Experimental Procedure for Warm Spinning of Cast Aluminum Components

Matthew J. Roy; Daan M. Maijer

doi:10.3791/55061

JoVE Journal > Engineering

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Ingénierie

캐스트 알루미늄 부품의 따뜻한 회전에 대한 실험 절차

Published: February 01, 2017

doi:

10.3791/55061

Matthew J. Roy¹, Daan M. Maijer²

¹School of Mechanical, Aerospace, and Civil Engineering,University of Manchester, ²Materials Engineering,University of British Columbia

Summary

맞춤형 산업 스케일 장치를 사용하는 주조 알루미늄 합금으로 형성 계측 따뜻한 회전에 대한 실험 프로토콜이 제공됩니다. 열 및 기계적 효과를 포함 실험 고려 사항은 자동차 바퀴의 본격적인 처리와 외모뿐만 아니라, 논의된다.

Abstract

고성능 캐스팅 알루미늄 자동차 바퀴 갈수록 점진적으로 물성을 개선하기 위해 높은 온도에서 형성하는 유동 / 금속 방사를 통해 형성되어있다. 형상 획득 및 생성 된 물질의 특성 모두에 영향을 줄 수있는 처리 파라미터의 다양한 배열, 이러한 타입의 처리는위원회 악명 어렵다. 처리의 단순화, 경량 버전의 설계 및 전체 크기 자동차의 바퀴에 대해 구현되었다. 장치는 변형 처리 메커니즘이 유형의 반응 물질을 이해 지원하기위한 것이다. 실험 프로토콜을 형성하는 시험을 준비하고, 계속해서 수행하도록 개발되었으며 같은 주조 A356 휠 블랭크 설명한다. 열 프로파일은 기기 정보가 제공되는으로 함께 달성. 전체 규모는 빠른 속도에 훨씬 더 많은 변형을 부여하는 작업을 형성하는 비유는 설명한다.

Introduction

현재 항공 우주 및 운송 부문에서 실시되는 더 도전 금속 성형 작업 중 하나는 전단 형성과 흐름 ^{^(1),} ^(2)을 형성 유도체를 포함하는 금속 회전이다. 이 과정에서, 축 대칭 공작물 최종 원하는 형상을 나타내는 맨드릴에 배치되고, 하나 이상의 충돌하는 롤러와 접촉 스펀. 공작물은 다음 소성 결합 굽힘, 숱 및 축 신장을 포함하여 다양한 응답, 변형 롤러와 굴대 사이에서 압축된다. 한정 연성을 보유 또는 형성하기 어려운 재료이며, 이것은 때때로 유동 응력 확대 연성을 감소시키는 상승 된 온도에서 수행된다.

처리 관점에서 형상 및 제조 성분의 특성을 지시 할 수있는 다양한 파라미터들이있다. 많은 연구가 집중했다다양한 변수 ^{^3,} ^{^4,} ^5를 최적화하기위한 통계적 기법. 변수는 공구 및 맨드릴의 형상 등의 공구 형상을 포함한다; 맨드릴 둘 회전 속도 및 공구 이송 속도를 포함한 속도를 형성하는 단계; 뿐만 아니라 재료 특성 등. 승온이 필요한 경우,업자는 여전히 음향 제품을 유지하면서 최소 온도가 필요 평가할 필요가있다.

주조 알루미늄 합금은 자동차 바퀴에 사용되는 합금 A356으로, 자동차 및 항공 다양한 애플리케이션에 사용된다. 그러나,이 합금은 연성 제한 때문에, 실온 ^{^{^(6, 7)에}} 형성하기에 적합하지 않고 고온에서 형성되어야한다. 이것은 주로 온도 제어의 복잡성을 처리하는 호스트를 도입한다. 이 물질의 특성은 significa을 변경하면ntly 온도를 ^8로, 열 조건이 적절한 처리 윈도우 내에서 유지 될 수 있고 모니터링 될 수있는 계측 시험을 수행하는 것이 특히 중요하다. 스트레인 비율의 넓은 범위에 걸쳐 실온에서 500 ℃의 범위로서 캐스트 A356의 열 기계적 동작에 대한 상세한 데이터는 다른 곳에서 평가 될 수있다. ⁹

개발 및 휠 제조 작업을 형성하는 흐름의 최적화를 지원하기 위해, 사용자 정의 형성하는 장비는 브리티시 컬럼비아 대학 (그림 1)에서 재료 공학과에서 개발되었다. 이 장치는 기본적으로 22 kW의 총 출력, 82 킬로와트 (도 2)의 피크 출력 프로판 토치 가열 시스템과 수동, 벨트 구동 캡스턴 선반에서 내장하고있다. 단단한 롤러 어셈블리와 함께 포함 된 열전대와 맨드릴 (그림 3)하고있다직경 330mm까지의 가공품을 형성 할 수있는 설치. 맨드릴 (도 4)을 처리하는 동안 발생하는 공작물 직경이 큰 변화를 설명 할 수있는 수동 작동 클램핑 시스템을 갖는다. 배터리는 형성 동안 맨드릴의 온도를 모니터링하고 특성화 난방 빈은 선반의 퀼에 설치되어있는 소형 무선 컴퓨터를 포함하는 데이터 수집 (DAQ) 시스템을 운영했다. 다른 흐름을 형성하는 프로세스를 적응 선반을 사용하여 합성되었지만 ^⁽⁴⁾ ^(10)는, 본 장치는 인 시츄 열적 가열 및 데이터 수집에 구현 처음이다.

공업 적 스케일 형성 작업에 대한 처리 프로토콜을 나타내는 처리 조건을 제공하기 위해 개발되었다. 계속해서 설명하면,이 프로토콜은 공구와 공작물 준비, 형성 연습, 공동 구성시험 운영을 형성 끝 ncluding.

그림 1 : 실험 장치 개요. 고온에서 형성 변성 캡스턴 선반에 추가 된 원리 요소. 장비 (위)와 컴퓨터 지원 설계 묘사 (하단)에 표시된 주요 작업 방향 및 구성 요소의 사진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2 : 난방 시스템 세부 사항입니다. 가스 제어 솔레노이드 (상부 및 하부 좌측)를 포함하는 중앙 다기관에서 작동 디스크리트 버너 (상부 및 하부 우측)과 프로판 가열 시스템.가스압 버너 각각 이산 유량은 다른 형상을 따르도록 블랭크 따라 배치와 함께 가능해진다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 : 롤러 어셈블리 세부 사항을 서있다. 선반은 임의의 롤러를 유지하도록 한 동안 원래 공구 홀더는 잼 너트 조립을 통해 맨드릴의 회전 축에 대해 각도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4 : <strong> 계장 맨드릴 및 클램프 시스템 개요. 회전 공구는 테일 스톡 (상단과 하단 왼쪽)에 라이브 센터가 지원하는 턴에있는 선반 스핀들에 직접 볼트하도록 설계되었습니다. 클램프 조립 / 작업도 묘사된다 (상단과 하단 오른쪽). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

시험을 형성 1. 공작물 준비 외경 최대한 주조 표면을 유지하면서, 이러한 내경 런아웃 0.2 mm임을 맨드릴 크기로 가공 등 캐스트 공작물 획득. 주 : 블랭크는 전체 크기 휠 주물로부터 인출하는 경우, 가공 작업을 맨드릴에 공작물을 고정하는데 이용 될 수있는 기능을 제공하면서, 모든 허브를 제거한 부분 스포크 요구된다. 이에 내장 된 플랜지의 제거를 포함한다. 135 ° C까지의 전체 워크 수신 열차 폐 코팅 프로그램을 준비하기 위해 한 시간 동안 노 탈지제 및 장소 공작물을 청소할 수 입관로를 예열. 급속 노로부터 공작물을 제거하고 코팅 지그에 배치했다. 자동차 형 도료 분무기를 사용하여, 내경 단열 다이 코팅의 얇은 층을 적용한다. 이 코팅은 윤활을 제공하고 열 전달을 감소 : 주성형 작업 중에 맨드릴. 2. 공구 준비 젖은 천으로 맨드릴 표면을 닦으십시오. 맨드릴이 형성 길이를 따라 다이얼 게이지 표시를 사용하여 <0.5 mm의 총 회전 진동이 있는지 확인하십시오. 심 압대 판에 종사하는 라이브 툴링 센터와이 평가합니다. 토크 렌치를 사용하여 클램프 어셈블리에 사람들을 제외하고 모든 체결 학년 12.9 볼트에 대한 규정 토크 값으로 조여 있는지 확인 (뉴 멕시코 : M8 – 40, M12 – 135, M16 – 340). 먼저 가스 공급 솔레노이드에 전력을 공급하고 라이터 불꽃 부싯돌과 토치의 점화에 의해 예열 시스템을 시작. 10 분은 횃불 / 호스에 수집 된 응축수를 배출하기위한 예열 시스템을 실행합니다. 가스 공급 솔레노이드를 비활성화하여 끈다. 분당 20 회전에 맨드릴을 켜는 동안 건조 600 / P1200 그릿 실리콘 카바이드 종이 맨드릴에 느슨한 / 산화 코팅 층을 제거수 (rpm). 전원 보드상의 데이터 취득 모듈 및 라이브 센터 종사와 맨드릴 표면에 매립 된 열전쌍은 200 °의 C를 판독 할 때까지 예비 가열 시스템을 실행. 라이브 공구 중심이 결합하여 회전 공구를 자동차 형 도료 분무기 가볍게 코트 수계 단조 윤활제 맨드릴 표면에 사용 가능하면, 주위 온도로 냉각. 렌치 롤러 스탠드 (그림 3)에 잼 너트 어셈블리를 풉니 다. TOOLMAKER의 각도기를 사용하여 롤러 어셈블리에 접근 또는 공격의 각도를 설정하고 내부 및 외부 너트 (M35 – 750 ㎚)를 모두 조입니다. 제 클램프 브래킷 소자 (2)를 연결하는 M12 쇼울더 볼트 결합에 의해 3 클램프 어셈블리 (도 4)를 조립한다. 부드럽게 클램프 브래킷에 대해 실행 그림 4 요소 (2)를 방지 할 수있는 열 왜곡을 검사합니다. 가볍게이야, 그들이 자유롭게 이동하는지 확인건조 320 / P400 그릿 실리콘 카바이드 종이 접촉면을 AND 연산. 필요에 따라 천 고온 몰리브덴 계 윤활제의 박층을 적용한다. 3. 성형 작업 롤러 도구, 완전히 떨어져 주축으로 맨드릴에서 서 맨드릴의 명확하게하기 위해 심 압대와 중심을 이동 이동합니다. 수동으로도 참여를 보장 맨드릴에 공작물을 밀어 넣습니다. 주 : 공백이 명목상 축 대칭있는 바와 같이, 더 바람직한 방향이 없습니다. 테이퍼 다이 핀을 결합하고 손 클램프 블록으로 맨드릴을 통해 실행 M16 볼트를 조여 맨드릴 상에 클램프를 조립합니다. 심지어 압력이 50 Nm의 설정 공압 임팩트 렌치 다음, 체결 수동 회전에 의해 적용되는이 있는지 확인하십시오. 가열 시스템을 시작하고 바로 20 rpm으로 회전하는 맨드릴을 시작합니다. 클램프가 완화 될 때까지 열을 적용하십시오. 고려 된 방법의 경우,이 AP는3 분을 근접하여. 참고 :이 시간으로 인해 워크 / 맨드릴 비품의 미묘한 차이로 각각의 작업 물이 약간 달라집니다. 가열 시스템 진화 한 제 클램프 임팩트 렌치 액세스되도록 상기 맨드릴의 회전을 멈춘다. 30 초 이내에, 충격 또는 수동 공구 모든 클램프를 조여 리드 타입 열전쌍 프로브 형성 영역의 길이를 따라 3 위치에 피 가공물의 표면 온도를 기록한다. 워크까지 단계를 반복 3.4 적절한 형성 온도에; 최소한, A356 350 ° C를. 200 Nm의 설정 임팩트 렌치 클램프의 최종 긴축을 수행합니다. 축 방향 및 반경 방향으로 롤러를 이동 (약. 2-5 공작물 표면에서 mm)의 형성 위치에, 그리고 체결 마지막 클램프 (즉, 단계 3.4)을 수행합니다. 의도 형성 속도에 선반의 회전 속도를 증가하고 상기 가열 시스템에 롤러 결합미리 설정된 편으로 깊이와 공작물의 길이를 따라 축 방향으로 롤러를 이동 나사못 공급 활성화. 참고 : 본 형상은, 합리적인 결과가 0.21 mm / 회전의 축 이동과 281 rpm에서 달성했다. 변형의 수준을 높이기 위해 필요한 단계를 반복합니다 3.7. 각 패스의 형성 후, 온도가 맨드릴을 정지하고, 단계 3.4에서 사용되는 것과 같은 리드 타입 열전쌍 프로브를 사용하여 최적의 성형 온도 이하로 떨어지지 않는 것을 보장한다. 최적의 형성 온도를 떨어 경우, 반복 3.4 및 3.5 재가열하는 단계를 반복합니다. 주 : 재가열은 그러나 잠재적으로 공작물을 억제하는 클램프 시스템의 능력의 범위에 도달하는 비용으로 이용 될 수있다. 4. 포스트 성형 작업 변형의 원하는 레벨을 획득 한 후, 가열 시스템을 정지하고, 모든 클램프를 취소하고, CLE를 얻기 위해 심 압대를 분리워크 제거를위한 arance. 조심스럽게 맨드릴에서 분리 놋쇠 조각으로 공작물을 누릅니다. 이 효과가 입증되면, 가열 시스템을 재 참여 조심스럽게 빈 분리형 때까지 눌러 20 rpm에서 맨드릴을 회전합니다. 이러한 집게 또는 무겁게 절연 장갑 등의 적절한 조작 도구를 사용하거나 60 ° C에서 물에 공작물을 해소하는 것은 더 노화를 방지 또는 잔류 응력 / 왜곡을 최소화하기 위해 공기 냉각에두고있다.

