Wie gepulster Strom das V-Biegen von Ti-6Al-4V verbessert

Ti-6Al-4V weist eine schlechte Umformbarkeit bei Raumtemperatur und ein hohes Verhältnis von Streckgrenze zu Elastizitätsmodul auf. Da der Rückfederungsgrad mit diesem Verhältnis zunimmt, ist der Rückfederungswinkel groß und die Endmaße lassen sich nur schwer kontrollieren. Um das V-Biegeverhalten zu verbessern, untersucht diese Studie, wie sich die Parameter des Impulsstroms – insbesondere die Versorgungsspannung und die Impulsfrequenz – auf die Teilequalität, die Umformkraft und das Rückfedern auswirken. Sie ermittelt nützliche Prozessparameter und erläutert die mikroskopischen Mechanismen des elektroplastischen Biegens.

Einfluss der Stromdichte auf das V-Biegen von Ti-6Al-4V

Einfluss der Stromdichte auf die Umformkraft

Die elektroplastischen V-Biegetests wurden auf einer SANS-Zugprüfmaschine durchgeführt. Die oberen und unteren Biegeformen der Maschine waren mit Bakelit isoliert, und Elektroden leiteten über die Formen Impulsstrom an die Probe. Jede rechteckige Blechprobe hatte die Maße 50 mm × 30 mm. Die Traversengeschwindigkeit betrug 10,5 mm/min, der Biegeradius 1 mm, der Biegewinkel 90°, und auf jedes Probenstück wurde die gleiche Verformung aufgebracht. Es wurden unterschiedliche Versorgungsspannungen und Pulsfrequenzen verwendet, um deren Auswirkungen auf die Rückfederung und die Umformkraft zu bewerten.

Bei einer Pulsfrequenz von 200 Hz weist die Kraft-Weg-Kurve drei Phasen auf. Zunächst steigt die Umformkraft während der elastischen Biegung mit zunehmender Verformung an. Anschließend nimmt der Weg weiter zu, während sich die Kraft kaum verändert, was zu einer Phase stabiler Verformung führt. Schließlich, wenn das Werkstück die untere Matrize berührt, steigt die Kraft während der Haltephase stark an und bleibt bis zum Ende des Biegevorgangs auf diesem Niveau. Im Vergleich zum Biegen bei Raumtemperatur verkürzt der gepulste Strom die elastische Phase und reduziert die Kraft in der stabilen Phase erheblich. Eine Erhöhung der effektiven Stromdichte verkürzt die elastische Phase weiter und führt zu einer stärkeren Kraftreduzierung. Bei 38,67 A/mm², betrug die Kraft im stabilen Zustand 568 N und lag damit um 49,01% unter den bei Raumtemperatur erforderlichen 1.114 N. Diese Verringerung kann den Energieverbrauch und die Produktionskosten senken.

Einfluss der Stromdichte auf die Umformqualität

Bei Raumtemperatur wies die Ti-6Al-4V-Probe im Bereich der V-Biegung starke Bruchstellen mit langen, tiefen Rissen und einer schlechten Oberflächenqualität auf. Bei einer gepulsten effektiven Stromdichte von 14,00 A/mm², war die gebogene Oberfläche glatt und frei von Rissen. Impulsstrom erhöht die Dehnung und senkt die Streckgrenze, was dazu beiträgt, Rissbildung zu verhindern und die Umformqualität zu verbessern.

Formqualität von elektroplastischen V-gebogenen Proben bei unterschiedlichen effektiven Stromdichten:

Beim Biegen verringert der gepulste Strom sowohl die Streckgrenze als auch die Kaltverfestigung von Ti-6Al-4V. Eine niedrigere Streckgrenze und eine geringere Kaltverfestigung reduzieren den Rückfederungswinkel. Der Strom verbessert somit das Verformungsverhalten und verringert den Rückfederungswinkel. Mit steigender effektiver Stromdichte nehmen die Streckgrenze und die Kaltverfestigung weiter ab, sodass der Rückfederungswinkel zunehmend kleiner wird.

Einfluss der Impulsfrequenz auf das V-Biegen von Ti-6Al-4V

Tests bei verschiedenen Frequenzen zeigen, dass die Formkraft im stabilen Bereich mit steigender Impulsfrequenz abnimmt, unabhängig davon, ob die Versorgungsspannung 80 oder 100 V beträgt. Eine höhere Impulsfrequenz verringert daher die zum Biegen erforderliche Belastung. Bei einer gegebenen Versorgungsspannung bleibt die Spitzenstromdichte gleich, doch die effektive Stromdichte steigt mit der Frequenz an, wodurch der elektroplastische Effekt stärker ausgeprägt ist.

Die verbesserte Dehnungs- und Biegefestigkeit von Ti-6Al-4V unter Impulsstrom resultiert hauptsächlich aus der Joule-Erwärmung und dem intrinsischen elektroplastischen Effekt. Dieser intrinsische Effekt hängt mit der Kraft zusammen, die drifende Elektronen auf Versetzungen ausüben – oft als „Elektronenwindkraft“ bezeichnet –, wodurch die für die Versetzungsbewegung erforderliche Antriebskraft verringert wird. Da die Kraft der drifenden Elektronen proportional zur Stromdichte ist, verstärkt eine höhere effektive Stromdichte den intrinsischen elektroplastischen Effekt. Zudem steigt dadurch die Temperatur und die Joule-Erwärmung nimmt zu. Infolgedessen wird das Material weicher, die Versetzungsverflechtung und die Versetzungsdichte nehmen ab, die Dehnung steigt, und die Spannung sowie die Streckgrenze sinken. Impulsstrom verbessert somit die Probenqualität und reduziert gleichzeitig den Rückfederungseffekt und die Umformkraft, wobei bei höherer effektiver Stromdichte größere Verbesserungen erzielt werden.