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.
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.
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: <strong> Instrumentert dor og klemme system oversikt. Den roterende verktøy har blitt utformet for å bolte direkte til dreiebenk spindel, som igjen er støttet av en live-senter på tailstock (øverst og nederst til venstre). Klemmen / drift er også avbildet (øverst og nederst til høyre). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
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.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke Ross McLeod, David Torok, Wonsang Kim og Carl Ng for deres tekniske support. MJ Roy ønsker å takke støtte fra EPSRC (EP / L01680X / 1) gjennom materialet for krevende miljøer Senter for forskerutdanning og Rio Tinto Alcan for økonomisk støtte gjennom et stipend award.
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 |