펄스 전류를 이용한 Ti-6Al-4V V 벤딩 개선

Ti-6Al-4V는 실온 성형성이 낮고 항복강도 대 탄성계수의 비가 높습니다. 이 비가 높을수록 스프링백이 커지므로 스프링백 각도가 크고 최종 치수를 제어하기 어렵습니다. 본 연구는 V 벤딩 성능을 개선하기 위해 펄스 전류의 공급 전압과 펄스 주파수가 부품 품질, 성형 하중 및 스프링백에 미치는 영향을 분석합니다. 또한 유용한 공정 조건을 도출하고 전기소성 벤딩의 미시적 메커니즘을 설명합니다.

전류 밀도가 Ti-6Al-4V V 벤딩에 미치는 영향

전류 밀도가 성형력에 미치는 영향

전기성 V자 굽힘 시험은 SANS 인장 시험기에서 수행되었다. 상부 및 하부 굽힘 다이는 베이클라이트로 절연 처리되었으며, 전극은 다이를 통해 시편에 펄스 전류를 인가했다. 각 직사각형 시편의 크기는 50 mm × 30 mm였다. 크로스헤드 속도는 10.5 mm/min, 굽힘 반경은 1 mm, 굽힘 각도는 90°였으며, 모든 시편에 동일한 변위가 가해졌다. 스프링백 및 성형력에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 공급 전압과 펄스 주파수를 사용하였다.

200 Hz의 펄스 주파수에서 힘-변위 곡선은 세 단계로 나뉩니다. 첫째, 탄성 굽힘 과정에서 변형이 진행됨에 따라 성형력이 증가합니다. 둘째, 힘은 거의 변하지 않는 반면 변위는 계속 증가하여 안정 변형 단계가 나타납니다. 마지막으로, 공작물이 하부 다이에 접촉하면 유지 단계 동안 힘이 급격히 증가하며, 이 현상은 굽힘이 끝날 때까지 지속된다. 실온 굽힘과 비교할 때, 펄스 전류는 탄성 단계를 단축시키고 안정 단계의 힘을 상당히 감소시킨다. 유효 전류 밀도를 높이면 탄성 단계가 더욱 단축되고 힘의 감소폭도 커진다. 38.67 A/mm에서², 안정 상태에서의 힘은 568 N으로, 실온에서 요구되는 1,114 N보다 49.01% 낮았다. 이러한 감소는 에너지 소비와 생산 비용을 낮출 수 있다.

전류 밀도가 성형 품질에 미치는 영향

실온에서 Ti-6Al-4V 시편은 V-벤드 부위에서 심각한 파단이 발생했으며, 길고 깊은 균열이 생겼고 표면 품질이 좋지 않았다. 펄스 유효 전류 밀도가 14.00 A/mm일 때², 휘어진 표면은 매끄러웠고 균열이 없었습니다. 펄스 전류는 연신율을 높이고 항복 강도를 낮추어 균열을 방지하고 성형 품질을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

다양한 유효 전류 밀도에서 전기성형 V자형 굽힘 시편의 성형 품질:

굽힘 가공 시, 펄스 전류는 Ti-6Al-4V의 항복 강도와 가공 경화를 모두 감소시킵니다. 항복 강도가 낮아지고 가공 경화가 줄어들면 스프링백이 감소합니다. 따라서 이 전류는 변형 성능을 향상시키고 스프링백 각도를 줄여줍니다. 유효 전류 밀도가 높아짐에 따라 항복 강도와 가공 경화는 계속해서 감소하므로, 스프링백은 점차 더 작아집니다.

펄스 주파수가 Ti-6Al-4V V 벤딩에 미치는 영향

다양한 주파수에서 실시한 시험 결과, 공급 전압이 80V이든 100V이든 상관없이 펄스 주파수가 높아질수록 안정 단계의 성형력이 감소하는 것으로 나타났습니다. 따라서 펄스 주파수가 높을수록 굽힘에 필요한 하중이 줄어듭니다. 주어진 공급 전압에서 피크 전류 밀도는 동일하게 유지되지만, 유효 전류 밀도는 주파수가 높아짐에 따라 증가하여 전기소성 효과가 더욱 뚜렷해집니다.

펄스 전류가 가해질 때 Ti-6Al-4V의 연신율 및 굽힘 성능이 향상되는 것은 주로 줄 가열과 고유 전기소성 효과에 기인합니다. 이 내재적 효과는 종종 ‘전자 바람 힘’이라고 불리는, 표류 전자가 전위 결함에 가하는 힘과 관련이 있으며, 이는 전위 결함 이동에 필요한 구동력을 감소시킨다. 표류 전자로부터 발생하는 힘은 전류 밀도에 비례하므로, 유효 전류 밀도가 높을수록 내재적 전기소성 효과가 강화된다. 또한 이는 온도를 상승시키고 줄 가열을 증가시킨다. 그 결과, 재료는 연화되고, 전위 얽힘이 발생하며 전위 밀도가 감소하고, 연신율은 증가하며, 응력과 항복 강도는 감소한다. 따라서 펄스 전류는 시편의 품질을 향상시키면서 스프링백과 성형력을 감소시키며, 유효 전류 밀도가 높을수록 이러한 개선 효과는 더욱 커진다.