Titāna un titāna sakausējuma lokšņu dziļi velkošā formēšana cilindriskā kausa komponentiem
1. Titāna lokšņu dziļās rasēšanas pamati
Dziļā stiepšana ir lokšņu metāla formēšanas process, kurā plakanu sagatavi ar perforatoru ievelk presformas dobumā, lai izveidotu dobu cilindrisku, taisnstūrveida vai neregulāru sastāvdaļu. Attiecībā uz titāna un titāna sakausējuma loksnēm šis process ir īpaši sarežģīts materiāla raksturīgo mehānisko un fizikālo īpašību dēļ, kas ievērojami atšķiras no parastajiem dziļi izvelkamajiem materiāliem, piemēram, zema{2}}oglekļa tērauda vai alumīnija sakausējumiem.
Titāna lokšņu formējamību dziļā vilkšanā nosaka mijiedarbība starp stiepes deformāciju atloka reģionā un spiedes deformāciju pie kausa sienas. Kad perforators nolaižas, gredzenveida atloks piedzīvo radiālo stiepes spriegumu un apkārtmēru saspiešanas spriegumu, izraisot materiāla plūsmu uz iekšu, veidnes atveres virzienā. Tikmēr krūzes siena tiek pakļauta vienpusīgai spriedzei, velkot to pāri matricas rādiusam. Ierobežojošā vilkšanas attiecība, kas definēta kā maksimālā sagataves diametra attiecība pret perforatora diametru, kas ir sasniedzama vienā vilkšanas operācijā bez lūzuma, kalpo kā primārā metrika dziļās vilkšanas formējamībai.
Komerciāli tīram 1. pakāpes titānam istabas temperatūras apstākļos ierobežojošā izsūknēšanas attiecība parasti svārstās no 1,8 līdz 2,2. Tas ir ievērojami zemāks par vērtībām no 2,2 līdz 2,5, kas ir sasniedzamas ar dziļas-izvilkšanas kvalitātes zemu-oglekļa tēraudu, atspoguļojot titāna zemāko deformācijas-cietēšanas eksponentu un augstāku ražības-pret{10}}stiepes attiecību. Alfa-beta sakausējumiem, piemēram, Ti-6Al-4V, ir vēl ierobežotāka formējamība, un ierobežojošais stiepes koeficients apkārtējā temperatūrā bieži ir zem 1,6 to lielākas stiprības un samazinātas elastības dēļ.
2. Materiālu raksturojums, kas ietekmē dziļās zīmēšanas uzvedību
Titāna lokšņu kristalogrāfiskā tekstūra būtiski ietekmē dziļas zīmēšanas veiktspēju. Titāna sešstūrainajai-iepakotajai kristāliskajai struktūrai ir ierobežotas slīdēšanas sistēmas istabas temperatūrā, galvenokārt bazālā un prizmatiskā slīdēšana, un piramīdas slīdēšana kļūst nozīmīga tikai paaugstinātā temperatūrā vai ierobežotas deformācijas apstākļos. Rezultātā iegūtā anizotropija rada raksturīgu ausu uzvedību uzzīmētajos krūzēs, kur krūzes malai ir periodiskas augstuma izmaiņas, kas atbilst vēlamajiem orientācijas virzieniem.
Spēcīga pamata tekstūra ar c-asi, kas noliekta šķērsvirzienā, parasti rada četras ausis, kas ir izlīdzinātas 0 un 90 grādu leņķī pret ripošanas virzienu. Šis auss ir jāapgriež turpmākajās darbībās, samazinot materiāla izmantošanas efektivitāti. Tekstūras kontrole, izmantojot termomehānisko apstrādi lokšņu ražošanas laikā, var samazināt ausu nopietnību, lai gan pilnīga likvidēšana parasti nav praktiska.
Deformācijas -cietēšanas eksponents, kas apzīmēts kā n-vērtība, kvantitatīvi nosaka materiāla spēju nodrošināt vienmērīgu plastisko deformāciju pirms apkakles uzsākšanas. Titāna sakausējumiem parasti ir zemākas n-vērtības nekā dziļvelkmes-tēraudiem, kas nozīmē, ka deformācijas lokalizācija notiek vieglāk un drošas formēšanas logs ir šaurāks. Plastmasas deformācijas koeficients jeb r-vērtība mēra pretestību retināšanai pret-plaknes deformāciju. Augstākas r-vērtības norāda uz labāku dziļi stiepšanas formējamību, jo materiāls iztur retināšanu krūzes sieniņās, kur stiepes spriegumi ir vislielākie. Titāna loksnes parasti sasniedz r-vērtības no 2,0 līdz 4,0 atkarībā no tekstūras un apstrādes vēstures, kas ir labvēlīga salīdzinājumā ar daudziem materiāliem, lai gan absolūto formējamību joprojām ierobežo citi faktori.
Virsmas stāvoklis būtiski ietekmē zīmēšanas uzvedību. Ķīmiski aktīvajai titāna virsmai zem spiediena ir tendence saslīdēt pret instrumentu tērauda presformām, izraisot skrāpējumus, paņemšanu un iespējamu lūzumu. Virsmas apstrāde, tostarp fosfātu pārvēršanas pārklājumi, cietās plēves smērvielas vai oksīda slāņa veidošanās, var mazināt žāvēšanas tendences. Virsmas raupjumam jābūt optimizētam, lai saglabātu smērvielu, vienlaikus izvairoties no stresa koncentrācijas, kas varētu izraisīt plaisāšanu.
3. Eļļošana un berzes vadība
Efektīva eļļošana ir ļoti svarīga veiksmīgai titāna lokšņu dziļajai vilkšanai. Lielais kontaktspiediens presformas rādiusā un sagataves turētāja saskarnē, apvienojumā ar titāna tendenci uz adhezīvu nodilumu, prasa smērvielas ar izcilu plēves izturību un ķīmisko stabilitāti.
Tradicionālās minerāleļļu{0}}bāzes smērvielas parasti nav piemērotas titāna dziļvilkšanai. Hlorētie parafīna vaski vēsturiski ir izmantoti to izcilo ārkārtējā spiediena -spiediena īpašību dēļ, lai gan vides un veselības apsvērumi ir izraisījuši aizstāšanu ar sēru saturošiem un fosforizētiem savienojumiem. Sintētiskās smērvielas uz polimēru- bāzes, īpaši tās, kas satur politetrafluoretilēna vai molibdēna disulfīda daļiņas, nodrošina efektīvu robežeļļošanu smagos apstākļos.
Cietās smērvielas plēves, kas uzklātas uz sagataves pirms zīmēšanas, nodrošina procesa konsekvenci. Polivinilhlorīda vai polietilēna pārklājumus var pielīmēt pie loksnes virsmas, nodrošinot upura slāni, kas atdala titānu no instrumenta. Šie pārklājumi pēc formēšanas ir pilnībā jānoņem, lai novērstu piesārņojumu turpmākās apstrādes vai apkopes laikā.
Berzes koeficients starp titānu un instrumentu tēraudu tipiskos dziļās vilkšanas apstākļos svārstās no 0,15 līdz 0,30 ar efektīvu eļļošanu, salīdzinot ar 0,05 līdz 0,10 eļļotam tēraudam. Šī lielākā berze palielina sagataves turētāja spēku, kas nepieciešams, lai novērstu saburzīšanu, kas savukārt paaugstina stiepes spriegumu krūzes sieniņā un samazina sasniedzamo vilkšanas koeficientu. Rūpīga sagataves turētāja spiediena optimizācija, ja iespējams, izmantojot segmentētus vai programmējamus sagatavju turētājus, var daļēji kompensēt šo ierobežojumu.
4. Instrumentu projektēšanas apsvērumi
Titāna dziļās vilkšanas rādiusa dizains prasa rūpīgu uzmanību, lai nodrošinātu līdzsvaru starp pārmērīgu lieci un nepietiekamu atbalstu. Pārāk mazs presformas rādiuss rada lielu lieces spriegumu, sagatavei plūstot pāri rādiusam, potenciāli izraisot lūzumu pie perforatora rādiusa vai krūzes sienas. Un otrādi, pārāk liels presformas rādiuss samazina materiāla plūsmas ierobežojumu, veicinot grumbu veidošanos neatbalstītās sienas reģionā. Titāna loksnēm formas rādiusi parasti ir no 5 līdz 10 reizēm par loksnes biezumu, salīdzinot ar 4 līdz 8 reizēm tēraudam.
Perforatora rādiusam jābūt pietiekami lielam, lai novērstu spriedzes koncentrēšanos krūzes apakšējā stūrī. Liels perforācijas rādiuss, kas parasti ir 3 līdz 5 reizes lielāks par loksnes biezumu, izkliedē lieces deformāciju un samazina maksimālo stiepes spriegumu. Tomēr ļoti lieli perforācijas rādiusi palielina neatbalstītas sienas augstumu un grumbu veidošanās tendenci.
Tukša turētāja konstrukcijai jānodrošina vienmērīgs spiediena sadalījums pa atloku. Viena -darbības preses ar fiksētiem sagatavju turētājiem bieži vien nav piemērotas titānam šaurā procesa loga dēļ. Divkāršās-darbības preses ar neatkarīgi kontrolētu sagataves turētāja spēku ļauj pakāpeniski regulēt spiedienu vilkšanas gājiena laikā, kompensējot atloka ģeometrijas un materiāla biezuma izmaiņas. Var iestrādāt vilkmes lodītes, lai palielinātu pretestību reģionos, kuros ir tendence uz pārmērīgu materiāla plūsmu, līdzsvarojot deformācijas sadalījumu.
Izvēloties instrumenta materiālu, ir jāņem vērā titāna noguruma tendence. Rūdīti instrumentu tēraudi ar pulētām virsmām un cietiem pārklājumiem, piemēram, titāna nitrīdu, titāna alumīnija nitrīdu vai dimantu{1}}līdzīgu oglekli, nodrošina uzlabotu nodilumizturību un samazinātu saķeri. Dažos gadījumos liela apjoma ražošanai tiek izmantoti cementēta karbīda vai keramikas instrumentu ieliktņi.
Attālumam starp perforatoru un matricu ir jāņem vērā titāna atspere un biezuma izmaiņas. Tipiskās klīrensa vērtības svārstās no 1,1 līdz 1,3 reizēm par nominālo loksnes biezumu, kas ir nedaudz lielākas nekā tēraudam, lai pielāgotos materiāla zemākajam modulim un augstākai tecēšanas robežas attiecībai.
5. Procesa parametru optimizācija
Tukša turētāja spēks ir vissvarīgākais procesa parametrs titāna dziļajā vilkšanā. Nepietiekams spēks ļauj neatbalstītajam atlokam saburzīt, savukārt pārmērīgs spēks ierobežo materiāla plūsmu un izraisa kausa sienas lūzumu. Optimālais sagataves turētāja spēks palielinās vilkšanas gājiena laikā, jo samazinās atloka laukums un mainās plūsmas pretestība. Programmējami hidrauliskie vai pneimatiskie sagatavju turētāji nodrošina šo dinamisko regulēšanu.
Zīmēšanas ātrums ietekmē siltuma veidošanos un materiāla reakciju. Lielāki ātrumi palielina adiabātisko sildīšanu deformācijas zonā, kas var lokāli mīkstināt titānu un uzlabot formējamību. Tomēr pārmērīgs ātrums samazina smērvielas efektivitāti un var izraisīt dinamiskus efektus, piemēram, vibrāciju vai perforatoru{2}}izvirzīšanu. Titāna vilkšanas ātrums parasti ir no 100 līdz 300 milimetriem sekundē, kas ir lēnāks nekā tēraudam, lai nodrošinātu atbilstošu smērvielas plēves uzturēšanu un siltuma izkliedi.
