ZB 8 Plastyczne kształtowanie lotniczych stopów Al (w tym Al-Li) oraz Ti

1. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” ZB 8 Plastyczne kształtowanie lotniczych stopów Al (w tym Al-Li) oraz Ti Instytucje partnerskie w zadaniu: Politechnika Częstochowska Politechnika Lubelska Politechnika Rzeszowska Politechnika Śląska Politechnika Warszawska Liderzy merytorycznii: Dr hab. inż. Romana Śliwa Prof. Dr hab. Inż. Franciszek Grosman

2. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Częstochowska Symulacja procesu gięcia blach tytanowych Model numeryczny odzwierciedla proces gięcia w przyrządzie przedstawionym na rysunku 2. Narzędzie: sprężysty model materiału Odkształcany materiał: sprężysto-plastyczny model, oparty na warunku plastyczności von Misesa, stowarzyszonym z prawem plastycznego płynięcia, wykorzystującym funkcję plastyczności von Misesa i zasadę izotropowego umocnienia. model 2Dprocesu gięcia,2332 węzły, 482 elementy typu 2D-solid; Rys. 1. Model numeryczny Rys. 2. Widok przyrządu do gięcia a) b) Rys. 3. Mikrostruktura blachy tytanowej: a) Grade 2, b) Grade 5; mikroskop świetlny, pow. 200x

3. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Częstocowska Wyniki obliczeń numerycznych Rys. 4. Rozkład odkształceń plastycznych w giętych próbkach Rys. 5. Kąt sprężynowania blach Grade 2 (a) oraz Grade 5 (b); grubość blachy 0,8 mm, promień gięcia rg=7mm, kąt gięcia – a=90o

4. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Częstochowska Wyniki obliczeń numerycznych i badań doświadczalnych Rys. 6. Kąt sprężynowania w funkcji grubości blachy; promień gięcia –7mm, kąt gięcia – =90o Rys. 7. Kąt sprężynowania w funkcji promienia gięcia; grubość blachy – 0,8mm, kąt gięcia – =90o Rys. 8. Kąt sprężynowania w funkcji kąta gięcia (wyniki badań doświadczalnych); grubość blachy 0,8 mm, promień gięcia rg=7mm

5. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Częstochowska • Wnioski • W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych procesu gięcia stwierdzono, że: • Zjawisko sprężynowania zależy od wielkości środkowej warstwy materiału, która w trakcie procesu gięcia nie ulega odkształceniu plastycznemu, a ta z kolei silnie zależy od: rodzaju materiału, promienia gięcia i grubości giętego materiału. • Zjawisko sprężynowania powrotnego jest tym intensywniejsze im wyższa granica plastyczności. • Aktualnie prowadzane są analizy numeryczne procesu kształtowania blach tytanowych z wykorzystaniem programu PAMStamp, a niezbędne do symulacji numerycznych dane materiałowe są wyznaczane doświadczalnie na materiałach zakupionych w ramach Projektu.

6. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska • Podzadania badawcze wykonane w ramach ZB8 w I półroczu 2010roku przez zespół z Politechniki Lubelskiej • Walcowanie uzębienia skośnego • Przepychanie obrotowe • Kucie bezwypływkowe odkuwki korbowodu

7. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska . Model geometryczny procesu walcowania uzębienia skośnego

8. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska Odwalcowany wałek z zaznaczonym rozkładem intensywności odkształcenia

9. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska Rozkład temperatury

10. Politechnika Lubelska • Podsumowanie • Wyniki uzyskane dla stopu aluminium PA38 wskazują na możliwość skutecznego kształtowania uzębienia za pomocą proponowanej metody. • W najbliższej przyszłości planowane jest przeprowadzenie badań doświadczalnych walcowania poprzecznego uzębienia skośnego weryfikujących wykonane obliczenia. • Wyniki tych badań będą przedstawione w literaturze specjalistycznej.

11. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Kąt kształtujący α Strefa kalibrowania L Rolki Wsad Popychacz DZ – śr. wsadu Politechnika Lubelska Schemat procesu przepychania obrotowego

12. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska Wsady drążone ze stopu aluminium 6061 oraz uzyskane wyroby z centralnym przewężeniem

13. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Wnioski Politechnika Lubelska • Podsumowanie • Rezultaty przeprowadzonych badań doświadczalnych potwierdziły możliwość kształtowania wyrobów drążonych metodą obciskania obrotowego. • Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na możliwość uzyskiwania dostatecznie wąskich zakresów tolerancji wymiarowych owalności, co stanowi jeden z kluczowych problemów w procesach walcowania poprzecznego wyrobów drążonych. • Sporadyczne występowanie w procesie zjawiska poślizgu, szczególnie dla wyrobów o mniejszych grubościach ścianki, wskazuje na konieczność prowadzenia dalszych prac nad konstrukcją narzędzi oraz realizacji badań wpływu stosowanych parametrów technologicznych na stabilność procesów kształtowania.

14. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika lubelska Model graficzny narzędzi stosowanych w procesie kucia bezwypływkowego odkuwki korbowodu

15. Politechnika Lubelska • Podsumowanie • Możliwe jest wykonanie odkuwki korbowodu bez wypływki w TPK, dzięki zastosowaniu narzędzi z 3 płaszczyznami podziału. Trzy ruchome narzędzia w tej prasie pozwalają zastosować przedkuwkę o średnicy większej niż wymiar poprzeczny wykroju. • Proces kucia odkuwki korbowodu bez wypływki jest materiałooszczędny i przebiega w jednym cyklu roboczym prasy. Brak wypływki zapewnia ciągłość włókien, co powinno zapewnić lepsze własności od uzyskiwanych w innych metodach wytwarzania korbowodów • Na podstawie wyników analizy numerycznej stwierdzono, że możliwe jest wykonanie przedkuwki do kucia korbowodu w procesie walcowania poprzeczno-klinowego. • W procesie kształtowania korbowodu składającego się z walcowania poprzeczno-klinowego przedkuwki i kucia bezwypływkowego występują również zjawiska niekorzystne. Zaliczyć do nich należy konieczność stosowania naddatku technologicznego materiału przy walcowaniu, który obcinany jest z obu stron walcowanej przedkuwki oraz występowanie wypływki czołowej podczas operacji kucia, którą należy usunąć.

16. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Rzeszowska Opis mechaniki plastycznego płynięcia W przypadku wyciskania profili z Al o zróżnicowanej grubości ścianek zwłaszcza tych skomplikowanych i zawierających w przekroju elementy cienkościenne, występują trudności związane z uzyskaniem odpowiedniej stateczności kształtu, stabilności wymiarów, jakości powierzchni oraz jednorodnej struktury i własności

17. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Rzeszowska Koncepcja funkcji prądu w analizie kinematyki plastycznego płynięcia w procesie wyciskania kształtowników

18. UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Rzeszowska Przebiegi bezwymiarowej funkcji prądu (r,z) w zależności od r/R0 : a) przekrój kołowy - Pb1, b) przekrój prostokątny A-A- Pb1, c) przekrój prostokątny B-B - Pb1, d) przekrój kołowy - PA6.

19. Politechnika Rzeszowska • Podsumowanie •  Doświadczalne przebiegi funkcji prądu stanowią bezpośrednią praktyczną wskazówkę do teoretycznego opisu procesu wyciskania. • Kształt teoretycznych linii prądu niewiele odbiega od eksperymentalnych, różniąc się głównie w rejonie naroża przy wejściu w obszar płynięcia plastycznego. W pozostałym obszarze obserwuje się dobrą zgodność obydwu przebiegów – teoretycznego i eksperymentalnego. • Teoretycznie określone linie prądu mogą służyć do przewidywania schematów plastycznego płynięcia materiału w procesie wyciskania kształtowników, co znajduje szczególne uzasadnienie w modelowaniu płynięcia stopów o mniej regularnym typie płynięcia, stosunkowo małym zakresie plastyczności oraz na ogół złożonym kształcie, co cechuje materiały i profile lotnicze. • Wyniki metody funkcji prądu w poszukiwaniu dokładnego opisu mechaniki plastycznego płynięcia potwierdzają celowość jej zastosowania w odniesieniu do materiałów wymagających szczególnej uwagi z powodu złożonych schematów płynięcia będących konsekwencją własności stopów Al, koniecznością spełnienia wysokich wymagań odnośnie cech finalnych (geometrycznych, mechanicznych, strukturalnych) wyrobu wyciskanego jako profilu lotniczego. • Metoda jest czuła na zidentyfikowanie obszarów uplastycznienia oraz cech przebiegu linii prądu odzwierciedlających rzeczywisty ich przebieg. Stanowi to podstawę adekwatnego modelowania procesu wyciskania profili o wysokich wymaganiach eksploatacyjnych.

