АНАЛИЗ МЕТОДА ГИДРОФОРМКА: ИСТОРИЯ СТАНОВЛЕНИЯ МЕТОДА, СОВРЕМЕННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ, МАТЕРИАЛЫ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены технология гидроформовки – метод холодной листовой штамповки с использованием давления жидкости для создания сложных металлических деталей. Освещены история развития метода, его ключевые преимущества (снижение веса, повышение прочности, сокращение производственных циклов), а также области применения в автомобилестроении, авиакосмической отрасли и строительстве. Приведены используемые материалы (стали, алюминий, медь) и современные тенденции развития технологии, включая компьютерное моделирование и гибридные методы обработки.

Ключевые слова: гидроформовка, штамповка жидкостью, обработка металлов, трубчатые конструкции, численное моделирование.

Введение

Гидроформовка — процесс гидравлической вытяжки или холодной листовой штамповки жидкостью, при которых сложные однокомпонентные детали получаются прессованием в форме за счет давления жидкости.

Гидроформовка используется для того, чтобы заменить процесс штамповки конструкции из двух частей и сварки их вместе, а также для создания сложных форм и контуров. В результате получаются детали повышенной прочности и жесткости, с облегченным весом и с высоким качеством поверхности. Гидроформовка позволяет достичь более сложной геометрии детали за счет «поддержки» упругой жидкой средой, чем при других традиционных методах деформирования.

С помощью гидроформовки можно производить различные виды операций: вырезку материала и пробивку отверстий, свободную гибку, отбортовку, вытяжку, выдавливание надписей и рисунков, штамповку подсечек [1].

История развития метода гидроформовки

Гидроформовка как метод обработки металлов начала развиваться в начале XX века, хотя идеи использования жидкого давления для формирования металлических заготовок появились ещё в конце XIX века [2]. Одним из пионеров в этой области была американская компания Cincinnati Milling Machine Company, разработавшая первые промышленные установки в 1950-х годах. Уже к 1960-м годам технология начала применяться в аэрокосмической и автомобильной отраслях [3].

В 1970–80-х годах, с ростом требований к облегчению конструкции транспортных средств, гидроформовка стала рассматриваться как альтернативный метод штамповки, позволяющий формировать сложные геометрические формы без сварки и с высокой точностью [3; 4]. Применение метода быстро распространилось в производстве трубчатых элементов, включая шасси и рамы автомобилей [5].

В СССР и затем в России работы по гидроформовке велись в институтах машиностроительного профиля. Были разработаны математические модели упругопластических деформаций, позволившие описывать и оптимизировать процесс [6; 7].

Современные этапы развития гидроформовки связаны с широким применением численного моделирования — в частности, метода конечных элементов — для анализа процессов деформации, подбора режимов давления [7]. Это позволило значительно повысить точность и воспроизводимость изделий, снизив затраты на опытно-промышленные испытания.

Особенно активно гидроформовка применяется в серийном производстве, она позволяет изготавливать детали различной формы, которые применяются практически во всех сферах машиностроения [8-9].

Зарубежные исследования сосредоточены на развитии гибридных гидроформовки, в том числе с участием лазерной или магнитно-импульсной предварительной обработки [5; 10].

Как видно из анализа, гидроформовка является одним из самых перспективных методов обработки металла, все благодаря ключевым преимуществам:

1. В строительном конструировании трубчатые конструкции получили широкое признание, так как трубы выдерживают нагрузки эффективнее, чем детали из штампованного листового металла, даже когда они свариваются в трубкообразные сборочные узлы. Гидроформовка позволяет увеличить сферу применения трубчатых конструкций в строительстве.
2. Гидроформованные детали снижают общий вес конструкций, количество применяемых деталей и количество сварных швов. Это также увеличивает прочность конструкций, сопротивление изгибу и крутящим деформациям.
3. Высокая точность геометрических размеров полученных деталей.
4. Сложные детали, требующие нескольких циклов штамповки традиционными способами, возможно изготовить в одном цикле гидроформовки. Гидроформовка часто позволяет добиться сокращения времени на штамповку на 60-70%.
5. Обеспечение более равномерной толщины формованных деталей, чем при традиционных методах вытяжки давлением.
6. Снижение трудоемкости изготовления сложных полых деталей в несколько раз в зависимости от сложности детали, а также их стоимости на 50-70% за счет сокращения или полного отказа от целого ряда работ;
7. Полная герметичность деталей, предназначенных для работы под давлением в газо- и нефтепроводах. К достоинствам этой технологии применительно к производству деталей для газо- и нефтепроводов можно отнести и тот факт, что детали проходят испытание высоким давлением непосредственно в процессе изготовления гидроформовкой, что в определенной степени заменяет операции контроля качества продукции.