Nepieciešamais zīmēšanas posmu skaits ir atkarīgs no detaļas ģeometrijas un materiāla formējamības. Viena-posma zīmēšana ir ierobežota līdz mērenām vilkšanas attiecībām, un dziļākiem komponentiem nepieciešamas pārzīmēšanas darbības. Pārzīmēšanu var veikt tieši uz izvilktā kausa bez starpposma atkausēšanas komerciāli tīram titānam, ja uzkrātā deformācija nepārsniedz materiāla ietilpību. Alfa-beta sakausējumiem parasti ir nepieciešama starpposma atkvēlināšana starp vilkšanu, lai atjaunotu elastību, un atlaidināšanas atmosfēru rūpīgi kontrolē, lai novērstu alfa apvalka veidošanos.
Gludināšanu — procesu, kas samazina sienu biezumu, vienlaikus saglabājot krūzes diametru, var apvienot ar dziļo vilkšanu, lai iegūtu sastāvdaļas ar vienādu sieniņu biezumu. Tas jo īpaši attiecas uz titāna kausiem, kur materiāla efektivitāte ir svarīga, lai gan papildu deformācija vēl vairāk apgrūtina materiāla formējamības robežas.
6. Temperatūra{1}}Palīdzēta dziļā zīmēšana
Paaugstināta temperatūras dziļā vilkšana ievērojami uzlabo titāna formējamību, aktivizējot papildu slīdēšanas sistēmas un samazinot ražas -pret- stiepes izturības attiecību. Komerciāli tīra titāna siltā vilkšana pie 200 līdz 400 grādiem pēc Celsija var palielināt ierobežojošo vilkšanas koeficientu par 20 līdz 40 procentiem, salīdzinot ar darbību istabas temperatūrā. Optimālā temperatūra ir atkarīga no sakausējuma sastāva, jo alfa sakausējumiem ir zemāka temperatūra, bet alfa-beta sakausējumiem nepieciešama augstāka temperatūra, lai panāktu ievērojamus uzlabojumus.
Karstā vilkšana pie 500 līdz 800 grādiem pēc Celsija nodrošina vēl lielāku deformāciju, lai gan alfa korpusa veidošanās kļūst par nopietnu problēmu. Aizsargājošai atmosfērai vai pārklājumiem ir jānovērš atmosfēras piesārņojums karsēšanas un formēšanas laikā. Pēc karstās vilkšanas alfa korpuss ir jānoņem, apstrādājot vai ķīmiski kodinot, pievienojot procesa soļus un izmaksas.
Izotermiskā siltā formēšana, kurā gan instrumenti, gan sagatave tiek uzturēti paaugstinātā temperatūrā, samazina temperatūras gradientus un nodrošina konsekventu materiāla uzvedību. Šī pieeja ir īpaši efektīva sarežģītām ģeometrijām vai materiāliem ar šauriem apstrādes logiem, lai gan palielinās instrumentu sarežģītība un cikla laiks.
Titāna dziļvilkšanai ir pētītas elektromagnētiskās formēšanas un citas ātrdarbīgas{0}}formēšanas metodes. Ar šiem procesiem saistītais lielais deformācijas līmenis var nomākt kakla izgriezumu un aizkavēt lūzumu, potenciāli veicinot dziļāku vilkšanu. Tomēr iekārtu izmaksas un procesa kontroles problēmas ir ierobežojušas rūpniecisko izmantošanu.
7. Defekti un atteices režīmi
Atloka vai sienas apgabala krokošanās rodas nepietiekama sagataves turētāja spēka vai pārmērīgas materiāla plūsmas dēļ. Smagas grumbas var tikt bloķētas materiālā un izraisīt plīsumus, kad tās tiek ievilktas presformas dobumā. Nelielas grumbiņas var tikt izlīdzinātas turpmākajās operācijās, taču tās rada biezuma izmaiņas un stresa koncentrāciju.
