هیدرو فرمینگ – Hydroforming

با سلام

زیباست… نه؟

بله واقعا زیباست، اما نه فقط ظاهرا!!! شاهکاری بود که شرکت خودرو سازی Audi خلق کرد.این شاهکار R8 نام دارد.این اتومبیل سوپر اسپرت Audi در کنار طراحی زیبا و منحصر بفردش دنیایی از تکنولوژی بود که تماما بر روی این خودرو عرضه شد.تمامی امکانات حتی بیشتر از حد تصور شما بر روی یک خودرو!!!.(سیستم تعلیق رویایی! موتور بی نظیر و ساکتش!! و و و…) همیشه جمع بستن دو واژه در صنعت خودرو کار چندان ساده ای نیست؟؟ «ظرافت» و «قدرت» .لا اقل شرکت خودرو سازی فورد این را به ما فهماند!!. اما به گفته والتر داسیلوا، مدیر طراحی گروه آئودی:»هدف ما خلق یک اتومبیل قدرتمند اسپرت بود-اما به همراه ظرافتی منحصر بفرد».

«Our aim was to create a powerful sports car – but with an exceptional quality of elegance,»

Walter de’Silva, Head of Design of the Audi brand group.

ادامه را در بیشتر بخوانید دنبال نمایید…

گفتنی ها در مورد این مخلوق بسیار است. اما آنچه که باعث شگفتی بیشتر در این محصول بود؟؟ امکان تولیدش بود!!!.مطمئنا طراحان این خودرو بدون پشتوانه صنعتی چنین جسارتی!! را برای رسم این منحنی های تودرتو پیدا نخواهند کرد.از کشور آلمان هیچوقت بعید نبوده و نخواهد بود!.طراحی منحصر به فرد این خودرو تنها در جلو پنجره وقیافه آیرودینامیک آن خلاصه نمی شود. ظرافتی که این بدنه دارد و مخصوصا خطوط شکست کمتر در طراحی بدنه گویای رمز و رازی در پشت این طرح است؟؟؟.

می بایست به دنبال راه حلی برای تولید این فرم از بدنه بود.تا بواسطه ی آن بدنه ای بدون عیب و یکدست را نتیجه گرفت؟ اما طراحی این بدنه فقط به همین نقطه خلاصه نمیشد.آیا به این فکر نیفتاده اید که چه اسکلتی می بایست این بدنه را در مقابل فشار هوا و تپش های پرقدرت موتورش! مصون نگاه دارد؟؟.اسکلتی که از وزنی کم برخوردار باشد؟ اولین گزینه برای انتخاب جنس ماده، آلیاژ آلومینیوم است!! اسکلت ماشین بر روی آلومینیوم؟؟؟شوخی بی مزه ای که شرکت آئودی مرتکب شد.. اما نتیجه ای برعکس تمام شوخی ها بود!!.این بار هم حق با شرکت بود. دقیقا مسئله خواهم یافت یا خواهم ساخت بود.

این شرکت اسکلت زیر را برای این ماشین طراحی کرد.اسکلتی از آلیاژ آلومینیوم،بسیار سبک تر از آنچه  که در ذهن ها خطور میکند و محکم تر از آنچه که برای دیگران تداعی میکند!!! واین شد که این قوطی های آلومینیومی تبدیل به اسکلت یکی از قدرتمند ترین ماشین های اسپرت شدند!! اما باز هم سوال اینجاست که چگونه؟؟؟ اگر بدانید،آلومینیوم فلزی است که در تغییر شکل ها به سرعت چروک می شود. حال با این تصور بیاندیشید که این قالب چگونه خلق گردیده؟

اما این سوالات کمی دیرتر از دیر در ذهن من و شما بوجود آمده ، چرا که سالهایی است که این خودرو ساخته شده و در حال حاضر در حال حرکت در جاده هاست بدون اینکه جواب سوالات ما را داده باشد.آنچه که دیگران را محو تماشای این اتومبیل بسیار زیبا می کند، بواقع زیبایی منحصر به فردش (سوای جزئیات درونی ماشین) در کنار قدرت بی نظیرش است. اما آنچه که ما مهندسین را محو خودش میکند صنعت به کار رفته در این خودرو است. چرا ها و چگونه هایی که همیشه در پی پاسخ هستند ما را به دیدن اینگونه مخلوق های دست بشر دعوت می نماید.

