Caratteristiche dei materiali e formabilità
Il titanio e le sue leghe presentano proprietà meccaniche uniche che influenzano in modo significativo il loro comportamento di imbutitura profonda. Il titanio puro possiede un'elevata duttilità adatta alla formatura a freddo, con un'anisotropia normale (valore r-) eccezionalmente elevata di circa 5, che è molto favorevole per le operazioni di formatura della lamiera. Questo elevato valore r-consente al materiale di resistere all'assottigliamento durante la deformazione, rendendo possibile la produzione di coppe cilindriche con fondo profondo-attraverso metodi di formatura a pressa.
Tra le leghe di titanio, le leghe di beta titanio come Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) dimostrano una duttilità comparativamente buona per la formatura a freddo, sebbene generalmente mostrino una lavorabilità inferiore rispetto al titanio puro. La struttura cristallina esagonale compattata (HCP) delle leghe di alfa-titanio presenta particolari sfide nella simulazione numerica, richiedendo modelli di materiali specializzati come il modello Barlat 1989 con curve di carico sia per l'incrudimento che per i rapporti di deformazione plastica dipendenti dalla deformazione per catturare adeguatamente le proprietà plastiche.
Sfide chiave nello stampaggio profondo
L'ostacolo principale nell'imbutitura profonda del titanio èconvulsioni e irritazionia causa dell'elevata reattività chimica del titanio con i materiali degli utensili. Questo problema diventa particolarmente grave nelle operazioni di formatura gravose come l'imbutitura profonda e la stiratura, dove le superfici di titanio fresco entrano in contatto diretto con le superfici della matrice e del punzone. Per mitigare questo problema, sono state sviluppate diverse strategie:
Riscaldamento del rivestimento di ossido: Il riscaldamento del pezzo grezzo in aria per formare uno strato protettivo di ossido (spessore di circa 0,0015 mm a 750 gradi per 0,3 k) impedisce il contatto diretto tra metallo-a-metallo tra il pezzo grezzo in titanio e gli strumenti di formatura. Questo metodo ha consentito il successo dell'imbutitura profonda in più fasi di coppe lunghe in lega di beta titanio senza ricottura intermedia.
Trattamenti superficiali e lubrificanti: Rivestimenti spray in Teflon e altri lubrificanti specializzati vengono comunemente applicati per evitare grippaggi durante il processo di formatura.
Innovazioni nella progettazione degli strumenti: Le matrici a rulli con spalle scanalate e sfere in acciaio disposte sono state sviluppate per ridurre l'attrito e consentire la formatura di complesse coppe ondulate in titanio con rapporti di stiro limite (LDR) di 2,5 o più.
Parametri di processo e limiti di formatura
Durante l'imbutitura profonda, le lastre di titanio vengono sottoposte a piegatura e stiramento combinati mentre il pezzo grezzo viene tirato lungo il raggio dello stampo nella cavità dello stampo. Il processo richiede un attento controllo per evitare due modalità di guasto critiche:deformarsi/raggrinzirsia causa delle sollecitazioni circonferenziali di compressione nella regione della flangia, elacerazione per trazionenella parete della tazza a causa dell'eccessivo allungamento. La progettazione deve quindi considerare sia il carico di snervamento a compressione che a trazione del materiale di titanio.
Il preriscaldamento del foglio grezzo viene spesso utilizzato per migliorare la formabilità, in particolare per le leghe di titanio-più resistenti. Il controllo della temperatura è fondamentale, poiché la struttura cristallina di alcune leghe (come Ti-15-3) si trasforma nella fase beta a temperature superiori a circa 720 gradi, alterando in modo significativo il comportamento di deformazione.
Tecniche di formatura avanzate
Per produrre tazze cilindriche lunghe,imbutitura profonda multistadio con stiratura intermediasi è dimostrato efficace. Questo approccio non solo consente di ottenere una maggiore profondità della tazza, ma migliora anche la ruvidità superficiale attraverso l'affinamento della grana. I trattamenti termomeccanici post-formatura possono migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche e la qualità superficiale delle tazze trafilate.
La simulazione numerica che utilizza l'analisi degli elementi finiti (come LS-Dyna) è diventata uno strumento essenziale per prevedere il comportamento della formatura, ottimizzare la geometria dell'utensile e ridurre costose prove fisiche. I diagrammi limite di formazione determinati mediante il metodo Nakajima vengono utilizzati per la previsione dei guasti, con procedure semplificate per ottenere deformazioni di taglio limite su macchine per prove di trazione standard.
