Analysis and optimization of the forming processes in titanium alloy
Analyse et optimisation des procédés de formage de pièces en alliage de Titane
Résumé
The purpose of this study was to simulate by finite element cold and hot forming in titanium alloys. Titanium alloys have a complex microstructure and behavior that change depending on the temperature, deformation, but also the strain rate, so it is difficult to determine a behavior law reliable over a wide range of loads. The choice of a macroscopic elastic-viscoplastic temperature dependent behavior law is necessary to represent the hot-forming process in a relevant temperature range. Different behavior laws met the needs of the project, but Adinel Gavrus behavior law is the most appropriate. The results showed that the titanium alloy Ti6Al4V and Ti6242 are anisotropic at high temperature and that the plasticity of Ti6Al4V and Ti6242 can be represented using the Hill48 yield criterion. To determine the behavior but also the anisotropy of the material, the specimen must be visible during tensile tests in order to use the image correlation in order to obtain local deformation fields and thus to obtain the evolution of the coefficients of anisotropy during the test. The method of heating by the Joule effect has been used, the traction machine required multiple modifications to be electrically insulated. The heating by the Joule effect is finally an effective solution for making hot tensile test while viewing the specimen. The inverse analysis allowed using the tensile test input data to identify the different parameters of the constitutive law developed by Adinel Gavrus. On the other hand, the image correlation coupled with tensile tests allowed obtaining the values of plastic anisotropy of specific Hill48. The measurement of anisotropy coefficients highlighted the fact that the test was relevant to Hill48 modeling Ti6Al4V and to the Ti6242 at high temperature. The forming of cup and industrial parts allowed having concrete cases of forming and identifying recurring problems in the hot or cold forming of thin products. Modeling these tests was carried out on the Forge® software, the 3D image correlation have been used to compare values with the case of cup drawing with cold deformation. Nevertheless the 3D image correlation was not used on the case of hot stamping. It was therefore necessary to use a different observable. We chose the thickness distribution along different profiles of each piece. The results are very positive, highlighting the relevance of numerical simulation. Then we studied the optimization of the following forming process different angles. The manual optimization of the geometry was relevant, with a simple modification of the initial geometry of the blank, the forming process could be achieved in one pass instead of two. The sensitivity analysis of the parameters of the constitutive law has helped to highlight the importance of the coefficients of the constitutive law in addition to their impact on the minimum thickness at a drawing test. The correlation between tensile test and minimum thickness on the test stamping has not yielded the expected results, the input data used following the tensile tests were certainly not sufficient to be correlated to the minimum thickness obtained during a drawing test. Finally the study of the behavior laws of covariance parameters allowed to study in depth the surface response resulting from the inverse analysis while highlighting the impacts of local and global minima during the minimization of the cost function.
Le but de cette étude était de simuler par éléments finis la mise en forme à froid à et à chaud d'alliages de titane. Les alliages de titane ont une microstructure et un comportement complexes qui évoluent en fonction de la température, de la déformation, mais aussi de la vitesse de déformation, il est donc difficile de déterminer une loi de comportement fiable sur une large plage de sollicitations. Le choix d'une loi de comportement macroscopique élasto-viscoplastique thermodépendante est donc nécessaire pour représenter le procédé de formage à chaud dans une plage de température pertinente. Différentes lois de comportement répondaient aux besoins du projet, mais la loi de comportement d’Adinel Gavrus est la plus appropriée. Les résultats ont mis en évidence le fait que les alliages de titane TA6V et Ti6242 sont anisotropes à haute température et que l’anisotropie à chaud du TA6V et du Ti6242 peut être représentée à l’aide du critère de plasticité Hill48. Afin de déterminer le comportement mais aussi l’anisotropie du matériau, l’éprouvette doit être visible lors des essais de traction afin d’utiliser la corrélation d’image pour obtenir les champs de déformation locaux et ainsi obtenir l’évolution des coefficients d’anisotropie au cours de l’essai. Le procédé de chauffage par effet joule a été utilisé, la machine de traction a exigé de multiples modifications afin d’être isolée électriquement. Le chauffage par effet joule est finalement une solution efficace pour effectuer des essais de tractions à chaud tout en visualisant l’éprouvette. L’analyse inverse a permis d’utiliser les données d’entrée des essais de traction afin d’identifier les différents paramètres de la loi de comportement développée par Adinel Gavrus. D’autre part, la corrélation d’image couplée aux essais de traction a permis l’obtention des valeurs du critère d’anisotropie plastique de Hill48. La mesure des coefficients d’anisotropie a mis en exergue le fait que le critère de Hill48 était pertinent pour la modélisation du TA6V ainsi que du Ti6242 à haute température. La mise en forme du godet à fond plat ainsi que des pièces industrielles a permis d’avoir des cas concrets de mise en forme ainsi que d’identifier les problèmes récurrents dans la mise en forme de produits minces à chaud comme à froid. La modélisation de ces différents essais a été réalisée sous le logiciel FORGE®, la corrélation d’image 3D a pu être utilisée sur le cas de l’emboutissage à froid de godet à fond plat afin de comparer les valeurs de déformation. Néanmoins la corrélation d’image 3D n’est pas utilisable sur les cas d’emboutissage à chaud. Il a donc fallu utiliser un autre observable. Nous avons choisi pour cela la distribution d’épaisseur le long de différents profils de chaque pièce. Les résultats obtenus sont très positifs mettant en avant la pertinence de la simulation numérique. Nous avons ensuite étudié l’optimisation des processus de formage suivant différents angles. L’optimisation manuelle de la géométrie fut pertinente, à l’aide d’une modification simple de la géométrie initiale du flan, le procédé de formage a pu être réalisé en une passe au lieu de deux. L’analyse de sensibilité des paramètres de la loi de comportement a permis de mettre en avant l’importance des coefficients de la loi de comportement en plus de leurs impacts sur l’épaisseur minimale lors d’un essai d’emboutissage. La corrélation entre essai de traction et épaisseur minimale sur l’essai d’emboutissage n’a pas donné les résultats escomptés, les données d’entrée utilisées suite aux essais de traction n’étaient certainement pas suffisantes pour être corrélées à l’épaisseur minimale obtenue au cours d’un essai d’emboutissage. Enfin l’étude de la covariance des paramètres des lois de comportement a permis d’étudier en profondeur les surfaces de réponses issues de l’analyse inverse tout en mettant en évidence les impacts des minimums locaux et globaux lors de la minimisation de la fonction coût.
Origine : Version validée par le jury (STAR)