Details

Concepts for hot sheet metal forming of titanium alloys

by Odenberger, Eva-Lis, PhD

Abstract (Summary)
För att Svensk flygmotorindustri ska öka sin konkurrenskraft söks alternativa tillverkningsmetoder för framtagning av lastbärande flygmotorkomponenter. Målsättningen är att uppnå en minskad produktkostnad samt möjliggöra viktminskning och därmed bränsleförbrukning. Traditionellt består dessa komponenter av stora enstycksgjutgods i titan och nickelbaserade legeringar. Genom fabrikation byggs istället strukturerna från plåtdetaljer, små gjutgods och smiden genom svetsning och efterföljande värmebehandling. Det alternativa tillvägagångssättet innebär behov av tids- och kostnadseffektiva metoder för utvärdering av möjliga tillverkningstekniker tidigt i produktutvecklingsprocessen. En av utmaningarna vid fabrikation av kompletta flygmotorstrukturer, inom tolerans, ligger i en noggrann prediktering av återfjädring och kompensering för de formförändringar som uppstår i de olika tillverkningsstegen. Simulering med Finita element (FE) metoden är ett väl använt verktyg t.ex. inom den plåtformande tillverkningsindustrin där metodiken har bidragit till en bättre förståelse för olika formningsprocesser. FE metodikens möjligheter har minskat den tidskrävande, oexakta och kostnadskrävande verktygsutprovningen betydligt. Tillförlitligheten hos numeriska simuleringar beror av tillämpade modeller och metoder men också av noggrannhet och tillämpbarheten hos experimentell indata. Materialmodell och relaterad data måste vara överrensstämmande med de förutsättningar som råder för den aktuella processen. Vidare är det en förutsättning att minimera avvikelser mellan FE modellen och den verkliga processen, för att kunna jämföra predikterade resultat med verkligt utfall.  Naturligtvis uppstår svårigheter och problematik kring t.ex. modellering och identifiering av friktion, bland annat.Avhandlingens mål är att föreslå möjliga varma och kalla formningsmetoder baserat på FE analyser för formning av plåtkomponenter i titanlegeringarna Ti-6Al-4V och Ti-6242 tillsammans med den nickelbaserade legeringen Inconel 718. Forskningsaktiviteterna fokuseras kring materialkarakterisering, utvärdering av lämpliga konstitutiva modeller och metoder för parameteridentifiering, virtuellt datorbaserad verktygsutveckling samt tillverkning av formningsverktyg och pressning av prototypdetaljer. Målsättningen har varit att bedriva forskningsaktiviteter och utvecklingsarbete på ett träffsäkert sätt med korta ledtider och där behovet av den manuella inprovningen kan minimeras. Formningstesten fungerar som validerande provning där global formningskraft, plåtindrag, temperatur, töjningslokalisering och återfjädring (formavvikelse) jämförs med beräknade resultat. Olika flytvillkor som tar hänsyn till materialets anisotropa egenskaper och osymmetri vid drag- och tyckbelastning för Ti-6Al-4V jämförs med ett isotropt antagande. Tonvikten läggs vid modeller och metoder som lämpar sig väl för analyser med relativt lågt temperaturområde (upp till 560 °C) tidigt i produktutvecklingsprocessen. I artikel A, genomfördes kompressionsprover på cylindriska provstavar i Ti-6Al-4V vid olika temperaturer för att studera legeringens mekaniska egenskaper och skapa experimentell referensdata som använts vid parameteridentifiering av tre olika konstitutiva ekvationer genom inversmodellering. Vid en temperatur av 500 °C visade sig ingen av de studerade konstitutiva ekvationerna beskriva flytkurvan tillfredställande. Metodiken visade sig dock fungera väl i syftet att identifiera modellparametrar. Vid senare studier visade sig den konstitutiva ekvationen utvecklad av Nemat-Nasser et al. (2001) beskriva den sanna spännings - töjningskurvan för Ti-6242. Nemat-Nasser et al. (2001) visade att ekvationen noggrant beskriver hårdnandebeteendet hos Ti-6Al-4V vid olika temperaturer och töjningshastigheter. Modellen tillämpades i FE analyser av varmformning, ett U-bockstest, i Ti-6242 med tillräcklig noggrannhet.Den experimentella studien av plåtformning av Ti-6242 presenterad i artikel B, för U-bockstest vid olika termomekaniska förhållanden visade på en ökad formbarhet och minskad återfjädring med ökande temperatur. Det visade sig dock att enbart en ökad temperatur inte nödvändigtvis innebär en minskad återfjädring.I artikel C föreslås en metodik, ett arbetssätt, för att genomföra utveckling, kompensering och tillverkning av verktyg för plåtformning av den nickelbaserade legeringen Inconel 718. Hellre än att föreslå en ny metodik bidrar arbetet till idén att det är möjligt att bedriva en träffsäker virtuellt baserad utveckling för produktion av fem olika dubbelkrökta komponenter med en mycket kort ledtid. Genom FE analyser kompenserades verktygsgeometrier för återfjädring.I artiklarna D och F tillämpas metodiken som föreslogs i artikel C gällande framtagning av varmformningskoncept för tillverkning av två olika plåtkomponenter i Ti-6Al-4V. Materialkarakteriseringen som presenteras i artikel E bidrar med experimentell data för identifiering av modellparametrar för tre olika flytvillkor. Predikterade resultat såsom stämpelkraft, plåtindrag, och formavvikelse stämmer lovande överrens med experimentella mätvärden och observationer då anisotropa flytvillkor tillämpas. Flytytans form påverkar predikteringen av återfjädring och uppkomsten av töjningslokalisering. Vissa delar av FE modellen ger uppslag för vidare utveckling. Intressanta vidare studier innefattar inkludering av modeller för fasomvandling och kryp eller spänningsrelaxation samt att inkludera töjningshastigheten för analyser av formning vid högre temperaturer. Vidare är det av intresse att vidareutveckling befintliga anisotropa flytvillkor till att fungera i termo-mekaniskt kopplade FE analyser. Syftet är att öka möjligheten för att genomföra detaljerade studier av temperaturen som en viktig processparameter för prediktering av återfjädring och töjningslokalisering.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Luleå tekniska universitet

School Location:Sweden

Source Type:Doctoral Dissertation

Keywords:Varmforming; Hot sheet metal forming

ISBN:978-91-7439-046-9

Date of Publication:01/01/2009

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.