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.
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.
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: <strong> Instrument spindel och klämsystemöversikt. Den roterande verktyg har utformats för att bulta fast direkt till svarvspindel, som i sin tur stöds av en levande centrum på dubbdockan (övre och nedre vänster). Klämaggregatet / drift visas också (övre och nere till höger). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |