Summary
En försöksprotokoll för instrumenterad varm roterande formning av gjutna aluminiumlegeringar som använder en skräddarsydd industriellt skalad apparat presenteras. Experimentella överväganden inklusive termiska och mekaniska effekter diskuteras, liksom liknelse med fullskalig behandling av fordonshjul.
Abstract
Hög prestanda, gjutna aluminiumfordonshjul i allt större utsträckning inkrementellt bildad via flödesbildande / trycksvarvning vid förhöjda temperaturer för att förbättra materialegenskaper. Med ett brett utbud av processparametrar som kan påverka både formen uppnås och resulterande materialegenskaper, är notoriskt svåra att kommissionen denna typ av behandling. En förenklad, lätta version av processen har utformats och genomförts för fullstora fordonshjul. Anordningen är avsedd att hjälpa till att förstå de deformationsmekanismer och den väsentliga svar på denna typ av bearbetning. En försöksprotokoll har utvecklats för att förbereda sig för, och därefter utföra bildar prövningar och beskrivs så-cast A356 hjulämnen. Den termiska profilen uppnås tillsammans med instrument detaljer ges. Similitude med fullskalig formningsförfaranden, vilka ger signifikant mer deformation vid högre hastigheter diskuteras.
Introduction
En av de mer utmanande metallformningsoperationer för närvarande praktiseras i flyg- och transportsektorn är av metall spinning, inklusive derivat såsom skjuvning formning och flödes bildar ett, två. I denna process, är en axelsymmetrisk arbetsstycke placeras på en dorn som representerar den slutliga önskade formen, och spanns i kontakt med en eller flera kolliderande valsar. Arbetsstycket komprimeras mellan valsen och kärnan sedan plast deformeras, med ett varierat svar inklusive böjning, gallring och axiella förlängningen. I ett material som har begränsad formbarhet eller annars är svårt att bilda, är detta ibland utförs vid förhöjd temperatur för att minska flödet stress och ökad seghet.
Från en bearbetningssynpunkt, finns det ett brett utbud av parametrar som kan diktera formen och egenskaperna hos den tillverkade komponenten. Talrika studier har fokuseratom statistiska metoder för att optimera olika parametrar 3, 4, 5. Variabler inkluderar verktyg geometri, såsom formen av verktyget och kärnan; forma hastigheter inklusive båda spindelrotationshastighet och verktygsmatningshastigheter; samt materialegenskaper. Vid behov av förhöjda temperaturer, utövare måste bedöma den lägsta temperatur som krävs och ändå behålla en sund produkt.
Gjutna aluminiumlegeringar används i en mängd olika fordon och rymdteknik, med legering A356 används i fordonshjul. Emellertid är denna legering inte lämplig för formning vid rumstemperatur 6, 7 på grund av dess begränsade duktilitet och måste bildas vid förhöjda temperaturer. Detta medför en mängd bearbetning komplexitet, främst i temperaturreglering. Eftersom denna materialets egenskaper förändras significantly med temperatur 8, är det särskilt viktigt att utföra instrumente prövningar där värmeförhållanden kan hållas till inom en rimlig fönster bearbetning och övervakas. Detaljerade uppgifter om den termomekaniska beteendet hos gjutet A356 i intervallet från omgivningstemperatur till 500 ° C över ett brett intervall av töjningshastigheter kan ses över på annat håll. 9
För att stödja utveckling och optimering av flödesformningsoperationer för hjultillverkning, har anpassade formningsutrustning utvecklats vid institutionen för materialteknik vid University of British Columbia (Figur 1). Denna apparat har byggts främst från en manuell, remdriven fören svarv med en sammanlagd effekt på 22 kW och en propanbrännare värmesystem med en toppeffekt på 82 kW (Figur 2). En kärna med inbäddade termoelement tillsammans med en styv valsenhet (Figur 3) har varitinstallerat, vilket är i stånd att bilda arbetsstycken upp till 330 mm i diameter. Dornen har en manuellt aktiverad fastspänningssystem som är i stånd att ta hänsyn till stora förändringar i arbetsstyckets diameter som uppträder under bearbetning (Figur 4). En batteridriven Data Acquisition (DAQ) system som innehåller en miniatyr trådlös dator kan övervaka temperaturen hos kärnan under formningen och ämnet för att karakterisera uppvärmning har installerats på spindeln i svarven. Medan andra flödesformningsprocesser har syntetiserats med användning av anpassade svarvar 4, 10, är föreliggande anordning först att förkroppsliga in situ uppvärmning och termiska datainsamling.