Representative Results

AS-cast 알루미늄 A356 공작물이 논문에 기재된 방법에 따라 형성 하였다. 공작물은 낮은 압력이 과정을 다이 캐스팅 사용하는 북미 휠 제조업체로 캐스트 휠에서 얻었다. 열전대 계측 한 공작물을 형성하지만, 프로세스의이 양태 중에 블랭크의 표면에 걸쳐 온도 분포를 캡처 예열 사이클 (프로토콜 부분 3 3.3-3.5 단계)을 시행하지 않았다. 이 응답은 그림 5에 표시됩니다. 또 3 샘플 변형의 높은 수준이 형성 패스를받은 것을 포함하여 다양한 수준으로 변형되었다. 처음 두 샘플 후자 샘플에서 수행 된 첫 번째 패스는 벽 두께가 작은 명백한 변화 공작물을 곧게 역임. 후자의 샘플 피크 두께 감소는 약 10 %이고 대부분은 제 PA 달성했다SS. 단면 블랭크로서 캐스트 및 미세 멀티 패스 샘플에서 얻은 결과는도 6에 도시되어있다. 여기서, 상기와 같은 캐스트 미세 크게 겨우 식별 할 수지상 기능과 프로세스에 의해 정제 할 수 표시됩니다. 수지상 정간 공정은으로 주조 상태에서보다 훨씬 더 균일 한 미세 조직을 생성, 부과 변형에 의해 파괴된다. 이것은 전체 연성뿐만 아니라 구성 요소의 피로 파괴 특성을 향상시킨다. 저자는 이전에 샘플 8, 13의 전체 집합에 미세에 공작물 형상, 벽 두께의 특정 단면 변화 관찰 결함 및 치수 변화의 자세한 내용을 설명했다. 그림 5 : 굴대와 b의 전형적인 온도 프로파일 여윈. 블랭크 및 맨드릴의 대표적인 과도 열 응답은 가열 시스템 얻어. 수직 클램프가 예열 단계에서 강화 된 위치 선이 표시 점선과 검은 색 화살표가 형성 보여줍니다. 시스템이 냉각 동안 가열 시스템이 해제 된 경우 마지막 수직선을 보여줍니다. 그림 6 :로 캐스트 및 형성 결과. (가) 330mm (위)의 최소 내경을 갖는 빈 표면 형상을 그대로 전송할뿐만-수신은 도시 된 결과 (중간)을 제공하는 두 과정으로 변형시켰다. 대로의 캐스팅 수지상 미세이 (왼쪽 하단) 눈에 띄게 성형 수술 및 광학 현미경 (8), (13) 관찰 등의 후속 T6 열처리 (오른쪽 아래)에 의해 수정된다.ig6large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

대표적인 결과는 사용 된 프로토콜 및 장치가 고온에서 알루미늄 주물을 형성 할 하이라이트 위에서 제시하고 휠을 형성하는 흐름의 처리 윈도우를 결정하기위한 플랫폼을 제공하고있다. 시연이 기술은, 봉투를 형성 모두 형성 무형의 물질이 치료 ⁸ 열 응답 방법 등의 측면을 탐구하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나,이 장치에 현재의 처리 프로토콜에 개선의 여지가있다.

