Piegatura a V del Ti-6Al-4V con corrente pulsata

Il Ti-6Al-4V presenta una scarsa formabilità a temperatura ambiente e un elevato rapporto tra limite di snervamento e modulo elastico. Poiché il ritorno elastico aumenta con questo rapporto, l’angolo di ritorno elastico risulta ampio e le dimensioni finali sono difficili da controllare. Per migliorare le prestazioni di piegatura a V, questo studio esamina in che modo i parametri della corrente pulsata, in particolare la tensione di alimentazione e la frequenza degli impulsi, influenzano la qualità del pezzo, il carico di formatura e il ritorno elastico. Lo studio identifica parametri di processo utili e spiega i meccanismi microscopici della piegatura elettroplastica.

Effetto della densità di corrente sulla piegatura a V del Ti-6Al-4V

Effetto della densità di corrente sulla forza di formatura

Le prove di piegatura a V elettroplastica sono state eseguite su una macchina di prova a trazione SANS. Le matrici di piegatura superiore e inferiore della macchina erano isolate con bachelite, mentre gli elettrodi applicavano una corrente pulsata al provino attraverso le matrici. Ciascun provino rettangolare misurava 50 mm × 30 mm. La velocità della traversa era di 10,5 mm/min, il raggio di piegatura era di 1 mm, l’angolo di piegatura era di 90° e a ogni provino è stato applicato lo stesso spostamento. Sono state utilizzate diverse tensioni di alimentazione e frequenze di impulso per valutarne gli effetti sul ritorno elastico e sulla forza di formatura.

A una frequenza di impulso di 200 Hz, la curva forza-spostamento presenta tre fasi. Innanzitutto, la forza di formatura aumenta con la deformazione durante la flessione elastica. In secondo luogo, lo spostamento continua ad aumentare mentre la forza varia di poco, dando luogo a una fase di deformazione stabile. Infine, quando il pezzo entra in contatto con lo stampo inferiore, la forza aumenta bruscamente durante la fase di mantenimento e continua ad aumentare fino al termine della flessione. Rispetto alla flessione a temperatura ambiente, la corrente pulsata accorcia la fase elastica e riduce sostanzialmente la forza nella fase stabile. Aumentando la densità di corrente effettiva, la fase elastica si accorcia ulteriormente e si ottiene una maggiore riduzione della forza. A 38,67 A/mm², la forza in fase stazionaria era pari a 568 N, ovvero 49,01% in meno rispetto ai 1.114 N richiesti a temperatura ambiente. Questa riduzione può consentire di diminuire il consumo energetico e i costi di produzione.

Effetto della densità di corrente sulla qualità della formatura

A temperatura ambiente, il provino in Ti-6Al-4V ha subito una grave frattura nella zona della piega a V, con crepe lunghe e profonde e una scarsa qualità superficiale. Con una densità di corrente effettiva pulsata pari a 14,00 A/mm², la superficie curvata risultava liscia e priva di crepe. La corrente pulsata aumenta l’allungamento e riduce il limite di snervamento, contribuendo a prevenire la formazione di crepe e a migliorare la qualità della formatura.

Qualità di formatura di provini elettroplastici con piegatura a V a diverse densità di corrente effettive:

Durante la piegatura, la corrente pulsata riduce sia il limite di snervamento che l’incrudimento del Ti-6Al-4V. Un limite di snervamento più basso e un minore incrudimento riducono il ritorno elastico. La corrente migliora quindi le prestazioni di deformazione e riduce l’angolo di ritorno elastico. All’aumentare della densità di corrente effettiva, il limite di snervamento e l’incrudimento continuano a diminuire, per cui il ritorno elastico diventa progressivamente minore.

Effetto della frequenza degli impulsi sulla piegatura a V del Ti-6Al-4V

I test condotti a diverse frequenze dimostrano che la forza di formatura in fase stabile diminuisce all’aumentare della frequenza degli impulsi, indipendentemente dal fatto che la tensione di alimentazione sia di 80 o 100 V. Una frequenza degli impulsi più elevata riduce quindi il carico necessario per la piegatura. A parità di tensione di alimentazione, la densità di corrente di picco rimane invariata, mentre la densità di corrente effettiva aumenta con la frequenza, rendendo più pronunciato l’effetto elettroplastico.

Il miglioramento delle prestazioni di allungamento e flessione del Ti-6Al-4V in presenza di corrente pulsata deriva principalmente dal riscaldamento Joule e dall’effetto elettroplastico intrinseco. L’effetto intrinseco è associato alla forza esercitata dagli elettroni vaganti sulle dislocazioni, spesso denominata forza del vento elettronico, che riduce la forza motrice necessaria per il movimento delle dislocazioni. Poiché la forza esercitata dagli elettroni vaganti è proporzionale alla densità di corrente, una maggiore densità di corrente effettiva rafforza l’effetto elettroplastico intrinseco. Inoltre, aumenta la temperatura e intensifica il riscaldamento Joule. Di conseguenza, il materiale si rammollisce, le dislocazioni si aggrovigliano e la loro densità diminuisce, l’allungamento aumenta, mentre la sollecitazione e il limite di snervamento diminuiscono. La corrente pulsata migliora quindi la qualità del provino riducendo al contempo il ritorno elastico e la forza di formatura, con miglioramenti maggiori a densità di corrente effettiva più elevate.