Формабилност дубоког извлачења титанијума и лимова легура титанијума за компоненте цилиндричног чаша
1. Основе дубоког извлачења титанијумских лимова
Дубоко извлачење је процес формирања лима у коме се равна матрица увлачи у шупљину матрице ударцем да би се добила шупља цилиндрична, правоугаона или неправилна компонента. За лимове од титанијума и легура титанијума, овај процес је посебно изазован због инхерентних механичких и физичких карактеристика материјала које се значајно разликују од конвенционалних материјала за дубоко{1}}извлачење као што су нискоугљенични челик или легуре алуминијума.
Могућност обликовања титанијумских лимова у дубоком извлачењу је регулисана интеракцијом између затезне деформације у региону прирубнице и тлачне деформације на зиду чаше. Како се ударац спушта, прстенаста прирубница доживљава радијално затезно напрезање и ободно тлачно напрезање, што доводи до тога да материјал тече ка унутра према отвору матрице. У међувремену, зид чаше је подвргнут једноосном затезању док се повлачи преко радијуса матрице. Гранични однос извлачења, дефинисан као максимални однос пречника бланка и пречника пробоја који се може постићи у једној операцији извлачења без лома, служи као примарна метрика за формирање дубоког извлачења.
За комерцијално чист титанијум степена 1, гранични однос извлачења се обично креће од 1,8 до 2,2 под условима собне температуре. Ово је знатно ниже од вредности од 2,2 до 2,5 које се могу постићи са -квалитетом дубоког извлачења ниско-угљеничним челиком, што одражава нижу деформацију-експонента очвршћавања титанијума и већи принос{9}}према{10}}односу затезне чврстоће. Алфа-бета легуре као што је Ти-6Ал-4В показују још ограниченију способност обликовања, са ограниченим односом вучења често испод 1,6 на температури околине због њихове веће чврстоће и смањене дуктилности.
2. Карактеристике материјала које утичу на понашање дубоког цртања
Кристалографска текстура титанијумских плоча дубоко утиче на перформансе дубоког извлачења. Хексагонална тесно-упакована кристална структура титанијума поседује ограничене системе клизања на собној температури, првенствено базално и призматично клизање са пирамидалним клизањем које постаје значајно само на повишеним температурама или под ограниченом деформацијом. Резултујућа анизотропија производи карактеристично понашање ушивања у исцртаним чашама, где обод чаше показује периодичне варијације висине које одговарају преферираним правцима оријентације.
Снажна базална текстура са ц-осом нагнутом ка попречном смеру обично производи четири уха постављена под углом од 0 и 90 степени у односу на смер котрљања. Ова наушница се мора подрезати у наредним операцијама, смањујући ефикасност коришћења материјала. Контрола текстуре кроз термомеханичку обраду током производње листова може минимизирати озбиљност ушивања, иако је потпуна елиминација генерално непрактична.
Експонент деформације{0}}очвршћавања, означен као н-вредност, квантификује капацитет материјала за уједначену пластичну деформацију пре почетка грла. Легуре титанијума генерално показују ниже н-вредности од челика за дубоко извлачење-, што значи да се локализација деформације дешава лакше и да је прозор безбедног формирања ужи. Однос пластичне деформације, или р{6}}вредност, мери отпор стањивању у односу на-деформацију у равни. Више вредности р- указују на бољу способност обликовања дубоког извлачења јер је материјал отпоран на стањивање у зиду чашице где су затезни напони највећи. Титанијумски лимови обично постижу р-вредности између 2,0 и 4,0 у зависности од текстуре и историје обраде, што је повољно у поређењу са многим материјалима иако апсолутна способност обликовања остаје ограничена другим факторима.
Стање површине значајно утиче на понашање цртежа. Хемијски активна површина титанијума има тенденцију да се жучи на калупима од алатног челика под притиском, што доводи до зарезивања, подизања и потенцијалног лома. Површински третмани укључујући премазе за конверзију фосфата, мазива са чврстим филмом или формирање оксидног слоја могу да ублаже тенденције дражења. Храпавост површине мора бити оптимизована како би се задржало мазиво уз избегавање концентрације напрезања која би могла да изазове пуцање.
3. Управљање подмазивањем и трењем
Ефикасно подмазивање је најважније за успешно дубоко извлачење титанијумских плоча. Високи контактни притисци на радијусу матрице и интерфејсу празног држача, у комбинацији са тенденцијом титанијума ка хабању лепка, захтевају мазива са изузетном чврстоћом филма и хемијском стабилношћу.
Уобичајена мазива на бази{0}} минералног уља су генерално неадекватна за дубоко извлачење титанијума. Хлоровани парафински воскови су се историјски користили због својих одличних карактеристика екстремног{2}}притиска, иако су еколошки и здравствени проблеми довели до замене сумпоризованим и фосфоризованим једињењима. Синтетичка мазива на бази полимера-, посебно она која садрже политетрафлуороетилен или честице молибден дисулфида, обезбеђују ефикасно гранично подмазивање у тешким условима.
Чврсти филмови за подмазивање који се наносе на бланко пре извлачења нуде предности у доследности процеса. Поливинилхлоридни или полиетиленски премази се могу залепити за површину лима, обезбеђујући жртвовани слој који одваја титанијум од алата. Ови премази морају бити потпуно уклоњени након формирања како би се спречила контаминација у накнадној обради или сервисирању.
Коефицијент трења између титанијума и алатног челика под типичним условима дубоког извлачења креће се од 0,15 до 0,30 са ефективним подмазивањем, у поређењу са 0,05 до 0,10 за подмазан челик. Ово веће трење повећава силу држача празне плоче потребну за спречавање наборања, што заузврат подиже затезни напон у зиду чаше и смањује достижни однос извлачења. Пажљива оптимизација притиска држача бланка, коришћењем сегментираних или програмабилних држача бланка где је то могуће, може делимично да надокнади ово ограничење.
4. Разматрање дизајна алата
Дизајн радијуса матрице за дубоко извлачење титанијума захтева пажљиву пажњу да се балансира између прекомерног савијања и недовољне подршке. Сувише мали полупречник матрице ствара велике напоне на савијање док бланк тече преко радијуса, потенцијално изазивајући лом на полупречнику или зиду чаше. Супротно томе, претерано велики радијус матрице смањује ограничење протока материјала, промовишући наборе у области зида без ослонца. За лимове од титанијума, радијуси матрице се обично крећу од 5 до 10 пута дебљине лима, у поређењу са 4 до 8 пута за челик.
Радијус ударца мора бити довољно велик да спречи концентрацију напрезања у доњем углу чаше. Велики радијус пробијања, обично 3 до 5 пута већи од дебљине лима, дистрибуира деформацију савијања и смањује вршни затезни напон. Међутим, веома велики радијуси пробијања повећавају висину зида без подршке и склоност наборању.
Дизајн празног држача мора да обезбеди равномерну расподелу притиска преко прирубнице. Једноструке{1}}пресе са фиксним празним држачима често нису адекватне за титанијум због уског прозора процеса. Пресе са двоструким-радом са независно контролисаном силом држача бланка омогућавају прогресивно подешавање притиска током потеза извлачења, компензујући промену геометрије прирубнице и дебљине материјала. Навлаке се могу уградити да би се повећао отпор у регионима склоним прекомерном протоку материјала, балансирајући дистрибуцију напрезања.
Одабир материјала алата мора да одговори на склоност титанијума до хабања. Каљени алатни челици са углачаним површинама и тврдим премазима као што су титанијум-нитрид, титанијум-алуминијум-нитрид или угљеник сличан дијаманту{1}}обезбеђују побољшану отпорност на хабање и смањену адхезију. У неким случајевима, уметци од цементног карбида или керамичких алата се користе за производњу великог обима-.
Размак између пробоја и матрице мора да узме у обзир варијацију титанијумовог опруге и дебљине. Уобичајене вредности зазора се крећу од 1,1 до 1,3 пута номиналне дебљине лима, нешто веће него за челик да би се прилагодио нижем модулу материјала и већем степену течења.
5. Оптимизација параметара процеса
Сила држача празнине представља најкритичнији процесни параметар у дубоком извлачењу титанијума. Недовољна сила дозвољава гужвање неподржане прирубнице, док превелика сила ограничава проток материјала и узрокује лом у зиду чаше. Оптимална сила држача бланка се повећава током потеза како се површина прирубнице смањује и отпор протоку се мења. Програмабилни хидраулични или пнеуматски држачи бланка омогућавају ово динамичко подешавање.
Брзина извлачења утиче на стварање топлоте и одговор материјала. Веће брзине повећавају адијабатско загревање у зони деформације, што може локално омекшати титанијум и побољшати формабилност. Међутим, превелика брзина смањује ефикасност мазива и може изазвати динамичке ефекте као што су вибрације или неусклађеност{2}}матрице. Брзине извлачења за титанијум се обично крећу од 100 до 300 милиметара у секунди, спорије него за челик како би се омогућило адекватно одржавање филма за подмазивање и одвођење топлоте.
