Investigación de la conformabilidad de aleaciones de titanio en procesos de conformado incremental monopunto SPIF y SPIF en caliente
Datos
Proyecto MAT2013-46386-P de la Convocatoria 2013- Proyectos I+D – Programa Estatal de Fomento de la Investigación Científica y Técnica de Excelencia. Subprograma Estatal de Generación de Conocimiento
Investigadores principales: Valentín Miguel Eguía
Presupuesto: 49.388 €.
Descripción del proyecto
Se ha identificado una gran potencialidad en el conformado de aleaciones de titanio mediante Conformado Incremental de Chapa en un Punto (SPIF) para aplicaciones de transporte aeronáutico y para la fabricación de elementos biomecánicos. La aplicación industrial del proceso para estas aleaciones no está resuelto debido a la baja conformabilidad de las aleaciones de titanio, el mal acabado superficial y deficiente precisión dimensional con que se obtienen las piezas y a la baja productividad del proceso. Las limitaciones indicadas están estrechamente interrelacionadas y dependen de los parámetros tecnológicos del proceso y de la respuesta del material. Los objetivos perseguidos en este proyecto son investigar las acciones mecánicas y de fricción existentes en procesos SPIF mediante la adaptación de una metodología de investigación de acciones descompuestas desarrollada por los autores en proyectos de investigación anteriores.
Concretamente se caracterizará el sistema tribológico Ti6Al4V-herramienta optimizando el empleo de diferentes lubricantes (aceite mineral, MoS2 y mezclas) y de herramientas de diferente naturaleza (acero, acero templado y acero nitrocarburado). Se investigará el sistema para diferentes temperaturas con el fin de caracterizar la fricción en los procesos Hot-SPIF. Se definirá la conformabilidad de la aleación de titanio mediante ensayos fundamentales empleando un prototipo de ensayo desarrollado por el equipo de investigación y una metodología que será adaptada para ensayos de stretch-bending para reproducir condiciones SPIF. Para ello se investigarán las texturas en el material deformado mediante ensayos EBSD (Electro Back Scattering Difraction). De este modo, se pretende investigar la conformabilidad en condiciones de deformación equivalentes a las del proceso SPIF, pero de forma selectiva.
En particular, se investigará la influencia de la anisotropía del material y su relación con índices intrínsecos de comportamiento, la modificación del comportamiento mecánico experimentado por el material y la fricción en el contacto con la herramienta de doblado. Una vez investigadas las dos acciones principales, esto es fricción y doblado en situación de estirado, se realizarán ensayos elmentales SPIF en un prototipo desarrollado por el equipo de investigación con anterioridad a este proyecto que permite medir las fuerzas que intervienen en el proceso para optimizar los parámetros tecnológicos. Para investigar la influencia de la temperatura en la conformabilidad del material se desarrollará un dispositivo de ensayo para realizar ensayos Hot-SPIF. Finalmente se fabricarán formas completas mediante SPIF y Hot-SPIF empleando los dispositivos existentes, que permitirán evaluar todas las acciones sobre procesos completos y modelizar el comportamiento del material. Se caracterizará mecánicamente, mediante la técnica EBSD y mediante perfilometría 3D las modificaciones en el material en diversas fases del proyecto. También se investigará y modelizará las funciones de recuperación del material y su influencia en el conformado SPIF y Hot-SPIF.
Los resultados esperados de la realización del proyecto es el avance sustancial en el conocimiento de la conformabilidad de las aleaciones de titanio mediante procesos SPIF y la optimización de su aplicación industrial mediante la correcta definición de las variables tecnológicas del proceso y mediante la definición de indicadores predictivos del comportamiento de la chapa y de la herramienta.
Objetivos del proyecto
Los objetivos perseguidos consisten en la modelización del material frente a las acciones específicas que definen los procesos de conformado incremental «single point», obteniendo la respuesta del mismo a cada una de las acciones por separado, pudiendo aislar las variables intrínsecas que le afectan y definir finalmente indicadores predictivos de comportamiento. Considerando lo indicado como punto de partida, se pretende optimizar el proceso, definiendo la acción de las diferentes variables tecnológicas que lo componen. Para ello se definen unos objetivos específicos que son:
- Caracterización tribológica del sistema chapa-herramienta, con determinación de las funciones coeficiente de rozamiento y desgaste para diferentes lubricantes. Se determinará el comportamiento del sistema en función de la temperatura con optimización del empleo del lubricante.
- Modelización del comportamiento del material mediante el análisis de acciones en el proceso, con la definición y realización de ensayos específicos de stretch-bending. Se obtendrá la modelización del comportamiento del material para su correlación posterior a procesos SPIF. Se modelizarán también las funciones coeficiente de rozamiento, desgaste y recuperación elástica del material (springback). Se establecerán las texturas de deformación producidas en el material.
