Eksperimentel Procedure for Warm Spinning i støbt aluminium komponenter

Summary

En eksperimentel protokol for instrumenteret varm roterende formning af støbte aluminiumlegeringer beskæftiger en skræddersyet industrielt skaleret apparat præsenteres. Eksperimentelle betragtninger, herunder termiske og mekaniske påvirkninger diskuteres, samt lignelse med fuld skala behandling af automotive hjul.

Abstract

Højtydende, støbt aluminium bilindustrien hjul i stigende grad trinvist dannes via flow formning / metal spinding ved forhøjede temperaturer for at forbedre materialeegenskaberne. Med en bred vifte af behandlinger parametre, som kan påvirke både formen nået, og deraf følgende materialeegenskaber, denne type behandling er notorisk vanskeligt at provision. En forenklet, lys-duty version af processen er designet og implementeret for fuld størrelse automotive hjul. Apparatet er beregnet til at hjælpe med at forstå de deformationsmekanismer og den væsentlige svar på denne type forarbejdning. En forsøgsprotokol er udviklet til at forberede sig, og efterfølgende udføre danner forsøg, og er beskrevet for as-støbt A356 hjul blanks. Den termiske profil opnået, sammen med instrumentering detaljer leveres. Lignelse med fuld skala danner operationer, der bibringer betydeligt mere deformation ved hurtigere satser diskuteres.

Introduction

En af de mere udfordrende metal danner operationer øjeblikket praktiseres i de sektorer rumfart og transport er metal spinning, herunder derivater såsom shear formgivning og flow danner ^{1, 2.} I denne proces er en aksesymmetrisk arbejdsemne anbringes på en dorn, der repræsenterer den endelige ønskede form, og spundet i kontakt med en eller flere aktiverende valser. Arbejdsemnet komprimeres mellem rullen og dornen derefter plastisk deformeres, med en forskelligartet respons herunder kombineret bøjning, udtynding og aksial forlængelse. I et materiale, som har begrænset duktilitet eller ellers er vanskeligt at danne, er dette undertiden udføres ved forhøjet temperatur for at reducere strømning stress og øge duktilitet.

Fra et forarbejdningsanlæg synspunkt, er der en bred vifte af parametre, som kan diktere formen og egenskaberne af den fremstillede komponent. Talrige undersøgelser har fokuseretom statistiske teknikker til optimering af forskellige parametre ^{3, 4, 5.} Variable omfatter værktøj geometri, såsom formen af ​​værktøjet og dornen; dannende hastigheder herunder både rotationshastigheden dorn og værktøj tilførselshastigheder; samt materialeegenskaber. Når der kræves forhøjede temperaturer, praktikere nødt til at vurdere den laveste temperatur der kræves, men bevare en sund produkt.

Cast aluminiumslegeringer er ansat i en bred vifte af biler og rumfart, med alu A356 anvendes i bilindustrien hjul. Men denne legering er ikke egnet til at danne ved stuetemperatur ^{6, 7} på grund af sin begrænsede duktilitet og skal dannes ved forhøjede temperaturer. Dette introducerer et væld af behandling kompleksitet, primært i at kontrollere temperaturen. Da dette materiale egenskaber ændrer significantly med temperaturen ^8, er det særlig vigtigt at udføre instrumenterede forsøg, hvor termiske forhold kan holdes indenfor en rimelig behandling vindue og overvåges. Detaljerede data om den termomekaniske adfærd støbte A356 intervallet fra omgivelsestemperatur til 500 ° C over et bredt område af belastningsgrader kan gennemgås andetsteds. ⁹