Број потребних фаза извлачења зависи од геометрије компоненте и могућности обликовања материјала. Једностепено{1}}цртање је ограничено на умерене размере цртања, са операцијама поновног цртања неопходним за дубље компоненте. Поновно исцртавање се може извршити директно на -извученој чаши без средњег жарења за комерцијално чист титанијум, под условом да акумулирани напон не премашује капацитет материјала. Алфа-бета легуре генерално захтевају средње жарење између извлачења да би се повратила дуктилност, при чему се атмосфера жарења пажљиво контролише како би се спречило стварање алфа кућишта.
Пеглање, процес који смањује дебљину зида уз задржавање пречника чаше, може се комбиновати са дубоким извлачењем да би се произвеле компоненте са уједначеном дебљином зида. Ово је посебно релевантно за титанијумске чаше где је ефикасност материјала важна, иако додатна деформација додатно доводи у питање границе обликовања материјала.
6. Температура{1}}Помогнуто дубоко извлачење
Дубоко извлачење на повишеној температури значајно побољшава способност обликовања титанијума активирањем додатних система клизања и смањењем односа-према-затезној чврстоћи. Топло извлачење на 200 до 400 степени Целзијуса за комерцијално чист титанијум може повећати гранични однос извлачења за 20 до 40 процената у поређењу са радом на собној температури. Оптимална температура зависи од састава легуре, при чему алфа легуре имају користи од нижих температура и алфа-бета легуре које захтевају више температуре да би се постигла значајна побољшања.
Вруће цртање на 500 до 800 степени Целзијуса омогућава још веће деформације, иако формирање алфа кућишта постаје озбиљна брига. Заштитне атмосфере или премази морају спречити атмосферску контаминацију током загревања и формирања. Након врућег извлачења, алфа кућиште мора бити уклоњено машинском или хемијском киселином, додајући кораке процеса и цену.
Изотермно топло обликовање, где се и алати и готови материјали одржавају на повишеној температури, минимизира температурне градијенте и обезбеђује доследно понашање материјала. Овај приступ је посебно ефикасан за сложене геометрије или материјале са уским прозорима обраде, иако се сложеност алата и време циклуса повећавају.
Електромагнетно обликовање и друге{0}}методе обликовања великом брзином су истражене за дубоко извлачење титанијума. Високе стопе деформације повезане са овим процесима могу потиснути врат и одложити лом, потенцијално омогућавајући дубље извлачење. Међутим, трошкови опреме и изазови контроле процеса имају ограничено индустријско усвајање.
7. Дефекти и режими кварова
Гурање на прирубници или у пределу зида је резултат недовољне силе држача бланка или превеликог протока материјала. Озбиљне боре могу да се заглаве у материјалу и изазову цепање док се увлаче у шупљину калупа. Мање боре се могу испеглати у наредним операцијама, али производе варијације у дебљини и концентрацију напрезања.
Цепање на полупречнику или зиду чаше представља крајњу границу обликовања. Овај режим квара се покреће када затезни напон у зиду премашује локалну чврстоћу материјала, обично на полупречнику ударца где се преклапају напони на савијање и затезање. Цепању може да претходи локализовано грчење, мада релативно ниска експонента очвршћавања титанијума{2}}значи да се врат до квара дешава брзо када се започне.
Површинске огреботине и зарезивање настају због неадекватног подмазивања или некомпатибилних материјала алата. Ови дефекти деградирају квалитет површине и могу послужити као места настанка пукотина под цикличним оптерећењем. У тешким случајевима, заливање узрокује пренос материјала са титанијумске плоче на калуп, прогресивно деградирајући геометрију алата и квалитет делова.
Уши, периодичне варијације висине на ободу чаше, резултат су кристалографске анизотропије. Иако није недостатак у смислу структуралног интегритета, класје захтева подрезивање и смањује принос материјала. Озбиљност се може минимизирати кроз контролу текстуре током производње листова или надокнадити оптимизацијом празног облика.
Повратак након извлачења утиче на тачност димензија, посебно за компоненте са строгим захтевима толеранције. Низак модул еластичности титанијума у комбинацији са високом снагом течења ствара већу повратну снагу од челика. Можда ће бити потребна компензација модификацијом геометрије алата или операцијама калибрације након{2}}формирања.
