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1
Università di Bergamo – DIGIPTecnologie e Sistemi di Lavorazione
Studi di Fabbricazione – 2018 – 3c
Corso diStudi di Fabbricazione
3c
Richiami dei processi tecnologici di trasformazione
TUBE & SHEET HYDROFORMING
2
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Tube & Sheet
Hydroforming
Copyright ERC/NSM at OSUAll rights reserved
3
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Studi di Fabbricazione – 2018 – 3c 3
1 2
3 4
Closing the press Filling with water
Controlling the process:
Axial cylinder, Water pressure
Counterhoulder
Opening the press
Ejecting the part
Process Overview
4
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Process Variations
• THF with and without axial feeding
• THF with warm / hot medium
• THF with counter pressure punch
• Liquid Impact Forming
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Conventional Stamping/ Welding
Hydroforming
Hydroformed Parts
Stamping Versus Tube Hydroforming
Exhaust Components
6
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Bend
Tee shape
Y shape
Hydroformed Parts
Exhaust Components
7
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A. Roof HeadersB. Instrument Panel SupportsC. Radiator Supports
D. Engine CradlesE. Roof RailsF. Frame Rails
Car Frame Components
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Chassis systems
Audi A2Space Frame Technology
extruded aluminum partshydroformed
Hydroformed Parts
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Chassis systems
BMW 3-series convertibleHydroformed wind shield
Hydroformed Parts
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Chassis systems
BMW 3-series convertibleA-column and windshield header
Hydroformed Parts
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Aluminum rear axle part, BMW, 1997
BMW Rear Axle (500 series)
Hydroformed Parts
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GM Front axis - engine cradle
GM/Opel Astra and Zafira
Hydroformed Parts
13
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Volkswagen a-platform 4 x 4 Rear axis Parts
+ +
Filler tube
Main tube
Control arm
Hydroformed Parts
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# parts
Mass
Stamping
6
12 kg
THF
1
8 kg
Sub frame
Advantages of THF vs. Stamping
Source : Siempelkamp
# parts
Mass
Stamping
17
16.5 kg
THF
10
11.5 kg
Radiator Support
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Tube Hydroforming System
Tool/Die
Tube/Workpiece Tool/WorkpieceInterface
DeformationZones
Equipment/Press
Product
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Tube Hydroforming as a System
1. WORKPIECE / BLANK (Tube)(Mechanical, Thermal and Physical Properties, Flow Stress, Formability, Surface Conditions, Relations between Process Variables and Properties)
2. TOOLING / DIE SET(Geometry, Surface Finish, Material and Hardness, Temperature)
3. TOOL-MATERIAL INTERFACE(Friction/Lubrication, Heat Transfer)
4. DEFORMATION (WORK) ZONE(Deformation Mechanics, Material Flow, Stresses, Temperatures)
5. EQUIPMENT / PRESS(Speed and Production Rate, Rigidity and Accuracy, Force/Energy)
6. PART / PRODUCT(Geometry, Tolerances, Surface Finish, Properties)
7. ENVIRONMENT(Manpower, Pollution, Plant and Production, Facilities)
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Process
Interface
ProcessControl
Simulation& Modeling
Mat
eria
lB
ehav
ior
Pre
cisi
on&
Met
rolo
gy
Equ
ipm
ent
Design
Sensors
To
olin
gW
ork
space
Equipment
Work
piece
Materia
l
Process Components andEnabling Technologies
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Incoming Tube Hydroformed Part
Tubular Workpiece/Product
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Incoming Pre-Bent Tube Hydroformed Part
Pre-bent Tube/Product
20
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Process Sequence
21
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Tube Material Formability
Hydraulic Bulge Test
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Tube Material Formability
Bulged & Burst Samples
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Die
TransitionZone
ExpansionZone
GuidedZone
Axialforce
Fluidinlet
Axialforce
Friction at Tool/Workpiece Interface
Friction Zones
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Metal Deformation
Dies
Tube Punch
Counter
Punch
Pi
Fc
Fa Fa
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Tooling Components
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Time (seconds)
Right Axial feeding
Pressure
Pre
ssu
re
(M
Pa
)
Axia
l fe
ed
ing
(m
m)
Left Axial feeding
Loading Paths
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Hydroforming EquipmentConcepts
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APPENDIX A
Video of Y-Shape FormingSource : DaimlerChrysler
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APPENDIX B
Source : ThyssenKrupp Stahl
Tube/Sheet Hydroforming Press
Click here to see animation
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Pressure Sequence Hydroforming
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Example of a THF Tooling
Axial cylinder
with console
Axial punch
Quick-filling
hole
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Example of a THF Tooling
Axial cylinder mounted with bars
Axial cylinder
Mounting bars
33
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Production tool with inserts
Basic die
Material: P20
Tool insert
Material: H13
Shim plates
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Production tool without inserts
GuidingMain die
Hydroformed part
35
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Feeding insert as ejector
Feeding insert
as ejector
Springloaded
or
hydraulic driven
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Tube Preforming and Bending
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Purposes of Preforming
Improve the hydroforming result by providing:
tubes that can fit into the die cavity
tubes with allowable thickness distribution
tubes with uniform deformation when hydroforming
tubes to reduce friction when axial feeding
tubes to reduce residual stresses after hydroforming
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Processes of Preforming
Tube Crushing
Tube Bending
Annealing
Others
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Tube Crushing Process
Die Movement
Upper Die
Note: This tooling also shows the possibility of the combination processes of preforming and hydroforming.
