PL246818B1 - Sposób hydromechanicznego kształtowania zamkniętych obwodowo profili cienkościennych - Google Patents

Abstract

Sposób hydromechanicznego kształtowania zamkniętych profili cienkościennych polega na tym, że zamknięty profil cienkościenny (1) mocuje się w uchwytach mocująco - pozycjonujących (2) a następnie wprowadza się do profilu wkład metalowy (3) w postaci pręta, przy czym obie końcówki wkładu metalowego wystają poza profil i mocowane są w zaciskach wyposażonych w napęd. Wkład metalowy w postaci pręta jest wstępnie dopasowany w przekroju poprzecznym do kształtowanego profilu i składa się z jednego lub kilku elementów, które wsuwa się do profilu jeden po drugim tak aby stykały się ze sobą. Następnie lokalnie doprowadza się energię elektryczną do zwojów cewki indukcyjnej, która poprzez pole magnetyczne jest bezpośrednio zamieniana na energię cieplną, po czym do wystających poza profil niestopionych końców wkładu metalowego wzdłużnie przykłada się siłę uszczelniając przestrzeń między wkładem a profilem, nagrzewając kształtowany profil i odkształcając go hydrostatycznie i plastycznie a po zakończeniu procesu kształtowania z profilu usuwa wkład metalowy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób hydromechanicznego kształtowania profili cienkościennych zamkniętych obwodowo. Wynalazek ma zastosowanie w wytwarzaniu gotowych wyrobów oraz preprofili wstępnie kształtowanych, dedykowanych dalszym operacjom kształtującym.

Jednym ze sposobów plastycznego kształtowania profili metalowych jest formowanie ich przy użyciu ciśnienia cieczy, określane również pojęciem rozpęczania cieczą lub kształtowania hydrodynamicznego lub kształtowania hydromechanicznego. Techniką kształtowania cieczą możliwe jest wykonywanie elementów z metalowych profili lub z blach, a w szczególności z cienkościennych profili zamkniętych obwodowo, co stanowi alternatywę dla wyrobów odlewanych lub wykonywanych na drodze łączenia profili otwartych lub wytłoczek. W trakcie kształtowania dochodzi do odkształcenia plastycznego wywołanego ciśnieniem cieczy roboczej działającym na ściankę profilu, a kształt profilu regulowany jest zazwyczaj kształtem sztywnej matrycy.

Z amerykańskiego patentu US1943560 znana jest metoda wykonywania, z profili o przekroju kołowym, profili o dowolnym przekroju, w tym także profili o przekroju ze zmiennym kształtem na długości profilu oraz o zmiennej grubości ścianki profilu. Metoda polega na wypełnieniu kształtowanego profilu cieczą, a następnie kuciu matrycowym tak przygotowanego profilu. Profil w trakcie operacji kucia jest na stałe połączony ze zbiornikiem cieczy. W celu zapobieżenia spadkom ciśnienia cieczy w kształtowanym profilu, w zbiorniku nad lustrem cieczy utrzymywane jest sprężone powietrze. W patencie przedstawiono również rozwiązanie alternatywne, w którym ciecz roboczą zastąpiono materiałem sypk im, takim jak złom kwarcowy lub piasek, albo innym podobnym materiałem charakteryzującym się relatywną nieściśliwością.

W patencie amerykańskim US3443409 przedstawiono metodę hydrodynamicznego kształtowania wyrobów mających kształt mieszka. W rozwiązaniu tym wykorzystuje się gwałtowny wzrost ciśnienia cieczy kształtującej spowodowany impulsem wywołanym, np. uderzeniem szybko poruszającego się tłoka. Zaproponowane rozwiązanie stwarza możliwość taktowego kształtowania mieszków przy równoczesnym uniknięciu konieczności uszczelniania elementu kształtowanego.

