Ten protokół proponuje nowatorski dwuosiowy system testowy używany na jednoosiowej maszynie do prób rozciągania z ogrzewaniem oporowym w celu określenia schematu granicznego formowania (FLD) blach w warunkach tłoczenia na gorąco.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Nowatorska dwuosiowa aparatura badawcza do wyznaczania granicy formowania w warunkach tłoczenia na gorąco
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Proces tłoczenia na gorąco i hartowania na zimno jest coraz częściej stosowany do formowania skomplikowanych elementów konstrukcyjnych blach. Konwencjonalne podejścia eksperymentalne, takie jak badania poza płaszczyzną i w płaszczyźnie, nie mają zastosowania do określania granic formowania, gdy procesy ogrzewania i szybkiego chłodzenia są wprowadzane przed formowaniem w przypadku badań przeprowadzanych w warunkach tłoczenia na gorąco. Zaprojektowano nowatorski dwuosiowy system testowania w płaszczyźnie i wykorzystano go do określenia granic formowania blach przy różnych ścieżkach odkształceń, temperaturach i szybkościach odkształcania po procesach ogrzewania i chłodzenia w jednoosiowej maszynie wytrzymałościowej z ogrzewaniem. Podstawową częścią dwuosiowego systemu testowego jest aparat dwuosiowy, który przenosi jednoosiową siłę dostarczaną przez jednoosiową maszynę wytrzymałościową na siłę dwuosiową. Jeden rodzaj próbki w kształcie krzyża został zaprojektowany i zweryfikowany pod kątem testu odkształcalności stopu aluminium 6082 przy użyciu proponowanego dwuosiowego systemu testowania. System cyfrowej korelacji obrazu (DIC) z szybką kamerą został wykorzystany do wykonania pomiarów odkształceń próbki podczas deformacji. Celem zaproponowania tego dwuosiowego systemu testowania jest umożliwienie określenia granic formowania stopu w różnych temperaturach i szybkościach odkształcania w warunkach tłoczenia na gorąco.
Wprowadzenie
Przemysł motoryzacyjny stoi przed ogromnym globalnym wyzwaniem zmniejszenia zużycia paliwa i zminimalizowania zanieczyszczenia środowiska przez emisje pojazdów. Redukcja masy jest korzystna dla poprawy osiągów samochodów i może bezpośrednio zmniejszyć zużycie energii1. Ze względu na niską odkształcalność blach w temperaturze pokojowej, procesy tłoczenia na gorąco i hartowania na zimno (określane jako tłoczenie na gorąco) 2 są stosowane w celu poprawy odkształcalności stopów, a tym samym do otrzymywania elementów o skomplikowanych kształtach w zastosowaniach motoryzacyjnych.
Diagram graniczny formowania (FLD) jest użytecznym narzędziem do oceny odkształcalności stopu3. Testy poza płaszczyzną, takie jak Nakazima test4,5, oraz testy w płaszczyźnie, takie jak Marciniak test6,7,8, są konwencjonalnymi metodami eksperymentalnymi do uzyskiwania FLD blach w różnych warunkach9,10,11. Serwohydrauliczna dwuosiowa maszyna testująca została również wykorzystana do zbadania odkształcalności stopów w temperaturze pokojowej12,13.
Jednakże, żadna z powyższych metod nie ma zastosowania do testów formowalności w warunkach tłoczenia na gorąco, ponieważ wymagany jest proces chłodzenia przed formowaniem wraz z kontrolą szybkości ogrzewania i chłodzenia. Temperatura odkształcenia i szybkość odkształcania są trudne do dokładnego uzyskania. W związku z tym w niniejszym badaniu zaproponowano nowatorski system testowania odkształcalności, aby eksperymentalnie określić granice formowania blach w warunkach tłoczenia na gorąco.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie próbek
- Obrabiana jest płaska próbka kości psa i krzyża z materiału handlowego ze stopu aluminium 6082 (AA6082) za pomocą wycinarki laserowej i frezarki sterowanej numerycznie (CNC) (do testów odkształcalności na różnych ścieżkach odkształceń, w tym w stanach odkształcenia jednoosiowego, płaskiego i równoosiowego).
- Zmierz grubość każdej próbki w kształcie krzyża i każdej próbki kości psa za pomocą suwmiarki z noniuszem trzy razy w centralnym obszarze skrajni i oblicz średnie wartości. Upewnij się, że grubość przekroju miernika w próbce krzyżowej wynosi 0.7 ± 0.05 mm, a grubość próbki jednoosiowej wynosi 1.5 ± 0.1 mm.
- Pomaluj w sprayu całą górną powierzchnię próbki w kształcie krzyża za pomocą ognioodpornej, czarnej farby w sprayu (wytrzymującej temperatury do 1,093 °C). Poczekaj, aż farba wyschnie, a następnie spryskaj ognioodporne, białe kropki farby na odległość ramienia, aby utworzyć stochastyczny wzór natryskiwania, który zostanie rozpoznany przez system DIC (patrz przykład na rysunku 1).
- Przyspawaj parę termopar do środka tylnej powierzchni (przeciwnej do pomalowanej powierzchni) próbki. Podłącz drugi koniec termopary do systemu kontroli temperatury ze sprzężeniem zwrotnym jednoosiowej maszyny wytrzymałościowej, aby monitorować i kontrolować historię zmian temperatury.
2. Montaż dwuosiowej aparatury badawczej
- Zmontuj wszystkie części dwuosiowej aparatury testowej, w tym płytę podstawy, wał centralny, obrotowe płyty wejściowe i wyjściowe, wózki, zacisk, szyny prowadzące i sztywne korbowody (zmontowaną aparaturę pokazano na rysunku 2).
- Za pomocą korbowodu połącz wejściową obrotową płytę bezpośrednio z ruchomą szczęką jednoosiowej maszyny do prób rozciągania z ogrzewaniem oporowym, która zapewnia jednoosiową siłę rozciągającą. Sprzęgnij wejściową obrotową płytę z centralnym wałem napędowym i sprzęgnij ten centralny wał napędowy z wyjściową płytą obrotową.
- Upewnij się, że obrót wejściowej płyty obrotowej wokół osi obrotu obraca wał napędowy, obracając w ten sposób wyjściową obrotową płytę, z którą jest sprzężona, wokół osi obrotu.
- Na jednym końcu połącz każdy ze sztywnych korbowodów z jednym z punktów połączeń na wyjściowej obrotowej płycie. Sprzęgnij drugi koniec z jednym z wagonów.
UWAGA: Spowoduje to, że wózki z uchwytami na próbki będą przesuwać się do przodu iz powrotem po szynach prowadzących przy niskim tarciu, co może przyłożyć siłę dwuosiową do próbki w kształcie krzyża. - Za pomocą śrubowych clamp każde ramię próbki w kształcie krzyża do wózka z uchwytem próbki i górną płytą.
- Ustawić uchwyty w komorze jednoosiowej maszyny do prób rozciągania, jak pokazano na rysunku 3 (a). Do każdej pary uchwytów należy przymocować cztery spawalnicze, które są wykonane odpowiednio ze stali nierdzewnej i miedzi, a tym samym podłączyć spawalnicze do źródła zasilania.
UWAGA: Powierzchnia żyły przewodów spawalniczych wynosi 50 mm2, a prąd znamionowy wynosi 345 A.- Umieścić uchwyty i zacisk dwuosiowej aparatury badawczej w dwóch szczękach jednoosiowej maszyny do prób rozciągania i dokręcić je wewnątrz (Rysunek 3 (a)).
- Ustawić dwuosiową aparaturę badawczą w komorze jednoosiowej maszyny do prób rozciągania, jak pokazano na rysunku 3 (b).
