Eksperimentell Prosedyre for Warm Spinning av støpt aluminium komponenter

Summary

En eksperimentell protokoll for instrumentert varm roterende forming av støpte aluminiumslegeringer ansette en skreddersydd industrielt skalert apparat er presentert. Eksperimentelle betraktninger inkludert termiske og mekaniske påvirkninger blir diskutert, samt likhet med fullskala behandling av automotive hjul.

Abstract

Høy ytelse, støpt aluminium bilindustrien hjulene er i økende grad blir gradvis dannet via flyt forming / metall spinne ved høye temperaturer for å forbedre materialegenskaper. Med et bredt utvalg av prosessparametere som kan påvirke både formen oppnådd og resulterende materialegenskaper, er denne typen behandling notorisk vanskelig å kommisjon. En forenklet, light-duty versjonen av prosessen har blitt utviklet og implementert for full størrelse bilindustrien hjul. Anordningen er beregnet på å hjelpe til med å forstå deformasjonsmekanismer og materialet som reaksjon på denne type behandling. En eksperimentell protokoll har blitt utviklet for å forberede seg på, og deretter utføre forming forsøk og er beskrevet for as-cast A356 hjulemner. Den termiske profilen oppnådd, i tillegg til instrumentering detaljer er gitt. Similitude med fullskala formingsoperasjoner som formidler betydelig mer deformasjon ved raskere priser er diskutert.

Introduction

En av de mer utfordrende metallformingsoperasjoner i dag blir praktisert i luftfart og transportsektorene er metall spinning, herunder derivater som skjær forming og flyt danner ^{en, to.} I denne prosess blir en aksesymmetrisk arbeidsstykke anbringes på en dor som representerer den endelige ønskede form, og spunnet i kontakt med en eller flere anslagsruller. Arbeidsstykket blir komprimert mellom valsen og spindelen deretter plastisk deformeres, med en mangfoldig respons, inkludert kombinert bøying, tynning og aksiell forlengelse. I et materiale som har begrenset duktilitet eller på annen måte er vanskelig å forme, er dette ofte utført ved forhøyet temperatur for å redusere strømnings spenning og øker duktiliteten.

Fra et prosess synspunkt, er det en rekke parametere som kan dikterer formen og egenskapene til den fremstilte komponent. Tallrike studier har fokusertpå statistiske metoder for å optimalisere forskjellige parametre ^{3, 4, 5.} Variabler omfatter verktøy geometri, slik som formen av verktøyet og spindelen; forming hastigheter inkludert både spindel rotasjon rente og verktøy fôr priser; samt materialegenskaper. Når forhøyede temperaturer er nødvendig, utøvere må vurdere minimumstemperaturen som kreves samtidig beholde et godt produkt.

Støpte aluminiumslegeringer er ansatt i et bredt spekter av automotive og luftfart, med legering A356 brukes i bilindustrien hjul. Imidlertid er denne legering ikke er egnet til å danne ved romtemperatur ^{6, 7} på grunn av sin begrensede duktilitet og må bli dannet ved forhøyede temperaturer. Dette introduserer en rekke behandling kompleksitet, hovedsakelig i å kontrollere temperaturen. Ettersom dette materialets egenskaper endrer significantly med temperatur ^8, er det spesielt viktig å utføre instrumenterte studier der termiske forholdene kan holdes innenfor en rimelig behandling vindu og bli overvåket. Detaljerte data vedrørende den termo oppførselen til som-støpt A356 varierer fra omgivelsestemperatur til 500 ° C over et vidt område av belastningsrater kan bli gjennomgått et annet sted. ⁹

For å støtte utvikling og optimalisering av flyt forming operasjoner for hjulet produksjon, har tilpasset forming utstyr er utviklet ved Institutt for materialteknologi ved University of British Columbia (figur 1). Dette apparatet har blitt bygget primært fra en manuell, beltedrevet Capstan dreiebenk med en samlet effekt på 22 kW, og en propanbrenner varmesystem med en topp produksjon på 82 kW (figur 2). En dor med innlagte termoelementer sammen med en stiv valse sammenstilling (figur 3) har værtinstallert, som er i stand til å danne arbeidsstykker opp til 330 mm i diameter. Doren har en manuelt aktivert klemmesystem som er i stand til å gjøre rede for store forandringer i arbeidsstykkets diameter som opptrer under behandlingen (figur 4). En batteridrevet Data Acquisition (DAQ) system inneholdende en miniatyr trådløs datamaskin i stand til å overvåke temperaturen av spindelen under forming og emnet for karakterisering av oppvarming er installert på hulakselen i dreiebenken. Mens andre strømningsdannende prosesser er blitt syntetisert ved hjelp av tilpasset dreiebenker ^{4, 10,} er det foreliggende apparat den første til legemlig in situ oppvarming og termiske datainnsamling.

En behandlingsprotokoll for industrielt-skalert forming operasjoner har blitt utviklet for å gi indikative prosesseringsbetingelser. Beskrevet senere, denne protokollen består av verktøy og arbeidsstykket forberedelser, forming praksis, concluding med slutten av forming prøvedrift.

Figur 1: Eksperimentelle enheter oversikt. Prinsipp komponenter som er lagt til en modifisert Capstan dreiebenk for forming ved høye temperaturer. Fotografi av utstyr (øverst) og hovedarbeids retninger og komponenter merket på et dataassistert konstruksjon skildring (nederst). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2: Varmesystem detalj. En propan varmesystem med fire diskrete brennere (topp og bunn høyre) aktiveres av en sentral manifold inneholder en gasskontroll solenoid (øverst og nederst til venstre).Gasstrykk og en diskret strømningshastigheten til hver av brennerne er mulig, sammen med plassering langs emnet for å samsvare med forskjellige geometrier. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3: Roller stå montering detalj. Den opprinnelige verktøyholder på for dreiebenken er tilpasset til å holde en rull i vilkårlig vinkler i forhold til dreieaksen av spindelen ved hjelp av en låsemutter sammenstilling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4: Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

1. Arbeidsstykke Forberedelse til Forming Trials

1. Erverve som-støpt arbeidsstykker maskinert til doren slik størrelse at den indre diameter uttømmingsstrømning er 0,2 mm, mens den ytre diameter beholder så mye støpeoverflaten som mulig.
   MERK: Hvis emnene trekkes fra full størrelse hjulstøpegods, blir maskineringsoperasjoner nødvendig for å fjerne alle nav og eiker partier, samtidig som det gir egenskaper som kan anvendes for å klemme arbeidsstykket til doren. Dette omfatter fjerning av i-brettet flens.
2. Forvarm en kiste ovn i stand til å motta hele arbeidsstykket til 135 ° C, rengjøre arbeidsstykket med avfettingsmiddel og plasser i ovnen i en time for å forberede seg på termisk barriere belegg program.
3. Raskt fjerne arbeidsstykket fra ovnen og legg på et belegg pilk. Ved hjelp av en automotive-type maling sprøyta, påfør et tynt lag med termisk barriere dø belegg på indre diameter.
   MERK: Dette belegget vil gi smøring og redusere varmeoverføringtil spindelen under forming operasjoner.