W innym amerykańskim patencie US5107693 został rozwiązany problem uszczelniania połączenia pomiędzy profilem kształtowanym a elementem doprowadzającym ciecz kształtującą do wnętrza kształtowanego profilu. Kształtowany profil o początkowym przekroju kołowym jest wstępnie odkształcany przez matrycę i nadawany jest mu przybliżony kształt. Matryca jest złożona z dwóch połówek. Na tym etapie kształtowany profil ma otwarte końce i jest wypełniony swobodnie przepływającą cieczą. Podczas tego procesu nie dochodzi do zmian grubości ścianek profilu. Dopiero po nadaniu przybliżonego kształtu oba końce profilu są zamykane za pomocą stożkowych trzpieni. Trzpienie mają naniesione na powierzchnię stożkową piłokształtne wgłębienia, które wnikając w powierzchnię profilu tworzą szczelne połączenie. Następnie pod wpływem zwiększającego się ciśnienia hydraulicznego cieczy wypełniającej profil następuje jego odkształcenie w formie do postaci gotowego wyrobu odwzorowującego kształt wnęki matrycy. Proces końcowego odkształcania przerywa się po pełnym wypełnieniu wnęki matrycy przez kształtowany profil. Podczas końcowej fazy odkształcania ciśnienie wywierane na stożkowe trzpienie i ciśnienie doprowadzanej cieczy jest regulowane hydraulicznie lub elektrohydraulicznie w zależności od ciśnienia wewnątrz kształtowanego profilu.

Opisy znanych dotychczas rozwiązań przedstawiają na ogół sposoby doprowadzania cieczy wykorzystywanej do kształtowania, a ich rozwój na przestrzeni lat dotyczył miejsca doprowadzania oraz chwili i sposobu uszczelnienia elementu kształtowanego. Podstawowym narzędziem nadającym kształt jest zazwyczaj metalowa matryca kształtująca powierzchnię zewnętrzną.

Z opisu patentowego KR20020093494 znany jest także sposób hydroformowania kształtek z płyty zamocowanej w matrycy ciśnieniowej, w której płyta jest zamocowana pomiędzy komorą z cieczą roboczą i komorą ze sprężonym gazem tworzącym poduszkę gazową pomiędzy płytą a powierzchnią kształtową matrycy. Formowanie kształtki następuje pod wpływem ciśnienia hydrodynamicznego cieczy i stopniowego uwalniania sprężonego gazu aż do pełnego kontaktu formowanej kształtki z powierzchnią kształtową matrycy. Rozwiązanie pozwala na zminimalizowanie niekorzystnego wpływu tarcia na kształtowaną płytę oraz zapewnia jednolity rozkład ciśnienia hydrodynamicznego na całej kształtowanej powierzchni płyty aż do jej kontaktu z powierzchnią kształtową matrycy, wymaga jednak wykonania specjalnej matrycy z kanałami gazowymi i zaworami do regulacji ciśnienia sprężonego gazu.

Znany jest patent CN103056215, w którym hydroformowanie odbywa się na stanowisku składającym się z prasy hydraulicznej i systemu grzewczego. System grzewczy pozwala na kontrolowane podniesienie temperatury materiału kształtowanego - blachy. Celem podniesienia temperatury kształtowanego materiału jest poprawienie jego plastyczności.

W amerykańskim patencie US1000574A ujawniono metodę kształtowania zewnętrznej powierzchni profilu w maszynie dedykowanej do wytwarzania beczek. Kształtowany element umieszczany jest w sztywnej formie przez podnoszoną na zawiasie część ruchomą. Napędzane siłownikami końcowe zamknięcia przestrzeni roboczej stanowią uszczelnienie kształtowanego elementu rury metalowej.

W zgłoszeniu patentowym PL424401 (A1), kształt zewnętrzny jest nadawany przez specjalnie wykonaną formę. Forma ta ulega odkształceniu w trakcie formowania. Kontrolowane odkształcenie formy prowadzi do uzyskania założonego kształtu profilu.