- Użyj dwóch ramek i śrubowych na górnej i dolnej stronie płyty podstawy, aby zamocować aparaturę w komorze jednoosiowej maszyny do prób rozciągania.
- Umieścić próbkę w uchwycie na próbkę na górze dwuosiowej aparatury badawczej.
- Podłącz każdy zacisk spawalniczych do każdego obszaru zaciskania próbki.
3. Konfiguracja systemu ogrzewania i hartowania
- Ściśle połącz każdy obszar zaciskowy próbki z górną płytą ze stali nierdzewnej, która służy jako elektroda do ogrzewania rezystancyjnego.
- Dokręcić spawalnicze z końcówkami z pierścieniem zaciskanym do górnej płyty każdego obszaru zaciskowego.
- Podłączyć dysze kielichowe z wężami do systemu hartowania o wysokim przepływie z regulowanym dopływem powietrza pod ciśnieniem 8 000 kg/m2 w celu chłodzenia.
- Użyj czterech dysz, aby wydmuchiwać powietrze z ramion próbki do centralnej części próbki.
UWAGA: Dysze nie są skierowane na sekcję manometru w celu chłodzenia, aby uniknąć zasłaniania strefy środkowej z view kamery.
4. Konfiguracja systemu DIC
- Podłącz szybką kamerę systemu DIC z mikroobiektywem do komputera. Dostosuj liczbę klatek na sekundę w kamerze na 25 kl./s, 50 kl./s i 500 kl./s z menu szybkości klatek (dla testów przy szybkościach odkształcania rozciągającego odpowiednio 0,01/s, 0,1/s i 1/s). Ustaw rozdzielczość wszystkich obrazów na 1 280×1 024 pikseli.
UWAGA: Liczba klatek na sekundę zależy od liczby punktów danych do zebrania; Przy użyciu powyższych ustawień można zebrać co najmniej 200 punktów danych. - Użyj dodatkowego reflektora o mocy 300 W do testów przy dużych prędkościach odkształcania. Skieruj reflektor bezpośrednio na komorę jednoosiowej maszyny do prób rozciągania.
- Wyreguluj obiektyw aparatu tak, aby był równoległy do górnej powierzchni próbki w komorze i ustaw ostrość kamerę na sekcji miernika.
5. Program eksperymentalny
- Uruchom jednoosiową maszynę do prób rozciągania z ogrzewaniem oporowym, klikając trójkątny przycisk uruchamiania w oprogramowaniu sterującym.
UWAGA: Energia elektryczna przepływa przez materiał AA6082 i podgrzewa go do temperatury obróbki cieplnej w roztworze 535 °C14 przy szybkości ogrzewania 30 °C/s. Materiał moczy się w temperaturze 535 °C przez 1 minutę, co wystarcza do uzyskania pełnej rozdzielczości osadów. Powietrze nadmuchiwane z systemu hartowania służy do hartowania materiału z szybkością chłodzenia 100 °C/s15 do jednej z 3 wyznaczonych podwyższonych temperatur w zakresie 370-510 °C. - Rozciągnąć próbkę za pomocą dwuosiowej aparatury badawczej ze stałą szybkością odkształcania w zakresie 0,01-1/s i zapisać historię odkształceń, ręcznie naciskając przycisk spustowy podłączony do szybkiej kamery.
UWAGA: Przemieszczenie wejściowe z jednoosiowej maszyny wytrzymałościowej do dwuosiowej aparatury testującej było kontrolowane przez wbudowane oprogramowanie jednoosiowej maszyny wytrzymałościowej. - Wykonaj testy na różnych ścieżkach odkształceń składających się ze stanów odkształcenia jednoosiowego, płaskiego i dwuosiowego3, dostosowując konfigurację dwuosiowej aparatury testowej.
- Odłączyć dwa przeciwstawne korbowody do testów jednoosiowych. Zacisnąć próbkę kości psa na dwuosiowym przyrządzie badawczym i podłączyć ją do spawalniczych, jak w krokach 3.1-3.4. Powtórz kroki 5.1-5.2.
