از هیدروفرمینگ چه می‌دانید؟ معرفی کاربرد روش هیدروفرمینگ در ساخت اجزاء خودرو

مقدمه

امروزه نیاز به افزایش بازدهی خودروها به‌وسیله کاهش وزن نیازی مبرم و اساسی است، یکی از روش‌هایی که برای این کار مورد استفاده قرار می­گیرد استفاده از روش هیدروفرمینگ برای تولید قطعات مختلف بدنه و سازه خودروها است. برای مثال در شکل زیر می‌توان لوله‌ای با پروفیل گرد را مشاهده کرد که پس از عملیات خم‌کاری اولیه به روش هیدروفرمینگ به پروفیل مربعی با مقاطع متفاوت تبدیل شده است.

هیدروفرمینگ چیست؟

هیدروفرمینگ درواقع فرآیند شکل‌دهی و تولید قطعات مختلف از جنس‌هایی مانند آلومینیوم، برنز و فولاد است که به کمک فشار بالای سیال عملیات شکل‌دهی را انجام می‌دهد. این روش به‌عنوان یک روش اقتصادی در تولید قطعات مختلف و مهم‌تر و گسترده‌تر از همه در صنعت خودرو شناخته می‌شود که قابلیت ایجاد اشکال پیچیده را در کنار استحکام بالاتر و وزن پایین‌تر و البته هزینه تولید کمتر برای تولید کننده به ارمغان می‌آورد. در ادامه با این روش بیشتر آشنا خواهیم شد.

هیدروفرمینگ _ یا به عبارتی شکل‌دهی با سیال _ یکی از انواع شکل‌دهی با قالب است که برای شکل‌دهی به فلزات در دمای اتاق استفاده می‌گردد. با استفاده این روش می‌توان تقریباً تمام فلزاتی را که به‌صورت سرد شکل‌دهی می‌گردند را فرم داد. قطعاتی که به این روش تولید می‌شوند، نسبت به دیگر روش‌ها مانند پرس، دو ویژگی اساسی را در کنار دیگر مزایای این روش ارائه می‌کنند، نسبت سفتی به وزن بالاتر و هزینه تولید کمتر.

هیدروفرمینگ باوجود اینکه نزدیک به هفت دهه از ابداع آن گذشته، امروزه به‌عنوان یک روش نوین در صنعت شناخته می‌شود. اولین اختراع مرتبط به این روش در دهه ۱۹۵۰ و توسط دو آمریکایی به نام‌های “فرد لویتزر” و”جان فاکس” در ایالت اوهایو ثبت شده است که از این روش برای تولید تجهیزاتی برای آشپزخانه‌ها استفاده می‌کرده‌اند تا قطعات تولیدی سطح صاف‌تری داشته باشند و عملیات پرداخت‌کاری کمتری روی آن انجام گردد.

این روش به‌طور کلی به دو نوع تقسیم می‌شود، نوع اول فرم دهی به ورق‌ها _Sheet HydroForming (SHF) _ و نوع دوم شکل‌دهی به پروفیل‌ها بسته جدار نازک یا تیوب‌ها _ Tube HydroForming (THF) _ که هریک دارای ویژگی‌هایی هستند.

هیدروفرمینگ ورق‌ها

برای توصیف روش SHF یا همان هیدروفرمینگ ورق‌ها بهتر است یک مثال خودرویی بزنیم، فرض کنید بخواهیم رویه درب یک خودرو را به این روش تولید کنیم، برای این کار ابتدا باید یک قالب منفی یا مثبت از رویه در ساخته شود _ فراموش نکنید که برای تولید همین رویه به روش پرس هیدرولیکی و یا پنوماتیکی باید هر دو نیمه قالب یعنی نیمه مثبت و منفی را می‌ساختیم _ سپس قالب در دستگاه هیدروفرمینگ قرار می‌گیرد و پس‌ازآن ورق برش خورده در ابعاد قالب روی آن قرار می‌گیرد.