W przypadku cienkościennych profili zamkniętych obwodowo ciecz kształtująca wprowadzana jest do wnętrza profilu. Dostatecznie wysokie ciśnienie cieczy pozwala na lokalne lub globalne uplastycznienie materiału profilu. W celu uzyskania odpowiednio wysokiego ciśnienia cieczy wewnątrz kształtowanego profilu stosuje się elementy uszczelniające, które jednocześnie umożliwiają doprowadzenie cieczy do wnętrza profilu. Aby było to możliwe element uszczelniający oraz kształtowany profil są odpowiednio przygotowane, co pozwala na ich połączenie w trakcie procesu kształtowania. Wykonanie odpowiedniego elementu uszczelniającego jest trudne, a czasem ze względu na kształt profilu wręcz niemożliwe. Rozwiązanie według niniejszego wynalazku eliminuje wady i niedogodności rozwiązań znanych ze stanu techniki.

W celu nadania odpowiedniego kształtu zewnętrznego rozpęczanego profilu powszechnie stosowane jest narzędzie kształtujące, zazwyczaj matryca sztywna, najczęściej wykonana z metalu. Stosowanie metalowej matrycy kształtującej powierzchnię zewnętrzną profilu stwarza istotne ograniczenia dla produkcji jednostkowej lub małoseryjnej. Wykonanie matrycy jest czasochłonne i energochłonne. Jest to przeszkodą stosowania metody kształtowania cieczą do produkcji prototypowej wymagającej wytworzenia elementów o wariantowej geometrii. Rozwiązanie według niniejszego wynalazku eliminuje wady i niedogodności rozwiązań znanych ze stanu techniki.

Istotą wynalazku jest sposób hydromechanicznego kształtowania zamkniętych profili cienkościennych polegający na wypełnieniu profilu materiałem kształtującym, charakteryzuje się tym, że zamknięty profil cienkościenny mocuje się w uchwytach mocująco-pozycjonujących, a następnie wprowadza się do profilu cienkościennego wkład metalowy w postaci pręta, przy czym obie końcówki wkładu metalowego wystają poza profil cienkościenny i mocowane są w zaciskach wyposażonych w napęd, a wkład metalowy w postaci pręta jest wstępnie dopasowany w przekroju poprzecznym do kształtowanego profilu cienkościennego i składa się z jednej lub kilku części, które wsuwa się do profilu cienk ościennego jedna po drugiej tak, aby stykały się ze sobą, następnie lokalnie doprowadza się energię elektryczną do zwojów cewki indukcyjnej, która poprzez pole magnetyczne jest bezpośrednio zamieniana na energię cieplną, po czym do wystających poza profil cienkościenny niestopionych końców wkładu metalowego przykłada się wzdłużnie siłę uszczelniając przestrzeń między wkładem metalowym a profilem cienkościennym, nagrzewając kształtowany profil cienkościenny i odkształcając go hydrostatycznie i plastycznie, a po zakończeniu procesu kształtowania usuwa się z profilu cienkościennego wkład metalowy, przy czym w części odkształconej i jej okolicach profilu cienkościennego pozostaje pozostałość wkładu metalowego tworząc warstwę wewnętrzną.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia profil cienkościenny zamknięty obwodowo w przekroju wzdłużnym wraz z metalowym wkładem kształtującym, Fig. 2 przedstawia profil cienkościenny w przekroju wzdłużnym wraz z cewką indukcyjną podczas nagrzewania wkładu metalowego, Fig. 3 przedstawia profil cienkościenny z wkładem metalowym, gdzie pokazano strefę uszczelnioną ciekłym metalem powstałym z lokalnie stopionego fragmentu wkładu metalowego, Fig. 4 przedstawia profil cienkościenny w trakcie procesu hydroformowania, gdzie pokazano strefy lokalnego odkształcenia plastycznego kształtowanego profilu cienkościennego, Fig. 5 przedstawia ukształtowany profil cienkościenny po wyjęciu wkładu wraz z warstwą naniesioną na wnętrze strefy odkształconej, Fig. 6 przedstawia profil cienkościenny w przekroju wzdłużnym wraz z metalowym wkładem kształtującym składającym się z trzech części, Fig. 7 przedstawia profil cienkościenny w przekroju wzdłużnym wraz z cewką indukcyjną podczas nagrzewania środkowej części wkładu metalowego, Fig. 8 przedstawia profil cienkościenny z wkładem metalowym, gdzie pokazano strefę uszczelnioną ciekłym metalem powstałym z lokalnie stopionego fragmentu wkładu metalowego, Fig. 9 przedstawia profil cienkościenny w trakcie procesu hydroformowania, gdzie pokazano strefy lokalnego odkształcenia plastycznego kształtowanego profilu cienkościennego, Fig. 10 przedstawia ukształtowany profil cienkościenny po wyjęciu wkładu metalowego wraz z warstwą naniesioną na wnętrze strefy odkształconej.

