Dieptrekvormbaarheid van platen van titanium en titaniumlegeringen voor cilindrische bekercomponenten
1. Grondbeginselen van dieptrekken voor titaniumplaten
Dieptrekken is een plaatvormingsproces waarbij een vlakke plano door een pons in een matrijsholte wordt getrokken om een hol cilindrisch, rechthoekig of onregelmatig onderdeel te produceren. Voor platen van titanium en titaniumlegeringen is dit proces bijzonder uitdagend vanwege de inherente mechanische en fysieke eigenschappen van het materiaal, die aanzienlijk verschillen van conventionele diep-dieptrekbare materialen zoals- koolstofstaal of aluminiumlegeringen.
De vervormbaarheid van titaniumplaten bij dieptrekken wordt bepaald door de wisselwerking tussen trekvervorming in het flensgebied en drukvervorming aan de komwand. Terwijl de stempel naar beneden gaat, ondervindt de ringvormige flens radiale trekspanning en drukspanning in de omtreksrichting, waardoor het materiaal naar binnen stroomt in de richting van de matrijsopening. De komwand wordt ondertussen onderworpen aan eenassige spanning terwijl deze over de matrijsradius wordt getrokken. De beperkende trekverhouding, gedefinieerd als de maximale verhouding tussen de diameter van het uitgangsmateriaal en de diameter van de stempel die haalbaar is in een enkele trekbewerking zonder breuk, dient als de belangrijkste maatstaf voor de vervormbaarheid van dieptrekken.
Voor commercieel zuiver titanium van klasse 1 varieert de beperkende trekverhouding doorgaans van 1,8 tot 2,2 onder omstandigheden bij kamertemperatuur. Dit is aanzienlijk lager dan de waarden van 2,2 tot 2,5 die haalbaar zijn met diep-trekkwaliteit laag-koolstofstaal, wat de lagere rek-verhardingsexponent van titanium en de hogere rek-tot-treksterkteverhouding weerspiegelt. Alfa-bèta-legeringen zoals Ti-6Al-4V vertonen een nog beperktere vervormbaarheid, met beperkende trekverhoudingen vaak onder de 1,6 bij omgevingstemperatuur vanwege hun hogere sterkte en verminderde ductiliteit.
2. Materiaalkenmerken die het dieptrekgedrag beïnvloeden
De kristallografische textuur van titaniumplaten heeft een diepgaande invloed op de dieptrekprestaties. De hexagonale, dicht-opeengepakte kristalstructuur van titanium bezit beperkte slipsystemen bij kamertemperatuur, voornamelijk basale en prismatische slip, waarbij piramidale slip pas significant wordt bij hogere temperaturen of onder beperkte vervorming. De resulterende anisotropie produceert karakteristiek oorgedrag in getrokken cups, waarbij de cuprand periodieke hoogtevariaties vertoont die overeenkomen met de voorkeursoriëntatierichtingen.
Een sterke basale textuur waarbij de c--as naar de dwarsrichting is gekanteld, produceert doorgaans vier oren die zijn uitgelijnd op 0 en 90 graden ten opzichte van de rolrichting. Deze oorring moet bij volgende bewerkingen worden bijgesneden, waardoor de efficiëntie van het materiaalgebruik wordt verminderd. Textuurcontrole door middel van thermomechanische verwerking tijdens de plaatproductie kan de ernst van oorvorming minimaliseren, hoewel volledige eliminatie over het algemeen onpraktisch is.
De exponent van de rek-verharding, aangegeven als n-waarde, kwantificeert het vermogen van het materiaal voor uniforme plastische vervorming vóór het begin van de insnoering. Titaniumlegeringen vertonen over het algemeen lagere n--waarden dan dieptrekstaalsoorten-, wat betekent dat de lokalisatie van de spanning gemakkelijker plaatsvindt en het veilige vervormingsvenster smaller is. De plastische rekverhouding, of r-waarde, meet de weerstand tegen verdunning versus vervorming in-vlak. Hogere r--waarden duiden op een betere vervormbaarheid bij dieptrekken, omdat het materiaal bestand is tegen verdunnen in de bekerwand waar de trekspanningen het hoogst zijn. Titaniumplaten bereiken doorgaans r-waarden tussen 2,0 en 4,0, afhankelijk van de textuur en verwerkingsgeschiedenis, wat gunstig is in vergelijking met veel materialen, hoewel de absolute vervormbaarheid beperkt blijft door andere factoren.