در مرحله بعد لایه‌ای عموماً لاستیکی روی ورق قرار می‌دهند تا سیال _که معمولاً آب است _ با ورق در تماس نباشد، علت دیگر قرار دادن این لایه لاستیکی بعضاً آب‌بندی محفظه فشار است، سپس فشار سیال در دو مرحله افزایش می‌یابد، در مرحله اول پمپ‌های هیدرولیکی فشار اندکی در محفظه فشار ایجاد می‌کنند تا ورق شکل کلی قالب را به خود بگیرد، سپس فشار هیدرولیک توسط پمپ‌های خطی تا چند هزار بار بالا می‌رود تا شکل‌دهی کامل گردد. پس از این مرحله نیز با حذف فشار و تخلیه محفظه ورق شکل گرفته از قالب خارج می‌گردد.

در شکل زیر مراحل انجام این فرایند مشخص شده است:

هیدروفرمینگ پروفیل‌ها بسته جدار نازک یا تیوب‌ها

در مورد شکل‌دهی تیوب‌ها یا پروفیل‌های بسته جدا نازک نیز می‌توان از مثال‌های خودرویی استفاده کرد چراکه همان‌طور که عنوان شد امروزه این روش در صنعت خودرو بیشترین استفاده را دارد. این بار تصور کنید قصد تولید یکی از کرش باکس‌های _crash box _ قسمت جلو را دارید، در این صورت قالبی که تهیه خواهید کرد یک تفاوت عمده با قالب تهیه شده برای شکل‌دهی ورق خواهید داشت و آن اینکه برای این قطعه مجبور به استفاده از دو قالب منفی هستید، پس از ساخت دو قالب منفی و قرار دادن آن در دستگاه باید یک لوله توخالی از جنس موردنظر را در داخل قالب قرار دهید، پس از بسته شدن قالب، نازل‌های جانبی از دو طرف لوله را آب‌بندی کرده و همانند نوع قبل فشار هیدرولیکی ابتدا توسط پمپ‌های هیدرولیکی و سپس توسط پمپ‌های خطی در داخل لوله بالا می‌رود تا لوله شکل بگیرد.

در حین این که فشار داخل لوله افزایش می‌یابد، نازل‌های جانبی نیز با حرکت خطی لوله را جابجا می‌کنند تا شکل‌دهی لوله کامل گردد. مسئله مهمی که باعث برتری این روش نسبت به سایر روش‌های تولید پروفیل‌ها جدار نازک شده است، این است که در این روش پروفیل جدار نازک با هر شکل و اندازه مقطع فقط در یک مرحله تولید می‌گردد و نیازی انجام عملیات دیگر مثل جوش‌کاری یا چسب کاری برای دست‌یابی به پروفیل موردنظر نیست که همین مسئله نیز وزن قطعات تولید شده به این شیوه را بسیار کاهش می‌دهد.

مزایا و محدودیت‌ها

یکی از محدودیت‌هایی که در گذشته مانع از نفوذ این روش به صنعت می‌شد پیچیدگی محاسبات این روش بود، چراکه فقط برای حالت‌های خاصی محاسبات دقیق برای این روش انجام می‌شد، اما پیشرفت‌هایی که در روش‌های اجزای محدود در سال‌های اخیر ایجاد شده، باعث شده بتوان این روش را برای جنس‌ها و قطعات مختلف مهندسی کرده و منحنی‌های بارگذاری را محاسبه نمود _منحنی‌های فشار-زمان و جابجایی-زمان.