امیدوارم در ارائه ی دیدی سوال برانگیز؟؟؟ بر روی این محصول، شما را به خواندن تکنولوژی ساخت بدنه این خودرو دعوت نمایم.

تکنولوژی با نام شکل دهی توسط فشار سیال

هیدرو فرمینگ یا شکل دهی هیدرولیکی (Hydroforming) یا قالب زنی هیدرولیکی (Hydramolding) راهی مقرون به صرفه برای شکل دهی فلزات چکش خواری (انعطاف پذیر) همانند آلومینیوم یا برنج، به قطعاتی با وزن کم و ساختاری سخت و محکم می باشد. یکی از بزرگترین کاربرد های هیدروفرمینگ در صنعت اتومبیل سازی است ، که امکان استفاده از اشکال پیچیده که توسط هیدروفرمینگ تهیه شده اند  را برای تولید ساختار های صلب و سبک در وسائل نقلیه بدون شاسی امکان پذیر می سازد. این شیوه دارای محبوبیتی بخصوص در صنایع اتومبیل های اسپرت (ورزشی) و شکل دهی اسکلت لوله  ای آلومینیومی دوچرخه ، می باشد.

هیدروفرمینگ یک نوع خاص از شکل دهی است که از سیال هیدرولیکی فشار بالا، برای پرس کردن قطعه کار در دمای اتاق  به داخل قالب، استفاده می کند.برای شکل دهی آلومینیوم به قاب ریلهای خطوط نقلیه، یک لوله آلومینیومی تو خالی، درون قالب معکوسی که شکل نهایی مطلوب را دارد، قرار داده می شود.سپس پیستونهایی با فشار هیدرولیکی بالا، سیال را با فشار بالا درون آلومینیوم تزریق می کنند که باعث انبساط آن تا انطباق با قالب می شود.آلومینیوم های شکل یافته سپس از قالب خارج میگردند.در شکل زیر اپراتوری را مشاهده می کنید که در حال خارج نمودن لوله ای تغییر شکل یافته از داخل قالب پس از انجام عملیات هیدروفرمینگ است.

هیدروفرمینگ امکان فرم دهی اشکال پیچیده همراه با تقعر را که ممکن است سخت یا غیر ممکن با قالب گیری حدیدهای استاندارد جامد باشد ، فراهم میکند.قطعات هیدروفرم یافته اغلب میتوانند با نسبت سختی به وزن بیشتر و با هزینه کمتردر واحد، از شیوه های سنتی پرسکاری یا پرسکاری و جوشکاری ساخته شوند.

این فرآیند بر مبنای ثبت اختراع قالب زنی هیدرولیکی در دهه پنجاه میلادی توسط  Fred Leuthesser , Jr و John Fox  از شرکت Schaible  در شهر سینسینیتی در آمریکا است.که اساسا برای تولید شیرهای آشپزخانه بکار می رفت.این کار به این علت بود که علاوه بر تقویت مقاومت فلزات ، عملیات قالب زنی هیدرولیکی باعث بوجود آمدن سطوح «دانه دانه ای » کمتر در قطعه می شد و کیفیت سطح بهتری را نتیجه می داد.امروزه  برای رسیدن به طرح های عجیب و منحصر به فرد جای خالی این تجهیزات را در کارخانه ها بیشتر از پیش احساس میکنیم.حتی این طرح میتواند یک تلفن خانگی رو میزی باشد!!.

طرح کلی فرآیند

————————————————————————————————————–

هیدرروفرمینگ ورقه:

بسیاری از قسمت های بدنه اتومبیل ها برای شکل دهی بهتر از این نوع فرم دهی استفاده می کنند. بدنه Audi R8 هم از این ماجرا مستثنی نیست.