De oppervlakteconditie heeft een aanzienlijke invloed op het tekengedrag. Het chemisch actieve titaniumoppervlak heeft de neiging om onder druk tegen gereedschapsstaalmatrijzen te vreten, wat leidt tot krassen, oppikken en mogelijke breuken. Oppervlaktebehandelingen, waaronder fosfaatconversiecoatings, smeermiddelen met vaste films of vorming van een oxidelaag, kunnen de neiging tot vreten verminderen. De oppervlakteruwheid moet worden geoptimaliseerd om het smeermiddel vast te houden en tegelijkertijd spanningsconcentraties te vermijden die scheuren zouden kunnen veroorzaken.
3. Smering en wrijvingsbeheer
Effectieve smering is van het grootste belang voor het succesvol dieptrekken van titaniumplaten. De hoge contactdrukken bij de matrijsradius en het grensvlak van de planohouder, gecombineerd met de neiging van titanium tot lijmslijtage, vereisen smeermiddelen met uitzonderlijke filmsterkte en chemische stabiliteit.
Conventionele smeermiddelen op basis van minerale olie- zijn over het algemeen niet geschikt voor het dieptrekken van titanium. Gechloreerde paraffinewassen worden van oudsher gebruikt vanwege hun uitstekende eigenschappen bij extreme druk, hoewel milieu- en gezondheidsproblemen de vervanging door gezwavelde en gefosforiseerde verbindingen hebben gestimuleerd. Op polymeer-gebaseerde synthetische smeermiddelen, vooral die welke polytetrafluorethyleen- of molybdeendisulfidedeeltjes bevatten, zorgen voor een effectieve grenssmering onder de zware omstandigheden.
Vaste smeermiddelfilms die vóór het trekken op de plano worden aangebracht, bieden voordelen op het gebied van procesconsistentie. Polyvinylchloride- of polyethyleencoatings kunnen aan het plaatoppervlak worden gehecht, waardoor een opofferingslaag ontstaat die het titanium van het gereedschap scheidt. Deze coatings moeten na het vormen volledig worden verwijderd om verontreiniging bij daaropvolgende verwerking of service te voorkomen.
De wrijvingscoëfficiënt tussen titanium en gereedschapsstaal varieert onder typische dieptrekomstandigheden van 0,15 tot 0,30 bij effectieve smering, vergeleken met 0,05 tot 0,10 voor gesmeerd staal. Deze hogere wrijving verhoogt de kracht van de planohouder die nodig is om kreuken te voorkomen, wat op zijn beurt de trekspanning in de cupwand verhoogt en de haalbare trekverhouding vermindert. Zorgvuldige optimalisatie van de planohouderdruk, waar mogelijk met behulp van gesegmenteerde of programmeerbare planohouders, kan deze beperking gedeeltelijk compenseren.
4. Overwegingen bij het ontwerpen van gereedschappen
Het matrijsradiusontwerp voor dieptrekken van titanium vereist zorgvuldige aandacht voor een evenwicht tussen overmatig buigen en onvoldoende ondersteuning. Een matrijsradius die te klein is, veroorzaakt hoge buigspanningen wanneer het plano over de straal vloeit, waardoor mogelijk breuk bij de stempelradius of de bekerwand ontstaat. Omgekeerd vermindert een te grote matrijsradius de beperking van de materiaalstroom, waardoor plooien in het niet-ondersteunde wandgebied worden bevorderd. Voor titaniumplaten variëren de matrijsstralen doorgaans van 5 tot 10 keer de plaatdikte, vergeleken met 4 tot 8 keer voor staal.
De stempelradius moet voldoende groot zijn om spanningsconcentratie in de onderste hoek van de cup te voorkomen. Een royale ponsradius, doorgaans 3 tot 5 keer de plaatdikte, verdeelt de buigvervorming en vermindert de piektrekspanning. Zeer grote stempelradii vergroten echter de vrijdragende wandhoogte en de neiging tot plooien.
Het ontwerp van de blanco houder moet een uniforme drukverdeling over de flens bieden. Enkel-persen met vaste planohouders zijn vaak niet geschikt voor titanium vanwege het smalle procesvenster. Dubbel{3}}persen met onafhankelijk gecontroleerde kracht voor de houder van het plano maken progressieve drukaanpassing mogelijk tijdens de trekslag, waardoor veranderende flensgeometrie en materiaaldikte worden gecompenseerd. Er kunnen trekkralen worden ingebouwd om de weerstand te vergroten in gebieden die gevoelig zijn voor overmatige materiaalstroom, waardoor de spanningsverdeling in evenwicht wordt gebracht.
