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.
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.
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: <strong> Instrumenteret dorn og klemme systemet overblik. Den roterende værktøj er designet til bolt direkte til drejebænk spindel, som igen er understøttet af en levende center på pinoldok (øverst og nederst til venstre). Fastspændingskonstruktion / operation er også afbildet (øverst og nederst til højre). Klik her for at se en større version af dette tal.
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.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke Ross McLeod, David Torok, Wonsang Kim og Carl Ng for deres tekniske support. MJ Roy vil gerne anerkender støtten fra EPSRC (EP / L01680X / 1) gennem de Materialer til krævende miljøer Center for ph.d.-uddannelser og Rio Tinto Alcan for finansiel støtte gennem en Research Fellowship 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 |