Характеристики материала и формуемость
Титан и его сплавы обладают уникальными механическими свойствами, которые существенно влияют на их поведение при глубокой вытяжке. Чистый титан обладает высокой пластичностью, подходящей для холодной штамповки, с исключительно высоким значением нормальной анизотропии (значение r-), составляющим примерно 5, что очень благоприятно для операций формовки листового металла. Такое высокое значение r- позволяет материалу противостоять утончению во время деформации, что позволяет изготавливать цилиндрические чашки с глубоким-дном методом штамповки.
Среди титановых сплавов бета-титановые сплавы, такие как Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3), демонстрируют сравнительно хорошую пластичность при холодной штамповке, хотя обычно они демонстрируют более низкую обрабатываемость, чем чистый титан. Гексагональная плотноупакованная (HCP) кристаллическая структура альфа-титановых сплавов представляет особые проблемы при численном моделировании, требуя специализированных моделей материалов, таких как модель Барлата 1989 года с кривыми нагрузки как для деформационного упрочнения, так и для зависящих от деформации коэффициентов пластической деформации, чтобы адекватно отразить пластические свойства.
Ключевые проблемы глубокой вытяжки
Основным препятствием при глубокой вытяжке титана являетсязахват и раздражениеиз-за высокой химической активности титана с инструментальными материалами. Эта проблема становится особенно серьезной при тяжелых операциях формовки, таких как глубокая вытяжка и глажка, когда свежие титановые поверхности вступают в прямой контакт с поверхностями матрицы и пуансона. Для решения этой проблемы было разработано несколько стратегий:
Нагрев оксидного покрытия: Нагревание заготовки на воздухе для образования защитного оксидного слоя (толщиной примерно 0,0015 мм при температуре 750 градусов в течение 0,3 кс) предотвращает прямой контакт -к-металлам между титановой заготовкой и формовочными инструментами. Этот метод позволил провести успешную многоэтапную глубокую вытяжку длинных чашек из бета-титанового сплава без промежуточного отжига.
Обработка поверхности и смазочные материалы: Тефлоновые напыляемые покрытия и другие специальные смазочные материалы обычно наносятся для предотвращения заедания в процессе формования.
Инновации в конструкции инструмента: Шариковые штампы с рифлеными заплечиками и расположенными стальными шариками были разработаны для уменьшения трения и обеспечения возможности формования сложных гофрированных титановых чашек с предельным коэффициентом вытяжки (LDR) 2,5 или более.
Параметры процесса и пределы формовки
Во время глубокой вытяжки титановые листы подвергаются комбинированному изгибу и растяжению, когда заготовка протягивается по радиусу матрицы в полость матрицы. Процесс требует тщательного контроля, чтобы избежать двух критических режимов отказа:коробление/сморщиваниеиз-за сжимающих окружных напряжений в области фланца, иразрыв при растяжениив стенке чашки из-за чрезмерного растяжения. Поэтому при проектировании необходимо учитывать предел текучести титанового материала как на сжатие, так и на растяжение.
Предварительный нагрев листовой заготовки часто используется для улучшения формуемости, особенно для более-титановых сплавов. Контроль температуры имеет решающее значение, поскольку кристаллическая структура некоторых сплавов (например, Ti-15-3) переходит в бета-фазу при температуре выше примерно 720 градусов, что значительно изменяет поведение деформации.
Передовые методы формования
Для производства длинных цилиндрических чашек,многоэтапная глубокая вытяжка с промежуточным утюгомдоказал свою эффективность. Этот подход не только обеспечивает большую глубину чашки, но и улучшает шероховатость поверхности за счет измельчения зерна. Термомеханическая обработка после-формования может еще больше улучшить механические свойства и качество поверхности вытянутых чашек.
Численное моделирование с использованием метода конечных элементов (например, LS-Dyna) стало важным инструментом для прогнозирования поведения формовки, оптимизации геометрии инструмента и сокращения дорогостоящих физических испытаний. Формирование диаграмм пределов, определенных с помощью метода Накадзимы, используется для прогнозирования отказов с упрощенными процедурами получения предельных деформаций сдвига на стандартных машинах для испытаний на растяжение.