- Przymocuj dwa przeciwległe wózki do płyty podstawy za pomocą śrubowych, aby ograniczyć odkształcenie w odpowiednim kierunku do testowania w stanie odkształcenia płaskiego. Zacisnąć próbkę w kształcie krzyża na dwuosiowym aparacie badawczym i podłączyć ją do spawalniczych, jak w krokach 3.1-3.4. Powtórz kroki 5.1-5.2.
- Powtórzyć kroki 5.3.1-5.3.2 dla każdego warunku badania trzy razy, używając nowych próbek z kości psa i krzyża.
6. Przetwarzanie danych
- Zaimportuj wszystkie obrazy zarejestrowane przez szybką kamerę do oprogramowania do przetwarzania końcowego i postępuj zgodnie ze standardowymi krokami analizy danych zgodnie z instrukcją oprogramowania.
- Użyj standardu ISO3, aby określić granice formowania, klikając przycisk Tryb FLC w oprogramowaniu.
UWAGA: Ta metoda została już zintegrowana z oprogramowaniem do przetwarzania korelacji obrazów. - Zaznacz na diagramie każdy wynik granic formowania w różnych temperaturach, szybkościach odkształcania i ścieżkach odkształceń.
- Wykreślić krzywe graniczne formowania we wszystkich warunkach testowych, aby uzyskać FLD stopu w warunkach tłoczenia na gorąco.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Ponieważ FLD są silnie zależne od ścieżki odkształcenia, liniowość ścieżki odkształcenia dla każdego warunku testowego została zweryfikowana poprzez analizę wyników DIC; ścieżki odkształcenia są proporcjonalne przez cały proces deformacji dla każdego warunku testowego. Zakres stosunku odkształcenia mniejszego do większego wynosi w przybliżeniu od -0,37 (warunki jednoosiowe) do 0,26 (warunki zbliżone do dwuosiowych). Poprzez przetworzenie danych dla różnych stanów stopu AA6082 określono da...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Konwencjonalne metody badania odkształcalności stosowane do określania granic formowania mają zwykle zastosowanie tylko w temperaturze pokojowej. Przedstawiona technika może być wykorzystana do oceny odkształcalności metali do zastosowań związanych z tłoczeniem na gorąco poprzez wprowadzenie nowatorskiej dwuosiowej aparatury badawczej do jednoosiowej maszyny wytrzymałościowej z ogrzewaniem. Nie można tego zrobić przy użyciu konwencjonalnych metod do tłoczenia na gorąco. Konfiguracja systemów ogrzewania i chłodzenia oraz ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Badania te były wspierane przez Siódmy Program Ramowy Unii Europejskiej (FP7/2007-2013) na podstawie umowy o grant nr 604240, tytuł projektu "System przemysłowy umożliwiający wykorzystanie opatentowanej, sprawdzonej laboratoryjnie technologii przetwarzania materiałów do taniego formowania lekkich konstrukcji dla przemysłu transportowego (LoCoLite)."