Lower Die
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Deformation of Tube Cross-section during Hydroforming
(Böhm, 1998)
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Crushing and Expansion
A) B)
D)C)
A) INITIAL STAGE
B) PARTIALLY CRUSHED TUBE
C) TOTALLY CRUSHED TUBE
D) TUBE EXPANDED TO THE DIE
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Crushing Simulation
Click to see simulation
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Crushing + Expansion Simulation
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(Koehr, 1998)
Tube Crushing withMultiple Tool Motion
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Tube Bending (2D)
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Tube Bending (3D)
47
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Incoming Pre-Bent Tube Hydroformed Part
Pre-bent Tube/Product
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Bending for Hydroforming
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Process Sequence
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Examples
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T-Shape Geometries
WithoutCounter Pressure
WithCounter Pressure
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T-Shape
w/o Counter Pressure
ThicknessPrediction
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53
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T-Shape
w/ Counter Pressure
ThicknessPrediction
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3. Hydroformed part
2. Crushed tube
1. Pre-bent tube
Process Sequence
Case Studies / Frame
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Frame / Modeling of Bending
Structural Frame PartLow Carbon SteelLength, Lo = 2.5 meterWall Thickness, to = 3 mm
Thickness Distribution
Material: 1008 AKDQ
Bending angle: 90o
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Frame / Thickness Prediction
Structural Frame PartLow Carbon SteelLength, Lo = 2.5 meter Thickness, to = 3 mm
CrushedTube
HydroformedTube
Thickness Prediction
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ThicknessPrediction
Frame / Thickness Prediction
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Maximum Thinning is 37 %
Frame / Maximum Thinning
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L1
L2
L3
h1 h
2
American Hydroformer Inc. (2 Protrusions + Bend)
Case Study / Twin Protrusions
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Finite Element Analysis of Hydroforming of an Aluminum Automobile Roof Frame (Audi)
Case Study / Aluminum Frame
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Bending and tube hydroforming of a structural part (Kawasaki Steel)
Case Study / Structural Part
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Crushing of a tube(Schuler Hydroforming)
Case Study / Crossmember
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Studi di Fabbricazione – 2018 – 3c 63
Hydroforming of a crossmember(Schuler Hydroforming)
Case Study / Crossmember
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Case Study / ‘Y-Shape’
Simulation Data
• Geometry: Y-Shape
• Tube Diameter : 50mm
• Application :
Automotive Exhaust
• Peak pressure = 600
bar
• Axial feed (left) = 40
mm
• Axial feed (right) = 80
mm
• No Counter punch
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P
Material Flow & Thinning
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Studi di Fabbricazione – 2018 – 3c 65
Simulation Data• Geometry : Simple Bulge
• Tube Diameter 45 mm
• Peak pressure = 50 bar
• Axial feed 10 mm on
each end
• Conventional loading paths
(non-adaptive)
• Result : Wrinkling in bulge
area
Case Study / Non-Adaptive Simulation of Bulge
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Simulation Data• Geometry : Simple Bulge
• Tube Diameter 45 mm
• Peak pressure = 50 bar
• Axial feed 10 mm on
each end
• Adaptive loading path
• Result : Good part with no
wrinkles
Case Study / Adaptive Simulation of Bulge
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Sheet Hydroforming
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Introduction
In sheet hydroforming a blank is formed between a hard tool (punch or die) and a pressurized liquid, viscous, or elastic medium.
Various Hydroformed Parts (Schuler,1998)
Engine hood (Schuler,1998) Fuel Tank
(Aust,2001)
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Video of Sheet Hydroforming
Source: Amino Corporation Click picture above to view the video
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Studi di Fabbricazione – 2018 – 3c
System variables in Sheet Hydroforming Process
The system variables affect the process and product quality
1. Workpiece / Blank2. Tooling / Die Set3. Tool/Material Interface4. Deformation Zone
5. Equipment / Press6. Part / Product7. Hydraulic Medium8. Environment
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Comparison- Conventional forming vs. Hydroforming
Source: Amino Corporation
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Introduction – AHM Process Sequence
Combination of hydraulic stretch forming and hydromechanical deep-drawing (Source: Schuler)
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Viscous Pressure Forming
Simulation
Model using LS-DYNA3D
Click picture to view the animation
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Source: Schuler SMG GmbH
Equipment and Tooling Schuler “Active-Hydro-Mech”
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Source: Universität Dortmund
SPS/Univ. of Dortmund Horizontal Press
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Different material ( AKDQ material)
Internal Pressure Curve
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 2 4 6 8 10 12 14Time (ms)
Pre
ssure
(G
Pa)
AKDQ has better formability than that
of Al5182. Maximum pressure needed
is higher than that for Al5182 since it
increases with material yield stress.
Maximum
thinning: 32%
FEA Case Study: SHF of an Aluminum Part
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AKDQ material
FEA Case Study: SHF of an Aluminum Part
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