V-buigen van Ti-6Al-4V met gepulseerde stroom

Ti-6Al-4V is bij kamertemperatuur slecht vervormbaar en heeft een hoge verhouding tussen de vloeigrens en de elasticiteitsmodulus. Omdat de terugvering met deze verhouding toeneemt, is de terugveringshoek groot en zijn de eindafmetingen moeilijk te beheersen. Om het V-buigen te verbeteren, onderzoekt deze studie hoe parameters van gepulseerde stroom, met name de voedingsspanning en de pulsfrequentie, de onderdeelkwaliteit, de vormkracht en de terugvering beïnvloeden. De studie bepaalt bruikbare procesparameters en verklaart de microscopische mechanismen van elektroplastisch buigen.

Invloed van de stroomdichtheid op het V-buigen van Ti-6Al-4V

Invloed van de stroomdichtheid op de vormkracht

De elektroplastische V-buigtests werden uitgevoerd op een SANS-trekbank. De bovenste en onderste buigmatrijzen waren met bakeliet geïsoleerd van de machine, en via de matrijzen werd door middel van elektroden gepulseerde stroom op het proefstuk toegepast. Elk rechthoekig plaatproefstuk had afmetingen van 50 mm × 30 mm. De snelheid van de dwarskop bedroeg 10,5 mm/min, de buigradius was 1 mm, de buighoek was 90° en op elk proefstuk werd dezelfde verplaatsing uitgeoefend. Er werden verschillende voedingsspanningen en pulsfrequenties gebruikt om de effecten daarvan op de terugvering en de vervormingskracht te evalueren.

Bij een pulsfrequentie van 200 Hz vertoont de kracht-verplaatsingscurve drie fasen. Ten eerste neemt de vervormingskracht toe met de vervorming tijdens het elastisch buigen. Ten tweede blijft de verplaatsing toenemen terwijl de kracht nauwelijks verandert, wat een fase van stabiele vervorming oplevert. Ten slotte, wanneer het werkstuk in contact komt met de onderste matrijs, stijgt de kracht sterk tijdens het vasthouden en blijft deze stijgen totdat het buigen eindigt. In vergelijking met buigen bij kamertemperatuur verkort gepulseerde stroom de elastische fase en vermindert deze de kracht in de stabiele fase aanzienlijk. Het verhogen van de effectieve stroomdichtheid verkort de elastische fase nog verder en leidt tot een grotere krachtvermindering. Bij 38,67 A/mm², bedroeg de kracht in de stabiele fase 568 N, 49,01% minder dan de 1.114 N die bij kamertemperatuur vereist is. Deze vermindering kan het energieverbruik en de productiekosten verlagen.

Invloed van de stroomdichtheid op de vormkwaliteit

Bij kamertemperatuur vertoonde het Ti-6Al-4V-proefstuk ernstige breuken in het V-buiggebied, met lange, diepe scheuren en een slechte oppervlaktekwaliteit. Bij een gepulseerde effectieve stroomdichtheid van 14,00 A/mm², het gebogen oppervlak was glad en vrij van scheuren. Pulsstroom vergroot de rek en verlaagt de vloeigrens, waardoor scheurvorming wordt voorkomen en de vormkwaliteit wordt verbeterd.

Vormkwaliteit van elektroplastische V-gebogen proefstukken bij verschillende effectieve stroomdichtheden:

Tijdens het buigen zorgt gepulseerde stroom ervoor dat zowel de vloeigrens als de koudverharding van Ti-6Al-4V afnemen. Een lagere vloeigrens en minder koudverharding verminderen de terugvering. De stroom verbetert daardoor het vervormingsgedrag en verkleint de terugveringshoek. Naarmate de effectieve stroomdichtheid toeneemt, blijven de vloeigrens en de koudverharding afnemen, waardoor de terugvering steeds kleiner wordt.

Invloed van de pulsfrequentie op het V-buigen van Ti-6Al-4V

Uit tests bij verschillende frequenties blijkt dat de vormkracht in de stabiele fase afneemt naarmate de pulsfrequentie toeneemt, ongeacht of de voedingsspanning 80 of 100 V bedraagt. Een hogere pulsfrequentie vermindert dus de belasting die nodig is voor het buigen. Bij een gegeven voedingsspanning blijft de piekstroomdichtheid gelijk, maar de effectieve stroomdichtheid neemt toe met de frequentie, waardoor het elektroplastische effect sterker wordt.

De verbeterde rek- en buigprestaties van Ti-6Al-4V onder gepulseerde stroom zijn voornamelijk het gevolg van Joule-verwarming en het intrinsieke elektroplastische effect. Dit intrinsieke effect houdt verband met de kracht die drijvende elektronen uitoefenen op dislocaties – vaak de ‘elektronenwindkracht’ genoemd – waardoor de aandrijfkracht die nodig is voor dislocatiebeweging afneemt. Omdat de kracht van drijvende elektronen evenredig is aan de stroomdichtheid, versterkt een hogere effectieve stroomdichtheid het intrinsieke elektroplastische effect. Het verhoogt ook de temperatuur en versterkt de Joule-verwarming. Het materiaal wordt daardoor zachter, de dislocaties raken in de knoop en de dislocatiedichtheid neemt af, de rek neemt toe en de spanning en vloeigrens nemen af. Gepulseerde stroom verbetert daarom de kwaliteit van het proefstuk en vermindert tegelijkertijd de terugvering en de vervormingskracht, waarbij de verbeteringen groter zijn bij een hogere effectieve stroomdichtheid.