Widok Analiza numeryczna procesu walcowania poprzeczno-klinowego odkuwek drążonych ze stopu tytanu Ti6Al4V

Prof. dr hab. inż. Zbigniew PATER, dr inż. Janusz TOMCZAK

Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Lublin

Analiza numeryczna procesu walcowania

poprzeczno-klinowego odkuwek drążonych

ze stopu tytanu Ti6Al4V

A numerical analysis of cross-wedge rolling

of Ti6Al4V titanium alloy hollow parts

Streszczenie

W artykule przedstawiono wybrane wyniki analiz numerycznych procesu walcowania poprzeczno-klinowego (WPK) wałków drążonych ze stopu tytanu w gatunku Ti6Al4V. Obliczenia wykonano metodą elementów skoń-czonych w warunkach przestrzennego stanu odkształcenia, przy uwzględnieniu zjawisk cieplnych zachodzących podczas kształtowania. W szczególności badano progresje kształtu odkuwki w trakcie walcowania, zmiany gru-bości ścianki wyrobów walcowanych oraz rozkłady siły walcowania. Rezultaty analizy wskazują na przydat-ność procesu WPK do kształtowania osiowo-symetrycznych wyrobów drążonych ze stopu tytanu Ti6Al4V.

Abstract

The article presents selected numerical analysis results of cross-wedge rolling (CWR) of Ti6Al4V titanium alloy hollow shafts. The calculations have been made with the finite element method in a three-dimensional state of strain, with thermal phenomena which occur during the forming process taken into account. The research work has been specifically focused on the following problems of the rolling process: shape changes of the work-piece, changes in wall thickness of the rolled products and the rolling force distribution. The obtained analysis results prove the suitability of applying the CWR process to produce axially symmetric hollow parts made of the Ti6Al4V alloy.

Słowa kluczowe: walcowanie poprzeczno-klinowe, elementy drążone, MES, stop Ti6Al4V

Key words: cross-wedge rolling, hollow parts, FEM, Ti6Al4V alloy

1. WPROWADZENIE

Stopy tytanu charakteryzuje korzystny stosunek wytrzymałości do ciężaru właściwe-go. Dzięki temu są szeroko stosowane w prze-myśle lotniczym. Ich użycie prowadzi do zmniejszenia masy statków powietrznych, co przekłada się bezpośrednio na zwiększenie ich udźwigu, zmniejszenie zużycia paliwa, a w konsekwencji zmniejszenie emisji zanie-czyszczeń. Masę statków powietrznych można zmniejszyć także zastępując części pełne czę-ściami drążonymi. Dlatego prowadzone są pra-ce badawcze nowych technologii kształtowania elementów drążonych, obejmujących wałki i osie drążone.

1. INTRODUCTION

One characteristic advantage of titanium alloys is their high strength-to-weight ratio, which makes them widely used in the aero-space industry. Owing to their use, aircraft weight is reduced, the direct consequence of which is higher aircraft lift capacity, lower fuel consumption, and, consequently, lower air pollution emissions. The aircraft weight can also be reduced by substituting solid parts with their hollow counterparts. For that reason, research work into new technologies of pro-ducing such hollow parts as shafts and tubular axles has been conducted.

Wyroby tego typu mogą być wytwarzane m.in. nowoczesną metodą walcowania po-przeczno-klinowego - WPK, rozwijaną w Poli-technice Lubelskiej od około 20 lat. Obecnie technologia ta jest wykorzystywana głównie do kształtowania na gorąco odkuwek stopniowa-nych osi i wałków lub przedkuwek ze stali (ku-tych następnie na prasach kuźniczych).

W ostatnich latach wykonano szereg prac badawczych [1-6], w zakresie kształtowania metodą WPK stalowych wałków drążonych. W efekcie tych prac stwierdzono, że:

• metodą WPK można kształtować osiowo-symetryczne odkuwki drążone z dokładno-ścią porównywalną do uzyskiwanej w pro-cesach WPK z wsadu pełnego;

• stabilność procesu WPK odkuwek drążo-nych może być zakłócona przez niekontro-lowany poślizg (zgniecenie), przewężenie (zerwanie) walcowanego stopnia oraz zde-formowanie powierzchni wewnętrznej od-kuwki;

• w metodzie walcowania klinami płaskimi - WPK odkuwek drążonych występuje więk-sza owalizacja przekroju poprzecznego, w porównaniu do procesów walcowania z wsadu pełnego. Celem usunięcia owaliza-cji zaleca się, aby strefa kalibrowania narzę-dzi była wydłużona i zapewniała wykonanie przez odkuwkę 3÷3,5 obrotu w fazie kali-browania;

• stosowanie do kształtowania wyrobów drą-żonych trzech walców jest w pełni uzasad-nione. Proces taki charakteryzuje lepsza sta-bilność oraz dokładność wymiarowa od-kuwki w stosunku do otrzymywanej w dwu-narzędziowych metodach WPK.

