V-образная гибка Ti-6Al-4V с импульсным током

Сплав Ti-6Al-4V плохо поддаётся формованию при комнатной температуре и имеет высокое отношение предела текучести к модулю упругости. С ростом этого отношения увеличивается пружинение, поэтому угол пружинения велик, а конечные размеры трудно контролировать. Для улучшения V-образной гибки в исследовании рассматривается влияние параметров импульсного тока, в частности напряжения питания и частоты импульсов, на качество детали, усилие формования и пружинение. Определены полезные параметры процесса и объяснены микроскопические механизмы электропластической гибки.

Влияние плотности тока на V-образную гибку Ti-6Al-4V

Влияние плотности тока на усилие формования

Испытания на V-образную гибку электропластика проводились на машине для испытаний на растяжение SANS. Верхняя и нижняя гибочные матрицы были изолированы от машины бакелитом, а электроды подавали импульсный ток на образец через матрицы. Каждый прямоугольный листовой образец имел размеры 50 мм × 30 мм. Скорость перемещения траверсы составляла 10,5 мм/мин, радиус изгиба — 1 мм, угол изгиба — 90°, и к каждому образцу прикладывалось одинаковое смещение. Использовались различные значения напряжения питания и частоты импульсов для оценки их влияния на упругую деформацию и усилие формовки.

При частоте импульсов 200 Гц кривая «усилие-перемещение» проходит три этапа. Во-первых, при упругом изгибе формирующее усилие растёт по мере деформации. Во-вторых, перемещение продолжает увеличиваться, в то время как усилие практически не изменяется, что приводит к этапу стабильной деформации. Наконец, когда заготовка соприкасается с нижней матрицей, усилие резко возрастает в период удержания и продолжает расти до окончания изгиба. По сравнению с изгибом при комнатной температуре импульсный ток сокращает упругую стадию и существенно снижает усилие в стадии стабильной деформации. Увеличение эффективной плотности тока ещё больше сокращает упругую стадию и приводит к более значительному снижению усилия. При 38,67 А/мм², усилие на стадии стабилизации составило 568 Н, что на 49,01% меньше требуемого при комнатной температуре значения в 1 114 Н. Такое снижение позволяет сократить энергопотребление и себестоимость производства.

Влияние плотности тока на качество формования

При комнатной температуре образец из Ti-6Al-4V подвергся сильному разрушению в области V-образного изгиба, при этом образовались длинные глубокие трещины, а качество поверхности оказалось неудовлетворительным. При импульсной эффективной плотности тока 14,00 А/мм², изогнутая поверхность была гладкой и без трещин. Импульсный ток увеличивает удлинение и снижает предел текучести, что способствует предотвращению образования трещин и улучшению качества формовки.

Качество формовки гальванопластиковых образцов с V-образным изгибом при различных эффективных плотностях тока:

В процессе гибки импульсный ток снижает как предел текучести, так и деформационное упрочнение сплава Ti-6Al-4V. Более низкий предел текучести и меньшее деформационное упрочнение уменьшают упругую деформацию. Таким образом, ток улучшает деформационные характеристики и уменьшает угол упругой деформации. По мере увеличения эффективной плотности тока предел текучести и деформационное упрочнение продолжают снижаться, в результате чего упругая деформация становится все меньше.

Влияние частоты импульсов на V-образную гибку Ti-6Al-4V

Испытания на разных частотах показывают, что сила формовки в стабильном режиме уменьшается с ростом частоты импульсов, независимо от того, составляет ли напряжение питания 80 или 100 В. Таким образом, более высокая частота импульсов снижает нагрузку, необходимую для изгиба. При заданном напряжении питания пиковая плотность тока остаётся неизменной, но эффективная плотность тока увеличивается с ростом частоты, что усиливает электропластический эффект.

Улучшенные характеристики удлинения и изгиба сплава Ti-6Al-4V под действием импульсного тока обусловлены главным образом джоулевым нагревом и собственным электропластическим эффектом. Внутренний эффект связан с силой, оказываемой дрейфующими электронами на дислокации, часто называемой силой электронного ветра, которая уменьшает движущую силу, необходимую для движения дислокаций. Поскольку сила, создаваемая дрейфующими электронами, пропорциональна плотности тока, более высокая эффективная плотность тока усиливает внутренний электропластический эффект. Это также повышает температуру и усиливает джоулево нагревание. В результате материал размягчается, дислокации запутываются, плотность дислокаций снижается, удлинение увеличивается, а напряжение и предел текучести снижаются. Таким образом, импульсный ток улучшает качество образца, одновременно снижая пружинную деформацию и усилие формовки, причем более значительное улучшение наблюдается при более высокой эффективной плотности тока.