2. Tooling Forberedelse

1. Tørk ned stammen overflaten med en fuktig klut. Sørg for at stammen har en total rotasjons runout av <0,5 mm ved hjelp av et måleur indikator langs forming lengde. Vurdere dette med en live tooling sentrum engasjert på bakdokken plate. Ved hjelp av en momentnøkkel, sikre at alle festene bortsett fra de som er på klem forsamlinger er strammet til spesifisert moment verdier for Grade 12.9 bolter (i Nm: M8 - 40, M12 - 135, M16 - 340).
2. Start pre-varmesystemet ved først å drive gasstilførselen solenoid, og deretter tenne faklene med flint gnist lettere. Kjør pre-varmesystemet i 10 min å utvise noen kondensat samlet i faklene / slanger. Slukk ved å deaktivere gasstilførselen solenoid.
3. Fjern alle løse / oksidert belegg lag på stammen med tørr 600 / P1200 grit silisiumkarbid papir mens du vrir stammen 20 omdreininger i minuttet(Rpm).
4. Strøm om bord datamodulen, og kjøre pre-varmesystem før termoinnebygd i mandrelflaten lese 200 ° C med live senteret engasjert.
5. Ved hjelp av en bil-type maling sprøyter, lett belegge doren overflaten med et vannbasert smøremiddel smiing og tillate det roterende verktøy for å avkjøles til omgivelsestemperatur med levende verktøysenteret inngrep.
6. Løsne mutteren montering på rullestativet (figur 3) med en skiftenøkkel. Sett tilnærming eller angrepsvinkel på valsen ved hjelp av en verktøymaker er transportør, og stram både interne og eksterne nøtter (M35 - 750 Nm).
7. Monter tre klem forsamlinger (figur 4) ved først å engasjere M12 skulderbolten for å koble element 2 til klemmebraketten. Inspiser for enhver termisk forvrengning som vil hindre element 2 i figur 4 fra problemfritt å kjøre mot klemmebraketten. Sørg for at de beveger seg fritt, lett sAnding kontaktflatene med tørr 320 / P400 grit silisiumkarbid papir. Påføre et tynt lag med høy temperatur molybden-basert smøremiddel med en klut etter behov.

3. Forming Operations

1. Flytt valsen verktøyet stå helt bort fra stammen mot spindelen, flytter bakdokk og sentrum for å være klar av stammen. skyve manuelt arbeidsstykket på stammen sikre enda engasjement.
   MERK: Fordi de blanke feltene er nominelt aksesymmetrisk, er det ingen foretrukket orientering.
2. Monter klemmene på doren ved å engasjere de skrå dør pins og hånd stramme M16 bolter som går gjennom stammen i klemblokker. Sørg for at det er jevnt trykk påføres ved å rotere og manuelt stramme, etterfulgt av en pneumatisk slagnøkkel stilt inn på 50 Nm.
3. Start varmesystem og umiddelbart begynne stammen roterer med 20 rpm. Holde bruke varme til klemmer løsne. For prosessen i betraktning, er dette approximately 3 min.
   MERK: Denne gangen vil være litt forskjellig for hver arbeidsstykket på grunn av små forskjeller i arbeidsstykket / dor montering.
4. Slukke varmesystem og stoppe rotasjonen av spindelen slik at den første klemme er tilgjengelig med en muttertrekker. Innen 30 s, stram alle klemmer med en innvirkning eller manuell fastnøkkel og ta overflatetemperaturen på emnet i 3 steder langs lengden av formings regionen med et rør-type termoelementprobe.
5. Gjenta trinn 3.4 inntil arbeidsstykket er ved en passende dannelsestemperatur; på et minimum, 350 ° C for A356. Utfør en endelig innstramming av klemmene med en muttertrekker satt til 200 Nm.
6. Flytt valsen aksialt og radialt (ca. 2-5 mm fra arbeidsstykket overflate) i posisjon for forming, og utføre en siste klemmen stramme (dvs. trinn 3.4).
7. Med varmesystemet på, øke rotasjonshastigheten av dreiebenken til den tiltenkte formingshastigheten, engasjere rullen tilen forhåndsinnstilt dybde inn i arbeidsstykket, og aktivere skrueskjærestrømmen til å bevege rullen aksialt langs lengden av arbeidsstykket.
   MERK: For dagens geometri, ble rimelige resultater oppnådd ved 281 rpm med en aksial bevegelse på 0,21 mm / omdreining.
8. Gjenta trinn 3.7 som er nødvendig for å øke nivåer av deformering. Etter hvert som danner innlegget, må det påses at temperaturen ikke faller under den optimale formingstemperatur ved å stoppe spindelen og ved hjelp av den samme rør-type termoelement-probe som anvendes i trinn 3,4. Hvis den optimale danner temperaturen har sunket, gjenta trinn 3,4 og 3,5 til oppvarmer.
   MERK: Gjenoppvarming kan anvendes, men på bekostning av potensielt å nå omfanget av klemmen systemets evne til å holde arbeidsstykket.