Jak dotychczas nie podejmowano prób kształtowania metodą WPK elementów drążo-nych, wykonywanych ze stopów tytanu. W związku z tym uzasadnione jest wykonywa-nie prac badawczych w tym zakresie. W pierw-szym etapie tych prac zastosowano modelowa-nie numeryczne, które w sposób znaczący po-zwala zmniejszyć koszty badań. W artykule przedstawiono wybrane wyniki takiej analizy, wykonanej przy założeniu, że odkuwki drążone kształtowane są ze stopu tytanu w gatunku Ti6Al4V. Jest to stop najpopularniejszy, bo-wiem około 70% wyrobów ze stopu tytanu wytwarzanych jest z tego materiału.

One method of producing such elements is a modern method of cross-wedge rolling (CWR), which has been developed at Lublin University of Technology for about twenty years. At present the method is mainly used for hot forming of stepped axles and shafts as well as steel preforms (which are then forged on forging presses).

In recent years, a number of research work has been made [1-6] in the field of using the CWR method to form steel hollow shafts. The research results have proved the follo-wing:

• the CWR method can be used to form

axially symmetric hollow parts with preci-sion comparable to that obtained in CWR of solid parts;

• the stability of the CWR process for hollow

parts can be disturbed by uncontrolled slip-ping (crushing), necking (breaking) of the rolled step, and inner surface defor-mation of the rolled element;

• an increased cross-sectional ovalisation

occurs in flat CWR of hollow parts, com-paring to the rolling of solid parts. To re-move the ovalisation, the sizing zone of the tools should be elongated to a value ensuring 3 - 3.5 rotations of the workpiece in the sizing phase;

• using the three-roller method in forming

hollow products is fully justified. This method is characterized by better stability and dimensional accuracy of the hollow part, comparing to the part produced in the CWR process with two rolls.

Until now, no attempts have been made to apply the CWR method to form hollow ele-ments made of titanium alloys. Research work in this field has therefore been justified. The first phase of the conducted research has been based on numerical modeling which helps reduce research costs considerably. The article presents selected results of the research which has been conducted on the assumption that hollow parts are made of the Ti6Al4V alloy. This titanium alloy is very popular as almost 70% of all titanium alloy products are made of it.

Ponadto, stop ma dobre własności plastyczne i nadaje się do kształtowania metodami obróbki plastycznej.

2. ANALIZA NUMERYCZNA

W ramach analizy rozważano proces kształtowania elementu drążonego. Model pro-cesu pokazano na schemacie na rys. 1.

W obliczeniach zakładano stałą średnicę zewnętrzną wsadu d0 = 30 mm. Za zmienne w trakcie obliczeń przyjmowano średnicę we-wnętrzną wsadu dw(w zakresie 10 do 20 mm, z krokiem o 5 mm) oraz stopień gniotu:

δ = d0/d gdzie:

d - średnica stopnia wyrobu walcowanego.

Rozważano przy tym użycie dwóch klinów (typowego i zmodyfikowanego) pokazanych na rys. 2. Oba kliny charakteryzowane były takimi samymi kątami rozwarcia klina β = 6° oraz kształtowania α = 30°, których stosowanie przynosiło najlepsze rezultaty w procesach WPK stalowych odkuwek drążonych [1].

Additionally, the alloy has good plastic proper-ties and can thus be used in metal forming.

2. NUMERICAL ANALYSIS

The analysis has focused on the forming process for a hollow element. The process is schematically illustrated in Fig.1.

In the calculations, a constant blank exter-nal diameter has been taken: d0 = 30 mm.

The variables taken in the calculations have included the blank internal diameter (in the range 10 to 20 mm, with a step of 5 mm) and the deformation ratio defined as:

δ

where: d – diameter of the rolled step.

As illustrated in Fig. 2, the application of two wedges (conventional and modified) has been taken into account. Both wedges have a flare angle of

β

°

α

°

Rys. 1. Opracowany model geometryczny procesu WPK, uwzględniający symetrię kształtowania Fig. 1. Developed geometrical model of the CWR process, with assumed process symmetry

6° 6° 6° 30° 30° R10 R10 60 164,8 50 238,1 149,7 Klin typowy Klin zmodyfikowany 42 ,3 42 ,3 10 10 Strefa wcinania 236,4 166,3

Strefa wcinania Strefa ksztaltowania Strefa

kalibrowania

Strefa prowadzenia

Strefa ksztaltowania Strefa kalibrowania

Rys. 2. Parametry narzędzi klinowych wykorzystanych w analizie numerycznej Fig. 2. Parameters of the wedge tools used for the numerical analysis

Zgodnie z sugestiami zawartymi w pracach [5-6] klin zmodyfikowany miał 2,5-krotnie wydłużoną strefę kalibrowania w stosunku do klina typowego oraz wyposażony był w dodat-kową strefę prowadzenia o długości 50 mm. Pozostałe parametry przyjmowane w oblicze-niach były następujące:

- temperatura wsadu T = 950 °C, - temperatura narzędzi 150 °C,

- współczynnik wymiany ciepła między mate-riałem a narzędziami 15 kW/m2 K,

- prędkość przemieszczania klinów v = 0,125 m/s,

- czynnik tarcia m = 1,0.

Model materiałowy stopu Ti6Al4V przyję-to z biblioteki zasprzyję-tosowanego programu kom-puterowego DEFORM-3D. Celem skrócenia czasu obliczeń wykorzystano symetrię procesu (zgodnie z rys. 1), który zaprojektowano tak, by możliwa była jego realizacja w warunkach laboratoryjnych Politechniki Lubelskiej.

Na rys. 3 pokazano zmiany kształtu od-kuwki wałka drążonego w jednym z analizo-wanych przypadków WPK. Można stwierdzić, że kliny wciskają się we wsad wprawiając go w ruch obrotowy i kształtując przewężenie. Powstająca owalizacja przekroju poprzecznego odkuwki jest następnie skutecznie usuwana w wyniku oddziaływania powierzchni kalibru-jących narzędzi. W konsekwencji zmniejsza się pole powierzchni kontaktu materiał-narzędzie, które pod koniec procesu ograniczone jest wy-łącznie do bocznej powierzchni klina.

In accordance with suggestions put for-ward in works [5-6], the sizing zone of the modified wedge is 2.5 times longer when compared to that of the conventional wedge, and the modified wedge has an additional guiding zone of 50 mm. Other parameters taken for the calculations have included: - blank temperature T = 950

°

- tool temperature 150

°

- material-tool heat exchange factor 15 kW/m2 K,

- wedge velocity v = 0.125 m/s, - friction factor m = 1.0.

The Ti6Al4V alloy material model has been taken from the DEFORM-3D material database. To reduce the calculation time, pro-cess symmetry has been assumed (according to Fig. 1), and its design has been elaborated in such a way as to make its implementation feasible under laboratory conditions at Lublin University of Technology.

Fig. 3 shows hollow shaft shape changes in one of the analysed CWR operations. As seen in the figure, the wedges drive into the blank, make it rotate, and form a necking. The generated cross-sectional ovalisation of the blank is then efficiently removed due to the impact of the tool sizing surfaces. In ef-fect, the material-tool contact area is de-creased, and at the end of the operation this contact area is limited to the lateral surface of the wedge only.

Rys. 3. Progresja kształtu wyrobu, z zaznaczonym polem kontaktu materiał-narzędzie, w procesie WPK przy: δ = 1,66; dw = 15 mm

Fig. 3. Workpiece shape progression, with the material-tool contact area indicated, in CWR processes at: δ = 1.66, dw = 15 mm

W efekcie wykonanych obliczeń stwier-dzono, że rodzaj zastosowanego narzędzia (rys. 2) nie miał istotnego wpływu na możliwość wystąpienia zakłóceń (poślizg, przewężenie) przebiegu procesu walcowania. Kształt narzę-dzia miał jednak wpływ na rozkład sił kształ-towania, z których jeden pokazano na rys. 4.

W procesie WPK z klinem typowym, siła rośnie w strefie wcinania klina, następnie stabi-lizuje się w strefie kształtowania i ostatecznie maleje podczas kalibrowania. Zastosowanie klina zmodyfikowanego ze zwiększoną strefą prowadzenia powoduje wyraźne zmniejszenie siły w tej strefie kształtowania, która jednak w dalszych etapach procesu ponownie wzrasta i ostatecznie przyjmuje wartości nieco większe niż podczas kształtowania klinem typowym.

