Характеристики матеріалу та формувальність
Титан і його сплави демонструють унікальні механічні властивості, які суттєво впливають на їх поведінку при глибокому витягуванні. Чистий титан має високу пластичність, придатну для холодного формування, з надзвичайно високою нормальною анізотропією (r-значення) приблизно 5, що дуже сприятливо для операцій формування листового металу. Це високе значення r-дає змогу матеріалу протистояти витонченню під час деформації, що робить можливим виготовлення циліндричних стаканів із глибоким-днем за допомогою методів пресування.
Серед титанових сплавів бета-титанові сплави, такі як Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3), демонструють порівняно хорошу пластичність для холодного формування, хоча вони, як правило, виявляють меншу оброблюваність, ніж чистий титан. Гексагональна щільно упакована (HCP) кристалічна структура альфа-титанових сплавів представляє особливі проблеми в чисельному моделюванні, вимагаючи спеціальних моделей матеріалів, таких як модель Барлата 1989 року з кривими навантаження як для зміцнення деформації, так і залежних від деформації коефіцієнтів пластичної деформації для адекватного врахування пластичних властивостей.
Ключові проблеми глибокого малювання
Основною перешкодою для глибокої витяжки титану єсудоми і роздратуваннязавдяки високій хімічній реакції титану з інструментальними матеріалами. Ця проблема стає особливо серйозною під час важких операцій формування, таких як глибока витяжка та прасування, коли свіжі титанові поверхні вступають у безпосередній контакт із поверхнями матриці та пуансона. Щоб пом’якшити цю проблему, було розроблено кілька стратегій:
Нагрівання оксидного покриття: Нагрівання заготовки на повітрі для формування захисного оксидного шару (товщиною приблизно 0,0015 мм при 750 градусах протягом 0,3 кс) запобігає прямому контакту -з-металом між титановою заготовкою та інструментами для формування. Цей метод забезпечив успішне багатоступінчасте глибоке витягування чашок із довгого бета-титанового сплаву без проміжного відпалу.
Обробка поверхні та мастила: Тефлонове покриття та інші спеціальні мастила зазвичай застосовуються для запобігання заїданню під час процесу формування.
Інновації в конструкції інструменту: Матриці з роликовими кульками з рифленими плечами та розташованими сталевими кульками були розроблені для зменшення тертя та забезпечення можливості формування складних гофрованих титанових чашок із граничним коефіцієнтом витягування (LDR) 2,5 або більше.
Параметри процесу та межі формування
Під час глибокого витягування титанові листи зазнають комбінованого згинання та розтягування, коли заготовка витягується над радіусом матриці в порожнину матриці. Процес вимагає ретельного контролю, щоб уникнути двох критичних режимів відмови:викривлення/зморщуванняза рахунок стискаючих окружних напруг в області фланця, ірозрив на розривв стінці чашки внаслідок надмірного розтягування. Тому при проектуванні необхідно враховувати межі текучості титанового матеріалу як на стиск, так і на розтяг.
Попереднє нагрівання листової заготовки часто використовують для покращення формування, особливо для високо-міцних титанових сплавів. Контроль температури має вирішальне значення, оскільки кристалічна структура певних сплавів (таких як Ti-15-3) перетворюється на бета-фазу при температурах вище приблизно 720 градусів, суттєво змінюючи поведінку деформації.
Передові методи формування
Для виготовлення довгих циліндричних чашок,багатоступенева глибока витяжка з проміжним прасуваннямдовів ефективність. Цей підхід не тільки дозволяє досягти більшої глибини чашки, але й покращує шорсткість поверхні завдяки подрібненню зерна. Термомеханічна обробка після-формування може додатково покращити механічні властивості та якість поверхні витягнутих чашок.
Чисельне моделювання з використанням кінцево-елементного аналізу (наприклад, LS-Dyna) стало важливим інструментом для прогнозування поведінки формування, оптимізації геометрії інструменту та скорочення витратних фізичних випробувань. Формувальні граничні діаграми, визначені за допомогою методу Накадзіми, використовуються для прогнозування відмов із спрощеними процедурами для отримання граничних деформацій зсуву на стандартних машинах для випробування на розтяг.
