Características do Material e Formabilidade
O titânio e suas ligas apresentam propriedades mecânicas únicas que influenciam significativamente seu comportamento de estampagem profunda. O titânio puro possui alta ductilidade adequada para conformação a frio, com uma anisotropia normal excepcionalmente alta (valor r-) de aproximadamente 5, o que é altamente favorável para operações de conformação de chapas metálicas. Esse alto valor de r-permite que o material resista ao afinamento durante a deformação, possibilitando a fabricação de copos cilíndricos-de fundo profundo por meio de métodos de conformação por prensa.
Entre as ligas de titânio, as ligas de beta titânio, como Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3), demonstram ductilidade comparativamente boa para conformação a frio, embora geralmente exibam menor trabalhabilidade do que o titânio puro. A estrutura cristalina hexagonal compacta (HCP) das ligas de alfa-titânio apresenta desafios particulares na simulação numérica, exigindo modelos de materiais especializados, como o modelo de Barlat 1989, com curvas de carga para endurecimento por deformação e taxas de deformação plástica dependentes de deformação para capturar adequadamente as propriedades plásticas.
Principais desafios no desenho profundo
O principal obstáculo na estampagem profunda de titânio éconvulsão e irritaçãodevido à alta reatividade química do titânio com materiais de ferramentas. Este problema torna-se particularmente grave em operações de conformação severas, como estampagem profunda e engomagem, onde superfícies frescas de titânio entram em contato direto com superfícies de matrizes e punções. Para mitigar esse problema, diversas estratégias foram desenvolvidas:
Aquecimento de revestimento de óxido: O aquecimento da peça bruta ao ar para formar uma camada protetora de óxido (aproximadamente 0,0015 mm de espessura a 750 graus por 0,3 ks) evita o contato direto de metal-com{4}}metal entre a peça bruta de titânio e as ferramentas de conformação. Este método permitiu a estampagem profunda em vários estágios com sucesso de copos longos de liga de titânio beta sem recozimento intermediário.
Tratamentos de superfície e lubrificantes: Revestimentos em spray de Teflon e outros lubrificantes especializados são comumente aplicados para evitar gripagem durante o processo de formação.
Inovações no design de ferramentas: As matrizes de esferas com ombros ranhurados e esferas de aço dispostas foram desenvolvidas para reduzir o atrito e permitir a formação de copos de titânio corrugados complexos com taxas de estiramento limite (LDR) de 2,5 ou mais.
Parâmetros de Processo e Limites de Formação
Durante a estampagem profunda, as folhas de titânio sofrem flexão e alongamento combinados à medida que a peça bruta é puxada sobre o raio da matriz para dentro da cavidade da matriz. O processo requer um controle cuidadoso para evitar dois modos de falha críticos:flambagem/enrugamentodevido a tensões circunferenciais compressivas na região do flange, eruptura por traçãona parede do copo devido ao estiramento excessivo. O projeto deve, portanto, considerar as resistências à compressão e à tração do material de titânio.
O pré-aquecimento da folha bruta é frequentemente empregado para melhorar a conformabilidade, especialmente para ligas de titânio de maior resistência. O controle da temperatura é crucial, pois a estrutura cristalina de certas ligas (como o Ti-15-3) se transforma na fase beta em temperaturas acima de aproximadamente 720 graus, alterando significativamente o comportamento de deformação.
Técnicas Avançadas de Conformação
Para produzir copos cilíndricos longos,estampagem profunda em vários estágios com engomadoria intermediáriaprovou ser eficaz. Esta abordagem não só alcança maior profundidade do copo, mas também melhora a rugosidade da superfície através do refinamento do grão. Os tratamentos termomecânicos de pós{2}}formação podem melhorar ainda mais as propriedades mecânicas e a qualidade da superfície dos copos trefilados.
A simulação numérica usando análise de elementos finitos (como LS{0}}Dyna) tornou-se uma ferramenta essencial para prever o comportamento da conformação, otimizar a geometria da ferramenta e reduzir testes físicos dispendiosos. Diagramas de limite de formação determinados através do método Nakajima são empregados para previsão de falhas, com procedimentos simplificados para obtenção de deformações de cisalhamento limitantes em máquinas de teste de tração padrão.