Rodzaj zastosowanego narzędzia znalazł również odzwierciedlenie w uzyskiwanych grubościach ścianek elementów drążonych, z których niektóre pokazano na rys. 5. W przy-padku klina typowego grubość ścianki w ob-szarze walcowanego stopnia była bardziej rów-nomierna od uzyskiwanej podczas kształtowa-nia klinem zmodyfikowanym. W fazie prowa-dzenia na obwodzie wyrobu kształtowany był równomierny rowek w kształcie litery V, uła-twiający rozprowadzenie objętości metalu na boki i w konsekwencji prowadzący do więk-szego pocienienia ścianki.

As a result of the calculations made, it has been observed that the type of the tool used (Fig. 2) has no significant impact on the occur-rence of potential interfeoccur-rences (slipping, ne-cking) in the rolling process. The tool shape has however impact on forming force distribu-tions, one of which is shown in Fig. 4.

In the CWR process based on the conven-tional wedge, the force increases in the wedge cutting zone, stabilizes in the forming zone and, finally, decreases during sizing. When the modified wedge with an elongated guiding zone is used, the force decreases in the for-ming zone, it then increases in the subsequent phases of the process again, and, finally, it takes the values which are somewhat higher than in the case of the forming process based on the conventional wedge.

The type of the tool used also affects wall thickness of hollow elements, which is illus-trated in Fig. 5. In the case of the conventional wedge, the wall thickness in the rolled step zone is more uniform than it is in the case of the rolling process done with the modified wedge. In the guiding phase, a V-shaped groove is uniformly formed on the rolled prod-uct perimeter, which facilitates material distri-bution to the sides and, consequently, leads to increased wall darkening.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Czas, s 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 S iła s ty c z n a , N Klin typowy Klin zmodyfikowany

Rys. 4. Rozkłady siły stycznej (wciskającej klin) w procesach WPK realizowanych przy: δ = 1,5 oraz dw = 15 mm Fig. 4. Distribution of the tangential force (acting on the wedge) in CWR processes at: δ = 1.5, dw = 15 mm

Rys. 5. Przekroje osiowe odkuwek drążonych otrzymanych metodą WPK z wsadów o dw = 15 mm Fig. 5. Axial sections of hollow parts formed in CWR at: dw = 15 mm

Cechą charakterystyczną procesu WPK elementów drążonych jest pocienienie ścianki wsadu, następujące w efekcie przemieszczenia znacznych objętości metalu z kierunku osio-wym. Zwiększeniu pocienienia sprzyja stoso-wanie wsadów o większej grubości ścianki (dla

dw = 10 mm pocienienie wyniosło 24%, a dla

dw = 15 mm tylko 16,4% - WPK przy: δ = 1,5; α = 30° i β = 6°) oraz stosowanie większych stopni gniotu (dla δ = 1,87 pocienienie wynio-sło 27,2%, dla δ = 1,66 i 1,50 było równe od-powiednio 16,4% i 9,5% - WPK przy: dw = 15 mm; α = 30° i β = 6°).

Na rys. 6 przedstawiono widok odkuwek drążonych otrzymanych z wsadów o różnej średnicy wewnętrznej dw z zaznaczonym roz-kładem temperatur. Pomimo szeregu zmian parametrów WPK, nie udało się w symulacji numerycznej otrzymać prawidłowego wyrobu przy kształtowaniu z wsadu o dw = 20 mm. Za każdym razem podczas kształtowania wy-stępowała nadmierna owalizacja, która w kon-sekwencji prowadziła do niekontrolowanego poślizgu. Odnośnie wartości temperatury mate-riału po kształtowaniu stwierdzono, że była ona większa od 900°C. Zatem w procesie walco-wania nie powinno dochodzić do niepożądanej przemiany fazowej beta, zachodzącej w tempe-raturze 882°C.

Wall darkening is a characteristic feature of CWR forming of hollow elements and it occurs when considerable amounts of mate-rial move in an axial direction. Wall darkening increases when more thick-walled blanks are used (for dw = 10 mm darkening is 24%, while

for dw = 15 mm it is only 16.4% - CWR at:

δ

α

°

β

°

δ

δ

α

°

β

°

Fig. 6 illustrates hollow parts obtained from blanks of differing internal diameter dw

and their temperature distribution. Despite a number of changes in the CWR process pa-rameters, a correct product formed from the blank whose dw = 20 mm cannot be

ob-tained from the numerical simulation. Every time it is formed, an excessive ovalisation occurs, which consequently leads to uncon-trolled slipping. After the forming process, it has also been observed that the material tem-perature has exceeded 900

°

°

Rys. 6. Odkuwki otrzymane z wsadów o różnej średnicy wewnętrznej dw, z zaznaczonym rozkładem temperatury Fig. 6. Elements obtained from blanks of a differing diameter dw and their temperature distribution

W przypadku walcowania wyrobów z wsadów o cienkiej ściance (dw = 20 mm) na-leży zastosować metodę trójwalcową. Wów-czas ze względu na jednoczesne oddziaływanie trzech narzędzi (rozmieszczonych co 120°), zmniejsza się owalizacja przekroju poprzecz-nego, który ostatecznie przyjmuje pożądany kształt kołowy. Przebieg takiego procesu wal-cowania (realizowanego przy δ = 1,5; β = 7° i α = 30°) pokazano na rys. 7. W tym przy-padku nie zaobserwowano pocienienia ścianki, której grubość po walcowaniu w przybliżeniu była równa grubości wsadu.

When rolling thin-walled blanks (dw =

20 mm), the three-roller method should be em-ployed. The simultaneous impact of three tools (located at every 120

°

δ

β

°

α

°

Rys. 7. Przebieg procesu walcowania trzema walcami realizowany przy: δ = 1,5, β=7°, α = 30° oraz dw = 20 mm Fig. 7. Scheme of the rolling process with three rolls at: δ = 1.5, β=7°, α = 30°, dw = 20 mm

3. WNIOSKI

Na podstawie wykonanej analizy nume-rycznej stwierdzono, że:

• możliwe jest kształtowanie metodą walco-wania poprzeczno-klinowego elementów drążonych, wykonywanych ze stopu tytanu w gatunku Ti6Al4V;

• do kształtowania elementów z wsadów o małych grubościach ścianek należy sto-sować metodę trójwalcową;

• elementy walcowane w obszarze ukształ-towanego stopnia odkuwki mają pocienioną ściankę (pocienienie rośnie wraz ze zwięk-szeniem grubości ścianki wsadu oraz stop-nia gniotu δ);

• zastosowanie klinów ze strefą prowadzenia (rys. 2) jest nieuzasadnione, gdyż zwiększa długość narzędzi i przyczynia się do wzro-stu nierównomierności grubości ścianki kształtowanego stopnia.

Badania realizowane były w ramach Projektu Nr POIG.0101.02-00-015/08 „Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemy-śle lotniczym”, w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

3. CONCLUSIONS

On the basis of the conducted numerical analysis the following have been observed:

• it is possible to form Ti6Al4V alloy hollow

parts in cross wedge rolling;

• the three-roller method should be used

to form elements made out of thin-walled blanks;

• elements rolled in the area of the formed

step undergo wall darkening (the darkening increases as the walls of the blank get thicker and the deformation ratio

δ

• the use of wedges with a guiding zone

(Fig. 2) is unjustified, as it increases the tool length and makes the wall thickness of the rolled step non-uniform.

The research work has been made as part of project no. POIG.0101.02-00-015/08 titled “Modern material technologies used in the aerospace industry” under the Innova-tive Economy Operational Programme (IEOP). The research project has been co-financed by the European Union from the European Regional Development Fund.

LITERATURA/REFERENCES

[1] Bartnicki J., Pater Z.: Walcowanie poprzeczno-klinowe wyrobów drążonych. Lublin: Wyd. Politechniki Lubel-skiej 2005.

[2] Glaβ R., Hahn F., Kolbe M., Meyer L.W.: Process of partial bulk metal-forming – aspects of technology and FEM simulation. Journal of Materials Processing Technology 1998 vol. 80-81 s. 174-178.

[3] Neugebauer R., Kolbe M., Glaβ R., Hoffmann M.: Optimisation of processing routes for cross rolling and spin extrusion, Journal of Materials Processing Technology 2002 vol. 125-126, s. 856-862.

[4] Neugebauer R., Kolbe M., Glaβ R.: New warm forming processes to produce hollow shafts, Journal of Materials Processing Technology 2001 vol. 119, s. 277-282.

[5] Urankar S., Lovell M., Morrow C., Li Q., Kawada K.: Development of critical friction model for cross wedge rolling hollow shafts. Journal of Materials Processing Technology 2006 vol. 177, s. 539-544.

[6] Urankar S., Lovell M., Morrow C., Li Q., Kawada K.: Establishment of failure conditions for the cross-wedge rolling of hollow shafts. Journal of Materials Processing Technology 2006 vol. 177, s. 545-549.