Características del material y formabilidad
El titanio y sus aleaciones exhiben propiedades mecánicas únicas que influyen significativamente en su comportamiento de embutición profunda. El titanio puro posee una alta ductilidad adecuada para el conformado en frío, con una anisotropía normal excepcionalmente alta (valor r-) de aproximadamente 5, lo cual es muy favorable para las operaciones de conformado de chapa. Este alto valor r-permite que el material resista el adelgazamiento durante la deformación, lo que hace posible fabricar copas cilíndricas de fondo-profundo mediante métodos de conformado por prensa.
Entre las aleaciones de titanio, las aleaciones de beta titanio como Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) demuestran una ductilidad comparativamente buena para el conformado en frío, aunque generalmente exhiben una menor trabajabilidad que el titanio puro. La estructura cristalina hexagonal compacta (HCP) de las aleaciones de alfa-titanio presenta desafíos particulares en la simulación numérica, ya que requiere modelos de materiales especializados, como el modelo de Barlat 1989 con curvas de carga tanto para el endurecimiento por deformación como para las relaciones de deformación plástica dependientes de la deformación para capturar adecuadamente las propiedades plásticas.
Desafíos clave en la embutición profunda
El principal obstáculo en la embutición profunda de titanio esconvulsiones y irritacionesdebido a la alta reactividad química del titanio con los materiales de las herramientas. Este problema se vuelve particularmente grave en operaciones de conformado severas como la embutición profunda y el planchado, donde las superficies frescas de titanio entran en contacto directo con las superficies de la matriz y el punzón. Para mitigar este problema, se han desarrollado varias estrategias:
Calentamiento de recubrimiento de óxido: Calentar la pieza en bruto al aire para formar una capa protectora de óxido (aproximadamente 0,0015 mm de espesor a 750 grados durante 0,3 ks) evita el contacto directo de metal-con-metal entre la pieza en bruto de titanio y las herramientas de conformado. Este método ha permitido una embutición profunda en varias etapas exitosa de copas largas de aleación de titanio beta sin recocido intermedio.
Tratamientos superficiales y lubricantes.: Comúnmente se aplican recubrimientos en aerosol de teflón y otros lubricantes especializados para evitar que se atasquen durante el proceso de conformado.
Innovaciones en el diseño de herramientas.: Se han desarrollado matrices de bolas con hombros ranurados y bolas de acero dispuestas para reducir la fricción y permitir la formación de copas de titanio corrugadas complejas con relaciones de estiramiento límite (LDR) de 2,5 o más.
Parámetros del proceso y límites de formación
Durante la embutición profunda, las láminas de titanio se someten a una combinación de flexión y estiramiento a medida que la pieza en bruto se desplaza sobre el radio del troquel hacia la cavidad del troquel. El proceso requiere un control cuidadoso para evitar dos modos de falla críticos:pandeo/arrugadodebido a tensiones circunferenciales de compresión en la región de la brida, ydesgarro por tracciónen la pared de la copa debido a un estiramiento excesivo. Por lo tanto, el diseño debe considerar los límites elásticos tanto a la compresión como a la tracción del material de titanio.
El precalentamiento de la lámina en bruto se emplea a menudo para mejorar la formabilidad, particularmente para aleaciones de titanio de mayor-resistencia. El control de la temperatura es crucial, ya que la estructura cristalina de ciertas aleaciones (como el Ti-15-3) se transforma a la fase beta a temperaturas superiores a aproximadamente 720 grados, alterando significativamente el comportamiento de deformación.
Técnicas avanzadas de conformado
Para producir copas cilíndricas largas,embutición profunda multietapa con planchado intermedioha demostrado ser eficaz. Este enfoque no sólo logra una mayor profundidad de copa sino que también mejora la rugosidad de la superficie mediante el refinamiento del grano. Los tratamientos termomecánicos post-formados pueden mejorar aún más las propiedades mecánicas y la calidad de la superficie de las copas estiradas.
La simulación numérica mediante análisis de elementos finitos (como LS-Dyna) se ha convertido en una herramienta esencial para predecir el comportamiento del conformado, optimizar la geometría de la herramienta y reducir las costosas pruebas físicas. Los diagramas de límites de formación determinados mediante el método de Nakajima se emplean para la predicción de fallas, con procedimientos simplificados para obtener deformaciones límite de corte en máquinas de prueba de tracción estándar.