Perforatora rādiusa vai krūzes sienas plīsums ir galīgā formējamības robeža. Šis atteices režīms sākas, kad stiepes spriegums sienā pārsniedz materiāla vietējo izturību, parasti perforācijas rādiusā, kur pārklājas lieces un stiepes spriegumi. Pirms plīsuma var rasties lokāla izgriezums, lai gan titāna relatīvi zemais deformācijas -cietēšanas eksponents nozīmē, ka sašķelšanās līdz neveiksmei notiek ātri, tiklīdz tā ir uzsākta.
Nepietiekamas eļļošanas vai nesaderīgu instrumenta materiālu dēļ rodas virsmas skrāpējumi un plankumi. Šie defekti pasliktina virsmas kvalitāti un var kalpot par plaisu rašanās vietām cikliskā slodzē. Smagos gadījumos saspiešana izraisa materiāla pārnesi no titāna loksnes uz presformu, pakāpeniski pasliktinot instrumenta ģeometriju un detaļu kvalitāti.
Auss, periodiskas augstuma izmaiņas pie kausa malas, izriet no kristalogrāfiskās anizotropijas. Lai gan tas nav defekts konstrukcijas viengabalainības nozīmē, ausu izgriešanai ir nepieciešama apgriešana un tas samazina materiāla ražu. Smagumu var samazināt, izmantojot tekstūras kontroli lokšņu ražošanas laikā, vai kompensēt, optimizējot sagataves formu.
Atspere pēc zīmēšanas ietekmē izmēru precizitāti, īpaši komponentiem ar stingrām pielaides prasībām. Titāna zemais elastības modulis apvienojumā ar augstu tecēšanas robežu rada lielāku atsperu nekā tērauds. Var būt nepieciešama kompensācija, pārveidojot instrumenta ģeometriju vai veicot kalibrēšanas darbības pēc-formēšanas.
8. Materiālu izvēle dziļās zīmēšanas lietojumiem
Komerciāli tīra titāna 1. klase piedāvā vislabāko dziļās stiepšanas formējamību starp titāna materiāliem, ar zemu skābekļa saturu, kas nodrošina augstu elastību un zemu tecēšanas robežu. Šī kategorija ir ieteicama lietojumiem, kur ir pieļaujama mērena izturība un īpaši svarīga ir formējamība, piemēram, ķīmiskās apstrādes iekārtām, arhitektūras elementiem un patēriņa precēm.
2. pakāpes titāns nodrošina formējamības un stiprības līdzsvaru ar nedaudz augstāku skābekļa saturu, kas palielina tecēšanas robežu pie pieticīgām elastības izmaksām. Tā ir visplašāk izmantotā pakāpe dziļi-izzīmētiem komponentiem, kur nepieciešama mērena konstrukcijas veiktspēja.
4. klases titāns ar augstāko skābekļa saturu starp neleģētajām kategorijām, piedāvā palielinātu izturību, bet ievērojami samazinātu formējamību. 4. pakāpes dziļajai vilkšanai nepieciešama paaugstināta temperatūra vai vairāki posmi ar starpposma atkausēšanu.
Ti-6Al-4V un citi alfa-beta sakausējumi parasti nav piemēroti tradicionālajai dziļvilkšanai istabas temperatūrā ierobežotās elastības un lielās stiprības dēļ. Ja no šiem sakausējumiem ir vajadzīgas dziļi{9}}izvilktas formas, tiek izmantota superplastiskā formēšana 850–950 grādos pēc Celsija vai karstā vilkšana ar atmosfēras aizsardzību. Iegūtos komponentus var izmantot kosmosa spiediena tvertnēs, izplūdes gāzu komponentos un citās augstas veiktspējas konstrukcijās, kur sakausējuma stiprības un svara attiecība attaisno sarežģīto apstrādi.