For at støtte udvikling og optimering af flow danner operationer for hjulet produktion, har brugerdefinerede danner udstyr er udviklet på Institut for Materials Engineering på University of British Columbia (figur 1). Dette apparat er bygget primært fra en manual, remtrukket agterspil drejebænk med en samlet effekt på 22 kW og en propan fakkel varmesystem med et højdepunkt output på 82 kW (figur 2). En dorn med indlejrede termoelementer sammen med en stiv rullekonstruktion (figur 3) er blevetinstalleret, som er i stand til at danne emner op til 330 mm i diameter. Dornen har en manuelt aktiveret fastspænding system som er i stand til at redegøre for store ændringer i arbejdsemnet diameter opstår under (figur 4). En batteridrevet Data Acquisition (DAQ) indeholdende en miniature trådløs computer, der overvåger temperaturen af ​​dornen under formningen og råemnet til karakterisering opvarmning er installeret på hulakslen af ​​drejebænken. Mens andre flow dannende processer er blevet syntetiseret under anvendelse af tilpassede drejebænke ^{4, 10,} det foreliggende apparat er den første til at nedfælde in situ opvarmning og termiske datafangst.

En behandling protokol for industrielt skaleret danner operationer er blevet udviklet til at give vejledende forarbejdning betingelser. Beskrives i det følgende, denne protokol består af værktøj og emne forberedelse, formning praksis, concluding med slutningen danne forsøg operationer.

Figur 1: Eksperimentel apparater overblik. Princip komponenter, der er blevet føjet til en modificeret agterspil drejebænk til formning ved forhøjede temperaturer. Fotografi af udstyr (øverst) og vigtigste arbejdsvilkår retninger og komponenter er mærket på en computer-aided design skildring (nederst). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: Varmeanlæg detalje. En propan varmesystem med fire diskrete brændere (top og bund højre) aktiveres fra en central manifold indeholder en gas kontrol magnetventil (øverst og nederst til venstre).Gastryk og en diskret strømningshastighed til hver af brænderne er mulig, sammen med anbringelse langs emnet at passe til forskellige geometrier. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: Roller montering af stand detalje. Den oprindelige værktøjsholder på nemlig drejebænken er indrettet til at holde en rulle ved vilkårlig vinkler i forhold til drejeaksen af ​​dornen via en kontramøtrik forsamling. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. Emne Forberedelse til Forming Trials

1. Erhverve støbte emner bearbejdes til dornen størrelse således, at diameteren kast indre er 0,2 mm, mens den ydre diameter bevarer så meget støbte overflade som muligt.
   BEMÆRK: Hvis emnerne er hentet fra fuld størrelse hjul støbegods, der bearbejdninger nødvendigt at fjerne al hub and spoke portioner, samtidig med funktioner, som kan anvendes til at fastspænde arbejdsemnet til dornen. Dette omfatter fjernelse af i-board flange.
2. Forvarm en kiste ovn i stand til at modtage hele emnet til 135 ° C, renses emnet med affedter og plads i ovnen i en time for at forberede sig til termisk barriere overfladebehandling.
3. Hurtigt fjerne emnet fra ovnen, og læg på en belægning jig. Brug en automotive-typen maling sprøjte, anvende et tyndt lag af die coating termisk barriere til den indre diameter.
   BEMÆRK: Denne belægning vil give smøring og reducere varmeoverførseltil dornen under formningen operationer.

2. Tooling Forberedelse

1. Tør dornen overfladen med en fugtig klud. Sørg for, at dornen har en samlet roterende kast på <0,5 mm ved hjælp af en dial gauge indikator langs danner længde. Vurdere dette med en levende værktøj center beskæftiget på pinoldok pladen. Ved hjælp af en momentnøgle, at alle skruer bortset fra dem på de clamp forsamlinger er strammet til specificerede drejningsmoment for Grade 12.9 bolte (i Nm: M8 - 40, M12 - 135, M16 - 340).
2. Start præ-varmeanlægget ved først kraftoverførsel gasforsyning magnetventil, og derefter antændes faklerne med et flint gnist lighter. Kør præ-varmesystem til 10 minutter at udvise nogen kondensat opsamles i faklerne / slanger. Sluk ved deaktivering af gasforsyningen magnetventil.
3. Fjern eventuelle løse / oxideret coating lag på dornen med tør 600 / P1200 grus siliciumcarbid papir, mens du tænder dornen ved 20 omdrejninger i minuttet(Rpm).
4. Power on board datafangst modul, og køre forvarmersystem indtil termoelementerne indlejret i dornen overflade læser 200 ° C med den levende centrum i indgreb.
5. Brug af en automotive-typen maling sprøjte, smøres let dornen overflade med en vandbaseret smedning smøremiddel og tillade den roterende værktøj til at afkøle til omgivende temperatur med levende værktøj center i indgreb.
6. Løsn kontramøtrikken forsamling på rullen stativ (figur 3) med en skruenøgle. Indstil tilgang eller angrebsvinkel på rullen forsamling ved hjælp af en værktøjsmager s vinkelmåler, og spænd både interne og eksterne møtrikker (M35 - 750 Nm).
7. Saml 3 clamp samlinger (figur 4) ved først at indgribe med M12 ansatsbolten at forbinde elementet 2 til klemmebeslag. Undersøg for enhver termisk forvrængning, som vil forhindre element 2 i figur 4 fra velfungerende mod klemme beslag. Sørg for, at de bevæger sig frit, let sAnding kontaktfladerne med tør 320 / P400 grus siliciumcarbid papir. Påfør et tyndt lag af høj temperatur molybdæn-baseret smøremiddel med en klud efter behov.

