铸铝零部件的暖纺纱实验程序

Engineering
 

Summary

对于仪表温暖回转成型采用定制的工业缩放设备铸铝合金的实验方案提出。实验的考虑包括热和机械作用进行了讨论,以及与汽车车轮的全面处理相似。

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Roy, M. J., Maijer, D. M. Experimental Procedure for Warm Spinning of Cast Aluminum Components. J. Vis. Exp. (120), e55061, doi:10.3791/55061 (2017).

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Abstract

高性能,铸铝汽车轮毂被越来越多地通过逐步形成流量/金属旋压在高温下形成,以提高材料的性能。用各种各样的工艺参数可影响这两个形状实现和得到的材料性质,这种类型的处理是非常困难的佣金。这个过程的简化,轻型版本已设计和全尺寸的汽车轮毂实施。该装置的目的是帮助理解变形机制和这种类型的处理的材料的反应。一个试验性协议已经发展到准备,并随后进行成型试验和铸A356轮毛坯描述。热分布达到,连同提供仪器的信息。相似满刻度形成能赋予以更快的速率显著更变形的操作进行讨论。

Introduction

一位在航空和运输部门目前正在实行的更具挑战性的金属成型操作的是金属旋压,包括衍生产品如剪切成型和流动形成1,2。在此过程中,一个轴对称的工件被放置在代表最后的所需形状的心轴,并纺成与一个或多个冲击辊子接触。工件被辊芯棒和压缩之间再塑性变形,与包括联合弯曲,细化和轴向伸长多样反应。在具有有限的延展性或以其他方式难以形成的材料时,这有时在高温下进行,以减少流动应力和增加的延展性。

从处理的观点来看,也有广泛的可支配的形状和制造组件的性能的参数。许多研究都集中关于用于优化各种参数3,4,5的统计技术。变量包括模具的几何形状,如工具和心轴的形状;形成速度既包括芯棒旋转速度和模具的进给率;以及材料特性。当需要升高的温度,从业者需要评估,同时仍保持良好的产品所需的最低温度。

铸铝合金在各种汽车和航空航天应用中采用,以在汽车轮毂的合金A356。然而,这种合金是不适合于由于其有限的延展性室温6,7形成,并且必须在升高的温度下形成。这引入了处理的复杂性,主要是在控制温度的宿主。由于这种材料的性质改变标志意义ntly随温度8,以执行仪表化试验中,温度条件可以保持在合理的加工窗口内以及被监视它是特别重要的。上铸A356在宽范围的应变速率的范围从环境温度到500℃的热机械行为的详细数据可以在其他地方进行审查。 9

为了支持开发和流动形成车轮制造业务的优化,定制成型设备已经在材料工程在不列颠哥伦比亚大学( 图1)部制定。该装置已被主要由22千瓦的总输出,用82千瓦( 图2)的峰值输出丙烷喷灯加热系统手册,皮带驱动绞盘车床建造。用一个刚性辊组件沿嵌入式热电偶的芯棒( 图3)已经装,其能够形成工件高达330毫米的直径。所述心轴具有一个手工激活夹紧系统,其能够以考虑在工件直径加工( 图4)期间发生大的变化。一种电池操作的含有能形成过程中监测心轴的温度和用于表征加热坯料已安装在车床的主轴的一个微型无线计算机的数据采集系统(DAQ)。而其它流动形成工艺已被使用适于车床合成4,10,本装置是在第一原位加热和热的数据采集来体现。

对于工业上规模成形操作的处理协议已被开发以提供指示处理的条件。随后描述的,该协议包括模具和工件的准备,形成惯例,共同的与成形试运行结束ncluding。

图1
图1: 实验仪器概述。其中已添加到修改的绞盘车床在高温下形成原理的组件。设备(顶部)和标记上的计算机辅助设计的描绘(底部)主要工作方向和元件的照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2:供暖系统的细节。以丙烷加热系统从含有气体控制螺线管(顶部和底部左侧)一个中心歧管致动四个离散的燃烧器(顶部和底部右侧)。气体的压力和离散流量到每个燃烧器是可能的,与沿所述坯件放置沿着以符合不同的几何形状。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3: 滚轮架装配细节。上的车床已适于保持在任意的辊原工具夹具角相对于心轴的通过锁紧螺母组件的转动轴线。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4: 请点击此处查看该图的放大版本。

