INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŒCI

UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ

ROZWOJU REGIONALNEGO

Plastyczne kszta³towanie lotniczych stopów Al ( w tym Al-Li ) oraz Ti

PROJEKT WSPÓ£FINANSOWANY PRZEZ UNIÊ EUROPEJSK¥ ZE ŒRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO

Nowoczesne technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym

II KONFERENCJA 14-15 Grudnia 2009 ZB 8

Projekt kluczowy

Politechnika Œl¹ska, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Lubelska, Politechnika Warszawska, Politechnika Czêstochowska

Wyniki badañ

Schemat przygotowywanego stanowiska do badañ wyciskania stopów aluminium i tytanu na prasie poziomej

Schemat stanowiska do badan wyciskania i kucia stopów aluminium i tytanu na prasie pionowej

Piec muflowy

Monitoring

G³owica pomiaru

si³y

System pomiaru i rejestracji danych

Czujnik

przemieszczenia

Przygotowanie stanowisk do badañ procesu wyciskania stopów Al i Ti

Zespó³ hydrauliczny

Stempel

Matryca

Podajnik wyciœniêtego

profilu

System sterowania procesem wyciskania

Monitoring

System pomiaru i rejestracji

danych

Piec

komorowy

G³owice

pomiaru

si³y

Czujnik przemieszczenia

Przyk³ady kszta³towników wyciskanych stosowanych w konstrukcjach lotniczych

cargo AlCu4Mg1Zr porêcz siedzenia AlZn5.5MgCu

Fragment ³¹cznika kad³uba

statecznik pionowy A380 AlZn6CuMgZr

Przygotowywane stanowisko do badañ w zakresie kszta³towania materia³ów metod¹ wyciskania obejmuje:1. Prasê hydrauliczn¹ poziom¹ o nacisku 5000 kN. Do wyciskania eksperymentalnego profili

ze stopów Al., Cu, Ti, Mg. 2. Piec komorowy HT-1400G o temperaturze pracy do 1400 st.C Wymiary komory

szer.250mm, wys. 300mm, d³.250mm, poj. Kom 26l. Szybkie nagrzewanie ~ 40min, szybkie ch³odzenie ~ 70 min. Moc zainstalowana 9.0 kVA, sterownik mocy tyrystorowy.

3. System zabezpieczeñ P. Po¿. z uwagi na materia³y palne (magnez) monitorowane przy pomocy kamery termowizyjnej. Œledzenie rozk³adu temperatury procesy zachodz¹cych w matrycy, rejestracja rozk³adu temperatury, sygnalizacja akustyczna i wizualna zakresów niebezpiecznych.

4. Monitoring parametrów procesu wyciskania przy pomocy kamery video i aparatu cyfrowego od pocz¹tku cyklu, a¿ do zakoñczenia ca³ego procesu.

5. System pomiarowy si³y, przemieszczenia i temperatury w oparciu o wzmacniacz typu QUANTUM (MX840).

! Uniwersalny wzmacniacz 8-kana³owy z indywidualnie regulowanymi wejœciami,

! Prêdkoœæ próbkowania: od 19.2 kHz górê dla poszczególnego kana³u,

! 24-bit konwerter A/C na kana³ dla synchronicznych, równoleg³ych pomiarów,

! Filtry; Bassel'a, Butterworth'a od 0.01Hz, do 3.2 kHz (-3dB),

! Napiêcie zasilania dla aktywnych przetworników: 5 … 24 VDC regulowany dla ka¿dego kana³u;

! Przetwornik si³y pracuj¹cy na œciskanie;

! Ma³e wymiary;

! Ma³a waga;

! Mo¿liwa klasyfikacja DKD;

! Certyfikat kalibracyjny zgodny z: EN10002-3, ISO376: Klasa 0.5.

! Przetwornik ze zdejmowanym trzpieniem pomiarowym;

! Trwa³a, odporna na zu¿ycie indukcyjna metoda pomiaru;

! Dobra stabilnoϾ termiczna w szerokim zakresie temperatur;

! Kompaktowa budowa;

! Odporny na ciœnienie podczas pomiarów w cylindrach hydraulicznych;

! Wykonywany w wersji do pracy w wys. temperaturach - do 150°C;

! Sygna³ WY do wyboru: 10mV/V, 80mV/V, 0,5 do 10V;