En behandlingsprotokoll för industriellt skalade formningsoperationer har utvecklats för att ge vägledande processbetingelser. Beskrivas nedan, detta protokoll består av verktyg och arbetsstycke förberedelse, bildar praktiken, concluding med slutet av formningsförsöksverksamhet.
Figur 1: Experimental apparater översikt. Princip komponenter som har lagts till en modifierad fören svarv för formning vid höga temperaturer. Fotografi av utrustning (överst) och huvudsakliga arbets riktningar och komponenter märkta på en datorstödd design avbildning (botten). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Värmesystem detalj. En propan värmesystem med fyra separata brännare (övre och nedre högra) aktiveras från en central grenrör som innehåller en gas magnet (övre och nedre vänstra).Gastryck och en diskret strömningshastighet för att var och en av brännarna är möjlig, tillsammans med placeringen längs ämnet för att anpassa sig till olika geometrier. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Roller montering av stånd detalj. Den ursprungliga verktygshållare på för svarven har anpassats för att hålla en rulle vid godtycklig vinkel i förhållande till den roterande axeln hos dornen via en låsmutter montering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4:
Protocol
1. Arbetsstycke Förberedelse för Forming prövningar
- Förvärva gjutet arbetsstycken bearbetas till dornen storlek så att runout innerdiametern är 0,2 mm, medan den yttre diametern behåller så mycket gjutyta som möjligt.
OBS: Om ämnena är hämtade från fullstora hjullastare gjutgods, är bearbetningsoperationer som krävs för att ta bort alla nav och ekrar delar, samtidigt som den ger funktioner som kan användas för att spänna fast arbetsstycket till dornen. Detta innefattar avlägsnande av den in-board fläns. - Förvärmer en kista ugn kan ta emot hela arbetsstycket till 135 ° C, rengör arbetsstycket med avfettningsmedel och plats i ugnen i en timme för att förbereda sig för värmebarriärbeläggningsprocesser.
- Snabbt bort arbetsstycket från ugnen och placera på en beläggning jigg. Med hjälp av en fordonstypen färg spruta, applicera ett tunt lager av termisk barriär die beläggning på innerdiametern.
OBS: Denna beläggning kommer att ge smörjning och minska värmeöverföringentill dornen under formningsoperationer.
2. Tooling Framställning
- Torka av spindelytan med en fuktig trasa. Se till att kärnan har en total rotations rundgång av <0,5 mm med hjälp av en mätklocka indikator längs formnings längd. Utvärdera detta med en levande verktygscentrum arbetar på dubbplattan. Med hjälp av en momentnyckel, se till att alla fästelement bortsett från dem på klämaggregaten är åtdragna till specificerade åtdragningsmoment för Grade 12,9 skruvar (i Nm: M8 - 40, M12 - 135, M16 - 340).
- Starta förvärmning systemet genom att först driva gastillförseln magnet, och sedan tända facklor med en flinta gnista ljusare. Kör förvärmning system för 10 min att utvisa någon kondensat samlas i ficklampor / slangar. Släck genom att avaktivera gastillförseln magnet.
- Ta bort alla lösa / oxiderat beläggningsskiktet på kärnan med torr 600 / P1200 grit kiselkarbid papper samtidigt som du vrider spindeln vid 20 varv per minut(Rpm).
- Ström ombord datainsamlingsmodulen och kör förvärmning systemet tills termoelementen inbäddade i spindelytan läsa 200 ° C med levande centrum engagerade.
- Med användning av en fordons-typ färg spruta, lätt coat dornytan med ett vattenbaserat smide smörjmedel och tillåta den roterande verktyg svalna till omgivande temperatur med den levande verktygscentrum i ingrepp.
- Lossa låsmutter montering på rullstativet (Figur 3) med en skiftnyckel. Ställ inriktning eller angreppsvinkel på rullenheten med hjälp av en verktygsmakare på gradskiva, och dra åt både interna och externa muttrar (M35 - 750 Nm).
- Montera tre klämenheterna (Figur 4) genom att först trycka ned M12 axelbulten för att ansluta elementet 2 till klämfäste. Kontrollera om någon termisk distorsion som förhindrar elementet 2 i figur 4 från välfungerande mot klämfäste. Se till att de rör sig fritt, lätt ärAnding kontaktytorna med torr 320 / P400 grit kiselkarbid papper. Applicera ett tunt lager av hög temperatur molybden baserat glidmedel med en trasa.