Przykład 1. Sposób hydromechanicznego kształtowania profili cienkościennych zamkniętych obwodowo realizowany jest na stanowisku do hydromechanicznego kształtowania, gdzie stalowy profil cienkościenny 1 zamknięty obwodowo, o przekroju kołowym i średnicy wewnętrznej 0 30 [mm] i grubości ścianki g = 1 [mm], jest mocowany i pozycjonowany w uchwytach mocująco-pozycjonujących 2, a w profilu cienkościennym 1 umieszczany jest wkład metalowy 3, w postaci okrągłego pręta, o średnicy 0 29,8 wykonany z mosiądzu krzemowego, przy czym końce wkładu metalowego 3 wystają poza końce profilu cienkościennego 1 i mocowane są w zaciskach 5 wyposażonych w napęd. Ponadto stanowisko składa się ze spiralnej cewki indukcyjnej 4, zasilanej napięciem 230V i o regulowanej mocy w zakresie do 2000W, wyposażonej w napęd z możliwością przesuwu w płaszczyźnie poziomej z zadaną prędkością oraz z możliwością pozycjonowania jej względem profilu cienkościennego 1 w jego osi wzdłużnej. Cewka indukcyjna 4 umieszczona w zadanej pozycji lokalnie doprowadza energię do wkładu metalowego 3 tym samym lokalnie go podgrzewając do temperatury przekraczającej jego temperaturę topnienia, ale nie wyższej niż 1050°C, a zaciski 5 nałożone na końce wkładu metalowego 3 wystające poza profil cienkościenny 1 realizują siłę wzdłużną zbliżając końce wkładu metalowego 3, co powoduje, że na granicy stopionego lokalnie mosiężnego wkładu metalowego 3 oraz niestopionej części wkładu metalowego 3 powstaje strefa uszczelnienia 6 uniemożliwiająca wypływanie stopionego lokalnie wkładu metalowego 3 przez szczelinę między wkładem metalowym 3 a profilem cienkościennym 1. Zaciski 5 przybliżające do siebie wzdłużnie nieroztopione końce wkładu metalowego 3 powodują podwyższenie ciśnienia roztopionego lokalnie wkładu metalowego 3 i tworzą strefę lokalnego kształtowania plastycznego 7 wewnątrz profilu cienkościennego 1, który podgrzany lokalnie przez cewkę indukcyjną 4 oraz roztopioną część wkładu cienkościennego 1 do temperatury nieprzekraczającej jego temperatury topnienia oraz dzięki podwyższonemu ciśnieniu roztopionej części wkładu metalowego 3 odkształca się lokalnie plastycznie. Po uzyskaniu zadanego stopnia odkształcenia profilu cienkościennego 1 nieroztopione końce wkładu metalowego 3 są usuwane z profilu za pomocą zacisków 5 realizujących ruch wzdłużny, a roztopiona część wkładu metalowego 3 przestaje być poddawana ciśnieniu i kończy tym samym odkształcenie profilu cienkościennego 1, zostaje częściowo usunięta z profilu cienkościennego 1 wraz z usuwanymi końcami nieroztopionego wkładu metalowego 3 i pozostawia we wnętrzu profilu cienkościennego 1 w jej części odkształconej i okolicach niewielką pozostałość tworzącą warstwę wewnętrzną 8.

