Kemampuan Bentuk Gambar Mendalam dari Lembaran Titanium dan Paduan Titanium untuk Komponen Cangkir Silinder
1. Dasar-dasar Gambar Dalam untuk Lembaran Titanium
Gambar dalam adalah proses pembentukan lembaran logam di mana blanko datar ditarik ke dalam rongga cetakan dengan pukulan untuk menghasilkan komponen silinder berongga, persegi panjang, atau tidak beraturan. Untuk titanium dan lembaran paduan titanium, proses ini sangat menantang karena karakteristik mekanis dan fisik yang melekat pada material tersebut sangat berbeda dari material-drawable dalam konvensional seperti baja-karbon rendah atau paduan aluminium.
Sifat mampu bentuk lembaran titanium dalam gambar dalam diatur oleh interaksi antara deformasi tarik di daerah flensa dan deformasi tekan di dinding cangkir. Saat pukulan turun, flensa annular mengalami tegangan tarik radial dan tegangan tekan melingkar, menyebabkan material mengalir ke dalam menuju bukaan cetakan. Sementara itu, dinding cangkir mengalami tegangan uniaksial saat ditarik melewati radius cetakan. Rasio penarikan pembatas, yang didefinisikan sebagai rasio maksimum diameter kosong terhadap diameter pukulan yang dapat dicapai dalam satu operasi penarikan tanpa patah, berfungsi sebagai metrik utama untuk sifat mampu bentuk gambar dalam.
Untuk titanium murni komersial Kelas 1, rasio penarikan pembatas biasanya berkisar antara 1,8 hingga 2,2 pada kondisi suhu kamar. Nilai ini jauh lebih rendah dibandingkan nilai 2,2 hingga 2,5 yang dapat dicapai dengan baja karbon rendah-kualitas gambar dalam, yang mencerminkan eksponen pengerasan regangan-titanium yang lebih rendah dan rasio hasil-terhadap-kekuatan tarik yang lebih rendah. Paduan alfa-beta seperti Ti-6Al-4V menunjukkan sifat mampu bentuk yang lebih terbatas, dengan rasio penarikan yang sering kali berada di bawah 1,6 pada suhu sekitar karena kekuatannya yang lebih tinggi dan keuletannya yang berkurang.
2. Karakteristik Material yang Mempengaruhi Perilaku Menggambar Dalam
Tekstur kristalografi lembaran titanium sangat mempengaruhi performa gambar dalam. Struktur kristal tertutup heksagonal Titanium memiliki sistem slip terbatas pada suhu kamar, terutama slip basal dan prismatik dengan slip piramidal menjadi signifikan hanya pada suhu tinggi atau di bawah deformasi terbatas. Anisotropi yang dihasilkan menghasilkan perilaku earing yang khas pada cangkir yang ditarik, di mana tepi cangkir menunjukkan variasi ketinggian periodik sesuai dengan arah orientasi yang diinginkan.
Tekstur dasar yang kuat dengan sumbu c-yang dimiringkan ke arah melintang biasanya menghasilkan empat telinga yang sejajar pada 0 dan 90 derajat terhadap arah penggulungan. Earing ini harus dipangkas dalam operasi selanjutnya, sehingga mengurangi efisiensi pemanfaatan material. Kontrol tekstur melalui pemrosesan termomekanis selama produksi lembaran dapat meminimalkan kerusakan pada telinga, meskipun eliminasi total umumnya tidak praktis.
Eksponen-pengerasan regangan, dilambangkan dengan nilai n-, mengkuantifikasi kapasitas material untuk deformasi plastis yang seragam sebelum inisiasi necking. Paduan titanium umumnya menunjukkan nilai n-lebih rendah dibandingkan baja tarik dalam, yang berarti lokalisasi regangan lebih mudah terjadi dan jendela pembentukan aman lebih sempit. Rasio regangan plastis, atau nilai r-, mengukur ketahanan terhadap penipisan versus deformasi bidang-. Nilai r-yang lebih tinggi menunjukkan kemampuan bentuk gambar dalam yang lebih baik karena material tahan terhadap penipisan pada dinding cawan yang tegangan tariknya paling tinggi. Lembaran titanium biasanya mencapai nilai r-antara 2,0 dan 4,0 bergantung pada tekstur dan riwayat pemrosesan, yang lebih baik dibandingkan banyak material meskipun sifat mampu bentuk absolutnya tetap dibatasi oleh faktor lain.