3. formningsoperationer
- Flytta rullverktyget stå helt bort från spindeln mot spindeln flyttar stöddocka och centrum för att vara fri från kärnan. Skjut manuellt arbetsstycket på spindeln säkerställer även engagemang.
OBS: Eftersom ämnena är nominellt axelsymmetrisk, det finns ingen föredragen orientering. - Montera klämmorna på domen genom att knyta de koniska formstift och hand åtdragning M16 bultar som löper genom spindeln i klämblocken. Se till att det finns ett jämnt tryck appliceras genom att rotera och manuellt åtdragning, följt av en pneumatisk slagskruvnyckel inställd på 50 Nm.
- Starta värmesystemet och omedelbart börja dornen roterar med 20 varv per minut. Hålla tillämpa värme tills klämmorna lossna. För processen beaktas, är denna approximately 3 min.
OBS: Den här gången kommer att vara något annorlunda för varje arbetsstycke på grund av subtila skillnader i arbetsstycket / spindel montering. - Släcka värmesystemet och stoppa rotationen av dornen så att den första klämman är åtkomlig med en slagskruvnyckel. Inom 30 s, dra åt alla klämmor som påverkar eller manuell skiftnyckel och registrera yttemperaturen av arbetsstycket i 3 ställen utmed längden av formnings region med en reed-typ termoelement.
- Upprepa steg 3,4 tills arbetsstycket är vid en lämplig formningstemperatur; vid ett minimum, 350 ° C i A356. Utför en slutlig åtdragning av klämmor med en mutterdragare inställd på 200 Nm.
- Flytta rullen axiellt och radiellt (ca. 2-5 mm från arbetsstyckets yta) i läge för formning, och utföra en sista klämma åtdragning (dvs. steg 3,4).
- Med värmesystemet på, ökar rotationshastigheten för svarvens till den avsedda formningshastighet, engagera rullen attett förinställt djup i arbetsstycket, och aktivera den skruvskär foder för att flytta rullen axiellt längs längden av arbetsstycket.
OBS: För närvarande geometri, var rimliga resultat uppnås vid 281 varv per minut med en axiell rörelse av 0,21 mm / varv. - Upprepa steg 3,7 som krävs för att öka nivåerna av deformation. Efter varje formnings passera, säkerställa att temperaturen inte sjunker under den optimala formningstemperatur genom att stoppa dornen och med användning av samma reed-typ termoelement som används i steg 3,4. Om den optimala formningstemperatur har sjunkit, upprepa steg 3,4 och 3,5 värma.
OBS: Återuppvärmning kan emellertid användas på bekostnad av potentiellt når omfattningen av klämsystemets förmåga att hålla tillbaka arbetsstycket.
4. Post formningsoperationer
- När den önskade nivån av deformation har uppnåtts, stoppa värmesystemet, och ångra alla klämmor, och koppla dubbdockan för att få kelArance för arbetsstyckets borttagning.
- Knacka försiktigt på arbetsstycket med en bit mässing att separera från kärnan. Om detta visar sig vara ineffektivt, återuppta värmesystemet och rotera spindeln vid 20 rpm knacka försiktigt tills tomma separerar.
- Användning av en lämplig manipulation verktyg såsom en tång eller en kraftigt isolerade handskar, antingen släcka arbetsstycket i vatten vid 60 ° C för att förhindra ytterligare åldrande, eller lämna luft sval för att minimera kvarvarande spänning / distorsion.