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Stop aluminium | Smiths Metal | 6082 | Obróbka próbek |
| Wycinarka laserowa | LVD Ltd | HELIUS 25/13 | Próbki do cięcia laserowego |
| Maszyna CNC | HAAS Automation | TM-2CE | Próbki maszyn przez frezowanie |
| Suwmiarka z noniuszem | Mitutoyo | 575-481 | Pomiar grubości |
| Jednoosiowa maszyna wytrzymałościowa do ogrzewania | Dynamic System Inc | Gleeble 3800 | Symulator materiałów termomechanicznych |
| System hartowania o wysokim przepływie | Dynamic System Inc | 38510 | Do chłodzenia powietrzem |
| Termopary | Dynamic System Inc | K typ | |
| Dysze Indexa Dysza | rozszerzona 1/4 cala | ||
| Otwór spawalnicze | LAPP Group | H01N2-D | |
| Szybka kamera | Photron | UX50 | Dla DIC testowanie |
| Obiektyw aparatu | Nikon | Micro 200mm | |
| Lampa | Liliput | 150ce | 300 W |
| Laptop | HP | Campaq 2530p | Do rejestrowania obrazów |
| Dwuosiowa aparatura testująca | Wyprodukowane niezależnie | Wszystkie części zostały zaprojektowane i obrobione przez autorów do testów dwuosiowych | |
| Stal | West Yorkshire Steel | H13 | Materiały dwuosiowej aparatury badawczej |
| Oprogramowanie do przetwarzania korelacji obrazów | GOM | ARAMIS | Bezkontaktowy system pomiarowy i dane po instalacji |
Bibliografia
- Karbasian, H., Tekkaya, A. E. A review on hot stamping. J. of Mater. Process. Tech. 210 (15), 2103-2118 (2010).
- Miller, W. S., et al. Recent development in aluminium alloys for the automotive industry. Mater. Sci. and Eng. 280 (1), 37-49 (2000).
- Shao, Z., Li, N., Lin, J., Dean, T. A. Development of a New Biaxial Testing System for Generating Forming Limit Diagrams for Sheet Metals Under Hot Stamping Conditions. Exp. Mech. 56 (9), 1-12 (2016).
- Ayres, R. A., Wenner, M. L. Strain and strain-rate hardening effects in punch stretching of 5182-0 aluminum at elevated temperatures. Metall. Trans. A. 10 (1), 41-46 (1979).
- Shao, Z., et al. Experimental investigation of forming limit curves and deformation features in warm forming of an aluminium alloy. P. I. Mech. Eng. B-J. Eng. , (2016).
- Marciniak, Z., Kuczynski, K. Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metal. Int. J. Mech. Sci. 9 (9), 609-620 (1967).
- Li, D., Ghosh, A. K., et al. Biaxial warm forming behavior of aluminum sheet alloys. J. of Mater. Process. Tech. 145 (3), 281-293 (2004).
- Palumbo, G., Sorgente, D., Tricarico, L. The design of a formability test in warm conditions for an AZ31 magnesium alloy avoiding friction and strain rate effects. Int. J. Mach. Tool. Manu. 48 (14), 1535-1545 (2008).
- Raghavan, K. S. A simple technique to generate in-plane forming limit curves and selected applications. Metall. Mater. Trans. A. 26 (8), 2075-2084 (1995).
- Ragab, A. R., Baudelet, B. Forming limit curves: out-of-plane and in-plane stretching. J. Mech. Work. Technol. 6 (4), 267-276 (1982).
- Fan, X. -b, He, Z. -b, Zhou, W. -x, Yuan, S. -j Formability and strengthening mechanism of solution treated Al-Mg-Si alloy sheet under hot stamping conditions. J. of Mater. Process. Tech. 228, 179-185 (2016).
- Zidane, I., Guines, D., Léotoing, L., Ragneau, E. Development of an in-plane biaxial test for forming limit curve (FLC) characterization of metallic sheets. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055701(2010).
- Hannon, A., Tiernan, P. A review of planar biaxial tensile test systems for sheet metal. J. of Mater. Process. Tech. 198 (1-3), 1-13 (2008).
- Garrett, R., Lin, J., Dean, T. An investigation of the effects of solution heat treatment on mechanical properties for AA 6xxx alloys: experimentation and modelling. Int. J. Plasticity. 21 (8), 1640-1657 (2005).
- Milkereit, B., Wanderka, N., Schick, C., Kessler, O. Continuous cooling precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys. Mater. Sci. Eng. A. 550, 87-96 (2012).
- Crammond, G., Boyd, S. W., Dulieu-Barton, J. M. Speckle pattern quality assessment for digital image correlation. Opt. Laser. Eng. 51 (12), 1368-1378 (2013).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