- Definición de la influencia de las variables que intervienen en los procesos SPIF mediante medición de las fuerzas involucradas en la realización de trayectorias elementales. Se optimizarán las variables tecnológicas del proceso en función de la respuesta del material.
- Evaluación de la influencia de la temperatura en el conformado Hot-SPIF, con la realización de un prototipo calefactado con control de temperatura y de la fuerza en el eje de la herramienta, para la medición de fuerzas involucradas en la realización de trayectorias optimizadas en el objetivo 3.
- Ejecución de formas genéricas en procesos SPIF y Hot-SPIF, con medición de fuerzas en todo el proceso y con la evaluación del comportamiento de la herramienta, la conformabilidad del material y la evaluación de la precisión dimensional adquirible en los procesos. Se caracterizará mecánicamente el material conformado y se identificará las texturas de deformación adquiridas en el proceso.
- Modelización de los procesos SPIF Y Hot-SPIF DE LA ALEACIÓN Ti6Al4V y establecimiento de las condiciones de viabilidad de los mismos, correlacionando los resultados obtenidos para la consecución de los objetivos 1 a 4 con los obtenidos para el cumplimiento del objetivo 5. Se determinarán los indicadores predictivos del comportamiento del material y se elaborará la memoria global del proyecto de investigación.
Publicaciones derivadas de la investigación
Formability and Dimensional Accuracy Improvement of Ti6Al4V in Warm SPIF Processes
Jesús Andrés Naranjo, Valentín Miguel, Alberto Martínez-Martínez, Juana Coello, María Carmen Manjabacas.
Metals, 2019, 9(3), Mdpi, https://doi.org/10.3390/met9030272
Abstract
Single Point Incremental Forming (SPIF) has great potential as it can be easily implemented and the forming process does not require the use of dies. However, its application to high performance alloys such as Ti6Al4V has not been resolved due to its characteristic low formability. In the literature, studies on the warm SPIF process applied to this alloy report improved formability. However, in some of these studies the procedures used are complex and in others the surface finishes obtained are unsatisfactory. The present study proposes a methodology consisting of a simple heating device which permits working at moderate temperatures and quantifies the benefit of the temperature on the alloy formability, the forces acting during the process, and finally the dimensional precision of the parts produced. Working temperatures in the range of 300–400 °C significantly reduce forces, increase formability of the alloy, and substantially reduce springback. However, the springback values suggest the need for dimensional compensation at the design stage of products.
Tribological characterization of the heat-assisted single point incremental forming process applied to the ti6al4v alloy with the definition of an adhesion parameter for the tool surface
Jesús Andrés Naranjo, Valentín Miguel, Juana Coello, María Carmen Manjabacas, Alberto Martínez-Martínez, Enrique García-Martínez .
Metals, 2021, 14(24), Mdpi, https://doi.org/10.3390/ma14247641
Abstract
Heat-assisted single point incremental forming or HA-SPIF has a great potential for producing one-piece batches of hard-to-form materials such as Ti6Al4V alloy for medical and aeronautical applications. One of the limitations of the process is the difficulty in achieving a reasonable surface finish, which makes essential the characterization of the tribological process in the tool–sheet contact. In fact, not much work can be found at this point in literature. In this research, a novel procedure for evaluating the adhesion on the tool surface is proposed and the influence of the temperature is determined. The surface finish of parts is analyzed, and the changes promoted by HA-SPIF appearing in the morphology of the external surface layer are characterized by SEM.
Extended anisotropy yield criteria applied to ti6al4v at a hith range of temperatures and considerations on asymmetric behavior
Jorge Ayllón, Valentín Miguel, Alberto Martínez-Martínez.
Materials and Design, 2021, 208, Elsevier, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109933
Abstract
Heat assisted-forming processes are essential for Ti6Al4V sheet metal forming due to the poor formability of this alloy at room temperature. Although there exist works on the stress-strain response at high temperature, there is a lack of data in the literature on the yield criteria. The present paper presents an efficient experimental methodology to determine significant stress states at high temperature. Both plane strain data and compressive anisotropy values at high temperature allowed obtaining a more complete definition of the mechanical behavior of the Ti6Al4V, being the novel contribution of this research. Yield loci up to 900 °C were built according to different yield criteria that are fitted to the experimental data. Thus, Barlat1989 and CPB2006 were selected as the most suitable yield criteria to predict Ti6Al4V behavior. These criteria were extended to contemplate the anisotropy evolution under a wide range of working conditions. The formulated extended criteria for the entire range of conditions were close to the equivalent traditional ones applied to only a particular condition, which demonstrates the advanced made in the comprehensive modeling of Ti6Al4V alloy for all conditions applied in forming industries.
Compression behavior of sheets metals of pure titanium 2 and ti6al4v alloy under high temperature: evaluation of the tension-compression asymmetry
Jorge Ayllón, Valentín Miguel, Alberto Martínez-Martínez, Juana Coello, Jesús Andrés Naranjo, Francisco García-Sevilla.
Metals, 2021, 11(1), Mdpi, https://doi.org/10.3390/met11010168
Abstract
Determining the intrinsic indices of sheet metals under compression states at high temperatures is vital to accurately predict the behavior of the material in warm/hot forming processes. Nevertheless, the literature contains little previous experimental data in this regard due to the difficulty of carrying out specific test methodologies in sheet metals. The authors of the present manuscript previously developed an approach to evaluate the in-plane compression behavior under a wide range of test conditions, which was applied here to characterize pure titanium and Ti6Al4V alloy until 750 °C. This procedure allowed us to quantify the asymmetric and anisotropic tension–compression (T-C) response of the materials involved and their evolution with temperature and strain rate. The asymmetry detected at room temperature showed a higher compression response in all cases, mostly reaching differences of around 10%. For the lowest strain rate studied, the typical assumed symmetric T-C behavior was observed from 300 and 450 °C onwards, for the rolling and transverse direction, respectively. In addition, stepped compression tests led us to deduce the anisotropy indices, which were different from those found under tension, in contrast to the r-values applied by most authors. Using the experimental results, a factor related to the asymmetry found was proposed to formulate an extended constitutive model. The asymmetry and anisotropy data supplied for compression under warm/hot conditions are the main novelty of this research.
A new approach for obtaining the compression behavior of anysotropic sheet metals applicable to a wide range of test conditions
Jorge Ayllón, Valentín Miguel, Alberto Martínez-Martínez, Juana Coello, Jesús Andrés Naranjo.
Metals, 2021, 10(10), Mdpi, https://doi.org/10.3390/met10101374
Abstract
The consideration of anisotropic and asymmetric tension-compression behaviour in some materials has proved to be of great importance for the modelling of plastic behaviours that allow for accurate results in sheet metal forming analysis. However, obtaining this compression behaviour of a sheet metal in the principal plane directions is one of the most complex aspects from an experimental point of view. This complexity is notably increased when this behaviour needs to be analysed under high temperature conditions. This paper presents a compression test system with load application in the in-plane sheet directions which is characterised by a relative technical simplicity allowing its application under temperature conditions of up to 750 °C and different strain-rates. Due to the specific test conditions, namely the high temperature, it is not possible to use the common systems for measuring the strains involved and to obtain the stress-strain curve. Therefore, this paper proposes two methods for this purpose. The first is the performance of interrupted tests and measurement of the central cross sections. The second consists of inverse calibration using finite element simulations. The sensitivity of the proposed test methodology is validated through the characterisation, at room temperature, of the compression and tensile behaviour of six materials with different plastic deformation phenomena. In this way, the asymmetric tension-compression phenomena are accurately identified and high compression strains of around 0.3, higher than those existing in the literature, are investigated. A novel test methodology is thus established that is easily applicable for the mechanical characterisation of sheet metal at high temperature.
Modelization of bending under tension tests with application to the spif processes
Jorge Ayllón, Valentín Miguel, Alberto Martínez-Martínez, José Luis Rodriguez Alcaraz, Juana Coello.
Procedia Manufacturing, 2017, 13, 299-306, Elsevier, https://doi.org/10.1016/j.promfg.2017.09.076
Abstract
Nowadays, the incremental sheet forming process (ISF) constitutes one of the manufacture processes with greater interest. This is due to its great flexibility in the produced parts and the simplicity of the used tool. One of the current problems for the study and optimization of this type of processes is the difficulty to establish their mechanisms of deformation and failure. Simplified test in which similar sheet deformation phenomena occur, may be determinant for these studies. Several authors have carried out different tests to model specific deformation mechanisms that occur in the ISF, but none has defined a test in which all deformation phenomena occur. Bending under tension test has been employed to model the forces and deformations in drawing process. Therefore, a similar test, adapted to ISF, may be suitable for its study.
Extrapolación de los resultados de la investigación
La línea de investigación sobre conformado de chapa mediante la aplicación del proceso SPIF ha continuado en trabajos posteriores, analizando su aplicación para la fabricación de componentes con calidad aeronáutica. También se ha evaluado la aplicación en el ámbito médico, siendo posible la obtención de implantes de titanio para la reducción de fracturas óseas: implantes craneales, maxilofaciales…