Bij de materiaalkeuze van het gereedschap moet rekening worden gehouden met de neiging tot vreten van titanium. Gehard gereedschapsstaal met gepolijste oppervlakken en harde coatings zoals titaniumnitride, titaniumaluminiumnitride of diamant-achtige koolstof bieden verbeterde slijtvastheid en verminderde hechting. In sommige gevallen worden inzetstukken van gecementeerd carbide of keramiek gebruikt voor de productie van grote- volumes.
De speling tussen stempel en matrijs moet rekening houden met de terugvering en diktevariatie van titanium. Typische spelingswaarden variëren van 1,1 tot 1,3 maal de nominale plaatdikte, iets groter dan voor staal om tegemoet te komen aan de lagere modulus van het materiaal en de hogere vloeigrensverhouding.
5. Optimalisatie van procesparameters
De kracht van de blanco houder vertegenwoordigt de meest kritische procesparameter bij het dieptrekken van titanium. Onvoldoende kracht maakt het plooien van de niet-ondersteunde flens mogelijk, terwijl overmatige kracht de materiaalstroom beperkt en breuk in de bekerwand veroorzaakt. De optimale kracht van de planohouder neemt toe tijdens de trekslag naarmate het flensoppervlak kleiner wordt en de weerstand tegen stroming verandert. Programmeerbare hydraulische of pneumatische planohouders maken deze dynamische aanpassing mogelijk.
Treksnelheid beïnvloedt de warmteontwikkeling en materiaalreactie. Hogere snelheden verhogen de adiabatische verwarming in de vervormingszone, wat het titanium lokaal kan verzachten en de vervormbaarheid kan verbeteren. Een te hoge snelheid vermindert echter de effectiviteit van het smeermiddel en kan dynamische effecten veroorzaken, zoals trillingen of een verkeerde uitlijning van de stempels. Treksnelheden voor titanium variëren doorgaans van 100 tot 300 millimeter per seconde, langzamer dan voor staal om voldoende onderhoud van de smeerfilm en warmteafvoer mogelijk te maken.
Het aantal benodigde tekenfasen hangt af van de geometrie van het onderdeel en de vervormbaarheid van het materiaal. Tekenen in één-fase is beperkt tot gematigde tekenverhoudingen, waarbij hertekenbewerkingen nodig zijn voor diepere componenten. Voor commercieel zuiver titanium kan het opnieuw trekken direct worden uitgevoerd op de-getrokken cup zonder tussentijds uitgloeien, op voorwaarde dat de geaccumuleerde spanning de capaciteit van het materiaal niet overschrijdt. Alfa-bèta-legeringen vereisen doorgaans tussentijds uitgloeien tussen verstrekkingen om de taaiheid te herstellen, waarbij de uitgloeiatmosfeer zorgvuldig wordt gecontroleerd om de vorming van alfa-hulzen te voorkomen.
Strijken, een proces dat de wanddikte verkleint terwijl de cupdiameter behouden blijft, kan worden gecombineerd met dieptrekken om componenten met een uniforme wanddikte te produceren. Dit is vooral relevant voor titanium cups waar materiaalefficiëntie belangrijk is, hoewel de extra vervorming de vervormbaarheidslimieten van het materiaal verder uitdaagt.
6. Temperatuur-ondersteund dieptrekken
Dieptrekken bij verhoogde temperatuur verbetert de vervormbaarheid van titanium aanzienlijk door extra slipsystemen te activeren en de verhouding tussen rek- en- treksterkte te verlagen. Warmtrekken bij 200 tot 400 graden Celsius voor commercieel zuiver titanium kan de beperkende trekverhouding met 20 tot 40 procent verhogen vergeleken met gebruik bij kamertemperatuur. De optimale temperatuur hangt af van de samenstelling van de legering, waarbij alfa-legeringen profiteren van lagere temperaturen en alfa-bèta-legeringen hogere temperaturen nodig hebben om significante verbeteringen te bereiken.
Heettrekken bij 500 tot 800 graden Celsius maakt zelfs nog grotere vervorming mogelijk, hoewel de vorming van alfagevallen een ernstig probleem wordt. Beschermende atmosferen of coatings moeten atmosferische verontreiniging tijdens verhitting en vorming voorkomen. Na warmtrekken moet de alfabehuizing worden verwijderd door machinale bewerking of chemisch beitsen, wat processtappen en kosten met zich meebrengt.
