Se presenta un protocolo experimental para rotatoria instrumentada cálida formación de aleaciones de aluminio fundido que emplean un aparato de medida en escala industrial. Se discuten consideraciones experimentales incluidos los efectos térmicos y mecánicos, así como la similitud con el procesamiento a gran escala de las ruedas del automóvil.
Alto rendimiento, las ruedas de automóviles de aluminio fundido cada vez más se están formando de forma incremental a través de la formación de flujo / hilado de metal a temperaturas elevadas para mejorar las propiedades del material. Con una amplia gama de parámetros de procesamiento que puede afectar tanto a la forma alcanzada y propiedades de los materiales resultantes, este tipo de procesamiento es muy difícil de comisión. Una versión simplificada, de poca potencia del proceso se ha diseñado e implementado para ruedas de automóviles de tamaño completo. El aparato está destinado a ayudar en la comprensión de los mecanismos de deformación y la respuesta material a este tipo de procesamiento. Un protocolo experimental se ha desarrollado para prepararse, y posteriormente realizar ensayos de conformación y se ha descrito para los espacios en blanco de la rueda A356 de colada. El perfil térmico alcanza, junto con se proporcionan detalles de instrumentación. Se discute la similitud con las operaciones que imparten significativamente más deformación a velocidades más rápidas de formación a gran escala.
Una de las operaciones de formación de metales más difíciles que actualmente se practican en los sectores aeroespacial y del transporte es el hilado de metal, incluyendo derivados, tales como la formación de cizallamiento y de flujo que forma 1, 2. En este proceso, una pieza de trabajo de revolución se coloca sobre un mandril que representa la forma final deseada, y se dio en contacto con uno o más incide rodillos. La pieza de trabajo que está siendo comprimido entre el rodillo y el mandril a continuación se deforma plásticamente, con una respuesta diversa, incluyendo la flexión elongación combinada, adelgazamiento y axial. En un material que tiene una ductilidad limitada o es de otro modo difícil de formar, esto se lleva a veces a una temperatura elevada para disminuir el estrés de flujo y el aumento de la ductilidad.
Desde un punto de vista de procesamiento, hay una amplia gama de parámetros que pueden dictar la forma y propiedades del componente fabricado. Numerosos estudios se han centradoen técnicas estadísticas para la optimización de varios parámetros de 3, 4, 5. Las variables incluyen la geometría de herramientas, tales como la forma de la herramienta y el mandril; formación de velocidades incluyendo tanto las tasas de velocidad de rotación del mandril y piensos utillaje; así como las propiedades del material. Cuando se requieren temperaturas elevadas, los profesionales necesitan para evaluar la temperatura mínima necesaria al tiempo que conserva un producto de sonido.
aleaciones de fundición de aluminio se emplean en una amplia variedad de aplicaciones de automoción y aeroespacial, con el A356 aleación utilizada en las ruedas del automóvil. Sin embargo, esta aleación no es adecuado para formar a temperatura ambiente 6, 7 debido a su ductilidad limitada y debe formarse a temperaturas elevadas. Esto introduce una gran cantidad de procesamiento de la complejidad, principalmente en el control de la temperatura. Como las propiedades de este material de cambio de SIGNIFICAntly con la temperatura 8, es particularmente importante realizar ensayos instrumentados en el que las condiciones térmicas se pueden mantener dentro de una ventana de procesamiento razonable y ser monitoreados. Los datos detallados sobre el comportamiento termomecánico de A356 de colada que van desde la temperatura ambiente hasta 500 ° C en un amplio intervalo de velocidades de deformación pueden ser revisados en otro lugar. 9
Con el fin de apoyar el desarrollo y la optimización de las operaciones para la fabricación rueda de formación de flujo, que forman el equipo costumbre se ha desarrollado en el Departamento de Ingeniería de Materiales de la Universidad de Columbia Británica (Figura 1). Este aparato se ha construido principalmente de un torno cabestrante manual, accionado por correa con una potencia total de 22 kW, y un sistema de calefacción de propano antorcha con una potencia máxima de 82 kW (Figura 2). Un mandril con termopares integrados junto con un conjunto de rodillo rígida (Figura 3) ha sidoinstalada, que es capaz de formar piezas de trabajo hasta 330 mm de diámetro. El mandril tiene un sistema de sujeción de accionamiento manual que es capaz de dar cuenta de grandes cambios en el diámetro de la pieza que se producen durante el procesamiento (Figura 4). Una batería operado sistema de adquisición de datos (DAQ) que contiene un ordenador inalámbrico miniatura capaz de monitorizar la temperatura del mandril durante la formación y la pieza en bruto para la calefacción caracterización se ha instalado en la pluma del torno. Mientras que otros procesos de formación de flujo se han sintetizado usando tornos adaptados 4, 10, el presente aparato es el primero a encarnar en la calefacción situ y datos térmicos adquisición.
Un protocolo de procesamiento para las operaciones de formación a escala industrial-ha sido desarrollado para proporcionar las condiciones de procesamiento indicativos. Se describe posteriormente, este protocolo consiste en herramientas y preparación de la pieza, que forma práctica, concluding con el extremo de formación de operaciones de prueba.