20. Politechnika Śląska • Nowa metoda wytwarzania elementów i pokryć integralnych w procesach kształtowania plastycznegoKształtowanie segmentowe • Proces kształtowania segmentowego polega na wykonywaniu wgłębień o dużej powierzchni i głębokości poprzez sumowanie wgłębień pojedynczych segmentów o małej powierzchni nacisku oraz małym pojedynczym wgłębieniu.

21. Politechnika Śląska Ewolucja koncepcji procesu kształtowania segmentowego

22. Politechnika Śląska Wnioski z dotychczasowego przebiegu realizacji prac • Politechnika Śląska • 1. Suwak prasy, 2. Rolki, 3. Stempel segmentowy, 4. Materiał odkształcany

23. Politechnika Śląska Odkuwka ze stopu tytanu WT3-1 kształtowana w temperaturze 900°C Odkuwka ze stopu tytanu WT3-1 kształtowana w temperaturze 1100°C

24. Politechnika Śląska Podsumowanie • Przedstawiona koncepcja przyrządu do kształtowania segmentowego została zweryfikowana we wstępnych badaniach realizowanych na prasie obwiedniowej PXW-200. • Wyniki prób kucia modelowej odkuwki osiowosymetrycznej ze stopu aluminium PA38 i stopu tytanu WT3-1, potwierdziły słuszność przyjętych założeń konstrukcyjnych do opracowania kompletnej dokumentacji technicznej przyrządu. • Aktualne działania zmierzające do opracowania kompleksowej technologii kucia segmentowego skoncentrowane są m.in. na pracach związanych z wykonaniem przyrządu oraz opracowaniem systemu sterowania, pomiaru i rejestracji parametrów pracy prasy hydraulicznej i napędu rolek.

25. Opis zmian mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych modelowych stopów Al – Li poddanych procesowi wyciskania hydrostatycznego II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Politechnika Warszawska Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

26. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – stan wyjściowy (mikroskopia optyczna) Kierunek walcowania Al – 2.3Li Al – 2.2 Li – 0.1 Zr Al – 2.2 Li – 1.2 Cu – 0.1 Zr Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

27. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – po odkształceniu metodą HE (ε = 2.4) (mikroskopia optyczna) Kierunek wyciskania 100μm 100μm Al – 2.3Li Al – 2.2 Li – 0.1 Zr 100μm Al – 2.2 Li – 1.2 Cu – 0.1 Zr Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

28. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – po odkształceniu metodą HE (ε = 2.4) (mikroskopia transmisyjna) Kierunek wyciskania 1μm Al – 2.3Li 1μm Al – 2.2 Li – 0.1 Zr 1μm Al – 2.2 Li – 1.2 Cu – 0.1 Zr Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

29. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WNIOSKI • Wyciskanie hydrostatyczne doprowadziło do zmniejszenia średniej wielkości ziarna z około 30 μm do 0,39 μm w stopie Al – Li oraz z 22 μm do 0,31 μm w stopie z dodatkiem Zr. • Na podstawie przeprowadzonych pomiarów mikrotwardości można stwierdzić, że otrzymana mikrostruktura po HE jest jednorodna zarówno na przekroju zgodnym jak i porzecznym do kierunku wyciskania. • Wyniki badań właściwości mechanicznych wskazują na około dwukrotny wzrost σ0.2 oraz σm w badanych stopach w odniesieniu do stanu wyjściowego. Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

30. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Politechnika Warszawska Mikrostruktura i właściwości blach bimetalicznych Ti-Ni wytwarzanych metodą zgrzewania wybuchowego Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

31. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ - OBSERWACJE ZŁĄCZA Ti Przetopienia Ti Silnie spłaszczone fale Ni Ni Czarną strzałką oznaczono kierunek przebiegu spajania 50 μm Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

32. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ - MIKROSTRUKTURA Ni Ti Mikrostruktura bimetalu Ti-Ni w stanie wyjściowym – materiał podstawowy (nikiel) Mikrostruktura bimetalu Ti-Ni w stanie wyjściowym – materiał nakładany (tytan) 100 μm 100 μm Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu

33. II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WNIOSKI: • zmiana charakteru złącza wzdłuż kierunku łączenia świadczy o niestabilności parametrów procesu, w szczególności szybkości spajania • w obszarze złącza mikrostruktura obu łączonych materiałów jest zaburzona, wystąpiło rozdrobnienie i odkształcenie ziaren, co wiąże się również z umocnieniem materiału w tym obszarze • na powierzchni złącza znajdują się niewielkie obszary fazy przetopionej, umiejscowione w zawinięciach fal. Obszary te są stopem obu łączonych metali, mogą różnić się między sobą wielkością i składem chemicznym. Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu