Precision forging technology for aluminum alloy

Abstract

Aluminum alloy is a preferred metal material for lightweight part manufacturing in aerospace, automobile, and weapon industries due to its good physical properties, such as low density, high specific strength, and good corrosion resistance. However, during forging processes, underfilling, folding, broken streamline, crack, coarse grain, and other macro- or microdefects are easily generated because of the deformation characteristics of aluminum alloys, including narrow forgeable temperature region, fast heat dissipation to dies, strong adhesion, high strain rate sensitivity, and large flow resistance. Thus, it is seriously restricted for the forged part to obtain precision shape and enhanced property. In this paper, progresses in precision forging technologies of aluminum alloy parts were reviewed. Several advanced precision forging technologies have been developed, including closed die forging, isothermal die forging, local loading forging, metal flow forging with relief cavity, auxiliary force or vibration loading, casting-forging hybrid forming, and stamping-forging hybrid forming. High-precision aluminum alloy parts can be realized by controlling the forging processes and parameters or combining precision forging technologies with other forming technologies. The development of these technologies is beneficial to promote the application of aluminum alloys in manufacturing of lightweight parts.

Key words： precision forging; aluminum alloy; closed die forging; flow control forging; hybrid-forming technology

Acknowledgements

The authors would like to thank the support from Shenzhen Knowledge Innovation Project (Grant No. 201605313001169) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51435007).

References

1 Yoon H S, Kim  E S, Kim  M S,  Towards greener machine tools—A review on energy saving strategies and technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 48: 870–891 

2 Sun W, Chen  X, Wang L. Analysis of energy saving and emission reduction of vehicles using light weight materials. Energy Procedia, 2016, 88: 889–893

3 Heinz A, Haszler  A, Keidel C,  Recent development in aluminium alloys for aerospace applications. Materials Science and Engineering A, 2000, 280(1): 102–107

4 Hirsch J. Recent development in aluminium for automotive applications. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(7): 1995–2002

5 Ajeet Babu P K,  Saraf M R,  Voracious K C,  Influence of forging parameters on the mechanical behavior and hot forgeability of aluminium alloy. Materials Today: Proceedings, 2015, 2(4–5): 3238–3244 

6 Siegert K, Kammerer  M, Keppler-Ott T,  Recent developments on high precision forging of aluminum and steel. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 71(1): 91–99

7 Kopp R. Some current development trends in metal forming technology. Journal of Materials Processing Technology, 1996, 60(1–4): 1–9

8 Nakano T. Modern applications of complex forming and multi action forming in cold forging. Journal of Materials Processing Technology, 1994, 46(1–2): 201–226

9 Kim Y H, Ryou  T K, Choi  H J,  An analysis of the forging processes for 6061 aluminum-alloy wheels. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 123(2): 270–276

10 Liu Y. Simulation research on forging process of aluminum alloy control arm. Thesis for the Master’s Degree. Jilin: Jilin University, 2014

11 Ma Z. Study on closed-die forging technology of forging aluminum alloy sheel. Forging & Stamping Technology, 2015, 40(8): 1–4 (in Chinese)

12 Li Z, Zhang  W, Zhang S,  Die forging technology and forging die design for aluminium bearing cap. Die & Mould Manufacture, 2016, 16(2): 61–64 (in Chinese) 

13 Park J J, Hwang  H S. Preform design for precision forging of an asymmetric rib-web type component. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 187–188: 595–599

14 Deng L, Xia  J, Wang X,  Multi-directional precision forging for casing. China Mechanical Engineering, 2009, 20(7): 869–872 (in Chinese)

15 Li Q, Xia  J, Deng L, et al. Optimization of multi-directional precision forging for aluminum alloy casing. Forging & Stamping Technology, 2010, 35(5): 24–28 (in Chinese)

16 Zhou X, Cao  Q. Precision die design and improvement for large-scale double-drum shape aluminum hub. Forging & Stamping Technology, 2004, 29(1): 70–73 (in Chinese)

17 Chen S. Studies on forging forming, microstructure and properties of high-strength 7085 aluminum alloy. Dissertation for the Doctoral Degree. Changsha: Central South University, 2013 (in Chinese)

18 Shan D, Liu  F, Xu W,  Experimental study on process of precision forging of an aluminium-alloy rotor. Journal of Materials Processing Technology, 2005, 170(1–2): 412–415 

19 Chen L, Bi  S, Wang Y,  Isothermal forging forming technology of 2A14 aluminium alloy. New Technology & New Process, 2013, (6): 30–32

20 Ye S. Studies on isothermal forging of 2A14 aluminum alloy wheels. Thesis for the Master’s Degree. Changsha: Central South University, 2014 (in Chinese)

21 Shan D, Wang  Z, Lu Y,  Study on isothermal precision forging technology for cylindrical aluminium-alloy housing. Journal of Materials Processing Technology, 1997, 72(3): 403–406 

22 Zhang Y, Jiang  S, Zhao Y,  Isothermal precision forging of complex-shape rotating disk of aluminum alloy based on processing map and digitized technology. Materials Science and Engineering A, 2013, 580: 294–304

23 Petrov P, Perfilov  V, Stebunov S. Prevention of lap formation in near net shape isothermal forging technology of part of irregular shape made of aluminium alloy A92618. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 177(1–3): 218–223

24 Prasad Y V R K,  Gegel H L,  Doraivelu S M,  Modeling of dynamic material behaviour in hot deformation: Forging of Ti-6242. Metallurgical and Materials Transactions. A, Physical Metallurgy and Materials Science, 1984, 15(10): 1883–1892

25 Hu H, Wang  X, Deng L. An approach to optimize size parameters of forging by combining hot-processing map and FEM. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(11): 3887–3895 

26 Zheng T, Yang  Q. Development of isothermal forging technology for aluminum wheel. Aluminium Fabrication, 1995, 18(3): 18–21

27 Shen G, Furrer  D. Manufacturing of aerospace forgings. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 98(2): 189–195

28 Liu R, Wang  Z R, Liu  H,  A study of the superplastic isothermal deformation behavior of aluminium alloy LY12. Journal of Materials Processing Technology, 1995, 53(3–4): 871–878

29 Zhang D, Yang  H, Sun Z. Analysis of local loading forming for titanium-alloy T-shaped components using slab method. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(2): 258–266

30 Gao P F, Yang  H, Fan X G,  Quick prediction of the folding defect in transitional region during isothermal local loading forming of titanium alloy large-scale rib-web component based on folding index. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 219: 101–111 

31 Yang H, Sun  Z, Zhan M,  Advances in control of unequal deformation by locally loading and theories related to precision plastic forming. Journal of Plasticity Engineering, 2008, 15(2): 6–14 (in Chinese)

32 Wang X, Yukawa  N, Yoshita Y,  Research on some basic deformations in free forging with robot and servo-press. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(6): 3030–3038

33 Deng W, Yi  Y, Zhan L,  Research on local loading process of large Al-alloy air die forgings. Hot Working Technology, 2011, 40(11): 29–32 (in Chinese)

34 Shan D, Xu  W, Si C,  Research on local loading method for an aluminium-alloy hatch with cross ribs and thin webs. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 187–188: 480–485

35 Kondo K, Ohga  K. Precision cold die forging of a ring gear by divided flow method. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1995, 35(8): 1105–1113

36 Xia J, Jin  J, Deng L,  Mechanism of forging utilizing flow relief hole and forming load calculation. Journal of Plasticity Engineering, 2016, 23(1): 1–6 (in Chinese)

37 Xia J, Jin  J, Deng L,  Theoretical calculation of key parameters in hollow divided flow forging. Journal of Plasticity Engineering, 2016, 23(3): 1–6 (in Chinese) 

38 Cheng W, Chi  C, Wang Y,  3D FEM simulation of flow velocity field for 5052 aluminum alloy multi-row sprocket in cold semi-precision forging process. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2015, 25(3): 926–935

39 Choi J C, Choi  Y. Precision forging of spur gears with inside relief. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1999, 39(10): 1575–1588 

40 Qian R. Multi-motion forming for spline gear based on exchanging axles. Forging & Stamping Technology, 2002, 27(1): 1–3 (in Chinese)

41 Kim Y H, Ryou  T K, Choi  H J,  An analysis of the forging processes for 6061 aluminum-alloy wheels. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 123(2): 270–276

42 Xia J, Hu  G, Wang X,  Study on flow control precision forming technology of airbag parts in car. Forging & Stamping Technology, 2004, 29(1): 1–3 (in Chinese)

43 Zhang Y, Xia  J, Cheng J,  Analysis on hot extrusion process and FEA of airbag part in car. Journal of Plasticity Engineering, 2007, 14(2): 73–76 (in Chinese)

44 Xia J, Hu  G, Wang X,  Process analysis and calculation of forces of flow control forming for multilayer cylinder parts. China Mechanical Engineering, 2004, 15(1): 91–93 (in Chinese)

45 Wang X, Wu  Y, Xia J,  FE simulation and process analysis on forming of aluminum alloy multi-layer cylinder parts with flow control forming. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15(2): 452–456

46 Yoshimura H, Tanaka  K. Precision forging of aluminum and steel. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 98(2): 196–204