Материалы, используемые в гидроформовке

Материалом трубных заготовок для гидравлической формовки могут быть различные металлы и сплавы, обладающие достаточной пластичностью. Используют горячекатаные и холоднотянутые трубы, трубы из коррозионностойких и жаропрочных легированных, а также углеродистых марок стали [11]. Из цветных металлов применяют медь, латунь, алюминий и др. [12]. Кроме бесшовных труб также используют и сварные трубы. К тому же гидравлическая формовка позволяет изготовлять детали из биметаллических труб или получать биметаллические детали из составных труб.

Вывод

Гидроформовка представляет собой высокоэффективный и перспективный метод обработки металлов, который позволяет создавать сложные однокомпонентные детали с высокой точностью, прочностью и минимальным весом. Этот метод успешно заменяет традиционные технологии, такие как штамповка и сварка, сокращая количество операций, снижая трудоёмкость и себестоимость производства.

История развития гидроформовки демонстрирует её широкое применение в различных отраслях, включая аэрокосмическую и автомобильную промышленность, где она используется для изготовления трубчатых конструкций, рам и других ответственных элементов. Современные достижения, такие как численное моделирование и гибридные технологии, ещё больше расширяют возможности метода, повышая его точность и воспроизводимость.

Использование различных материалов, включая сталь, алюминий и медь, делает гидроформовку универсальной технологией, применимой в самых разных сферах машиностроения. Дальнейшее развитие метода, включая интеграцию с современными технологиями обработки, открывает новые перспективы для его применения в промышленности.

Таким образом, гидроформовка остаётся одним из наиболее востребованных и инновационных методов обработки металлов, сочетающим в себе экономическую эффективность, технологическую гибкость и высокое качество конечной продукции.

Список литературы:

1. Беляев А.А., Колотов Ю.В. Развитие методов гидроформовки изделий из трубчатых заготовок в СССР и современной России // КШО ОМД. 2009 №1. С. 20-31.
2. The History of Hydroforming in the U.S. // American Hydroformers. – 2013. – URL: https://americanhydroformers.com/history-hydroforming-u-s/.
3. Koc M., Altan T. An overall review of the tube hydroforming (THF) technology // Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 108, Issue 3. – P. 384–393.
4. Asnafi N. Analytical modelling of tube hydroforming // Thin-Walled Structures. – 2000. – Vol. 37, Issue 3. – P. 223–240.
5. Strano M. Virtual process development in tube hydroforming // Journal of Materials Processing Technology. – 2004. – Vol. 146, Issues 3–4. – P. 353–362.
6. Пасько А.Н. Математическая модель упруго-пластических деформаций в трёхмерных задачах гидроштамповки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2012. – № 1. – С. 5–10.
7. Зародов М.С., Демин В.А. Исследование процесса гидроформовки как способа изготовления теплообменных панелей // Наукоемкие технологии в машиностроении: материалы 15-й Международной научно-технической конференции. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2024. – Т. 1. – С. 106–107.
8. Глушенков В.А. Технология и оборудование специальных видов листовой штамповки: учебное пособие. – Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 2015. – 200 с.
9. Evolution of Hydroforming Technologies and Its Applications – A Review // ResearchGate. – 2020. – 15 с.
10. A state-of-the-art review of hydroforming technology: Its applications, research areas, history and future in manufacturing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2019. – Vol. 104, Issues 5–8. – P. 2135–2162.
11. Исследование эксперимента и моделирование процесса раздачи труб при гидроформовке // Чан Дых Хоан, Пасынков Андрей Александрович, Лай Данг Занг, Фам Хыу Хиеп / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022 Вып.2
12. Построение кривых упрочнения меди м1 при гидроформовке одиночных гофров // Лазуткин Александр Владимирович, Евсюков Сергей Александрович, Артюховская Татьяна Юрьевна / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021 Вып.5