パルス電流によるTi-6Al-4VのV曲げ性能の改善

Ti-6Al-4Vは室温での成形性が低く、降伏強度と弾性係数の比が大きい材料です。この比が大きいほどスプリングバックが増加するため、スプリングバック角が大きくなり、最終寸法の管理が難しくなります。本研究ではV曲げ性能の改善を目的に、パルス電流の供給電圧とパルス周波数が部品品質、成形荷重、スプリングバックに及ぼす影響を検討します。また、有用な加工条件を明らかにし、電気塑性曲げの微視的メカニズムを説明します。

電流密度がTi-6Al-4VのV曲げに及ぼす影響

電流密度が成形荷重に及ぼす影響

電気塑性V字曲げ試験は、SANS引張試験機を用いて実施した。試験機の上部および下部の曲げダイはベークライトで絶縁されており、電極はダイを介して試験片にパルス電流を印加した。各長方形のシート試験片の寸法は50 mm × 30 mmであった。 クロスヘッド速度は10.5 mm/min、曲げ半径は1 mm、曲げ角度は90°とし、すべての試験片に同一の変位を加えました。スプリングバックおよび成形力への影響を評価するため、異なる供給電圧およびパルス周波数を用いました。

パルス周波数が200 Hzの場合、力-変位曲線は3つの段階に分かれる。まず、弾性曲げの段階では、変形に伴い成形力が上昇する。次に、力がほとんど変化しないまま変位が増加し続け、安定変形段階となる。 最後に、ワークが下型に接触すると、保持中に力が急激に上昇し、曲げが終了するまでその状態が続く。室温での曲げと比較して、パルス電流は弾性段階を短縮し、安定段階の力を大幅に低減する。有効電流密度を増加させると、弾性段階がさらに短縮され、力の低減幅も大きくなる。38.67 A/mm², 、定常段階での力は568 Nであり、室温で必要とされる1,114 Nより49.01%低かった。この低減により、エネルギー消費量と製造コストを削減できる。

電流密度が成形品質に及ぼす影響

室温では、Ti-6Al-4V試験片はV字曲げ部に著しい破断が見られ、長くて深い亀裂が生じ、表面品質も劣っていた。パルス有効電流密度が14.00 A/mm², 、曲げられた表面は滑らかで、ひび割れは見られなかった。パルス電流は伸びを増加させ、降伏強度を低下させるため、ひび割れの防止や成形品質の向上に寄与する。

異なる有効電流密度における電気塑性V字曲げ試験片の成形品質：

曲げ加工中、パルス電流はTi-6Al-4Vの降伏強度と加工硬化の両方を低減させる。降伏強度の低下と加工硬化の減少により、スプリングバックが抑制される。したがって、この電流は変形性能を向上させ、スプリングバック角を小さくする。有効電流密度が上昇するにつれて、降伏強度と加工硬化はさらに低下し続けるため、スプリングバックは徐々に小さくなっていく。

パルス周波数がTi-6Al-4VのV曲げに及ぼす影響

さまざまな周波数での試験の結果、供給電圧が80 Vであっても100 Vであっても、パルス周波数が上昇するにつれて安定段階の成形力が低下することが示された。したがって、パルス周波数を高くすることで、曲げ加工に必要な負荷を低減できる。 所定の供給電圧では、ピーク電流密度は変わらないが、有効電流密度は周波数の増加とともに上昇し、これにより電気塑性効果がより顕著になる。

パルス電流下におけるTi-6Al-4Vの伸びおよび曲げ性能の向上は、主にジュール熱および固有の電気塑性効果に起因する。 この固有の効果は、ドリフト電子が転位に及ぼす力（しばしば「電子風力」と呼ばれる）に関連しており、これにより転位運動に必要な駆動力が低減される。ドリフト電子による力は電流密度に比例するため、有効電流密度が高くなると、固有の電気塑性効果が強まる。また、温度が上昇し、ジュール熱も増加する。 その結果、材料は軟化し、転位が絡み合い、転位密度が低下し、伸びが増加し、応力および降伏強度が低下する。したがって、パルス電流は試料の品質を向上させると同時に、スプリングバックと成形力を低減し、有効電流密度が高いほどその改善効果は大きくなる。