Przyk³adowe elementy

KSZTA£TOWANIE WYROBÓW TYTANOWYCH W PROCESIE GIÊCIA

Symulacja numeryczna procesu giêcia ze szczególnym uwzglêdnieniem zjawiska sprê¿ynowania powrotnego szczególnie intensywnego w przypadku kszta³towania elementów tytanowych (istotne okreœlenie k¹ta sprê¿ynowania). Analizê numeryczn¹ procesu giêcia przeprowadzono dla prêta wykonanego ze stopu tytanu Ti6Al4V ELI.

materia³ Zawartoœæ % pierwiastka

Al V C Fe H N O Ti

Grade5ELI 5,5-6,5 3,5-4,5 0,08 0,25 0,012 0,05 0,13 reszta

Tab. 1. Sk³ad chemiczny stopu Ti6Al4V ELI [ASTM 136-02a] Tab. 2. W³aœciwoœci mechaniczne stopu Ti6Al4V ELI

Materia³

Granica plastycznoœci

Rp0,2 [MPa]

Granica wytrzyma³oœci na rozci¹ganie

Rm [MPa]

Wyd³u¿enie A [%]

Przewê¿enie Z [%]

Krzywa umocnienia s=Cj

n

Ti6Al4V ELI 892 1011 6,17 42,77 s=1287j0,07

Rys. 1. Numeryczny model procesu giêcia prêta tytanowego

Do obliczeñ przyjêto przestrzenny (3D) model procesu giêcia. Model numeryczny sk³ada³ siê z 4541 20-wêz³owych elementów typu 3D-solid, co stanowi 20928 wêz³ów. Dla rolek przyjêto sprê¿ysty model materia³u, natomiast dla prêta model sprê¿ysto-plastyczny. W obliczeniach, pomiêdzy rolkami a odkszta³canym materia³em, za³o¿ono wspó³czynnik tarcia m = 0.

Rys. 2. Rozk³ad odkszta³ceñ podczas giêcia prêta o œrednicy d = 4 mm na rolkach gn¹cych o promieniach: a) rg = 4 mm, b) rg = 8 mm

Rys. 3. Rozk³ad odkszta³ceñ podczas giêcia prêta o œrednicy: a) d = 4 mm i b) d = 8 mm na rolce gn¹cej o promieniu rg = 4mm do uzyskania k¹ta giêcia a = 90o

Z analizy rozk³adu odkszta³ceñ wynika, ¿e znacz¹cy wp³yw na wielkoœæ odkszta³ceñ w zginanych prêtach ma zarówno promieñ giêcia (rys. 2), jak i œrednica/gruboœæ giêtego elementu (rys. 3). W przypadku giêcia prêta tytanowego na rolce o mniejszym promieniu, tj. rg = 4 mm (rys. 2a) niemal ca³a objêtoœæ materia³u w bezpoœrednim obszarze giêcia zosta³a odkszta³cona plastycznie i tylko cienka wewnêtrzna warstwa materia³u uleg³a nieznacznym odkszta³ceniom sprê¿ystym.

Wzrost promienia giêcia (w analizowanym przypadku do rg = 8 mm – rys. 2b) powoduje wzrost

gruboœci warstwy wewnêtrznej, pozostaj¹cej w stanie sprê¿ystym. Taki stan odkszta³cenia w prêcie sprzyja odkszta³ceniom powrotnym, czyli prostowaniu prêta po zdjêciu obci¹¿enia. Podczas procesu giêcia najwiêksze odkszta³cenia wystêpowa³y w zewnêtrznej, rozci¹ganej warstwie i tak dla promienia giêcia rg = 4 mm wartoœæ odkszta³cenia maksymalnego wynosi³a e = 0,4134, a dla rg = 8 mm wartoœæ odkszta³cenia maksymalnego wynosi³a e = 0,3750. Podczas giêcia prêtów o ró¿nej œrednicy (tj.: d = 4 mm i d = 8 mm) na rolce o tym samym promieniu giêcia rg = 4 mm (rys. 3) celem uzyskania elementu o tej samej krzywiŸnie (k¹cie giêcia), wiêksze naprê¿enia nale¿a³o wywo³aæ w przypadku kszta³towania prêta o wiêkszej œrednicy, tj. o œrednicy d = 8 mm. W konsekwencji odkszta³cenia powstaj¹ce w zewnêtrznej warstwie rozci¹ganej osi¹gnê³y wiêksz¹ wartoœæ i w analizowanym przypadku dla prêta o œrednicy d = 8 mm maksymalna wartoœæ odkszta³cenia wynosi³a e = 0,8471, a dla prêta o œrednicy d = 4 mm maksymalne odkszta³cenie by³o niemal 2-krotnie mniejsze i wynosi³o e = 0,4134.