Kondisi permukaan secara signifikan mempengaruhi perilaku menggambar. Permukaan titanium yang aktif secara kimia cenderung menempel pada cetakan baja perkakas di bawah tekanan, sehingga menyebabkan goresan, terjepit, dan potensi patah. Perawatan permukaan termasuk pelapis konversi fosfat, pelumas film padat, atau pembentukan lapisan oksida dapat mengurangi kecenderungan menyakitkan. Kekasaran permukaan harus dioptimalkan untuk mempertahankan pelumas sekaligus menghindari konsentrasi tegangan yang dapat memicu keretakan.
3. Manajemen Pelumasan dan Gesekan
Pelumasan yang efektif sangat penting untuk keberhasilan menggambar lembaran titanium secara mendalam. Tekanan kontak yang tinggi pada radius cetakan dan antarmuka dudukan kosong, dikombinasikan dengan kecenderungan titanium terhadap keausan perekat, memerlukan pelumas dengan kekuatan film dan stabilitas kimia yang luar biasa.
Pelumas berbasis minyak mineral konvensional-umumnya tidak memadai untuk deep drawing titanium. Lilin parafin terklorinasi secara historis telah digunakan karena karakteristik tekanan ekstremnya yang sangat baik, meskipun masalah lingkungan dan kesehatan telah mendorong penggantian dengan senyawa tersulfurisasi dan terfosforasi. Pelumas sintetik berbahan dasar polimer, khususnya yang mengandung partikel polytetrafluoroethylene atau molibdenum disulfida, memberikan pelumasan batas yang efektif dalam kondisi parah yang dihadapi.
Film pelumas padat yang diaplikasikan pada blanko sebelum menggambar memberikan keuntungan dalam konsistensi proses. Lapisan polivinil klorida atau polietilen dapat direkatkan ke permukaan lembaran, memberikan lapisan korban yang memisahkan titanium dari perkakas. Lapisan ini harus dihilangkan seluruhnya setelah dibentuk untuk mencegah kontaminasi pada pemrosesan atau servis selanjutnya.
Koefisien gesekan antara titanium dan baja perkakas pada kondisi deep drawing umumnya berkisar antara 0,15 hingga 0,30 dengan pelumasan efektif, dibandingkan dengan 0,05 hingga 0,10 untuk baja yang dilumasi. Gesekan yang lebih tinggi ini meningkatkan gaya penahan blanko yang diperlukan untuk mencegah kerutan, yang pada gilirannya meningkatkan tegangan tarik pada dinding cangkir dan mengurangi rasio penarikan yang dapat dicapai. Optimalisasi tekanan blank holder secara hati-hati, jika memungkinkan menggunakan blank holder yang tersegmentasi atau dapat diprogram, dapat mengimbangi sebagian keterbatasan ini.
4. Pertimbangan Desain Perkakas
Desain radius cetakan untuk gambar dalam titanium memerlukan perhatian yang cermat untuk menyeimbangkan antara tekukan yang berlebihan dan dukungan yang tidak memadai. Jari-jari cetakan yang terlalu kecil menimbulkan tegangan lentur yang tinggi karena benda kerja mengalir melewati jari-jari tersebut, sehingga berpotensi menyebabkan patah pada jari-jari pukulan atau dinding cangkir. Sebaliknya, radius cetakan yang terlalu besar mengurangi hambatan aliran material, sehingga menyebabkan kerutan pada area dinding yang tidak didukung. Untuk lembaran titanium, jari-jari cetakan biasanya berkisar antara 5 hingga 10 kali ketebalan lembaran, dibandingkan dengan 4 hingga 8 kali untuk baja.
Jari-jari pukulan harus cukup besar untuk mencegah konsentrasi tegangan di sudut bawah cangkir. Radius pukulan yang besar, biasanya 3 hingga 5 kali ketebalan lembaran, mendistribusikan deformasi lentur dan mengurangi tegangan tarik puncak. Namun, jari-jari pukulan yang sangat besar meningkatkan tinggi dinding yang tidak ditopang dan kecenderungan terjadinya kerutan.
Desain dudukan kosong harus memberikan distribusi tekanan yang seragam di seluruh flensa. Pengepresan-tunggal dengan penahan blanko tetap sering kali tidak memadai untuk titanium karena jendela proses yang sempit. Penekanan-aksi ganda dengan gaya penahan kosong yang dikontrol secara independen memungkinkan penyesuaian tekanan progresif selama langkah menggambar, mengimbangi perubahan geometri flensa dan ketebalan material. Manik-manik tarik dapat digunakan untuk meningkatkan ketahanan di wilayah yang rentan terhadap aliran material berlebihan, sehingga menyeimbangkan distribusi regangan.