3. Forming Operationer

1. Flyt rullen værktøj stå helt væk fra spindlen mod spindlen, flyt pinoldok og center for at være fri af dornen. Manuelt skubbe emnet på dornen sikrer endnu engagement.
   BEMÆRK: Da emnerne nominelt aksesymmetrisk, er der ingen foretrukken orientering.
2. Saml klemmerne på dornen ved at indbyde de koniske die stifter og hånd stramning M16 bolte der løber gennem dornen i klemme blokke. Sikre, at der selv trykket udøves ved at dreje og manuelt stramning, efterfulgt af en pneumatisk skruenøgle indstillet til 50 Nm.
3. Start varmeanlægget og straks begynde dornen roterer med 20 omdrejninger i minuttet. Hold anvende varme, indtil klemmer løsnes. Til fremgangsmåden betragtes, er dette apkring 3 min.
   BEMÆRK: Denne gang vil være lidt forskellig for hver emne på grund af små forskelle i emnet / dorn montering.
4. Sluk varmeanlægget og stoppe rotationen af ​​dornen, således at den første klemme er tilgængelig med en skruenøgle. Inden for 30 s, spændes alle klemmer med en effekt eller manuel skruenøgle og registrere overfladetemperatur af emnet i 3 steder langs længden af ​​dannende region med en reed-typen termoelement sonde.
5. Gentag trin 3.4, indtil emnet er ved en passende formningstemperatur; på et minimum, 350 ° C i A356. Udfør en endelig stramning af klemmerne med en indvirkning skruenøgle sat til 200 Nm.
6. Flyt rullen aksialt og radialt (ca.. 2-5 mm fra emne-overfladen) i stilling til formning, og udføre en sidste klemme stramning (dvs. trin 3.4).
7. Med varmesystem på, øge rotationshastigheden af ​​drejebænk til den tilsigtede dannelse hastighed, engagere valsen tilen forudindstillet dybde i emnet, og aktivere gevindskæring foder for at flytte rullen aksialt langs længden af ​​emnet.
   BEMÆRK: den nuværende geometri blev rimelige resultater opnået ved 281 rpm med en aksial bevægelse på 0,21 mm / omdrejning.
8. Gentag trin 3.7 efter behov for at øge niveauet af deformation. Efter hver danner aflevering, sikre, at temperaturen ikke falder til under det optimale dannende temperatur ved at standse dornen og anvender den samme reed-typen termoelement probe som anvendt i trin 3.4. Hvis den optimale danner temperaturen er faldet, skal du gentage trin 3,4 og 3,5 til genopvarmning.
   BEMÆRK: Genopvarmning kan anvendes, men på bekostning af potentielt nå omfanget af klemmen systemets evne til at tilbageholde emnet.

4. Skriv Forming Operations

1. Når det ønskede niveau af deformation er opnået, stopper varmeanlægget, og fortryde alle klemmer, og frigøre pinoldok at opnå kelArance til emnet fjernelse.
2. Bank forsigtigt på emnet med et stykke messing at adskille fra dornen. Hvis dette viser sig at være ineffektiv, re-engagere varmeanlægget og rotere dornen ved 20 rpm forsigtigt at banke indtil de tomme adskiller.
3. Anvendelse af et passende manipulation værktøj som tænger eller stærkt isolerende handsker, enten slukke arbejdsemnet i vand ved 60 ° C for at forhindre yderligere ældning, eller lad luft cool at minimere resterende stress / forvrængning.

Representative Results

Som aluminium A356 emner blev dannet ifølge fremgangsmåden beskrevet i dette dokument fremgangsmåde. Emnerne blev opnået fra as-støbte hjul fra en nordamerikansk hjulfabrikanten anvendelse af den lavt trykstøbning proces. Et emne instrumenteret med termoelementer blev ikke dannet, men undergik forvarmningen cyklus (protokol afdeling 3, trin 3,3-3,5) for at fange fordelingen af ​​temperaturen hen over overfladen af ​​emnet under denne del af processen. Denne reaktion er vist i figur 5. Yderligere 3 prøver blev deformeret til forskellige niveauer, herunder en, der modtog to danner passerer for en høj grad af deformation. De to første prøver og den første passage udføres på sidstnævnte prøve tjente at rette arbejdsemnet med lille påviselige ændring i vægtykkelse. reduktion Sidstnævnte prøve peak vægtykkelse var ca. 10%, hvoraf hovedparten blev opnået i den anden pass. Tværsnit eller mikrostruktur støbte emne og sådanne opnået i multi-pass prøve er vist i figur 6. Her er som støbt mikrostruktur vist signifikant raffineres af processen med dendritiske funktioner knap mærkbar. Den interdendritic eutektikum er brudt op ved deformation pålagt, hvilket skaber en meget mere homogen mikrostruktur end i as-cast tilstand. Dette forbedrer den samlede sejhed samt træthed og brud egenskaber af komponenten. Forfatterne har tidligere beskrevet flere detaljer om emnet geometri, specifikke tværsnits- ændringer i vægtykkelse, defekter observerede, og dimensionel variation i mikrostruktur på det fulde sæt prøver ^{8, 13.}

Figur 5: Typisk temperaturprofil dorn og B Lank. Et repræsentativt transient termisk reaktion af emnet og dornen opnået med varmesystemet. Lodret stiplede linier viser, hvor klemmerne blev strammet under forvarmning trin, og den sorte pil afbilder formning. Den sidste lodrette linje viser, hvor varmesystemet blev slukket, mens systemet blev afkølet.

Figur 6: As-støbt og formet resultat. Som modtaget, støbte blank overflade og geometri med en indre diameter på 330 mm (top) blev deformeret i to passager for at tilvejebringe den viste resultat (midten). Den som støbt dendritiske mikrostruktur (nederst til venstre) er synligt ændret af formgivningshandlingen og en efterfølgende T6 varmebehandling (nederst til højre) som observeret med optisk mikroskopi ^{8, 13.}ig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

De repræsentative resultater vist ovenfor højdepunkt at protokollen og anvendte udstyr er i stand til at danne støbt aluminium ved forhøjede temperaturer, og har givet en platform til at bestemme en behandling vindue for flow formning af hjul. Teknikken demonstreret kan anvendes til at undersøge aspekter af dannelse konvolutter, herunder hvordan både dannes og uformede materiale reagerer varmebehandling ^8. Men der er plads til forbedringer med den aktuelle behandlingsprotokol med dette apparat.

Med hensyn til yderligere instrumentering, hvilket vil fremskynde processen model udvikling, inddragelse af værktøjsmaskiner dynamometer og tribometers ^{11, 12} til at måle danne belastninger og friktion faktorer på rullen ville give vigtige oplysninger om procesbetingelserne. Dette er et almindeligt anvendt instrumentering teknik til ortogonale bearbejdning studier, og kunnelet implementeres på den aktuelle maskine. Denne ekstra instrumentering ville give nyttige data til præcist validere af modellering indsats ^{13, 14} og understøtter den stigende industriel interesse i denne proces. For effektivt at fange udviklingen i temperaturen af ​​emnet under bearbejdning, en berøringsfri måleteknik er ønskelig. Men under alle infrarøde teknikker hæmmet af aluminium lave emissivitet og hvordan overfladen forandringer under bearbejdning. Dette er den vigtigste årsag til, at en instrumenteret, idriftsættelse blank blev ansat til at fange den typiske termisk respons opnås med protokollen beskrevet, og tjente til at befolke en baseline varmeoverførsel analyse til at relatere dorn overfladetemperatur til emnet.

