Materialeigenschaften und Formbarkeit
Titan und seine Legierungen weisen einzigartige mechanische Eigenschaften auf, die ihr Tiefziehverhalten maßgeblich beeinflussen. Reines Titan verfügt über eine hohe Duktilität, die für die Kaltumformung geeignet ist, mit einer außergewöhnlich hohen normalen Anisotropie (r--Wert) von etwa 5, was für Blechumformvorgänge äußerst günstig ist. Dieser hohe r--Wert sorgt dafür, dass das Material einer Ausdünnung während der Verformung standhält, was die Herstellung von zylindrischen Bechern mit tiefem Boden durch Pressformverfahren ermöglicht.
Unter den Titanlegierungen weisen Beta-Titanlegierungen wie Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) eine vergleichsweise gute Duktilität für die Kaltumformung auf, obwohl sie im Allgemeinen eine geringere Bearbeitbarkeit aufweisen als reines Titan. Die hexagonal dicht gepackte (HCP) Kristallstruktur von Alpha-Titanlegierungen stellt besondere Herausforderungen in der numerischen Simulation dar und erfordert spezielle Materialmodelle wie das Barlat-Modell von 1989 mit Lastkurven sowohl für die Kaltverfestigung als auch für dehnungsabhängige plastische Dehnungsverhältnisse, um plastische Eigenschaften angemessen zu erfassen.
Wichtigste Herausforderungen beim Tiefziehen
Das Haupthindernis beim Tiefziehen von Titan istAnfall und Abriebaufgrund der hohen chemischen Reaktivität von Titan mit Werkzeugmaterialien. Besonders schwerwiegend wird dieses Problem bei anspruchsvollen Umformvorgängen wie Tiefziehen und Abstreckziehen, bei denen frische Titanoberflächen in direkten Kontakt mit den Matrizen- und Stempeloberflächen kommen. Um dieses Problem zu mildern, wurden mehrere Strategien entwickelt:
Erhitzen der Oxidschicht: Das Erhitzen des Rohlings an der Luft zur Bildung einer schützenden Oxidschicht (ungefähr 0,0015 mm dick bei 750 Grad für 0,3 ks) verhindert den direkten Metallkontakt zwischen dem Titanrohling und den Formwerkzeugen. Diese Methode ermöglichte das erfolgreiche mehrstufige Tiefziehen von langen Bechern aus Beta-Titanlegierung ohne Zwischenglühen.
Oberflächenbehandlungen und Schmierstoffe: Teflon-Sprühbeschichtungen und andere Spezialschmierstoffe werden üblicherweise aufgetragen, um ein Festfressen während des Umformprozesses zu verhindern.
Innovationen im Werkzeugdesign: Rollerball-Matrizen mit gerillten Schultern und angeordneten Stahlkugeln wurden entwickelt, um die Reibung zu reduzieren und die Formung komplexer gewellter Titanbecher mit Grenzziehverhältnissen (LDR) von 2,5 oder mehr zu ermöglichen.
Prozessparameter und Umformgrenzen
Beim Tiefziehen werden Titanbleche einer kombinierten Biegung und Streckung unterzogen, während der Rohling über den Matrizenradius in den Matrizenhohlraum gezogen wird. Der Prozess erfordert eine sorgfältige Kontrolle, um zwei kritische Fehlermodi zu vermeiden:Knicken/Faltenbildungaufgrund von Druckumfangsspannungen im Flanschbereich undZugreißenin der Becherwand durch übermäßige Dehnung. Bei der Konstruktion müssen daher sowohl die Druck- als auch die Zugstreckgrenze des Titanmaterials berücksichtigt werden.
Das Vorwärmen des Blechrohlings wird häufig eingesetzt, um die Formbarkeit zu verbessern, insbesondere bei Titanlegierungen mit höherer -Festigkeit. Die Temperaturkontrolle ist von entscheidender Bedeutung, da sich die Kristallstruktur bestimmter Legierungen (z. B. Ti-15-3) bei Temperaturen über etwa 720 Grad in die Betaphase umwandelt, was das Verformungsverhalten erheblich verändert.
Fortgeschrittene Umformtechniken
Zur Herstellung langer zylindrischer Becher,mehrstufiges Tiefziehen mit Zwischenstreckziehenhat sich bewährt. Dieser Ansatz erreicht nicht nur eine größere Näpfchentiefe, sondern verbessert auch die Oberflächenrauheit durch Kornverfeinerung. Thermomechanische Nachbehandlungen können die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenqualität der gezogenen Näpfe weiter verbessern.
Die numerische Simulation mithilfe der Finite-Elemente-Analyse (z. B. LS-Dyna) ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Vorhersage des Umformverhaltens, die Optimierung der Werkzeuggeometrie und die Reduzierung kostspieliger physikalischer Versuche geworden. Mit der Nakajima-Methode ermittelte Grenzformänderungsdiagramme werden zur Schadensvorhersage verwendet, wobei vereinfachte Verfahren zur Ermittlung der Grenzscherdehnungen auf Standard-Zugprüfmaschinen verwendet werden.