Weryfikacja doœwiadczalna wyników analizy numerycznej procesu giêcia prêtów tytanowych

Rys. 4. Widok przyrz¹du do giêcia

Badano zale¿noœæ k¹ta sprê¿ynowania od wielkoœci k¹ta giêcia i œrednicy giêtego prêta. Wyniki badañ doœwiadczalnych porównano z wynikami obliczeñ numerycznych. K¹t giêcia zwiêkszano od 0 o do 120 o co 30 o. Badania prowadzono dla prêtów tytanowych o œrednicy d = 4, 6 i 8 mm.

Rys. 5. Zale¿noœæ k¹ta sprê¿ynowania od k¹ta giêcia dla prêta

tytanowego o œrednicy d = 4 mm – porównanie wyników

doœwiadczalnych z wynikami obliczeñ numerycznych

Tab. 3. K¹t sprê¿ynowania w funkcji k¹ta giêcia

K¹t giêcia [o] K¹t sprê¿ynowania[o]

wyniki obliczeñ numerycznych wyniki badañ doœwiadczalnych

d = 4 mm d = 6 mm d = 8 mm d = 4 mm d = 6 mm d = 8 mm

30

3.28 3.08

3.13

6.00

5.00

4.00

60

5.21 4.70

4.22

8.00

7.00

6.00

90

5.77 4.92

4.65

10.00

9.00

9.00

120

6.02 5.27

5.08

10.00

9.00

9.00

Analiza obliczeñ numerycznych wykaza³a, ¿e maksymalne odkszta³cenie plastyczne roœnie do uzyskania wartoœci maksymalnej wraz ze wzrostem k¹ta giêcia w zakresie giêcia od 0 o do 60 o, po czym maksymalne odkszta³cenie utrzymuje sta³¹ wartoœæ, a dalsze zwiêkszanie k¹ta giêcia powoduje jedynie zwiêkszenie objêtoœci odkszta³canego materia³u. Ró¿nica pomiêdzy wynikami obliczeniowymi i doœwiadczalnymi w granicach 3 ÷ 4 o wynika najprawdopodobniej z pewnych uproszczeñ przyjêtych w modelu numerycznym w stosunku do modelu rzeczywistego.

WYKRAWANIE - Symulacja numeryczna

G³ównym celem symulacji numerycznej procesu wykrawania elementów tytanowych by³o wyznaczenie wp³ywu takich czynników jak:- wartoœæ optymalnego luzu pomiêdzy matryc¹ i stemplem,- sposób docisku, - promieni zaokr¹glenia (stêpienia) matrycy i stempla na rozk³ad naprê¿eñ i odkszta³ceñ

w strefie ciêcia, a zw³aszcza na zasiêg strefy odkszta³ceñ plastycznych. Analizowano proces wykrawania kr¹¿ka z blachy tytanowej Grade 2 o gruboœci g = 1,0 mm.

Rys. 1. Schemat procesu wykrawania

Rys. 2. Zagêszczenie siatki elementów skoñczonych w obszarze ciêcia

Obliczenia prowadzono przy u¿yciu programu ADINA v. 8.4. W obliczeniach przyjêto dwuwymiarowy (2D) osiowosymetryczny model procesu wykrawania ze wzglêdu na symetriê osiow¹ zagadnienia. Model numeryczny sk³ada³ siê z 2350 kwadratowych 8-wêz³owych elementów osiowo-symetrycznych, co stanowi³o 7106 wêz³ów. Celem zwiêkszenia dok³adnoœci obliczeñ w obszarze bezpoœredniego rozdzielania materia³u siatka elementów skoñczonych zosta³a zagêszczona (rys. 2).

Przyk³adowe wyniki symulacji numerycznej procesu wykrawania:

Rys. 3. Wyniki symulacji numerycznej procesu wykrawania dla

kroku czasowego t = 0,14 a) luz: 0,02 mm – inicjacja

pêkania, b) luz: 0,2 mm

Rys. 4. Model numeryczny procesu wykrawania: a) klasycznego, b) dok³adnego

Podczas wykrawania z luzem wynosz¹cym 0,02 mm (rys. 3a) obszary uplastycznione rozchodz¹ce siê od obu krawêdzi tn¹cych ³¹cz¹ siê, a rozdzielenie materia³u rozpoczyna siê przy zag³êbieniu stempla w materia³ na odleg³oœæ 0,14 mm, nieco wczeœniej ni¿ dla wykrawania z luzem wynosz¹cym 0,2 mm (rys. 3b). W tym przypadku rozdzielenie materia³u rozpoczyna siê przy zag³êbieniu stempla na odleg³oœæ 0,16 mm. Zwiêkszenie luzu powoduje mniejsz¹ koncentracjê naprê¿eñ, co sprzyja póŸniejszemu rozdzieleniu materia³u.

