Kształtowanie profili cienkościennych wspomagane laserowo

• Autorzy: Widłaszewski J. , Nowak Z. , Nowak M. , Kurp P.

Warianty tytułu

EN

Laser-assisted forming of thin-walled profiles

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W ostatnich latach badane są procesy kształtowania plastycznego z wykorzystaniem lokalnego nagrzewania laserowego. Nagrzewanie ma na celu umożliwienie lub ułatwienie obróbki plastycznej materiałów, które wykazują niekorzystne właściwości, jak: kruchość, silne efekty umocnienia czy powrotnego odkształcenia sprężystego. Zaprezentowane badania dotyczą hybrydowego termo-mechanicznego kształtowania plastycznego elementów cienkościennych z użyciem lokalnego nagrzewania materiału wiązką laserową. Docelowo prace są nakierowane na formowanie elementów ze stopów wykorzystywanych w przemyśle lotniczym takich, jak nadstopy niklu Inconel 625, Inconel 718, a także wysokostopowe stale martenzytyczne AISI 410 i AISI 325. Wstępne badania przeprowadzono z użyciem stali nierdzewnej X5CrNi18-10. Prace eksperymentalne i symulacje numeryczne objęły zachowanie się płaskowników o grubości 1 mm, poddanych działaniu obciążenia mechanicznego w układzie wysięgnikowym i nagrzewanych wiązką lasera CO2, przemieszczaną od swobodnego końca próbki do miejsca jej zamocowania. Doświadczalnie wykazano możliwość stosunkowo łatwego uzyskiwania dużych deformacji giętnych dzięki zastosowaniu nagrzewania laserowego. Zweryfikowane eksperymentalnie symulacje numeryczne, które wykonano metodą elementów skończonych, ujawniły intensywne płynięcie plastyczne warstwy ogrzewanej wiązką laserową. Towarzyszyło temu przemieszczanie się osi obojętnej przekroju. W kolejnym etapie badane było gięcie rur cienkościennych na specjalnie skonstruowanym stanowisku. Umożliwia ono kontrolowane wprowadzanie obciążenia mechanicznego, ogrzewanie materiału ruchomą wiązką laserową i wymuszanie zadanej deformacji zgodnie ze schematem kinematycznym urządzenia.

EN

Forming processes assisted by localised laser heating are studied in recent years. Heating is used to make it possible or facilitate forming of materials, which exhibit such adverse properties as: brittleness, effects of high work-hardening or a high elastic spring-back. The hereby presented investigations concern the hybrid thermo-mechanical forming of thin-walled parts using local heating of the material by the laser beam. The research is aimed at forming of parts from materials used in the aviation industry, such as the nickel-base super-alloys Inconel 625, Inconel 718, and also martensitic super-alloys AISI 410 and AISI 325. Preliminary investigations are conducted using X5CrNil8-10 (1.4301) stainless steel. Experimental study and numerical simulations cover the behaviour of thin beams 1 mm thick, subjected to mechanical load in the cantilever arrangement and heated by the CO2 laser beam moving from the free end of the sample towards its fixture. The possibility of obtaining large bending deformations relatively easily due to the application of laser beam is demonstrated experimentally. Experimentally verified finite element numerical simulations show the intense plastic flow of the material layer heated by the laser beam. It is accompanied by a shift of the cross-section neutral axis of the beam. Bending of thin-walled tubes in a specially designed device is studied in the next step. It allows introducing mechanical loading in a controlled manner, heating the material by a moving laser beam and forcing the required deformation according to the kinematic scheme of the device.

Słowa kluczowe

PL

kształtowanie laserowe; metoda elementów skończonych; konstrukcja cienkościenna

EN

laser forming; finite element method; thin-walled structure

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 28, nr 3
• Strony: 183--198
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Widłaszewski J.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Adolfa Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Nowak Z.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Adolfa Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Nowak M.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Adolfa Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Kurp P.

• Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Centrum Laserowych Technologii Metali, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• [1] Duflou J.R., R. Aerens. 2006. „Force reduction in bending of thick steel plates by localized preheating”. Annals of the CIRP 55 (1): 237–240.
• [2] Gisaro A., M. Barletta, S. Venettacci, F. Veniali. 2015. „Laser-assisted bending of sharp angles with small fillet radius on stainless steel sheets: Analysis of experimental set-up and processing parameters”. Laser Manuf. Mater. Process. 2: 57–73.
• [3] Deacon D.L. 1984. Material Degradation in Heavy Steel Plates Caused by Bending with a Laser. Master’s thesis. Cambridge, USA: Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Ocean Engineering.
• [4] Scully K. 1987. „Laser line heating”. Journal of Ship Production 3 (4): 237–246.
• [5] Frąckiewicz H., Z. Mucha, W. Trąmpczyński, A. Baranowski, A. Cybulski. 1987. „Sposób gięcia przedmiotów metalowych”. Patent PL155358. Data zgłoszenia 26.11.1987.
• [6] Kumar Y., S. Kumar. 2015. Incremental Sheet Forming (ISF). W Advances in Material Forming and Joining, Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering, pod red. R.G. Narayanan, U.S. Dixit 29–46. India: Springer.
• [7] Grosman F. 2015. „Rozwój procesów narastającego kształtowania plastycznego metali”. Obróbka Plastyczna Metali 26 (1): 47–72.
• [8] Arnoldy R.F. 1947. „Method of controlling distortion, straightening distorted objects and/or altering the shape of metal objects”. United States Patent Office, Patent nr 2 428 825.
• [9] Folkersma K.G.P. 2015. Laser forming for sub-micron adjustment. With application to optical fiber assembly. Dissertation. University of Twente (15.12. 2015).
• [10] Tam A.C., C.C. Poon, L. Crawforth. 2001. „Laser bending of ceramics and application to manufacture magnetic head sliders in disk drives”. Anal. Sci. 17 (special issue): 419–421.
• [11] Okamoto Y., Y. Uno, Y. Namba. 2005. „Deformation characteristics of high density polyethylene in YAG laser forming”. W Proceedings of the IWOTE’05, 1st International Workshop on Thermal Forming, pod red. Vollertsen F., Seefeld T.: 47–54. Bremer Institute für angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS).
• [12] Vollertsen F., M. Rödle. 1994. „Model for Temperature Gradient Mechanism of Laser Bending”. W Proceedings of the 26th International CIRP Seminar on Manufacturing Systems – LANE ‘94 (Laser Assisted Net Shape Engineering), pod red. M. Geiger, F. Vollertsen, 371–378. Bamberg: Meisenbach-Verlag.
• [13] Yanjin G., S. Sheng, Z. Guoqun, L. Yiguo. 2003. „Finite element modeling of laser bending of pre-loaded sheet metals”. J. of Materials Processing Technology 142: 400–407.
• [14] Yao Z., H. Shen, Y. Shi, J. Hu. 2007. „Numerical study on laser forming of metal plates with pre-loads”. Computational Materials Science 40: 27–32.
• [15] Roohi A.H., M.H. Gollo, H.M. Naeini. 2012. „External force-assisted laser forming process for gaining high bending angles”. Journal of Manufacturing Processes 14: 269–276.
• [16] Augustyniak W., T. Burakowski, J. Giziński. 1989. Termometria przemysłowa w obróbce cieplnej stali. Poradnik. Warszawa: Instytut Mechaniki Precyzyjnej.
• [17] Chen J., B. Young. 2006. „Stress–strain curves for stainless steel at elevated temperatures”. Engineering Structures 28: 229–239.
• [18] Sędek P. 2000. Problemy naprężeń i odkształceń spawalniczych. Seria Inżynieria Materiałowa, nr 22. Warszawa: Wyd. Biuro Gamma.