47 Zhang Y. Study on the hot extrusion forming and FEM simulation for multi-layer thin walls columnar parts. Thesis for the Master’s Degree. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2007 (in Chinese)

48 Tian Y, Xue  K, Sun D,  Study on backpressure forming process of scroll. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(16): 143–149in Chinese)

49 Chan W, Fu  M, Lu J,  Simulation-enabled study of folding defect formation and avoidance in axisymmetrical flanged components. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(11): 5077–5086

50 Jin J, Wang  X, Deng L,  A single-step hot stamping-forging process for aluminum alloy shell parts with nonuniform thickness. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 228: 170–178

51 Osakada K, Wang  X, Hanami S. Precision forging of spline by flashless die forging with axially driven die. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1997, 46(1): 209–212 

52 Lee D J, Kim  D J, Kim  B M. New processes to prevent a flow defect in the combined forward-backward cold extrusion of a piston-pin. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 139(1–3): 422–427

53 Hung J C, Hung  C H. The influence of ultrasonic-vibration on hot upsetting of aluminum alloy. Ultrasonics, 2005, 43(8): 692–698 

54 Osakada K, Mori  K, Altan T,  Mechanical servo press technology for metal forming. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2011, 60(2): 651–672

55 Ishikawa T, Ishiguro  T, Yukawa N,  Control of thermal contraction of aluminum alloy for precision cold forging. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2014, 63(1): 289–292

56 Matsumoto R, Jeon  J Y, Utsunomiya  H. Shape accuracy in the forming of deep holes with retreat and advance pulse ram motion on a servo press. Journal of Materials Processing Technology, 2013, 213(5): 770–778

57 Matsumoto R, Hayashi  K, Utsunomiya H. Experimental and numerical analysis of friction in high aspect ratio combined forward-backward extrusion with retreat and advance pulse ram motion on a servo press. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(4): 936–944

58 Maeno T, Osakada  K, Mori K. Reduction of friction in compression of plates by load pulsation. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2011, 51(7–8): 612–617

59 Fujikawa S, Kitamura  Y, Shimamura S. Application of numerical methods for the aluminum casting/forging process. Journal of Materials Processing Technology, 1991, 27(1–3): 93–110

60 Dedov S, Lehmann  G, Kawalla R. Application of combined casting-forging process for production of durable lightweight aluminum parts. Key Engineering Materials, 2013, 554–557: 264–273 

61 Chen M, Chen  S, Pei X,  Casting and forging compound process for producing steering knuckles of car. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2012, 32(6): 518–521 (in Chinese)

62 Li T, Wang  S, Zheng K,  Research progress on casting and forging combination forming technology for metal materials. Materials Review, 2014, 28(6): 119–123 (in Chinese)

63 Anyalebechi P N. Effect of process route on the structure, tensile, and fatigue properties of aluminum alloy automotive steering knuckles. Foundry Trade Journal International, 2011, 63(3): 32–43

64 Kim M S, Lim  T S, Yoon  K M,  Development of Cast-Forged Knuckle Using High Strength Aluminum Alloy. SAE Technical Paper 2011-01-0537. 2011

65 Chang F C, Hwang  W S, Lee  C H,  Forging condition for removing porosity in the hybrid casting and forging process of 7075 aluminum alloy casting. Materials Transactions, 2004, 45(6): 1886–1890

66 Wang S I, Seo  M K, Cho  J R,  A study on the development of large aluminum flange using the casting forging process. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 130–131: 294–298

67 Kang S H, Lee  J H, Kang  S W,  Novel technology based on combined casting and partial forging for development of an aluminum alloy control arm. In: Proceedings of International Conference on Metal Forming. 2008, 539–546

68 Kim H R, Seo  M G, Bae  W B. A study of the manufacturing of tie-rod ends with casting/forging process. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 125–126: 471–476 

69 Xiong Y, Ji  Z, Xu L. Microstructure and properties of ADC12 aluminum alloy improved by casting-forging combined forming. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2017, 37(2): 214–217 (in Chinese)

70 Wang X, Ouyang  K, Xia J,  FEM analysis of drawing-thickening technology in stamping-forging hybrid process. Forging & Stamping Technology, 2009, 34(4): 73–78 (in Chinese)

71 Li X, Chen  J, Wu G,  Research of stamping-forging composite process of automobile clutch bush and its numerical simulation. China Metal Forming Equipment & Manufacturing Technology, 2006, 1: 49–51 (in Chinese)

72 Wang Z G, Yoshikawa  Y, Osakada K. A new forming method of solid bosses on a cup made by deep drawing. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2013, 62(1): 291–294