공정 조건에 대한 중요한 정보를 제공 할 것이다 롤러에 부하 및 마찰 계수를 형성하는 측정하는 프로세스 모델 개발, 기계 공구 동력계 및 tribometers ^(11)를 ^포함, ^12을 가속화 할 상기 계측에 관한. 이 직교 가공 연구에 널리 사용되는 계측 기술이며, 수쉽게 현재 시스템에서 구현 될 수있다. 이러한 부가 계측 정확하게 모델링 노력 ^{^13,} ^14로 확인하고이 과정에서 증가 산업 관심을 지원하기 위해 유용한 데이터를 제공한다. 효과적으로 처리 중에 블랭크의 온도의 전개를 캡처하기 위해, 비접촉 측정 방법이 바람직하다. 그러나, 일반적인 적외선 – 기반 기술은 처리 중에 표면 변화 알루미늄의 저 방사율 의해 어떻게 방해된다. 이것은 설명 프로토콜 달성 일반적인 열 반응을 캡처하기 위해 사용 된 비어 시운전 계측 및 공작물 맨드릴 표면 온도를 관련시키는 기준 열전달 분석을 채우는 제공 그래서 주요한 이유이다.

그것은 주로 온도에서 시간에 민감한 재료에 대한 설명서를 형성하는 과정으로, 실행 사이에 불일치는 실행예상합니다. 알루미늄 합금으로 인해 노화 메커니즘에 100 ° C 이상의 온도에 매우 민감 미세 있습니다. 블랭크는 고온에서 어디 따라서, 프로토콜 내에서 가장 중요한 단계는 1.2 3.3-3.7이다. 조임 재 안착 클램프 형성 작업 간 재현성을 유지하기 위해 가능한 한 신속하게 실시되어야한다.

예열 단계에서 이용되는 반응계 공작물 가열은 매우 비효율적이고, 복사 난방을 통해 개선 될 수있다. 달성 될 수있는 맨드릴 및 공구의 움직임의 측면에서 전체적인 처리 속도는 다소 이용 선반의 능력에 의해 제한된다. 높은 형성 속도는 더 강한 재질로 형성하는 시도했다 경우 특히 더 높은 부하 용량이 더 단단한 프레임이 필요합니다. 워크 클램프 및 해제는 유압 또는 공기압 작동의 첨가로 개선 될 수있다. 즐에서 열 전달로맨드릴에 NK 크게 맨드릴 상 워크에 의해 부과 된 압력의 함수이며,이 외에 또 기존 시스템 형성 동안 공작물의 온도를 확인하기위한 모델 – 기반 접근 방식을 개선 할 수있다.

설명 된 장치 및 절차는 이러한 조건이 자료에 대한 하중을 형성하는 표준 전환 작업에 대한 이러한 접근 및 제조 시험을 수행하는 의해 매우 비용 효율적인 프로세스 남아있는 것으로 나타났습니다. 다른 제조 경로와 성형에 대한 연구는 조작이 상당히 비싼 상업 형성 장비, 멀리 수행 할 수 있습니다. 장치 및 프로토콜이 설명으로, 처리 파라미터가 사전 대규모 높은 처리량 장비 구성을 조사 할 수 있고, 저자의 기술에 고유 한 방식이다.

개발 된 프로토콜은 주조 알루미늄 합금 중 하나가 특정 변형에 적용된 바와 같이,재 자동차 바퀴 이후 다양한 용도 조사 할 수있는 다른 알루미늄 주조 합금의 무리이다. 이러한 합금의 온도 관점으로부터 거의 마찬가지의 처리 창을 가지고, 개발 된 프로토콜은 쉽게 적응 될 수있다.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자는 기술 지원을 로스 MCLEOD, 데이비드 토록, 유원상 김 칼 잉에게 감사의 말씀을 전합니다. MJ 로이는 연구 활동 상을 통해 재정 지원을 위해 박사 교육 및 리오 틴토 알칸에 대한 환경 센터 까다로운에 대한 자료를 통해 EPSRC (EP / L01680X / 1)의 지원을 인정하고 싶습니다.

Materials

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

References

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Citer Cet Article

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).