Protocol

1.工件准备成型试验

  1. 获得加工心轴尺寸,使得内径跳动为0.2mm铸态的工件,而外径保持尽可能多的铸态表面越好。
    注意:如果坯料从全尺寸轮铸件拉伸,加工操作是必需的以除去所有毂和辐条部,同时提供可使用的夹紧工件心轴的功能。这包括去除在板法兰。
  2. 预加热能够接收整个工件至135℃,清洗,在炉脱脂和地点工件为一小时,以热障涂层的应用程序编写一个棺材炉。
  3. 迅速除去从炉工件,并放置在涂层夹具。使用汽车型喷涂机,应用热障模涂一薄层的内径。
    注:该涂料将提供润滑,减少热传递到成形操作过程中的心轴上。

2.工装准备

  1. 擦拭芯棒表面用湿布。确保该芯棒具有利用沿成形长度千分表指示器<0.5mm的总的旋转的跳动。与从事尾座板现场加工中心评估这一点。使用扭矩扳手,确保那些对合模组件抛开所有紧固件是否拧紧到规定的扭矩值12.9级螺栓(单位Nm:M8 - 40,M12 - 135,M16 - 340)。
  2. 由第一供电的气体供给螺线管,然后点燃用火石火炬点火器启动预加热系统。运行10分钟,以排出在火炬/软管收集的任何冷凝物预热系统。通过停用供气电磁熄灭。
  3. 与干600 / P1200粒度的金刚砂纸芯轴删除任何松动/氧化涂层,同时以每分钟20转转动芯棒(RPM)。
  4. 功率板载数据采集模块,并运行该预加热系统,直到嵌入在芯棒表面上的热电偶读取200℃与活顶尖啮合。
  5. 使用汽车型喷涂机,轻轻涂上一种水基锻造润滑剂芯棒表面,并允许该旋转模具冷却至环境温度与即时工具中心接合。
  6. 松开滚轮架( 图3)用扳手锁紧螺母装配。设置使用工具制造者的量角器辊组件的方法或攻角,并拧紧内部和外部螺母(M35 - 750牛米)。
  7. 首先接合M12肩螺栓元件2连接到安装支架组装3钳总成( 图4)。检查任何热变形,这将阻止元件2 图4从对夹紧托架平稳运行。确保他们自由移动,轻轻ş安定干320 / P400粒度碳化硅纸接触表面。根据需要,用布应用高温基于钼的润滑剂的薄层。

3.成型操作

  1. 移动辊工具站在离朝主轴心轴完全离开,将尾座和中心明确芯棒。工件手动滑到芯轴确保即使参与。
    注:由于毛坯名义上对称,没有首选方向。
  2. 通过接合锥形模销和手拧紧穿过心轴插入夹块运行M16螺栓装配夹具到心轴上。确保有通过旋转和手动收紧施加均匀的压力,随后是气动冲击扳手设置为50牛顿米。
  3. 启动加热系统并立即开始心轴以20rpm旋转。保持施加热,直到夹子松动。所考虑的过程,这是AP近因3分钟。
    注:这一次将是每个工件略有不同,由于在工件/芯棒装修细微的差别。
  4. 熄灭加热系统并停止心轴这样的旋转,该第一夹持是用冲击扳手访问。在30秒内,拧紧用冲击或手动扳手所有夹钳并记录工件的表面温度在沿所述成形区域的长度与簧片型热电偶探头3的位置。
  5. 重复步骤3.4至工件在适当的成形温度;在最低限度,350℃为A356。用扳手设置为200 Nm的执行夹子的最终拧紧。
  6. 轴向和径向移动至辊子(约从工件表面2-5毫米)到用于形成位置,并执行最后一个夹具紧固( 步骤3.4)。
  7. 与上,增加了车床到预期的形成速度的旋转速度加热系统,接合辊预先设定的深度进入工件,并激活螺纹切削进给沿工件的长度轴向移动辊。
    注:对于目前的几何形状,合理的结果达到281转0.21毫米/转的轴向运动。
  8. 重复步骤3.7根据需要,增加变形的水平。各自形成通后,确保温度不通过停止心轴和如在步骤3.4采用使用相同的簧片型热电偶探头下降的最优形成温度以下。如果最佳成形温度有所下降,重复步骤3.4和3.5重新加热。
    注:加热炉可以采用,但在可能达到的夹紧系统的抑制工件能力的程度为代价。

4.后成型操作

  1. 一旦获得变形的所需的水平时,停止加热系统,和撤消所有夹具,和脱离尾座以获得第一百arance工件删除。
  2. 轻轻拍打工件用一块黄铜从芯棒分离。如果这被证明是无效的,重新接合所述加热系统和以20rpm旋转心轴轻轻拍打,直到坯件分离出来。
  3. 使用适当的操纵工具如夹钳或重绝缘手套,或者在60℃下骤冷于水中,工件以防止进一步的老化,或离开空气冷却,以减少残余应力/变形。