Pemilihan material alat harus mengatasi kecenderungan titanium yang menyakitkan. Baja perkakas yang diperkeras dengan permukaan yang dipoles dan lapisan keras seperti titanium nitrida, titanium aluminium nitrida, atau karbon seperti berlian-memberikan ketahanan aus yang lebih baik dan daya rekat yang lebih rendah. Dalam beberapa kasus, sisipan perkakas semen karbida atau keramik digunakan untuk-produksi bervolume tinggi.
Jarak bebas antara punch dan die harus memperhitungkan variasi springback dan ketebalan titanium. Nilai jarak bebas tipikal berkisar antara 1,1 hingga 1,3 kali ketebalan lembaran nominal, sedikit lebih besar dibandingkan baja untuk mengakomodasi modulus material yang lebih rendah dan rasio kekuatan luluh yang lebih tinggi.
5. Optimasi Parameter Proses
Gaya penahan kosong mewakili parameter proses paling penting dalam gambar dalam titanium. Gaya yang tidak mencukupi menyebabkan kerutan pada flensa yang tidak ditopang, sedangkan gaya yang berlebihan akan membatasi aliran material dan menyebabkan keretakan pada dinding cangkir. Gaya penahan blanko yang optimal meningkat selama langkah menggambar seiring dengan berkurangnya luas flensa dan resistensi terhadap perubahan aliran. Penahan kosong hidraulik atau pneumatik yang dapat diprogram memungkinkan penyesuaian dinamis ini.
Kecepatan menggambar mempengaruhi pembangkitan panas dan respon material. Kecepatan yang lebih tinggi meningkatkan pemanasan adiabatik di zona deformasi, yang secara lokal dapat melunakkan titanium dan meningkatkan sifat mampu bentuk. Namun, kecepatan yang berlebihan akan mengurangi efektivitas pelumas dan dapat menyebabkan efek dinamis seperti getaran atau ketidaksejajaran cetakan. Kecepatan penarikan untuk titanium biasanya berkisar antara 100 hingga 300 milimeter per detik, lebih lambat dibandingkan baja untuk memungkinkan pemeliharaan lapisan pelumas dan pembuangan panas yang memadai.
Jumlah tahapan gambar yang diperlukan tergantung pada geometri komponen dan sifat mampu bentuk material. Penggambaran-tahap tunggal dibatasi pada rasio gambar sedang, dan operasi menggambar ulang diperlukan untuk komponen yang lebih dalam. Penggambaran ulang dapat dilakukan secara langsung pada cawan yang sudah digambar tanpa anil perantara untuk titanium murni komersial, asalkan regangan yang terakumulasi tidak melebihi kapasitas material. Paduan alfa-beta umumnya memerlukan anil perantara di antara penarikan untuk memulihkan keuletan, dengan atmosfer anil dikontrol secara hati-hati untuk mencegah pembentukan selubung alfa.
Penyetrikaan, suatu proses yang mengurangi ketebalan dinding dengan tetap menjaga diameter cangkir, dapat dikombinasikan dengan deep drawing untuk menghasilkan komponen dengan ketebalan dinding yang seragam. Hal ini sangat relevan untuk cup titanium yang mengutamakan efisiensi material, meskipun deformasi tambahan semakin menantang batas kemampuan formabilitas material.
6. Suhu-Gambar Dalam dengan Bantuan
Penarikan dalam suhu tinggi secara substansial meningkatkan sifat mampu bentuk titanium dengan mengaktifkan sistem slip tambahan dan mengurangi rasio hasil-terhadap-kekuatan tarik. Penarikan hangat pada suhu 200 hingga 400 derajat Celcius untuk titanium murni komersial dapat meningkatkan rasio penarikan pembatas sebesar 20 hingga 40 persen dibandingkan dengan pengoperasian pada suhu ruangan. Suhu optimal bergantung pada komposisi paduan, dengan paduan alfa mendapat manfaat dari suhu yang lebih rendah dan paduan alfa-beta memerlukan suhu yang lebih tinggi untuk mencapai peningkatan yang signifikan.
Gambar panas pada suhu 500 hingga 800 derajat Celcius memungkinkan terjadinya deformasi yang lebih besar, meskipun pembentukan kasus alfa menjadi perhatian serius. Atmosfer atau pelapis pelindung harus mencegah kontaminasi atmosfer selama pemanasan dan pembentukan. Setelah gambar panas, kotak alfa harus dihilangkan dengan pemesinan atau pengawetan kimia, menambahkan langkah-langkah proses dan biaya.
Pembentukan hangat isotermal, dimana perkakas dan blanko dipertahankan pada suhu tinggi, meminimalkan gradien suhu dan memberikan perilaku material yang konsisten. Pendekatan ini sangat efektif untuk geometri kompleks atau material dengan rentang waktu pemrosesan yang sempit, meskipun kompleksitas perkakas dan waktu siklus meningkat.
Pembentukan elektromagnetik dan metode pembentukan berkecepatan tinggi-lainnya telah diselidiki untuk deep drawing titanium. Tingginya tingkat regangan yang terkait dengan proses ini dapat menekan necking dan menunda terjadinya patah tulang, sehingga berpotensi memungkinkan penarikan yang lebih dalam. Namun, biaya peralatan dan tantangan pengendalian proses telah membatasi adopsi industri.
7. Mode Cacat dan Kegagalan
Kerutan pada bagian flensa atau dinding diakibatkan oleh gaya penahan blanko yang tidak mencukupi atau aliran material yang berlebihan. Kerutan yang parah dapat terkunci pada material dan menyebabkan robekan saat ditarik ke dalam rongga cetakan. Kerutan kecil dapat dihilangkan pada pengoperasian berikutnya tetapi menghasilkan variasi ketebalan dan konsentrasi tegangan.
Robeknya radius pukulan atau dinding cangkir mewakili batas akhir sifat mampu bentuk. Mode keruntuhan ini dimulai ketika tegangan tarik pada dinding melebihi kekuatan lokal material, biasanya pada radius pukulan dimana tegangan lentur dan tegangan tarik saling bertumpukan. Robeknya mungkin diawali dengan necking yang terlokalisasi, meskipun eksponen pengerasan regangan-titanium yang relatif rendah berarti necking hingga kegagalan terjadi dengan cepat setelah dimulai.
Permukaan yang tergores dan pecah-pecah timbul karena pelumasan yang tidak memadai atau bahan perkakas yang tidak kompatibel. Cacat ini menurunkan kualitas permukaan dan dapat menjadi tempat timbulnya retakan pada pembebanan siklik. Dalam kasus yang parah, kerusakan menyebabkan perpindahan material dari lembaran titanium ke cetakan, sehingga secara progresif menurunkan geometri alat dan kualitas komponen.
Earing, variasi ketinggian periodik pada tepi cangkir, dihasilkan dari anisotropi kristalografi. Meskipun bukan merupakan cacat dalam hal integritas struktural, earing memerlukan pemangkasan dan mengurangi hasil material. Tingkat keparahan dapat diminimalkan melalui kontrol tekstur selama produksi lembaran atau dikompensasi melalui optimalisasi bentuk kosong.
Springback setelah gambar mempengaruhi keakuratan dimensi, terutama untuk komponen dengan persyaratan toleransi yang ketat. Modulus elastisitas titanium yang rendah dikombinasikan dengan kekuatan luluh yang tinggi menghasilkan pegas yang lebih besar dibandingkan baja. Kompensasi melalui modifikasi geometri pahat atau operasi kalibrasi pasca{2}}pembentukan mungkin diperlukan.
8. Pemilihan Material untuk Aplikasi Deep Drawing
Titanium murni komersial Kelas 1 menawarkan kemampuan bentuk gambar dalam terbaik di antara material titanium, dengan kandungan oksigen rendah memberikan keuletan tinggi dan kekuatan luluh rendah. Kelas ini lebih disukai untuk aplikasi di mana kekuatan sedang dapat diterima dan sifat mampu bentuk adalah yang terpenting, seperti peralatan pemrosesan kimia, elemen arsitektur, dan produk konsumen.
Titanium kelas 2 memberikan keseimbangan sifat mampu bentuk dan kekuatan, dengan kandungan oksigen yang sedikit lebih tinggi meningkatkan kekuatan luluh dengan biaya keuletan yang rendah. Ini mewakili tingkatan yang paling banyak digunakan untuk-komponen yang ditarik dalam yang memerlukan kinerja struktur sedang.
Titanium kelas 4, dengan kandungan oksigen tertinggi di antara kelas tanpa paduan, menawarkan peningkatan kekuatan namun mengurangi sifat mampu bentuk secara signifikan. Gambar dalam Kelas 4 memerlukan suhu tinggi atau beberapa tahap dengan anil menengah.