Beta titāna sakausējumi, piemēram, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, piedāvā uzlabotu aukstās formēšanas spējas šķīdumā apstrādātā stāvoklī, pateicoties to ķermenim centrētajai kubiskā kristāla struktūrai un plašākām slīdēšanas sistēmām. Šos sakausējumus var dziļi ievilkt mīkstā stāvoklī un pēc tam novecot, lai sasniegtu augstu izturību, nodrošinot pievilcīgu apstrādes ceļu noteiktiem lietojumiem.
9. Kvalitātes nodrošināšana un pārbaude
Ausēšanas tests, ko veic, uzzīmējot apļveida sagatavi un izmērot iegūto auss augstuma profilu, nosaka anizotropiju un paredz dziļas vilkšanas uzvedību. Ausu indeksa vērtības, kas pārsniedz 10 procentus, parasti norāda uz problemātisku anizotropiju, kas prasa tukšas formas modifikāciju vai procesa pielāgošanu.
Swift kausa tests nosaka ierobežojošo vilkšanas koeficientu, velkot sagataves ar pakāpeniski lielāku diametru, līdz notiek lūzums. Tas nodrošina tiešu formējamības mērījumu standartizētos apstākļos, lai gan faktiskā ražošanas veiktspēja var atšķirties instrumentu atšķirību un smērvielu atšķirību dēļ.
Erichen kausēšanas tests mēra stiepes formējamību, iespiežot sfērisku perforatoru saspiestā loksnē līdz lūzumam. Lai gan tieši nemēra dziļās vilkšanas veiktspēju, Erichen vērtība korelē ar vispārējo loksnes formējamību un ir noderīga materiālu salīdzināšanai un kvalitātes kontrolei.
Cilindriskās krūzes vilkšanas izmēģinājumi ar instrumentāliem instrumentiem sniedz detalizētu informāciju par perforācijas spēku, sagataves turētāja spiedienu un sienas biezuma sadalījumu. Šie dati ļauj optimizēt procesu un apstiprināt simulācijas modeļus.
Izvilkto komponentu mikrostrukturālā pārbaude pārbauda, vai deformācija nav radījusi nevēlamas pazīmes, piemēram, deformācijas dvīņus, lokalizētas bīdes joslas vai virsmas plaisāšanu. Alfa-beta sakausējumiem alfa un beta fāžu tilpuma daļai un morfoloģijai pēc vilkšanas jāatbilst specifikācijām.
10. Dziļas{1}}titāna kausu pielietojums
Ķīmiskās apstrādes iekārtās reaktoru tvertnēm, siltummaiņa galviņām un spiedtvertņu komponentiem tiek izmantotas dziļi{0}}ievilktas komerciāli tīra titāna kausi un cilindri. Titāna izcilā izturība pret koroziju hlorīdu-saturošā un oksidējošā vidē padara to pārāku par nerūsējošo tēraudu daudzās ķīmiskās vidēs.
Aviācijas un kosmosa lietojumos ietilpst degvielas tvertnes, hidrauliskie rezervuāri un izplūdes gāzu komponenti, kur titāna sakausējumu izturības -un-svara attiecība nodrošina ievērojamas veiktspējas priekšrocības. Superplastiski veidoti Ti-6Al-4V komponenti nodrošina sarežģītas ģeometrijas, kas nav iespējamas, izmantojot parasto dziļo vilkšanu.
Medicīnas ierīču ražošanā tiek izmantotas dziļi{0}}izvilktas titāna kausi implantu korpusiem, ķirurģisko instrumentu komponentiem un farmaceitiskās apstrādes iekārtām. Titāna bioloģiskā saderība un izturība pret koroziju fizioloģiskā vidē ir būtiska šiem lietojumiem.
Patēriņa preces, piemēram, virtuves piederumi, pulksteņu futrāļi un briļļu rāmji, izmanto titāna vieglo svaru, izturību pret koroziju un estētisko pievilcību. Dziļā vilkšana nodrošina izmaksu ziņā efektīvu šo komponentu ražošanu no komerciāli tīra titāna.