Representative Results

如铸铝A356工件是根据本文中所描述的方法形成。从铸轮采用低压压铸工艺获得来自北美轮制造的工件。一个工件与热电偶仪器不形成,但行预加热循环(协议第3节,步骤3.3-3.5)来捕获方法的这一方面中的温度在整个坯件的表面上的分布。这个响应示于图5。另外3个样品变形各级,其中包括获得两项形成通行证高水平的变形之一。前两个样本,对后者的样品进行第一遍有助于理顺与壁厚不大明显改变工件。后者样品峰的壁厚减少为约10%,其中大部分是在第二巴实现SS。截面和的铸态坯件和微观多遍样品中获得的那些示于图6。这里,示出了铸态组织到显著通过用树突特征勉强可辨别的方法来改进。枝晶间共晶是由所施加的变形打破,建立一个更均匀的微观组织比在铸态。这改善了整个延展性以及组件的疲劳和断裂性能。作者已经先前所述工件的几何形状,在壁厚特定横截面的变化,观察到的缺陷和尺寸变化的更多细节在微观结构上的全套样品8,13的。

图5
图5: 芯棒和b的典型的温度分布平直。与加热系统获得的空白,芯棒的一位代表瞬态热响应。垂直虚线指示,其中夹具预热步骤期间收紧,黑色箭头表示成形。最后垂直线示出了加热系统被关闭,而系统冷却。

图6
图6:铸态形成的结果。在作为接收的,铸态具有330毫米(顶部)的最小内径空白表面和几何两遍被变形以提供所示的结果(中间)。铸态枝晶组织(左下)明显被成形操作和随后的T6热处理(右下),为与光学显微镜8,13观察修改。ig6large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。

Discussion

上述突出所采用的协议和设备能够形成在高温下铸铝所示的代表性结果,并提供了一个平台,以确定流形成模具轮的加工窗口。表现出的技术可以用来探索形成信封,包括如何都形成和未成形材料响应热处理8的各方面。但是,有改进的余地与该装置的当前处理的协议。

关于进一步的仪器,这将加速过程模型开发,列入机床测力计和摩擦测试仪11,12来测量形成在辊上负荷和摩擦系数将提供关于工艺条件的重要信息。这是为正交加工研究一个广泛采用的仪器技术,并且可以在当前机器上容易实现。这另外的仪器将提供有用的数据,以正确地验证建模工作13,14和支持在此过程中,不断增加的工业利益。为了有效地捕获处理期间的坯料的温度的演变,非接触测量技术是期望的。然而,常见的基于红外的技术由铝的低发射率和如何处理期间表面的变化而受到阻碍。这是主要的原因,一个仪表,调试被采用以捕获与所描述的协议来实现的典型的热响应空白,并担任填充基线传热分析以涉及芯棒表面温度到工件上。

因为它在很大程度上是一种材料的手动成形方法,该方法是敏感的时间在温度,运行之间的一些不一致运行是可以预料的。铝合金有那些对温度高于100℃,由于老化机制高度敏感的微观结构。因此,在协议中最重要的步骤是1.2和3.3-3.7,其中所述坯件是在高温下。拧紧并重新座位夹具必须尽快进行,以形成操作之间保持重复性。

在预加热步骤中使用的原位工件加热是相当低效的,并可能通过辐射加热来提高。在的心轴和刀具运动方面的总体处理速度,可以实现被稍微所采用的车床的能力的限制。更高形成速度需要具有更高的负载能力更刚性的框架,尤其是当一个更强的材料的成形是要尝试。工件夹紧和松开可以与除液压或气动驱动的改进。如从血乳酸传热nk的心轴在很大程度上是由工件上芯棒施加的压力的函数,这另外还可以提高一个基于模型的方法与现有的系统中形成期间,以确定在工件的温度。

描述的装置和过程表明,在这些条件下该材料成形载荷接近那些标准车削操作,并且仍然是一个非常符合成本效益的过程,其中以执行制造试验。研究了不同的制造路线和成形性可以从商业形成设备,这是操作非常昂贵执行程。随着设备和协议说明,加工参数可以建造更大的规模,更高的吞吐量设备之前进行调查,并以作者的知识,是一种独特的方法。

随着开发的协议只被应用于铸造铝合金的一个特定变型,再是它可以用于各种超越汽车车轮的应用程序进行调查,其他铝铸造合金的多种。由于这些合金具有来自温度透视大致类似的处理窗口,开发的协议可以容易地适应。

Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgments

作者要感谢罗斯麦克劳德,空间DavidTörök,Wonsang Kim和吴嘉龙对他们的技术支持。 MJ罗伊要感谢苛刻环境中心博士培训和力拓加铝为通过研究奖学金奖励资金支持EPSRC(EP / L01680X / 1)通过材料的支持。

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

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