یکی از مزیت‌های استفاده از روش هیدروفرمینگ کاهش نیاز به ابزارهای تولید است، برای مثال در شکل‌دهی ورق‌ها تنها یک قالب مثبت یا منفی نیاز است در حالی که برای فرم دهی همین ورق به روش پرس هیدرولیک و یا پنوماتیک نیاز به دو قالب یکی مثبت و دیگری منفی است. علاوه بر آن بر اساس جنس و فرم قطعه مورد نظر می‌توان قالب را از جنس‌های بسیار ارزان‌تر نسبت به فولاد ساخت مانند اپوکسی . البته همان‌طور که اشاره شد برای شکل‌دهی به تیوب‌ها نیاز به دو قالب منفی می‌باشد.

+

مزیت دیگر استفاده از هیدروفرمینگ، قابلیت این روش در ایجاد شکل‌های پیچیده تنها در یک مرحله است. در فرم دهی ورق‌ها که از لایه لاستیکی در آن استفاده می‌شود که این لایه درواقع وظیفه قالب مثبت را انجام می‌دهد، تقریباً هیچ محدودیتی برای پیچیدگی شکل قطعه وجود ندارد، اما با این وجود محدودیت‌هایی در حداکثر فشار نهایی داخل محفظه به دلیل ملاحظات آب‌بندی وجود دارد، مخصوصاً برای ورق‌های بزرگ با ضخامت‌های بالا. همچنین منحنی‌ها محدب با شعاع کم نیز به‌سختی کالیبره می‌گردند به این دلیل که فشار بالایی برای این‌گونه فرم دهی‌ها نیاز است.

این محدودیت‌ها به این دلیل ایجاد می‌شود که در صورتی که فشار داخلی محفظه از حدی بالاتر رود که نیروی بلند کننده محفظه از نیروی رو به پایین آن بیشتر گردد، آب‌بندی محفظه از بین رفته و فشار داخل محفظه تخلیه می‌گردد لذا باید محدودیت‌هایی برای فشار هیدرولیکی وجود داشته باشد. که این محدودیت‌ها درواقع باعث کاهش توانایی‌های این روش در شکل‌دهی به ورق‌های با ضخامت بالا و شکل‌هایی با جزییات ریز می‌گردد که البته این محدودیت‌ها برای جلوگیری از نازک شدن، ایجاد ترک و چین برداشتن قطعه بوده و وابسته به قابلیت شکل‌پذیری ماده و منحنی فشار-زمان انتخاب شده می‌باشد. در مورد شکل‌دهی تیوب‌ها نیز همین محدودیت‌ها وجود دارد ولی نیروی مورد نیاز برای بسته نگه داشتن قالب به ندرت محدودیتی در این روش ایجاد می‌کند، کما اینکه این روش نیز توانایی فرم دهی‌های با شکل‌های پیچیده بدون نیاز به جوش‌کاری را فراهم می‌کند.

کاربردهای خودرویی

برای مثال بیشتر کاربردهای این روش در صنعت خودرو می‌توان به تولید قطعات مختلفی از جمله قطعات بدنه، سازه، قطعات تعلیق، رادیاتور و … اشاره کرد، اما اولین خودرویی که قسمت‌هایی از بدنه آن به این روش تولید شد “شورولت کوروت ۱۹۹۷ ” بود کما اینکه در حال حاظر این روش در تولید خودروهایی مانند “فورد F-150 “، “شورولت سیلورادو” و” دوج رم” اشاره کرد که در این مورد آخر قسمت‌هایی از بدنه و اغلب قسمت‌های سازه به این روش تولید شده‌اند؛ اما یکی دیگر از خودروهایی گه بسیاری از قطعات بدنه و سازه آن از طریق هیدروفرمینگ تولید می‌شود “آئودی R8 “است بسیاری از قطعات این خودرو از جمله رویه‌ها و قسمت‌های داخلی در قسمت‌های جداکننده کابین از محفظه موتور و برخی دیگر از قطعات سازه آن به روش هیدروفرمینگ تولید می‌گردند.

نویسنده: رضا دیبایی

کارشناسی ارشد مهندسی خودرو – سازه و بدنه

منبع: شماره سوم مجله علمی تخصصی دوزبانه « سبقت »