Ti-6Al-4V dan paduan alfa-beta lainnya umumnya tidak cocok untuk penarikan dalam suhu ruangan konvensional karena keuletannya terbatas dan kekuatannya tinggi. Jika diperlukan bentuk yang digambar dalam dari paduan ini, maka digunakan pembentukan superplastik pada suhu 850 hingga 950 derajat Celsius atau gambar panas dengan perlindungan atmosfer. Komponen yang dihasilkan dapat diterapkan pada bejana bertekanan dirgantara, komponen knalpot, dan struktur berperforma tinggi lainnya dengan rasio kekuatan terhadap berat paduan yang mendukung pemrosesan yang rumit.
Paduan titanium beta seperti Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn menawarkan sifat mampu bentuk dingin yang lebih baik dalam kondisi perlakuan larutan karena struktur kristal kubiknya berpusat pada bodi dengan sistem slip yang lebih luas. Paduan ini dapat ditarik ke dalam dalam kondisi lunak dan kemudian berumur untuk mencapai kekuatan tinggi, sehingga memberikan rute pemrosesan yang menarik untuk aplikasi tertentu.
9. Penjaminan Mutu dan Pengujian
Tes earing, dilakukan dengan menggambar blanko berbentuk lingkaran dan mengukur profil tinggi telinga yang dihasilkan, mengukur anisotropi dan memprediksi perilaku deep drawing. Nilai indeks perolehan di atas 10 persen biasanya menunjukkan anisotropi bermasalah yang memerlukan modifikasi bentuk kosong atau penyesuaian proses.
Uji cawan Swift menentukan rasio tarikan pembatas dengan menggambar blanko dengan diameter semakin besar hingga terjadi patahan. Hal ini memberikan ukuran langsung kemampuan mampu bentuk dalam kondisi standar, meskipun kinerja produksi sebenarnya mungkin berbeda karena perbedaan perkakas dan variasi pelumas.
Tes bekam Erichen mengukur kemampuan bentuk regangan dengan menekan pukulan berbentuk bola ke dalam lembaran yang dijepit sampai patah. Meskipun tidak secara langsung mengukur kinerja deep drawing, nilai Erichen berkorelasi dengan sifat mampu bentuk lembaran secara umum dan berguna untuk perbandingan material dan pengendalian kualitas.
Uji coba menggambar cangkir silinder dengan perkakas berinstrumen memberikan informasi rinci tentang gaya pukulan, tekanan dudukan kosong, dan distribusi ketebalan dinding. Data ini memungkinkan optimasi proses dan memvalidasi model simulasi.
Pemeriksaan mikrostruktur pada komponen yang ditarik memverifikasi bahwa deformasi tidak menghasilkan fitur yang tidak diinginkan seperti deformasi kembar, pita geser lokal, atau retak permukaan. Untuk paduan alfa-beta, fraksi volume dan morfologi fase alfa dan beta harus tetap dalam spesifikasi setelah gambar.
10. Penerapan-Cangkir Titanium yang Ditarik Dalam
Peralatan pemrosesan kimia menggunakan cangkir dan silinder titanium murni komersial yang ditarik dalam-untuk bejana reaktor, kepala penukar panas, dan komponen bejana bertekanan. Ketahanan korosi yang sangat baik dari titanium dalam media yang mengandung klorida-dan pengoksidasi membuatnya lebih unggul dibandingkan baja tahan karat di banyak lingkungan kimia.
Aplikasi ruang angkasa mencakup tangki bahan bakar, reservoir hidraulik, dan komponen knalpot yang rasio kekuatan-terhadap-berat paduan titanium memberikan keunggulan kinerja yang signifikan. Komponen Ti-6Al-4V yang dibentuk secara superplastik mencapai geometri kompleks yang tidak mungkin dicapai melalui gambar dalam konvensional.
Pembuatan perangkat medis menggunakan-cangkir titanium yang ditarik dalam untuk wadah implan, komponen instrumen bedah, dan peralatan pemrosesan farmasi. Biokompatibilitas dan ketahanan korosi titanium dalam lingkungan fisiologis sangat penting untuk aplikasi ini.
Produk konsumen seperti peralatan masak, kotak arloji, dan bingkai kacamata memanfaatkan bobot titanium yang ringan, ketahanan terhadap korosi, dan daya tarik estetika. Gambar mendalam memungkinkan produksi komponen ini-yang hemat biaya dari kadar titanium murni komersial.