Representative Results
Gjutna aluminium A356 arbetsstycken bildades enligt den metod som beskrivs i detta dokument. Arbetsstyckena erhölls från as-gjutna hjul från en nordamerikansk hjul tillverkare som använder lågtrycksgjutning process. Ett arbetsstycke instrumenterad med termoelement bildades inte, men undergick pre-värmningscykeln (protokollenheten 3, steg 3,3-3,5) för att fånga den temperaturfördelning över ytan av råämnet under denna aspekt av processen. Detta svar visas i figur 5. Ytterligare 3 prover deformeras till olika nivåer, bland annat en som fick två bildar passager för en hög grad av deformation. De två första proverna och det första passet utförs på senare provet tjänade till att räta ut arbetsstycket med liten påvisbar förändring i väggtjocklek. Den senare provtoppväggtjocklek var minskningen cirka 10%, varav merparten uppnåddes i den andra pass. Tvärsnitt och mikrostrukturen hos det gjutna ämnet och de som erhölls i multi-pass prov visas i Figur 6. Här är det gjutna mikro visat sig signifikant förfinas genom processen med dendritiska egenskaper knappt urskiljbara. Den interdendritisk eutektiska bryts upp genom deformation införts, vilket skapar en mycket mer homogen mikrostruktur än i det gjutna tillståndet. Detta förbättrar den totala duktilitet samt trötthet och brottegenskaper hos komponenten. Författarna har tidigare beskrivits mer detaljer om arbetsstyckets geometri, specifika tvärsnitts förändringar i väggtjocklek, defekter som observerats, och dimensionsvariation i mikrostruktur på en fullständig uppsättning av prover 8, 13.
Figur 5: Typisk temperaturprofil av spindeln och B lank. Ett representativt transient värmeresponsen hos ämnet och dornen erhölls med värmesystemet. Vertikala streckade linjerna anger var klämmor skärptes under föruppvärmningstider steg, och den svarta pilen skildrar formning. Den sista vertikala linjen visar var värmesystemet var avstängd medan systemet svalnat.
Figur 6: As-cast och bildade resultat. Den som mottagna, gjutna blank yta och geometri som har en minsta innerdiameter på 330 mm (överst) deformerades i två omgångar för att ge det visade resultatet (mitten). Det gjutna dendritiska mikro (nederst till vänster) är synligt modifieras genom formningen och en efterföljande T6 värmebehandling (nederst till höger) som observerades med optisk mikroskopi 8, 13.ig6large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
De representativa resultat som visas ovan markera att protokollet och utrustning som används är i stånd att bilda gjuten aluminium vid förhöjda temperaturer, och har gett en plattform för att bestämma ett fönster för flödesformande hjul bearbetning. Tekniken visade kan användas för att undersöka aspekter att bilda kuvert, inklusive hur både formas och oformade materialet svarar på värmebehandling 8. Det finns emellertid utrymme för förbättringar med nuvarande behandlingsprotokollet med denna apparat.
När det gäller ytterligare instrumentering, vilket skulle påskynda processmodell utveckling, införandet av maskinverktygsdynamometer och tribometers 11, 12 för att mäta bildande laster och friktionsfaktorer på valsen skulle ge viktig information om processförhållandena. Detta är en i stor omfattning instrumentering teknik för ortogonala bearbetningsstudier, och kundelätt implementeras på den aktuella maskinen. Denna ytterligare instrumentering skulle ge användbara data för att noggrant validera modellerings insatser 13, 14 och stödja den ökande industriellt intresse i denna process. För att effektivt fånga utvecklingen av temperaturen hos ämnet under bearbetningen, är det önskvärt med en beröringsfri mätmetod. Emellertid är vanliga IR-baserade tekniker hämmas av aluminiumets låg emissivitet och hur ytan förändras under bearbetning. Detta är den främsta anledningen till att en instrumenterad, driftsättning tom användes för att fånga den typiska termiska respons uppnås med det protokoll som beskrivs, och tjänade för att fylla en grundläggande värmeöverförings analys för att relatera spindel yttemperatur till arbetsstycket.
Eftersom det är till stor del en manuell formningsprocess för ett material som är känsligt för tid vid temperatur, några inkonsekvenser mellan körning köra ärkan förväntas. Aluminiumlegeringar har mikrostrukturer som är mycket känsliga för temperaturer över 100 ° C på grund av åldrande mekanismer. Därför är de mest kritiska stegen i protokollet är 1,2 och 3,3 till 3,7, där ämnet är vid förhöjda temperaturer. Åtdragning och åter sittplatser klämmorna måste ske så snabbt som möjligt för att bibehålla repeterbarheten mellan formningsoperationer.
In situ stycket värme används under förvärmningen steg är ganska ineffektivt och kan förbättras genom strålningsuppvärmning. De övergripande bearbetningshastigheterna i form av dorn och verktygsrörelser som kan uppnås är något begränsad av kapaciteten hos svarven användes. Högre bildar hastigheter kräver en styvare ram med en högre lastkapacitet, särskilt om bildandet av ett starkare material skulle prövas. Arbetsstycke fastspänning och frisättning kan förbättras med tillägg av hydrauliska eller pneumatiska aktivering. Som värmeöverföring från blank till kärnan är i stort sett en funktion av trycket ut av arbetsstycket på spindeln, kan detta tillägg också förbättra en modellbaserad metod för att fastställa arbetsstycket temperatur under formningen med det befintliga systemet.