Isothermisch warmvormen, waarbij zowel het gereedschap als de blank op een hogere temperatuur worden gehouden, minimaliseert temperatuurgradiënten en zorgt voor consistent materiaalgedrag. Deze aanpak is bijzonder effectief voor complexe geometrieën of materialen met smalle verwerkingsvensters, hoewel de complexiteit van het gereedschap en de cyclustijden toenemen.
Elektromagnetisch vormen en andere vormmethoden met hoge- snelheid zijn onderzocht voor het dieptrekken van titanium. De hoge reksnelheden die met deze processen gepaard gaan, kunnen insnoering onderdrukken en breuken vertragen, waardoor mogelijk diepere trekkingen mogelijk zijn. De kosten van apparatuur en de uitdagingen op het gebied van procesbeheersing hebben echter een beperkte industriële acceptatie.
7. Defecten en storingsmodi
Rimpels in het flens- of wandgebied zijn het gevolg van onvoldoende kracht van de planohouder of een overmatige materiaalstroom. Ernstige kreukels kunnen in het materiaal vast komen te zitten en scheuren veroorzaken wanneer ze in de matrijsholte worden getrokken. Kleine kreukels kunnen bij daaropvolgende bewerkingen worden gladgestreken, maar veroorzaken diktevariaties en spanningsconcentraties.
Scheurvorming bij de ponsradius of cupwand vertegenwoordigt de ultieme limiet van vervormbaarheid. Deze bezwijkmodus treedt op wanneer de trekspanning in de wand de lokale sterkte van het materiaal overschrijdt, meestal ter hoogte van de ponsradius waar buig- en trekspanningen elkaar overlappen. Het scheuren kan worden voorafgegaan door plaatselijke insnoering, hoewel de relatief lage rek-exponent van de verharding van titanium betekent dat insnoering tot bezwijken snel optreedt zodra het is begonnen.
Inkervingen en vreten aan het oppervlak ontstaan door onvoldoende smering of incompatibele gereedschapsmaterialen. Deze defecten verslechteren de oppervlaktekwaliteit en kunnen dienen als scheurinitiatielocaties onder cyclische belasting. In ernstige gevallen veroorzaakt vreten materiaaloverdracht van de titaniumplaat naar de matrijs, waardoor de geometrie van het gereedschap en de kwaliteit van het onderdeel geleidelijk afnemen.
Earing, de periodieke hoogtevariatie aan de rand van de cup, is het resultaat van kristallografische anisotropie. Hoewel het geen defect is in de zin van structurele integriteit, moet het oor worden bijgesneden en wordt de materiaalopbrengst verminderd. De ernst kan worden geminimaliseerd door textuurcontrole tijdens de productie van platen of worden gecompenseerd door optimalisatie van de vorm van het onbewerkte materiaal.
Terugvering na het trekken heeft invloed op de maatnauwkeurigheid, vooral bij componenten met nauwe tolerantie-eisen. De lage elasticiteitsmodulus van titanium gecombineerd met een hoge vloeigrens produceert een grotere terugvering dan staal. Compensatie door wijziging van de gereedschapsgeometrie of post-kalibratiebewerkingen kan noodzakelijk zijn.
8. Materiaalkeuze voor dieptrektoepassingen
Commercieel zuiver titanium klasse 1 biedt de beste dieptrekvormbaarheid onder titaniummaterialen, met een laag zuurstofgehalte dat zorgt voor een hoge ductiliteit en een lage rekgrens. Deze kwaliteit heeft de voorkeur voor toepassingen waarbij matige sterkte acceptabel is en vervormbaarheid van het grootste belang is, zoals chemische verwerkingsapparatuur, architecturale elementen en consumentenproducten.
Titanium van klasse 2 biedt een evenwicht tussen vervormbaarheid en sterkte, waarbij een iets hoger zuurstofgehalte de vloeigrens verhoogt tegen bescheiden ductiliteitskosten. Het vertegenwoordigt de meest gebruikte kwaliteit voor diep-getrokken componenten waarbij matige structurele prestaties vereist zijn.
Titanium van klasse 4, met het hoogste zuurstofgehalte onder de niet-gelegeerde kwaliteiten, biedt verhoogde sterkte maar aanzienlijk verminderde vervormbaarheid. Dieptrekken van klasse 4 vereist verhoogde temperaturen of meerdere fasen met tussentijds uitgloeien.