4. Post formingsoperasjoner

1. Når det ønskede nivået på deformering er oppnådd, stopper varmeanlegg, og omgjøre alle klemmer, og løsne bakdokk å få cleArance for arbeidsstykket fjerning.
2. Forsiktig på arbeidsstykket med et stykke messing å skille fra stammen. Hvis dette viser seg å være ineffektiv, re-engasjere varmesystemet og roter spindelen ved 20 rpm forsiktig trykke inntil tomme skiller.
3. Ved hjelp av en passende manipulasjon verktøy, for eksempel tenger eller tungt isolerte hansker, enten slukke arbeidsstykket i vann ved 60 ° C for å hindre ytterligere aldring, eller for å la luft kjølig for å redusere gjenværende stress / forvrengning.

Representative Results

Som støpt aluminium A356 arbeidsstykker ble dannet i henhold til den metode som er beskrevet i denne artikkelen. Arbeidsstykkene ble hentet fra as-støpte felger fra en nordamerikansk hjulprodusenten ansette lavt trykk støping prosessen. Ett arbeidsstykke instrumentert med termoelementer ble ikke dannet, men gjennomgikk den pre-oppvarmingssyklus (protokoll avsnitt 3, trinn 3.3 til 3.5) for å ta temperaturfordelingen over overflaten av emnet under denne del av prosessen. Denne respons er vist i Figur 5. En ytterligere 3 prøver ble deformert til forskjellige nivåer, inkludert en som har mottatt to formings passerer for en høy grad av deformasjon. De to første prøvene og den første pass utført på sistnevnte prøven servert til rette arbeidsstykket med liten påviselig endring i veggtykkelse. Den sistnevnte prøvetoppen veggtykkelse var reduksjonen omkring 10%, de fleste av dem ble oppnådd i den andre pass. Tverrsnitt og mikrostruktur av den som-støpt blank og de som ble oppnådd i flere omganger prøven er vist i figur 6. Her blir som støpt mikro vist til en betydelig være raffinert av prosessen med dendrittiske funksjoner knapt merkbar. Den interdendrittiske eutektiske er brutt opp av deformasjonen pålagt, og skaper en mye mer homogen mikrostruktur enn i som-cast tilstand. Dette forbedrer den totale duktilitet, så vel som trøtthet og bruddegenskaper av komponenten. Forfatterne har tidligere beskrevet mer detaljer av arbeidsstykkets geometri, bestemte tverrsnittsendringer i veggtykkelse, defekter, og dimensjonal variasjon i mikrostrukturen på det komplette settet av prøver ^{8, 13.}

Figur 5: Typisk temperaturprofil i doren og b mager. En representativ transient termisk reaksjon av emnet og doren oppnådd med varmesystemet. Vertikal stiplede linjene indikerer hvor klemmer ble strammet under forvarming trinn, og den svarte pilen skildrer forming. Den siste vertikale linjen viser hvor varmesystemet ble slått av mens systemet avkjølt.

Figur 6: As-cast og dannet resultat. Den som mottatt, som støpt blank overflate og geometri ha en minimum indre diameter på 330 mm (øverst) ble deformert i to omganger for å gi resultatet vist (i midten). Den som støpt dendrittiske mikro (nederst til venstre) er synlig endret av formingsprosessen og en påfølgende T6 varmebehandling (nederst til høyre) som observert med optisk mikroskopi ^{8, 13.}ig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

De representative Resultatene vist ovenfor høydepunkt at protokollen og utstyret som anvendes er i stand til å danne støpt aluminium ved høye temperaturer, og har gitt en plattform for å bestemme et behandlingsvinduet for strømning forming av hjul. Teknikken vist kan brukes til å utforske aspekter ved forming konvolutter, blant annet hvor både dannet og båret materiale som reagerer på varmebehandling ^8. Men det er rom for forbedring med dagens behandling protokollen med dette apparatet.

