Caractéristiques des matériaux et formabilité
Le titane et ses alliages présentent des propriétés mécaniques uniques qui influencent considérablement leur comportement à l'emboutissage profond. Le titane pur possède une ductilité élevée adaptée au formage à froid, avec une anisotropie normale exceptionnellement élevée (valeur r-) d'environ 5, ce qui est très favorable aux opérations de formage de tôles. Cette valeur r- élevée permet au matériau de résister à l'amincissement lors de la déformation, ce qui permet de fabriquer des coupelles cylindriques à fond profond - grâce à des méthodes de formage sous presse.
Parmi les alliages de titane, les alliages de titane bêta tels que Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3) démontrent une ductilité relativement bonne pour le formage à froid, bien qu'ils présentent généralement une maniabilité inférieure à celle du titane pur. La structure cristalline hexagonale compacte (HCP) des alliages d'alpha-titane présente des défis particuliers en simulation numérique, nécessitant des modèles de matériaux spécialisés tels que le modèle Barlat 1989 avec des courbes de charge pour l'écrouissage et les rapports de déformation plastique dépendant de la déformation pour capturer de manière adéquate les propriétés plastiques.
Principaux défis de l'emboutissage profond
Le principal obstacle à l’emboutissage profond du titane estconvulsions et écorchuresen raison de la grande réactivité chimique du titane avec les matériaux des outils. Ce problème devient particulièrement grave dans les opérations de formage sévères telles que l'emboutissage profond et le repassage, où des surfaces de titane fraîches entrent en contact direct avec les surfaces des matrices et des poinçons. Pour atténuer ce problème, plusieurs stratégies ont été développées :
Chauffage du revêtement d'oxyde: Chauffer l'ébauche dans l'air pour former une couche d'oxyde protectrice (environ 0,0015 mm d'épaisseur à 750 degrés pendant 0,3 ks) empêche le contact direct métal-à-métal entre l'ébauche en titane et les outils de formage. Cette méthode a permis un emboutissage profond en plusieurs étapes réussi de longues coupelles en alliage de titane bêta sans recuit intermédiaire.
Traitements de surface et lubrifiants: Les revêtements par pulvérisation de téflon et autres lubrifiants spécialisés sont couramment appliqués pour éviter le grippage pendant le processus de formage.
Innovations en matière de conception d'outils: Des filières à billes avec des épaulements rainurés et des billes d'acier disposées ont été développées pour réduire la friction et permettre la formation de coupelles en titane ondulées complexes avec des rapports d'étirage limites (LDR) de 2,5 ou plus.
Paramètres de processus et limites de formage
Lors de l'emboutissage profond, les feuilles de titane subissent une combinaison de flexion et d'étirement lorsque l'ébauche est tirée sur le rayon de la matrice dans la cavité de la matrice. Le processus nécessite un contrôle minutieux pour éviter deux modes de défaillance critiques :flambage/froissageen raison des contraintes circonférentielles de compression dans la région de la bride, etdéchirure par tractiondans la paroi de la cupule en raison d'un étirement excessif. La conception doit donc prendre en compte à la fois les limites d'élasticité en compression et en traction du matériau en titane.
Le préchauffage du flan de tôle est souvent utilisé pour améliorer la formabilité, en particulier pour les alliages de titane-à plus haute résistance. Le contrôle de la température est crucial, car la structure cristalline de certains alliages (tels que le Ti-15-3) se transforme en phase bêta à des températures supérieures à environ 720 degrés, modifiant considérablement le comportement de déformation.
Techniques de formage avancées
Pour produire de longues coupelles cylindriques,emboutissage profond en plusieurs étapes avec repassage intermédiaires'est révélé efficace. Cette approche permet non seulement d'obtenir une plus grande profondeur de cupule, mais améliore également la rugosité de la surface grâce au raffinement du grain. Les traitements thermomécaniques de post-formage peuvent améliorer encore les propriétés mécaniques et la qualité de surface des gobelets étirés.
La simulation numérique utilisant l'analyse par éléments finis (telle que LS-Dyna) est devenue un outil essentiel pour prédire le comportement de formage, optimiser la géométrie des outils et réduire les essais physiques coûteux. Des diagrammes de limites de formation déterminés par la méthode Nakajima sont utilisés pour la prédiction des ruptures, avec des procédures simplifiées pour obtenir les déformations limites de cisaillement sur des machines d'essai de traction standard.