Figura 1: Información general del aparato experimental. componentes principales que se han añadido a un torno cabrestante modificada para formar a temperaturas elevadas. Fotografía del equipo (arriba) y de las principales direcciones de trabajo y componentes etiquetados en una representación de diseño asistido por ordenador (parte inferior). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Calefacción detalle del sistema. Un sistema de calefacción de propano con cuatro quemadores discretos (superior e inferior derecha) accionadas desde un colector central que contiene un solenoide de control de gas (parte superior e inferior izquierda).La presión de gas y un caudal discreto a cada uno de los quemadores es posible, junto con la colocación a lo largo de la pieza en bruto para ajustarse a diferentes geometrías. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Soporte de rodillos detalle el montaje. El titular de la herramienta original por el torno ha sido adaptado para sostener un rodillo en arbitraria ángulos con respecto al eje de giro del mandril a través de un conjunto de tuerca de atasco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: <strong> Mandril instrumentada y visión general del sistema de sujeción. El herramientas rotativas ha sido diseñado para atornillar directamente al husillo del torno, que es a su vez el apoyo de un centro vivo en el cabezal móvil (arriba y abajo izquierda). conjunto de abrazadera / operación también se muestra (arriba y abajo a la derecha). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los resultados representativos mostrados anteriormente ponen de manifiesto que el protocolo y el material empleado es capaz de formar aluminio fundido a temperaturas elevadas, y ha proporcionado una plataforma para determinar una ventana de procesamiento para la formación de las ruedas de flujo. La técnica mostrada se puede utilizar para explorar aspectos de la formación de sobres, incluyendo la forma en tanto formado y el material sin forma responde a tratamiento térmico 8. Sin embargo, hay espacio para la mejora con el protocolo de tratamiento actual con este aparato.
En cuanto a la instrumentación más, lo que aceleraría el desarrollo del modelo de proceso, la inclusión de un dinamómetro de máquina-herramienta y tribómetros 11, 12 para medir la formación de cargas y factores de fricción en el rodillo proporcionaría información importante acerca de las condiciones del proceso. Esta es una técnica ampliamente la instrumentación empleada para estudios de mecanizado ortogonales, y podríaimplementarse fácilmente en el equipo actual. Esta instrumentación adicional proporcionaría datos útiles para validar la precisión de los esfuerzos de modelado 13, 14 y apoyar el creciente interés industrial en este proceso. Con el fin de capturar de manera efectiva la evolución de la temperatura de la pieza en bruto durante el procesamiento, una técnica de medición sin contacto es deseable. Sin embargo, las técnicas basadas en infrarrojos comunes se ven obstaculizados por la baja emisividad de aluminio y cómo los cambios en la superficie durante el procesamiento. Esta es la razón principal por la cual un instrumentados, puesta en marcha en blanco fue empleado para capturar la típica respuesta térmica conseguido con el protocolo descrito, y sirvieron para rellenar un análisis de transferencia de calor de línea de base para relacionar la temperatura superficial del mandril a la pieza de trabajo.
Ya que es en gran medida un proceso de formación manual de un material que es sensible al tiempo a la temperatura, algunas inconsistencias entre una ejecución a otra sonse espera. Las aleaciones de aluminio tienen microestructuras que son altamente sensibles a temperaturas superiores a 100 ° C debido a los mecanismos de envejecimiento. Por lo tanto, los pasos más críticos dentro del protocolo son 1.2 y 3.3 a 3.7, donde la pieza en bruto es a temperaturas elevadas. Apriete y re-asientos las abrazaderas deben llevarse a cabo lo más rápidamente posible para mantener la repetibilidad entre las operaciones de formación.
La calefacción pt la pieza de trabajo situ empleado durante la etapa de pre-calentamiento es bastante ineficiente y podría mejorarse a través de la calefacción por radiación. Las velocidades de procesamiento general en términos de movimientos de mandril y de herramientas que se pueden alcanzar son algo limitadas por las capacidades del torno empleado. velocidades más altas requieren que forman un marco más rígido con una capacidad de carga más alta, en particular si la formación de un material más fuerte se intentara. de sujeción de piezas de trabajo y pueden ser mejoradas con la adición de accionamiento hidráulico o neumático. Como la transferencia de calor desde el blank al mandril es en gran medida una función de la presión impuesta por la pieza de trabajo sobre el mandril, de esta adición también podría mejorar un enfoque basado en modelos para determinar la temperatura de la pieza de trabajo durante la formación con el sistema existente.
El aparato y el procedimiento descrito se ha demostrado que la formación de cargas de este material en estas condiciones se aproxima a los de las operaciones de torneado estándar, y sigue siendo un proceso muy rentable por el cual para llevar a cabo los ensayos de fabricación. La investigación en diferentes rutas de fabricación y capacidad de conformación puede llevarse a cabo fuera de un equipo de formación comercial, que es muy caro de operar. Con el aparato y el protocolo descrito, los parámetros de procesamiento pueden ser investigados antes de construir a mayor escala, un equipo de mayor rendimiento, y al conocimiento de los autores, es un enfoque único.
Como el protocolo desarrollado sólo se ha aplicado a una variante específica de aleación de aluminio fundido, laRE es una multitud de otras aleaciones de fundición de aluminio, que podría ser investigados para una variedad de aplicaciones más allá de las ruedas del automóvil. A medida que estas aleaciones tienen ventanas de procesamiento de aproximadamente similares desde una perspectiva de la temperatura, el protocolo desarrollado se puede adaptar fácilmente.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a Ross McLeod, David Torok, Wonsang Kim y Carl Ng por su apoyo técnico. MJ Roy le gustaría reconocer el apoyo de EPSRC (EP / L01680X / 1) a través de los materiales para los exigentes entornos Centro de formación de doctorado y Rio Tinto Alcan para el apoyo financiero a través de un premio de beca de investigación.
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 |