Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Concepts for hot sheet metal forming of titanium alloys
Luleå University of Technology, Department of Engineering Sciences and Mathematics, Mechanics of Solid Materials.
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

To increase the competitiveness of the Swedish aero engine industry alternative manufacturing methods for load carrying aero engine structures are desired, in order to reduce product cost and enable weight reduction and thereby fuel consumption. Traditionally, these structures mainly consist of large-scaled single castings of e.g. titanium- and nickel based super alloys. By fabrication, the structures are instead built from sheet metal parts, small ingots and simple forgings which are welded together and heat treated. The alternative approach implies the need for time and cost efficient evaluations of candidate manufacturing techniques, early in the product development process. One challenge in producing complete structures within shape tolerance lies in accurate predictions of springback and compensation for shape deviation which occurs in the different processes of the manufacturing chain. Finite Element (FE) simulations are used extensively in e.g. the sheet metal stamping industry where the technology has contributed to a better understanding of chosen forming processes and where the prediction capabilities has significantly reduced the time consuming, inexact and costly die tryouts. However, the reliability of the numerical simulations depends not only on the models and methods used but also on the accuracy and applicability of the input data. The material model and related property data must be consistent with the conditions of the material in the process of interest. In addition, creating as little deviance as possible between the FE model and the experimental setup is a prerequisite for the correlation between predicted and measured values. Naturally, difficulties regarding e.g. modelling and estimations of friction arise, among others.The objective of this thesis is to suggest possible hot and cold forming concepts based on FE analyses for the production of sheet metal prototype components in the titanium alloys Ti-6Al-4V and Ti-6242 together with the nickel based super alloy Inconel 718, respectively. The research activities are focused on material characterisation, evaluation of suitable constitutive models and its calibration, virtual tool design and manufacturing of sheet metal forming tools together with production of prototype components. The aim is to perform a direct-hit research and development work in which the lead time is short and the need for the manual die tryout can be kept at a minimum. The forming tests functions as validation tests in which predicted responses of global forming force, draw-in, temperature, strain localisation and shape deviation are correlated with predicted responses. Different yield criteria which include the anisotropy and strength differential (asymmetry in yielding between tension and compression) of the titanium alloy Ti-6Al-4V are compared with an isotropic assumption. Special emphasises are made to models and methods suitable for analyses in the medium temperature range, for evaluations early in the product development process.In paper A, compression tests on Ti-6Al-4V were performed at different temperatures in order to study the mechanical behaviour and create experimental reference data for identification of material model parameters of constitutive equations. Inverse modelling was used as a method for the parameter identification, in which three different equations were studied. At a temperature of 500°C, none of the studied constitutive equations were found able to satisfactory describe the flow behaviour. However, the method was found suitable for the purpose of identifying model parameters. Later on, the physically based constitutive equation developed by Nemat-Nasser et al. (2001) was found able to describe the flow behaviour of Ti-6242 [1]. In the work by Nemat-Nasser et al. the model has been shown to be able to describe the flow behaviour of Ti-6Al-4V at different temperatures and strain rates accurately. The equation was applied in FE analyses of a hot forming test, a U-bend test, of Ti-6242. The experimental study of Ti-6242, including U-bend tests, at different thermo-mechanical conditions performed in Paper B, revealed that the formability is increased and that the springback can be decreased with increasing temperature. However, it was also found that an increased temperature alone does not necessary imply a reduced shape deviation. In paper C, a short lead time methodology for the design, compensation and manufacturing of deep drawing tools in the nickel based alloy Inconel 718 is suggested. Rather than stating a new methodology, the work contributes to the idea that it is possible to perform a virtual direct-hit development work for the production of five different double-curved components within tolerance at an extremely short lead time. Compensation for the predicted shape deviation was performed in which the tool surfaces were over compensated by means of FE analyses. In paper D and F, the short lead time methodology was applied for the development of hot forming concepts to produce two different Ti-6Al-4V sheet metal components. The material characterisation, presented in paper E, provides with experimental reference data for calibration of three different yield criteria. Predicted responses such as punch force, draw-in and shape deviation show promising agreement with experimental observations when applying anisotropic yield formulations. The shape of the yield surface was found important for the prediction of shape deviation and the occurrence of strain localisation. Some issues of the FE-model suggest areas for further development. An interesting extension to the present work would be to include models for phase transformation and creep or stress relaxation and include the effect of strain rate for sheet metal forming in the higher temperature range. Further on, it is of interest to extent anisotropic yield criteria to function in coupled thermo-mechanical analyses and to include orthotropic elasticity. This, in order to increase the possibility to perform detailed studies of the temperature as an important process parameter for the prediction of shape deviation and studies of strain localisation limits.

Abstract [sv]

Koncept för varm plåtformning av titanlegeringarFör 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.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2009. , 64 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
Keyword [en]
Hot sheet metal forming, Titanium, FE simulation, Validation, Springback, HCP, Engineering mechanics - Solid mechanics
Keyword [sv]
Varmforming, Titan, FE simulering, Validering, Återfjädring, HCP, Teknisk mekanik - Fastkroppsmekanik
National Category
Applied Mechanics
Research subject
Solid Mechanics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-25957Local ID: bded4fa0-cef1-11de-b769-000ea68e967bISBN: 978-91-7439-046-9 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-25957DiVA: diva2:999115
Note
Godkänd; 2009; 20091111 (evawes); DISPUTATION Ämnesområde: Hållfasthetslära/Solid Mechanics Opponent: Professor Roger Reed, University of Birmingham, England Ordförande: Professor Mats Oldenburg, Luleå tekniska universitet Tid: Onsdag den 16 december 2009, kl 09.00 Plats: E 243, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-30 Created: 2016-09-30 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(8248 kB)237 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 8248 kBChecksum SHA-512
47661aec40bc35383b7d556ebdcd1e935fc82969915408b80642925ba39bd2f9fac279682abbfc3a2828aea599d9289620acd5c00f212dccfc824a947a9f8ac7
Type fulltextMimetype application/pdf

Authority records BETA

Odenberger, Eva-Lis

Search in DiVA

By author/editor
Odenberger, Eva-Lis
By organisation
Mechanics of Solid Materials
Applied Mechanics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 237 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 215 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf