Χαρακτηριστικά Υλικού και Σχηματισιμότητα
Το τιτάνιο και τα κράματά του παρουσιάζουν μοναδικές μηχανικές ιδιότητες που επηρεάζουν σημαντικά τη συμπεριφορά τους στο βαθύ σχέδιο. Το καθαρό τιτάνιο διαθέτει υψηλή ολκιμότητα κατάλληλη για ψυχρή διαμόρφωση, με εξαιρετικά υψηλή κανονική ανισοτροπία (r-τιμή) περίπου 5, η οποία είναι ιδιαίτερα ευνοϊκή για εργασίες διαμόρφωσης λαμαρίνας. Αυτή η υψηλή τιμή r-επιτρέπει στο υλικό να αντιστέκεται στην αραίωση κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης, καθιστώντας δυνατή την κατασκευή κυλινδρικών κυλινδρικών κυπέλλων βαθιών-πυθμένα μέσω μεθόδων διαμόρφωσης με πίεση.
Μεταξύ των κραμάτων τιτανίου, τα κράματα βήτα τιτανίου όπως το Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) επιδεικνύουν συγκριτικά καλή ολκιμότητα για ψυχρή διαμόρφωση, αν και γενικά παρουσιάζουν χαμηλότερη εργασιμότητα από το καθαρό τιτάνιο. Η εξαγωνική κρυσταλλική δομή κλειστού συσκευασμένου (HCP) των κραμάτων άλφα-τιτανίου παρουσιάζει ιδιαίτερες προκλήσεις στην αριθμητική προσομοίωση, απαιτώντας εξειδικευμένα μοντέλα υλικών όπως το μοντέλο Barlat 1989 με καμπύλες φορτίου τόσο για σκλήρυνση παραμόρφωσης όσο και για αναλογίες παραμόρφωσης εξαρτώμενες από την παραμόρφωση για την επαρκή καταγραφή των πλαστικών ιδιοτήτων.
Βασικές προκλήσεις στο Deep Drawing
Το κύριο εμπόδιο στο βαθύ σχέδιο από τιτάνιο είναιεπιληπτικές κρίσεις και χολήλόγω της υψηλής χημικής αντιδραστικότητας του τιτανίου με τα υλικά εργαλείων. Αυτό το πρόβλημα γίνεται ιδιαίτερα σοβαρό σε σοβαρές εργασίες διαμόρφωσης όπως το βαθύ τράβηγμα και το σιδέρωμα, όπου οι επιφάνειες φρέσκου τιτανίου έρχονται σε άμεση επαφή με τις επιφάνειες μήτρας και διάτρησης. Για να μετριαστεί αυτό το πρόβλημα, έχουν αναπτυχθεί διάφορες στρατηγικές:
Θέρμανση επίστρωσης οξειδίου: Η θέρμανση του τεμαχίου στον αέρα για να σχηματιστεί ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίου (περίπου 0,0015 mm πάχος στους 750 βαθμούς για 0,3 ks) αποτρέπει την άμεση επαφή του μετάλλου-στο-μετάλλου μεταξύ του ακατέργαστου τιτανίου και των εργαλείων διαμόρφωσης. Αυτή η μέθοδος επέτρεψε την επιτυχημένη πολυβάθμια σχεδίαση μακριών κυπέλλων από κράμα τιτανίου χωρίς ενδιάμεση ανόπτηση.
Επεξεργασίες επιφανειών και λιπαντικά: Οι επιστρώσεις ψεκασμού τεφλόν και άλλα εξειδικευμένα λιπαντικά εφαρμόζονται συνήθως για την αποφυγή κολλήματος κατά τη διαδικασία διαμόρφωσης.
Καινοτομίες σχεδιασμού εργαλείων: Οι μήτρες κυλινδρικών σφαιρών με αυλακωτούς ώμους και διατεταγμένες χαλύβδινες σφαίρες έχουν αναπτυχθεί για να μειώνουν την τριβή και να επιτρέπουν το σχηματισμό σύνθετων κυματοειδών κυπελλών τιτανίου με οριακούς λόγους έλξης (LDR) 2,5 ή περισσότερο.
Παράμετροι διαδικασίας και όρια σχηματισμού
Κατά τη διάρκεια της βαθιάς έλξης, τα φύλλα τιτανίου υφίστανται συνδυασμένη κάμψη και τέντωμα καθώς το τεμάχιο τραβιέται στην ακτίνα της μήτρας στην κοιλότητα της μήτρας. Η διαδικασία απαιτεί προσεκτικό έλεγχο για την αποφυγή δύο κρίσιμων τρόπων αστοχίας:λυγισμός/τσαλάκωμαλόγω θλιπτικών περιφερειακών τάσεων στην περιοχή της φλάντζας καιεφελκυστικό σχίσιμοστο τοίχωμα του κυπέλλου λόγω υπερβολικού τεντώματος. Επομένως, ο σχεδιασμός πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τις αντοχές διαρροής σε θλίψη όσο και εφελκυσμό του υλικού τιτανίου.
Η προθέρμανση του ακατέργαστου φύλλου χρησιμοποιείται συχνά για τη βελτίωση της μορφοποίησης, ιδιαίτερα για κράματα τιτανίου υψηλότερης- αντοχής. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας είναι ζωτικής σημασίας, καθώς η κρυσταλλική δομή ορισμένων κραμάτων (όπως το Ti-15-3) μετασχηματίζεται στη φάση βήτα σε θερμοκρασίες πάνω από περίπου 720 βαθμούς, αλλάζοντας σημαντικά τη συμπεριφορά παραμόρφωσης.
Προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης
Για την παραγωγή μακριών κυλινδρικών κυπέλλων,βαθύ σχέδιο πολλαπλών σταδίων με ενδιάμεσο σιδέρωμαέχει αποδειχθεί αποτελεσματική. Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο επιτυγχάνει μεγαλύτερο βάθος κυπέλλου αλλά βελτιώνει επίσης την τραχύτητα της επιφάνειας μέσω της τελειοποίησης των κόκκων. Οι θερμομηχανικές επεξεργασίες μετά{2}}σχηματισμού μπορούν να βελτιώσουν περαιτέρω τις μηχανικές ιδιότητες και την ποιότητα της επιφάνειας των τραβηγμένων κυπέλλων.
Η αριθμητική προσομοίωση με χρήση ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (όπως το LS-Dyna) έχει γίνει ένα ουσιαστικό εργαλείο για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς σχηματισμού, τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του εργαλείου και τη μείωση των δαπανηρών φυσικών δοκιμών. Τα διαγράμματα ορίων διαμόρφωσης που προσδιορίζονται μέσω της μεθόδου Nakajima χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη αστοχίας, με απλοποιημένες διαδικασίες για την απόκτηση περιοριστικών τάσεων διάτμησης σε τυπικές μηχανές δοκιμής εφελκυσμού.