Anordningen och förfarandet som beskrivs har visat att forma belastningar för detta material under dessa förhållanden närmar dem för standard svarvning, och är fortfarande en mycket kostnadseffektiv process för att utföra tillverknings prövningar. Forskning om olika tillverkningsvägar och formbarhet kan utföras från kommersiell formningsutrustning, som är ytterst dyra att driva. Med apparaten och protokoll som beskrivs, kan processparametrarna undersökas innan bygga större skala, högre genomströmning utrustning, och författarnas kunskap, är en unik metod.
Som protokoll som utvecklats har endast tillämpats på en viss variant av gjuten aluminiumlegeringre är en mängd andra aluminium gjuteri legeringar som kunde undersökas för en mängd olika tillämpningar utanför fordonshjul. Eftersom dessa legeringar har ungefär liknande bearbetningsfönster från en temperatur perspektiv kan protokoll som utvecklats lätt kan anpassas.
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Ross McLeod, David Torok, Wonsang Kim och Carl Ng för deras tekniska support. MJ Roy vill erkänna det stöd från EPSRC (EP / L01680X / 1) genom Material för krävande miljöer Centrum för doktorandutbildning och Rio Tinto Alcan för ekonomiskt stöd genom en Research Fellowship Award.
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 |
References
- Wong, C., Dean, T. A review of spinning, shear forming and flow forming processes. Int. J Mach Tool Manu. 43 (14), 1419-1435 (2003).
- Music, O., Allwood, J. M., Kawai, K. A review of the mechanics of metal spinning. J Mater Process Tech. 210 (1), 3-23 (2010).
- Razani, N. A., Jalali Aghchai, A., Mollaei Dariani, B. Flow-forming optimization based on hardness of flow-formed AISI321 tube using response surface method. Int J Adv Manuf Tech. 70 (5), 1463-1471 (2014).
- Abedini, A., Rash Ahmadi, S., Doniavi, A. Roughness optimization of flow-formed tubes using the Taguchi method. Int J Adv Manuf Tech. 72 (5), 1009-1019 (2014).
- Davidson, M. J., Balasubramanian, K., Tagore, G. R. N. Experimental investigation on flow-forming of AA6061 alloy-A Taguchi approach. J Mater Process Tech. 200 (1-3), 283-287 (2008).
- Cheng, Y. C., Lin, C. K., Tan, A. H., Lin, J. C., Lee, S. L. Effect of Spinning Deformation Processing on the Wear and Corrosion Properties of Al-7Si-0.3Mg Alloys. Mater Manuf Process. 25 (7), 689-695 (2010).
- Mori, K., Ishiguro, M., Isomura, Y. Hot shear spinning of cast aluminium alloy parts. J Mater Process Tech. 209 (7), 3621-3627 (2009).
- Roy, M. J., Maijer, D. M. Response of A356 to warm rotary forming and subsequent T6 heat treatment. Mat Sci Eng A-Struct. 611, 223-233 (2014).
- Roy, M. J., Maijer, D. M., Dancoine, L. Constitutive behavior of as-cast A356. Mat Sci Eng A-Struct. 548, 195-205 (2012).
- Molladavoudi, H. R., Djavanroodi, F. Experimental study of thickness reduction effects on mechanical properties and spinning accuracy of aluminum 7075-O, during flow forming. Int J Adv Manuf Tech. 52 (9), 949-957 (2011).
- Smolenicki, D., Boos, J., Kuster, F., Roelofs, H., Wyen, C. F. In-process measurement of friction coefficient in orthogonal cutting. CIRP Ann-Manuf Techn. 63 (1), 97-100 (2014).
- Xu, W., Zhao, X., Ma, H., Shan, D., Lin, H. Influence of roller distribution modes on spinning force during tube spinning. Int J Mech Sci. 113, 10-25 (2016).
- Roy, M. J., Maijer, D. M. Analysis and modelling of a rotary forming process for cast aluminium alloy A356. J Mater Process Tech. 226, 188-204 (2015).
- Lu, P., Zhang, Y. K., Ma, F. Finite element analysis on multi-step rolling process and controlling quality defect for steel wheel rim. Adv Mech Eng. 7 (7), 1-11 (2015).