8. Избор материјала за апликације дубоког цртања
Комерцијално чист титанијум Граде 1 нуди најбољу формабилност дубоког извлачења међу титанијумским материјалима, са ниским садржајем кисеоника који обезбеђује високу дуктилност и ниску границу течења. Ова класа је пожељна за апликације где је умерена чврстоћа прихватљива и обликовност је најважнија, као што су опрема за хемијску обраду, архитектонски елементи и потрошачки производи.
Титанијум 2. степена обезбеђује равнотежу формабилности и чврстоће, са нешто већим садржајем кисеоника који повећава границу течења уз умерену цену дуктилности. Представља најшире коришћени разред за дубоко-увучене компоненте где су потребне умерене структурне перформансе.
Титанијум 4. степена, са највећим садржајем кисеоника међу нелегираним врстама, нуди повећану чврстоћу, али значајно смањену способност обликовања. Дубоко извлачење степена 4 захтева повишене температуре или више фаза са средњим жарењем.
Ти-6Ал-4В и друге алфа-бета легуре су генерално неприкладне за конвенционално дубоко извлачење на собној температури због ограничене дуктилности и велике чврстоће. Када се од ових легура захтевају дубоко{9}}вучени облици, примењује се суперпластично обликовање на 850 до 950 степени Целзијуса или вруће извлачење са атмосферском заштитом. Добијене компоненте налазе примену у ваздушним посудама под притиском, компонентама издувних гасова и другим структурама високих{10}}перформанси где однос чврстоће и тежине легуре оправдава сложену обраду.
Бета легуре титанијума као што је Ти-15В-3Цр-3Ал-3Сн нуде побољшану способност хладног обликовања у условима третираним раствором због своје кубичне кристалне структуре усредсређене на тело са обимнијим системима клизања. Ове легуре могу бити дубоко извучене у меком стању и накнадно старе да би се постигла висока чврстоћа, пружајући атрактиван пут обраде за одређене примене.
9. Осигурање квалитета и тестирање
Тест ушивања, који се изводи цртањем кружног бланка и мерењем резултујућег профила висине уха, квантификује анизотропију и предвиђа понашање дубоког извлачења. Вредности индекса уши изнад 10 процената обично указују на проблематичну анизотропију која захтева модификацију облика празног дела или прилагођавање процеса.
Свифт цуп тест одређује гранични однос извлачења тако што се извлаче бланкови прогресивно већег пречника све док не дође до лома. Ово обезбеђује директну меру формабилности под стандардизованим условима, иако стварни производни учинак може варирати због разлика у алатима и варијацијама мазива.
Ерицхен цуппинг тест мери способност обликовања растезањем притискањем сферног ударца у стегнуту плочу до лома. Иако не мери директно перформансе дубоког извлачења, Ерицхенова вредност је у корелацији са општом обликовношћу лима и корисна је за поређење материјала и контролу квалитета.
Пробе извлачења цилиндричног чаша са инструментираним алатом пружају детаљне информације о сили ударца, притиску држача празног дела и расподели дебљине зида. Ови подаци омогућавају оптимизацију процеса и валидацију симулационих модела.
Микроструктурно испитивање нацртаних компоненти потврђује да деформација није произвела нежељене карактеристике као што су близанци деформације, локализоване траке смицања или површинске пукотине. За алфа{1}}бета легуре, запремински удео и морфологија алфа и бета фаза треба да остану унутар спецификације након цртања.
10. Примене дубоко-извучених титанијумских чаша
Опрема за хемијску обраду користи дубоко-извучене чаше и цилиндре од комерцијално чистог титанијума за посуде реактора, главе измењивача топлоте и компоненте посуда под притиском. Одлична отпорност на корозију титанијума у медијумима који садрже хлорид-и оксидишу га чини супериорнијим од нерђајућег челика у многим хемијским окружењима.
Примене у ваздухопловству обухватају резервоаре за гориво, хидрауличне резервоаре и издувне компоненте где однос чврстоће-и-тежине титанијумских легура пружа значајне предности у погледу перформанси. Суперпластично формиране компоненте Ти-6Ал-4В постижу сложене геометрије немогуће конвенционалним дубоким извлачењем.
Производња медицинских уређаја користи дубоко-извучене титанијумске чаше за кућишта имплантата, компоненте хируршких инструмената и опрему за фармацеутску обраду. Биокомпатибилност и отпорност на корозију титанијума у физиолошким срединама су од суштинског значаја за ове примене.
Потрошачки производи као што су посуђе, кућишта за сатове и оквири за наочаре користе малу тежину титанијума, отпорност на корозију и естетску привлачност. Дубоко извлачење омогућава исплативу-производњу ових компоненти од комерцијално чистог титанијума.