Rys. 5. Rozk³ad odkszta³ceñ w procesie wykrawania: a) klasycznego, b) dok³adnego; przemieszczenie stempla h = 0,000 mm

Rys. 6. Rozk³ad odkszta³ceñ w procesie wykrawania a) klasycznego, b) dok³adnego; przemieszczenie stempla h = 0,100 mm

Rys. 12. Rozk³ad odkszta³ceñ w procesie wykrawania: a) klasycznego, b) dok³adnego (widoczne ca³kowite rozdzielenie materia³u); przemieszczenie stempla h = 0,175 mm

Obliczenia numeryczne wykaza³y, ¿e wzrost promienia zaokr¹glenia i wzrost wielkoœci luzu pomiêdzy matryc¹ i stemplem, które to wartoœci naturalnie zwiêkszaj¹ siê na skutek zu¿ycia narzêdzi podczas wykrawania, powoduj¹ pogorszenie warunków ciêcia i wzrost si³y wykrawania. Ze wzrostem luzu zwiêksza siê pochylenie powierzchni przeciêcia w stosunku do powierzchni wykrawanego elementu. W analizowanym przypadku pochylenie powierzchni przeciêcia zaczyna siê gwa³townie powiêkszaæ, gdy luz przekracza wartoœæ 0,2 mm (rys.3).Mimo, i¿ wyniki symulacji numerycznych potwierdzaj¹ wiêksz¹ przydatnoœæ procesu

Przyk³ady zastosowania

WskaŸniki realizacji celów projektu

Wnioski

Przyk³ady wspó³pracy

Referaty

Publikacje

Prace mgr,dr, hab.

Zg³oszenie patentowe (w przygotowaniu)

?J.Adamus, P.Lacki. 1-4.IX.2009, Constanta, ROMANIA

?

FORMING 2009, 9-12.IX.2009 Zakopane?J.Adamus:

. Tytan i Jego Stopy, 14-16.IX.2009, Kazimierz Dolny? Supply

on the wings, 03-05.XI.2009, International Aerospace Supply Fair AIRTEC 2009, Frankfurt, Germany?J.Adamus. W.Wiêckowski:

Odkszta³calnoœæ Metali I Stopów OMIS'2009 VIII Konferencja Naukowa, 24-27.XI.2009r. £añcut

?Adamus J., Lacki P.: Forming of the Titanium Elements by Bending. IWCMM 19 (International Workshop on Computational Mechanics of Materials), Book of Abstracts, str.95-96

?Adamus J., Lacki P.: Modelowanie procesu wykrawania blach tytanowych. Hutnik - Wiadomoœci Hutnicze,

76 (8), 2009, str. 552 – 554

·Adamus J.: Tytan i jego stopy jako materia³ stosowany na elementy t³oczone. In¿ynieria Materia³owa, R.30 nr 5 str. 310-313

·Adamus J., Lacki P.: The most important aspects of sheet-titanium forming (w druku – Materia³y International

Conf. Supply on the wings, 03-05.XI.2009, International Aerospace Supply Fair AIRTEC 2009, Frankfurt, Germany)

·Wiêckowski W., Adamus J.: Blachy aluminiowe w aspekcie zastosowañ w przemyœle lotniczym. Rudy i Metale Nie¿elazne, nr 9, 2009

magisterskie ( w realizacji):·Robert Wilczarski. Tytan i jego stopy w przemyœle lotniczym promotor: Janina Adamu·Rados³aw Podlewski. Aluminium i jego stopy w przemyœle lotniczym promotor: Janina Adamus

· Krzysztof Wró¿. Aluminium i tytan jako materia³y alternatywne dla stali – zastosowania lotnicze -

promotor: Janina Adamus·Tomasz Nikisz. Zastosowanie krzywych odkszta³ceñ granicznych do oceny w³aœciwoœci plastycznych

blach, promotor: Janina Adamus·Jacek Kubicki. Komputerowe wspomaganie procesu t³oczenia wyt³oczki osiowo-symetrycznej,

promotor: Piotr LackiHabilitacyjne (w realizacji):·Analiza kszta³towania wyrobów tytanowych metodami obróbki plastycznej na zimno -

dr in¿. Janina Adamus·Modelowanie tarcia w procesach objêtoœciowej obróbki plastycznej - dr in¿. Piotr Lacki

·rozwi¹zanie do zg³oszenia patentowego zakresu smarów do t³oczenia blach trudnoodkszta³calnych

Forming of the Titanium Elements by Bending. Book of Abstracts, str. 95-96.

Adamus J., Lacki P.: Modelowanie procesu wykrawania blach tytanowych. Hutnik - Wiadomoœci Hutnicze, 76 (8), 2009, str. 552 – 554

Tytan i jego stopy jako materia³ stosowany na elementy t³oczone. In¿ynieria Materia³owa, R.30 nr 5 str. 310-313Adamus J., Lacki P.: The most important aspects of sheet-titanium forming – Materia³y Konferencyjne.

Blachy aluminiowe w aspekcie zastosowañ w przemyœle lotniczym. Rudy i Metale Nie¿elazne, 54/11(2009): 769-772

IWCMM19,

• WSK Rzeszów, •PZL Œwidnik, • PZL Mielec, •Pratt&Whitney Kalisz

! Zjawisko sprê¿ynowania powrotnego zale¿y od wielkoœci nieodkszta³conej strefy œrodkowej giêtego elementu, a ta z kolei, jak wykaza³y symulacje numeryczne procesu giêcia, zale¿y od promienia giêcia, k¹ta giêcia i œrednicy/gruboœci giêtego elementu.

! Nierównomierny rozk³ad naprê¿eñ na przekroju kszta³towanych elementów przyczynia siê do powstawania znacznych naprê¿eñ w³asnych, wp³ywaj¹cych na dalsze u¿ytkowanie giêtych elementów. Tytanowe elementy, kszta³towane metod¹ giêcia, mo¿na doginaæ w niewielkim stopniu, ale nie powinno siê ich rozginaæ, gdy¿ powsta³e w zewnêtrznej, rozci¹ganej warstwie w³ókien œciskaj¹ce naprê¿enia w³asne bêd¹ siê sumowa³y z naprê¿eniami œciskaj¹cymi powstaj¹cymi podczas rozginania elementu obni¿aj¹c jego noœnoœæ i mog¹ prowadziæ do pêkania elementów podczas ich u¿ytkowania.

! Symulacje numeryczne procesu giêcia i wykrawania elementów tytanowych oraz badania w³aœciwoœci blach aluminiowych i tytanowych w próbach podstawowych (statyczna próba jednoosiowego rozci¹gania i technologicznych próbach t³ocznoœci) stanowi¹ podstawê przy opracowywaniu procesów technologicznych kszta³towania elementów strukturalnych stosowanych w lotnictwie.

• Symulacjê procesu giêcia prêtów tytanowych przeprowadzono z uwagi na intensywne wystêpowanie zjawiska typu „spring-back”. Niedostateczne wiedza, co do wielkoœci rzeczywistego k¹ta sprê¿ynowania uniemo¿liwia w³aœciwe zaprojektowanie procesu kszta³towania elementów tytanowych (zainteresowanie firm WSK Rzeszów, PZL Œwidnik, PZL Mielec kszta³towaniem elementów z blach trudno odkszta³calnych).

• Dotychczasowe symulacje numeryczne by³y prowadzone w oparciu o program ADINA oparty na MES. W toku dalszych prac zostanie wykorzystany równie¿ specjalistyczny program PAMStamp do symulacji procesów t³oczenia blach oraz program Sysweld, który jest niezbêdny do analizy blach typu Taylor-welded blank. Bêdzie dokonana weryfikacja eksperymentalna.

W obliczeniach przyjêto nastêpuj¹ce dane materia³owe: - wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie: Rm = 522 MPa,- granica plastycznoœci: Re = 369 MPa,- modu³ Younga: E = 110 GPa,- wspó³czynnik Poissona: n = 0,37,- gêstoœæ: r = 4,51 g/cm3,- wyk³adnik umocnienia: n = 0,15,- sta³a materia³owa: C = 753 MPa.

wykrawania dok³adnego, to ze wzglêduna to, ¿e wykrawanie dok³adne wymaga stosowania specjalnych pras potrójnego dzia³ania nadal poszukuje siê alternatywnych metod wykrawania elementów z blach tytanowych. W zwi¹zku z tym, w dalszych badaniach planuje siê analizê bezstykowych metod ciêcia, takich jak: ciêcie laserowe, ciêcie strumieniem wodnym z dodatkiem proszku œciernego i metod¹ elektrodr¹¿enia, pod k¹tem mo¿liwoœci ich wykorzystania przy wykrawaniu elementów z blach tytanowych.

Uk³ady hydrauliczne,

paliwowe giête z rur tytanowych

Elementy strukturalne z blach tytanowych