Plastyczne kształtowanie obrzeży otworów kołnierzowych w blachach tytanowych z wykorzystaniem termicznego efektu tarcia

Odkształcalność tytanu i jego stopów w temperaturze otoczenia jest ograniczona, wymaga stosowania bardzo dużych nacisków oraz powoduje znaczne sprężynowanie wyrobów. Powszechnie stosowana jest zatem przeróbka plastyczna na gorąco stopów tytanu, wymagająca nagrzewania materiału do wysokich temperatur (od 870 do 950oC). Możliwa jest także przeróbka plastyczna w podwyższonych temperaturach, która powoduje znaczne obniżenie granicy plastyczności i poprawę odkształcalności. Podgrzewanie może być realizowane różnymi metodami, np. elektrycznymi, ogniowymi, laserem i innymi. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych kształtowania obrzeży otworów kołnierzowych, będących istotnym elementem geometrycznym części konstrukcji, w tym lotniczych. Zastosowano innowacyjne rozwiązanie podwyższenia temperatury materiału przez tarciowe grzanie obszaru kołnierza. Narzędzie stanowi wirujący stempel o stożkowej powierzchni roboczej, który trąc o powierzchnię krawędziową otworu, generuje ciepło powodujące podwyższenie temperatury materiału i jednocześnie powoduje przetłaczanie blachy w kołnierz w otworze matrycy. Taki sposób nagrzewania materiału nie wymaga stosowania dodatkowego oprzyrządowania, jest ekonomicznie uzasadniony i przyjazny środowisku. Dobór optymalnych parametrów procesu jest jednak trudny, gdyż ilość wydzielającego się ciepła zależy od wielu czynników takich jak powierzchnia tarcia, warunki tarcia, prędkość narzędzi oraz właściwości materiału. Badania przeprowadzono na uniwersalnej frezarce pionowej zmieniając prędkość obrotową stempla i posuw stołu frezarki. Stwierdzono, że stopy tytanu (w gat. Grade 2 i Grade 5) wymagają małych prędkości, gdyż zbyt duże prędkości (obrotowa stempla i posuwu stołu) powodują przegrzewanie materiału, jego pękanie i nalepianie się na stempel. Dla założonych wymiarów otworu i kołnierza określono optymalne warunki realizacji procesu kształtowania.

Deformability of titanium and its alloys in ambient temperature is restricted, needs applying of high pressure and causes considerable spring-back of products. Hot working of titanium alloys is commonly used, what means heating to high temperatures (870–950oC). Hot-cold working in heighten temperatures is applied too, because it causes reducing of yield stress and increasing of deformability. The heating can be realized by different methods, e.g. by electrical, firing, laser and other methods. The work presents the results of initial experiments of plastic forming of hole flange rims which are essential geometrical element of mechanical constructions including aviation. The innovative solution of friction heating of flange region was applied to increase of material temperature. The rotating punch was applied as a tool, which rubbing to rim surface of a hole in a sheet, generated heat and drew sheet into the flange on a die hole. Such heating manner do not require additional device, is economically motivated and environmentally friendly. The choice of process optimal parameters is difficult because the quantity of heat emission depends on many factors (mainly to friction surface size, friction conditions, speed of tools, material properties and others. The tests were realized on vertical milling machine with changing punch rotating speed and milling table feed. It was affirmed that forming of titanium alloys by this manner needs low speeds; too big speeds (rotating of punch and table feed) caused overheating of the material, its cracking and sticking to the punch. The optimal conditions of the forming process were determined for assumed dimensions of a hole and a flange.