Ti-6Al-4V en andere alfa-bèta-legeringen zijn over het algemeen niet geschikt voor conventioneel dieptrekken bij kamertemperatuur vanwege de beperkte ductiliteit en hoge sterkte. Wanneer er diepgetrokken-vormen uit deze legeringen nodig zijn, wordt superplastisch vormen bij 850 tot 950 graden Celsius of warmtrekken met atmosferische bescherming toegepast. De resulterende componenten vinden toepassing in lucht- en ruimtevaartdrukvaten, uitlaatcomponenten en andere hoogwaardige structuren waarbij de sterkte-gewichtsverhouding van de legering de complexe verwerking rechtvaardigt.
Bèta-titaniumlegeringen zoals Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn bieden verbeterde koude vervormbaarheid in de oplossingsbehandelde toestand dankzij hun op het lichaam gecentreerde kubische kristalstructuur met uitgebreidere slipsystemen. Deze legeringen kunnen in zachte toestand diepgetrokken worden en vervolgens verouderd om een hoge sterkte te bereiken, waardoor voor bepaalde toepassingen een aantrekkelijke verwerkingsroute ontstaat.
9. Kwaliteitsborging en testen
De oortest, uitgevoerd door het tekenen van een cirkelvormige blanco en het meten van het resulterende oorhoogteprofiel, kwantificeert anisotropie en voorspelt dieptrekgedrag. Earing-indexwaarden boven de 10 procent duiden doorgaans op problematische anisotropie die modificatie van de blancovorm of procesaanpassing vereist.
De Swift-bekertest bepaalt de beperkende trekverhouding door plano's met een steeds grotere diameter te trekken totdat breuk optreedt. Dit biedt een directe maatstaf voor de vervormbaarheid onder gestandaardiseerde omstandigheden, hoewel de werkelijke productieprestaties kunnen variëren als gevolg van gereedschapsverschillen en variaties in het smeermiddel.
De Ericen cupping-test meet de rekvormbaarheid door een bolvormige stempel in een vastgeklemde plaat te drukken totdat deze breekt. Hoewel de dieptrekprestaties niet direct worden gemeten, correleert de Ericen-waarde met de algemene vervormbaarheid van platen en is deze nuttig voor materiaalvergelijking en kwaliteitscontrole.
Cilindrische bekertrekproeven met geïnstrumenteerd gereedschap bieden gedetailleerde informatie over de ponskracht, de druk van de planohouder en de verdeling van de wanddikte. Deze gegevens maken procesoptimalisatie mogelijk en valideren simulatiemodellen.
Microstructureel onderzoek van getrokken componenten verifieert dat de vervorming geen ongewenste kenmerken heeft veroorzaakt, zoals vervormingsdubbels, plaatselijke afschuifbanden of oppervlaktescheuren. Voor alfa-bèta-legeringen moeten de volumefractie en de morfologie van de alfa- en bètafasen na het trekken binnen de specificatie blijven.
10. Toepassingen van diep-getrokken titanium cups
Chemische verwerkingsapparatuur maakt gebruik van diepgetrokken-commercieel zuivere titanium cups en cilinders voor reactorvaten, warmtewisselaarkoppen en drukvatcomponenten. De uitstekende corrosieweerstand van titanium in chloride-bevattende en oxiderende media maakt het superieur aan roestvast staal in veel chemische omgevingen.
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen omvatten brandstoftanks, hydraulische reservoirs en uitlaatcomponenten waarbij de sterkte-tot-gewichtsverhouding van titaniumlegeringen aanzienlijke prestatievoordelen biedt. Superplastisch gevormde Ti-6Al-4V-componenten bereiken complexe geometrieën die onmogelijk zijn via conventioneel dieptrekken.
Bij de productie van medische apparatuur wordt gebruik gemaakt van diep-getrokken titanium cups voor implantaatbehuizingen, onderdelen van chirurgische instrumenten en farmaceutische verwerkingsapparatuur. De biocompatibiliteit en corrosieweerstand van titanium in fysiologische omgevingen zijn essentieel voor deze toepassingen.
Consumentenproducten zoals kookgerei, horlogekasten en brilmonturen maken gebruik van het lichte gewicht, de corrosieweerstand en de esthetische aantrekkingskracht van titanium. Dieptrekken maakt een kosteneffectieve productie van deze componenten- mogelijk uit commercieel zuivere titaniumkwaliteiten.
