشت فنری و افزایش ثبات ابعادی قطعه می گردد.
تغییرات ضخامت محیط قطعه در این فرآیند عموما بیشتر است. در گوشه های مقاطع قطعه، ضخامت لوله نازک تر می شود. فشار بالاتر همچنین آزادی عمل بیشتری را به منظور ایجاد قطعات پیچیده موجب می شود که در هیدروفرمینگ فشار پایین امکان پذیر نیست. به دلیل انبساط بیشتر لوله فولادی ، این فرآیند نسبت به کیفیت و جوش لوله حساس تر است. قطعات نیازمند روانکاری است تا از خرابی قطعات و نازک شدگی موضعی در حین فرآیند جلوگیری شود. همچنین ابزارهای مستحکم تر و پرس های بزرگ تر برای هیدروفرمینگ فشار بالا نیاز است تا قابلیت تولید و دوام در مقابل فشارهای بالا را داشته باشد. همچنین کل سرمایه مورد نیاز و مدت زمان تولید بیشتر از هیدروفرمینگ فشار پایین است.
در هیدروفرمینگ فشار متغیر در حالی که قالب هنوز باز است سیال وارد لوله می شود و فشار افزایش می یابد تا به نقطه فشار قالب بسته برسد و هنگامی که قالب بسته شد فشار تا حد فشار کالیبراسیون افزایش می یابد. در حین مرحله بسته شدن قالب، سیال همانند یک سنبه عمل کرده و از تغییر شکل اضافی سطح و چروکیدگی جلوگیری می کند. مواد همچنین در اثر بسته شدن ابزار به گوشه های قالب رانده می شوند. اگر انبساط مقطع بین 3-1 درصد نگه داشته شود هیدروفرمینگ فشار متغیر کلیه مزایای هیدروفرمینگ فشار پایین را دارا بوده و همچنین مشابه هیدروفرمینگ فشار بالا قادر به شکل دهی مقاطع پیچیده می باشد.
با استفاده از این روش نیاز به روانکاری به میزان قابل توجهی کاهش یافته و کیفیت سطحی بهتری حتی در فشارهای شکل دهی کمتر به دست می آید. فرآیند هیدروفرمینگ فشار متغیر با فشارهای کالیبراسیون در بازه 10000-25000 برای اکثر قطعات شاسی و بدنه خودرو مفید می باشد. این فشارها همچنین کیفیت سوراخکاری مناسبی را در حین فرآیند مهیا می نماید.
هیدروبالجینگ به دو گروه تقسیم می شود. انبساط لوله و قطعات چند شاخه ای مانند قطعات T شکل. در حین فرآیند هیدروبالجینگ میزان قابل توجهی از طول لوله به درون حفره قالب رانده می شود. عموما این کار به منظور دستیابی به اهداف زیر انجام می شود.
قطعات چند شاخه و یا انبساط بالا نیازمند کنترل دقیق تغذیه محوری و نحوه تنظیم فشار سیال درون لوله می باشد. تغذیه محوری به طور قابل ملاحظه ای بر شکل پذیری قطعه موثر است. بهترین روش برای رفتارشناسی ماده در حین فرآیند تغذیه محوری استفاده از رسم کرنش های اصلی در مقابل کرنش های فرعی است.
مزایای فرآیند هیدروفرمینگ نسبت به فرآیندهای مرسوم شکل دهی عبارتند از:
افزایش این مزایا نیازمند طراحی صحیح قطعات، انتخاب مواد و فرآیند هیدروفرمینگ مناسب در مراحل اولیه تولید است. این فعالیت باید قبل از طراحی ابزار و ساخت قالب های اولیه صورت گیرد. برای اینکه هر تولید و فرآیندی موفقیت آمیز باشد باید کلیه نیازمندی های کاربردی و عملیاتی محصول با کمترین قیمت ممکن تهیه گردد. اما اهداف و عملکرد ساختاری محصول نباید تحت شعاع قرار گیرد.
امروزه، مهندسان و طراحانی که طراحی تولیدات هیدروفرم را انجام می دهند در فرآیندهای شکل دهی معمول مهارت دارند. برای برخی از طرح ها مانند قطعاتی با شعاع های گوشه ای کوچک، شاید تولید به کمک فرآیندهای معمولی بسیار آسان تر صورت پذیرد. در حالی که در صورت استفاده از هیدروفرمینگ نیاز به فشار کاری بالا و در نتیجه پرس ها و تقویت کننده های فشار بزرگ است. ویژگی برخی قطعات دیگر نیازمند استفاده از مواد اضافی، روانکارها و آنیل نمودن قطعات در حین فرآیند است که می تواند منجر به افزایش قیمت قطعات و سرمایه گذاری شود. با این حال با یک طراحی اولیه خوب، مزایای فرآیند هیدروفرمینگ حفظ می شود.