Transcript ZB 08
INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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 PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONAL NEGO INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Częstochowska Symulacja procesu gięcia blach tytanowych Model numeryczny odzwierciedla proces gięcia w przyrządzie przedstawionym na rysunku 2. Rys. 1. Model numeryczny a) Rys. 2. Widok przyrządu do gięcia b) Rys. 3. Mikrostruktura blachy tytanowej: a) Grade 2, b) Grade 5; mikroskop świetlny, pow. 200x Narzędzie: sprężysty model materiału Odkształcany materiał: sprężystoplastyczny 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; INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 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 – a=90o Rys. 7. Kąt sprężynowania w funkcji promienia gięcia; grubość blachy – 0,8mm, kąt gięcia – a=90o Rys. 8. Kąt sprężynowania w funkcji kąta gięcia (wyniki badań doświadczalnych); grubość blachy 0,8 mm, promień gięcia rg=7mm INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska Podzadania badawcze wykonane w ramach ZB8 w I półroczu 2010roku przez zespół z Politechniki Lubelskiej 1. Walcowanie uzębienia skośnego 2. Przepychanie obrotowe 3. Kucie bezwypływkowe odkuwki korbowodu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO . Model geometryczny procesu walcowania uzębienia skośnego Politechnika Lubelska INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Lubelska Odwalcowany wałek z zaznaczonym rozkładem intensywności odkształcenia INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Rozkład temperatury Politechnika Lubelska INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI Politechnika Lubelska Schemat procesu przepychania obrotowego Kąt kształtujący α Strefa kalibrowania L Rolki Wsad Popychacz DZ – śr. wsadu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Wsady drążone ze stopu aluminium 6061 oraz uzyskane wyroby z centralnym przewężeniem Politechnika Lubelska INNOWACYJNA Wnioski GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Model graficzny narzędzi stosowanych w procesie kucia bezwypływkowego odkuwki korbowodu Politechnika lubelska INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Politechnika Rzeszowska Koncepcja funkcji prądu w analizie kinematyki plastycznego płynięcia w procesie wyciskania kształtowników INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI • • • • • • UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI • Politechnika Śląska Nowa metoda wytwarzania elementów i pokryć integralnych w procesach kształtowania plastycznego Kształtowanie 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO Politechnika Śląska Ewolucja koncepcji procesu kształtowania segmentowego INNOWACYJNA GOSPODARKA UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI Politechnika Śląska Wnioski z dotychczasowego przebiegu realizacji prac • Politechnika Śląska • 1. Suwak prasy, 2. Rolki, 3. Stempel segmentowy, 4. Materiał odkształcany INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO Politechnika Śląska Odkuwka ze stopu tytanu WT3-1 kształtowana w temperaturze 900°C Odkuwka ze stopu tytanu WT3-1 kształtowana w temperaturze 1100°C INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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. INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” Politechnika Warszawska Opis zmian mikrostruktury oraz właściwości mechanicznych modelowych stopów Al – Li poddanych procesowi wyciskania hydrostatycznego Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – stan wyjściowy (mikroskopia optyczna) 200m 200m Al – 2.3Li Al – 2.2 Li – 0.1 Zr 200m Al – 2.2 Li – 1.2 Cu – 0.1 Zr Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – po odkształceniu metodą HE (ε = 2.4) (mikroskopia optyczna) 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ – po odkształceniu metodą HE (ε = 2.4) (mikroskopia transmisyjna) 1μm 1μm Al – 2.3Li 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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 INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ - OBSERWACJE ZŁĄCZA Ti Przetopienia Ti Ni Silnie spłaszczone fale 50 μm Czarną strzałką oznaczono kierunek przebiegu spajania Ni Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO II KONFERENCJA Indywidualnego projektu kluczowego „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym” WYNIKI BADAŃ - MIKROSTRUKTURA Ni Ti 100 μm Mikrostruktura bimetalu Ti-Ni w stanie wyjściowym – materiał podstawowy (nikiel) 100 μm Mikrostruktura bimetalu Ti-Ni w stanie wyjściowym – materiał nakładany (tytan) Kształtowanie plastyczne z dużymi szybkościami odkształcenia lotniczych stopów aluminium i tytanu INNOWACYJNA GOSPODARKA NARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŚCI UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWPJU REGIONALNEGO 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