Når det gjelder ytterligere instrumentering, noe som ville akselerere prosessen modellutvikling, inkludering av maskinverktøy dynamometer og tribometers ^{11, 12} for å måle danner belastninger og friksjonsfaktorer på valsen vil gi viktig informasjon om prosessbetingelsene. Dette er en mye brukt instrumentering teknikk for ortogonale maskinering studier, og kunnelett implementeres på den aktuelle maskin. Denne ekstra instrumentering vil gi nyttige data for nøyaktig validere modellering innsats ^{13, 14} og støtte den økende industriell interesse i denne prosessen. For effektivt å fange opp utviklingen av temperaturen av emnet under behandlingen, er en ikke-kontakt måleteknikken ønskelig. Imidlertid er vanlige infrarød-baserte teknikker hemmet av aluminium er energisparing og hvordan overflateforandringer under behandlingen. Dette er den viktigste årsaken til at en instrumentert, igangkjøring blank ble anvendt for å fange opp den typiske termiske respons oppnådd med den protokoll som er beskrevet, og tjente til å fylle en baseline varmeoverføringsanalyse for å relatere doren overflatetemperaturen til arbeidsstykket.

Som det er i stor grad en manuell formingsprosess for et materiale som er følsomt for tiden ved temperatur, til noen uoverensstemmelser mellom løp løpe erå forvente. Aluminiumlegeringer har mikrostrukturer som er svært følsomme for temperaturer over 100 ° C på grunn av aldring mekanismer. Derfor er de mest kritiske trinnene i protokollen er 1.2 og 3.3 til 3.7, hvor emnet er ved forhøyede temperaturer. Stramme og re-sitteklemmene skal gjennomføres så raskt som mulig for å opprettholde repeterbarhet mellom formingsoperasjoner.

Den in situ stykket oppvarming benyttes under forvarming trinnet er ganske ineffektiv og kan forbedres via strålings oppvarming. Den samlede behandlingshastighet i forhold til stammen og verktøy bevegelser som kan oppnås er noe begrenset av mulighetene til ansatt dreiebenk. Høyere danner hastigheter krever en mer stiv ramme med en høyere belastningskapasitet, særlig hvis dannelsen av et sterkere materiale som skulle forsøkes. Arbeidsstykket fastspenning og frigjøring kan forbedres med tilsetning av hydraulisk eller pneumatisk aktivering. Som varmeoverføring fra blank til doren er i stor grad en funksjon av trykket pålagt av arbeidsstykket inn på spindelen, kan denne tilsetning også forbedrer en modellbasert tilnærming for å fastslå arbeidsstykket temperaturen under form med det eksisterende systemet.

Anordningen og fremgangsmåten som er beskrevet har vist at formingslaster for dette materialet under disse betingelser nærmer seg dem for standarddreieoperasjoner, og er fortsatt en meget kostnadseffektiv prosess for å utføre produksjonsforsøk. Forskning på ulike produksjons ruter og formbarhet kan utføres fra kommersielle forming utstyr, noe som er svært dyre i drift. Med apparatet og protokoll beskrevet, kan prosessparametre undersøkes før bygging av større skala, høyere gjennomstrømning utstyr, og til forfatternes kunnskap, er en unik tilnærming.

Som den protokoll som er utviklet har kun blitt benyttet til en spesiell variant av støpt aluminiumlegering, erre er en rekke andre aluminium støpelegeringer som kan bli etterforsket for en rekke applikasjoner utover bilindustrien hjul. Da disse legeringer har omtrent liknende prosessering vinduer fra en temperatur perspektiv, kan den protokoll som er utviklet lett 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