Som det er stort set en manuel formningsproces for et materiale, som er følsomt over for tid ved temperaturen, til nogle uoverensstemmelser mellem køre køre erkan forventes. Aluminium legeringer har mikrostrukturer, der er meget følsomme over for temperaturer over 100 ° C på grund af aldring mekanismer. Derfor er de mest kritiske trin i protokollen er 1,2 og 3,3-3,7, hvor emnet er ved forhøjede temperaturer. Stramning og re-siddepladser klemmerne skal gennemføres så hurtigt som muligt at opretholde repeterbarhed mellem danner operationer.

In situ emnet opvarmning ansat under forvarmning skridt er ganske ineffektiv og kunne forbedres via strålingspåvirkning opvarmning. De overordnede behandling hastigheder i form af dorn og værktøj bevægelser, der kan opnås, er noget begrænset af mulighederne i drejebænken ansat. Højere danner hastigheder kræver en mere stiv ramme med en højere belastning, især hvis dannelse af et stærkere materiale skulle forsøges. Fastspænding af emnet og frigivelse kan forbedres ved tilsætning af hydraulisk eller pneumatisk aktivering. Som varmeoverførsel fra blank til dornen er stort set en funktion af det tryk pålagt af emnet på dornen, kan denne tilføjelse også forbedre en modelbaseret fremgangsmåde at fastslå arbejdsemnet temperatur under dannelse med det eksisterende system.

Apparatet og beskrevet har vist, at danne belastninger for dette materiale under disse betingelser nærmer dem til standard drejeoperationer, og er stadig en meget omkostningseffektiv proces, hvorved at udføre fremstilling forsøg. Forskning i forskellige fremstillingsprocesser ruter og formbarhed kan udføres væk fra kommerciel danner udstyr, som er overordentlig dyrt at drive. Med apparatet og beskrevne protokol, kan procesparametre undersøges før konstruere større målestok, højere gennemløb udstyr samt at forfatternes viden, er en unik tilgang.

Som den protokol udviklet kun har været anvendt til en bestemt variant af støbt aluminiumslegering,Re er en lang række andre aluminium støberi legeringer, der kunne undersøges for en række anvendelser ud over bilindustrien hjul. Da disse legeringer har omtrent lignende forarbejdning vinduer fra en temperatur perspektiv kan protokol udviklet let tilpasses.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagent/Material
High temperature grease	Dow Corning	Molycote M-77
High temperature lubricant	Superior Graphite	sureCOAT
High temperature die coat	Vesuvius/Foseco	DYCOTE 32
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment
Live center	Riten Industries	17124	Bell-head, spring loaded
Live center adapter	Riten Industries	431	Adapter for lathe
Impact wrench	Chicago Pneumatic	CP7749-2	1/2" drive, 0-545 ft-lb
Torque wrench	Westward Tools	6PAG0	1/2" drive, 0-250 ft-lb
Air-powered paint sprayer	Cambell Hausfeld	DH4200	For die coat
Air-powered paint sprayer	Cambell Hausfeld	DH5500	For graphite-based lubricant, high volume low pressure (HVLP) type
Data acquisition unit	Measurement Computing	USB-2416
Reed thermocouple	Omega Engineering	88108
Propane tank	Generic		20/40 lb, POL fitted
Solenoid valve	Aztec Heating	SV-S121
Gas regulator	Aztec Heating	67CH-743	0-30 psi
Burner tips	Exact	3119	Qty: 4
Roller bearings	SKF	32005 X/Q	Qty: 2
Remaining equipment designed and fabricated in-house