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)
200m
200m
Al – 2.3Li
Al – 2.2 Li – 0.1 Zr
200m
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