تغییر شکل هیدرولیکی ورقه، دو گونه است، یکی توسط کیسه ای شکل گیرنده (انعطاف پذیر)(آبدان) می باشد (در حالی که کیسه محتوی مایع است،مایع با ورق تماس ندارد) و دیگری بدون کیسه (آبدان) است بطوریکه سیال با ورقه تماس مستقیم دارد.یک قطعه کار بر روی رینگ کشش (ورق نگهدار) بالاتر از نری منگنه قرار می گیرد، سپس یک محفظه هیدرولیکی قطعه کار را احاطه میکند و یک فشار اولیه نسبتا کمی قطعه کار را بر خلاف منگنه قرار میدهد.منگنه سپس در محفظه هیدرولیکی بالا میرود و فشار به بالاتر از 15000 psi افزایش میابد و قطعه را اطراف منگنه قالبگیری می کند.سپس فشار کاهش میابد و منگنه تحت تاثیر آن قرار میگیرد و محفظه هیدرولیکی بالا میرود و فرآیند کامل می شود.

هیدروفرمینگ لوله:

در هیدروفرمینگ لوله (THF) دو شیوه اجرا وجود دارد: فشار بالاو فشار پایین.در فرآیند فشار بالا ،لوله کاملا در میان قالب ابتدایی تحت فشار قرار میگیرد.در فشار پایین ،لوله اندکی در حجم ثابت در قسمت انتهایی قالب تحت فشار قرار میگیرد(این فرآیند مختلف الشکل نیز نامیده میشود).در شکل دهی هیدرولیکی لوله،فشار به داخل لوله اعمال می شود که توسط قالب هایی با سطوح متقاطع  و اشکال دلخواه نگاه داشته می شود.هنگامیکه قالب ها بهم نزدیک می شوند،انتهای لوله ها توسط منگنه های محوری آبندی می شود و لوله ها با سیال هیدرولیک پر می شوند. فشار داخلی میتواند تا چندین هزار بار(bar) بالا رود و این سبب میشود که لوله بر طبق قالبها شکل گیرند. سیال از طریق یک یا دو منگنه محوری به درون لوله تزریق می شود.

منگنه های محوری متحرک هستند و عمل آنها نیز برای ایجاد فشردگی محوری و رساندن مواد به سمت مرکز برآمدگی لوله مورد نیاز است.ممکن است از مخلوط سندان هایی عرضی در،قالب شکل گیری برای فرم دادن برآمدگی هایی با نسبت قطر به طول، کم، بهره برده شود. همچنین سندان های عرضی برای سوراخ کردن قطعه کار پس از اتمام فرآیند شکل دهی استفاده می شود.بسیاری از کاربردهای صنعتی این فرآیند را میتوان بخصوص در صنعت اتومبیل سازی مشاهده نمود.

شکل دهی هیدرولیکی انفجاری(ناگهانی):

برای بسیاری از قطعات ، شکل دهی هیدرولیکی انفجاری میتواند فشار تغییر شکل را بوسیله تخلیه  ناگهانی یک بار بر بالای قطعه (توسط خالی کردن قالب کامل میشود) که در مخزنی از آب شناور است ، بسادگی ،تولید کند.تجهیزات مورد استفاده میتواند بسیار ارزان تر از آنچه که برای هر فرآیند پرسکاری مورد نیاز است ،باشد. فرآیند شکل دهی هیدرولیکی به درون یک قالب ،همچنین با بکار بردن تنها یک موج ضربه ای در هوا بعنوان فشار متوسط کار میکند. مخصوصا هنگامیکه انفجارها به قطعه کار نزدیک هستند،اثرات اولیه نتایج را بسیار پیچیده تر از شکل دهی توسط فشار هیدروستاتیکی به تنهایی میکند.

————————————————————————————————————–

راه اندازی و تجهیزات

ابزارها و منگنه ها میتوانند برای  قطعات مختلف تغییر یابند.

ابزارهای معمولی

یکی از مزایای هیدروفرمینگ صرفه جوبی در ابزار است. برای ورقه های فلزی تنها  به یک رینگ کششی و منگنه (فلزکاری) یا قالب نری نیازمندیم.آبدان هیدروفرم خود به تنهایی به عنوان قالب مادگی عمل کرده و نیاز درست کردن یک قالب مادگی سازگار را برطرف می نماید.این مسئله این اجازه را می دهد تا بدون نیاز به تغییر ابزار ضخامت فلز تغییر کند.به هر حال قالب ها می بایست فوق العاده پرداخت خورده باشند و در هیدروفرمینگ لوله ها، قالب دو تکه می بایست اجازه باز شدن و بسته شدن را بدهدد.

هندسه تولیدی

یکی دیگر از مزایای هیدرو فرمینگ تولید اشکال پیچیده در یک گام است.در هیدروفرمینگ ورقه ها (SHF) با آبدانی به عنوان قالب مادگی، تقریبا هندسه های بی حد و حصری قابل تولید است.اگرچه فرآیند توسط نیروی بسیار زیاد، مورد نیاز، برای مهر و موم کردن قالب ها مخصوصا برای قطعات بزرگ و ضخیم از مواد سخت، محدود می شود.تقعرهای ریز در گوشه کنار به سختی به صورت کامل کالیبره می شوند با به اصطلاح  پر می شوند،چرا که نیازمند یک فشار بسیار زیاد هستند.محدودیت های فرآیند SHF یا هیدروفرمینگ ورقه ها بیشتر به خاطر وجود خطرات ناشی از بیش از حد نازک شدن، شکستگی، چروک شدن می باشد و اکیدا به قابلیت انعطاف مواد و انتخاب پارامترهای مناسب فرآیند(به عنوان مثال فشار هیدرولیک در مقابل منحنی زمان) مرتبط می باشد.هیدروفرمینگ لوله ها قادر به تولید هندسه های بسیاری است که سبب کاهش نیاز به عملیات های جوشکاری می باشد. محدودیت ها و خطرات مشابهی هم می توان برای SHF نام برد، بهرحال نیروی بسته نگاه داشتن قالب به ندرت عاملی محدود کننده در THF به شمار می رود.

تلورانس ها و پرداخت کاری سطوح

هیدروفرمینگ قارد به تولید قطعاتی با تلورانس های پایین در محدوده تلورانس های هواپیما که تلورانس معمولی برای ورق فلزی در حدود 30/1000 اینچ است.هیدروفرمینگ ورقه های فلزی همچنین اجازه به داشتن سطوحی با پرداخت بهتر نسبت به فرآیند پرسکاری که نشانه هایی از قالب های نری و مادگی بر روی سطوح ماده باقی می ماند، می دهند.

تاثیر بر روی قطعه کار

هنگامی که یک ورق سفید هیدروفرم می گردد بر روی قالب پخش می شود به جای اینکه کشیده شود. که سبب نازک شدگی کمتر در ماده می گردد. همچنین میزان کار سخت شدن ماده را کاهش می دهد که این امرکمک به بی نیاز شدن از یک فرآیند آنیل کردن بر روی موادی می کند که نیازمند عملیات های شکل دهی دیگری می باشند.

مثالهایی از کاربرد این شیوه:

آنتن های ماهواره ی که بیش از 6 متر قطر دارند، همانند آنچه که در دسته تلسکوپ های آلن به کار برده شده است.

لوله برنجی ساکسیفون یاماها.

این فرآیند برای تولید اسکلت های آلومینیومی دوچرخه بسیار مورد استقبال قرار گرفته است.اولین تولید کننده ای که اقدام به استفاده از این تجهیزات کرد صنایع Giant بود که توسط این تکنولوژی، صنعت دوچرخه را در سال 2003 متحول کرد.

بسیاری از قطعات اصلی موتور ها نیز توسط همین تکنولوژی تولید می گردند.

—————————————————————————————————————

منبع:

• www.en.wikipedia.org

نگارش و ترجمه:

مریم زارع

تابستان 1389

آنکس را که دوست میداری همه حقی بر تو دارد.

حتی این حق را که تو را دوست نداشته باشد.