Przykład 2. Sposób hydromechanicznego kształtowania profili cienkościennych zamkniętych obwodowo realizowany jest na stanowisku do hydromechanicznego kształtowania, gdzie stalowy profil cienkościenny 1 zamknięty obwodowo, o przekroju kołowym i średnicy wewnętrznej 0 30 [mm] i grubości ścianki g = 1 [mm], jest mocowany i pozycjonowany w uchwytach mocująco-pozycjonujących 2, a w profilu cienkościennym 1 umieszczany jest wkład metalowy 3 w postaci okrągłego pręta o średnicy 0 29,8, który składa się z dwóch stalowych części zewnętrznych 3a i 3b oraz aluminiowej części wewnętrznej 3c i które wsuwa się do profilu cienkościennego 1 jedną po drugiej tak, aby stykały się ze sobą czołowo, przy czym dwa skrajne końce części zewnętrznych 3a i 3b wkładu metalowego 3 wystają poza końce profilu cienkościennego 1 i mocowane są w zaciskach 5 wyposażonych w napęd. Ponadto stanowisko składa się ze spiralnej cewki indukcyjnej 4, zasilanej napięciem 230V i o regulowanej mocy w zakresie do 2000W, wyposażonej w napęd z możliwością przesuwu w płaszczyźnie poziomej z zadaną prędkością oraz z możliwością pozycjonowania jej względem profilu cienkościennego 1 w jego osi wzdłużnej. Cewka indukcyjna 4 umieszczona w zadanej pozycji lokalnie doprowadza energię do aluminiowej części wewnętrznej 3c wkładu metalowego 3 tym samym lokalnie ją podgrzewając do temperatury przekraczającej jej temperaturę topnienia, ale nie wyższą niż 720°C, a zaciski 5 nałożone na końce części zewnętrznych 3a i 3b wkładu metalowego 3 wystające poza profil cienkościenny 1 realizują siłę wzdłużną zbliżając do siebie końce wkładu metalowego 3, co powoduje, że na granicy stopionej części wewnętrznej 3c wkładu metalowego 3 oraz niestopionych części zewnętrznych 3a i 3b wkładu metalowego 3 powstaje strefa uszczelnienia 6 uniemożliwiająca wypływanie stopionej części wewnętrznej 3c przez szczelinę między częściami zewnętrznymi 3a i 3b a profilem cienkościennym 1. Zaciski 5 przybliżające do siebie wzdłużnie nieroztopione końce części zewnętrznych 3a i 3b powodują podwyższenie ciśnienia roztopionej aluminiowej części wewnętrznej 3c wkładu metalowego 3 i tworzą strefę lokalnego kształtowania plastycznego 7 wewnątrz profilu cienkościennego 1, który podgrzany lokalnie przez cewkę indukcyjną 4 oraz roztopioną część wewnętrzną 3c wkładu metalowego 3 do temperatury nieprzekraczającej jego temperatury topnienia oraz dzięki podwyższonemu ciśnieniu roztopionej części wewnętrznej 3c odkształca się lokalnie plastycznie. Po uzyskaniu zadanego stopnia odkształcenia profilu cienkościennego 1 nieroztopione części zewnętrzne 3a i 3b wkładu metalowego 3 są usuwane z profilu cienkościennego 1 za pomocą zacisków 5 realizujących ruch wzdłużny, a roztopiona część wewnętrzna 3c przestaje być poddawana ciśnieniu i kończy tym samym odkształcenie profilu cienkościennego 1, zostaje częściowo usunięta z profilu cienkościennego 1 wraz z usuwanymi końcami nieroztopionych części zewnętrznych 3a i 3b wkładu metalowego 3 i pozostawia we wnętrzu profilu cienkościennego 1, w jej części odkształconej i okolicach, niewielką pozostałość tworzącą warstwę wewnętrzną 8.

Sposób według wynalazku umożliwia wykonanie elementów kształtowanych hydrostatycznie z materiałów trudno odkształcalnych. Zastosowanie wkładu metalowego doprowadzanego lokalnie do stanu ciekłego pozwala na kształtowanie profilu w lokalnie podwyższonej temperaturze, co nie wpływa na własności mechaniczne w pozostałych obszarach profilu. W rozwiązaniu przestrzeń pomiędzy wkładem metalowym wprowadzonym do kształtowanego profilu a samym profilem jest samoczynnie uszczelniana przez stopiony lokalnie materiał wkładu metalowego, co usuwa ograniczenia dotyczące stosowanego ciśnienia potrzebnego do odkształcenia plastycznego profilu. Po uzyskaniu zadanego stopnia odkształcenia wkład oraz resztki stopionego w strefie kształtowania wkładu metalu zostają usunięte z wnętrza profilu.

Dodatkową zaletą opisywanego rozwiązania jest występujące równoczesne z kształtowaniem profilu, nanoszenie powłoki metalowej na wewnętrzne powierzchnie kształtowanego profilu. W tradycyjnym rozwiązaniu nanoszenie powłoki odbywa się albo przed kształtowaniem albo po kształto waniu, co niesie ze sobą różne niedogodności, w tym konieczność wykonania dodatkowej operacji. Ponadto powłoka nanoszona według niniejszego rozwiązania charakteryzuje się wysokimi walorami mechanicznymi i użytkowymi, ponieważ jest nanoszona na kształtowaną powierzchnię w trakcie jej tworzenia. Równocześnie nanoszenie powłoki odbywa się w podwyższonej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu płynnego metalu, co stwarza dogodne warunki dyfuzji między warstwą a profilem. Naniesiona powłoka ma korzystniejsze własności w porównaniu do powłok nanoszonych tradycyjnie.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób hydromechanicznego kształtowania zamkniętych profili cienkościennych polegający na wypełnieniu profilu materiałem kształtującym, znamienny tym, że zamknięty profil cienkościenny (1) mocuje się w uchwytach mocująco-pozycjonujących (2), a następnie wprowadza się do profilu cienkościennego (1) wkład metalowy (3) w postaci pręta, przy czym obie końcówki wkładu metalowego (3) wystają poza profil cienkościenny (1) i mocowane są w zaciskach (5) wyposażonych w napęd, a wkład metalowy (3) w postaci pręta jest wstępnie dopasowany w przekroju poprzecznym do kształtowanego profilu cienkościennego (1) i składa się z jednej lub kilku części (3a, 3b, 3c), które wsuwa się do profilu cienkościennego (1) jedna po drugiej tak, aby stykały się ze sobą, następnie lokalnie doprowadza się energię elektryczną do zwojów cewki indukcyjnej (4), która poprzez pole magnetyczne jest bezpośrednio zamieniana na energię cieplną, po czym do wystających poza profil cienkościenny (1) niestopionych końców wkładu metalowego (3) przykłada się wzdłużnie siłę uszczelniając przestrzeń (6) między wkładem metalowym (3) a profilem cienkościennym (1), nagrzewając kształtowany profil cienkościenny (1) i odkształcając go hydrostatycznie i plastycznie a po zakończeniu procesu kształtowania usuwa się z profilu cienkościennego (1) wkład metalowy (3), przy czym w części odkształconej i jej okolicach profilu cienkościennego (1) pozostaje pozostałość wkładu metalowego (3) tworząc warstwę wewnętrzną (8).