Process parameters affecting quality of high-pressure die cast aluminium alloys

High pressure die casting (HPDC) is a widely used process for manufacturing components with high production rate and complex geometries. However, high pressure die casting is still considered a “defect generating process”, since an amount of 5-10% of scrap is usually detected in castings. For this reason, the availability of new standards and tools for optimizing the process is one of the prominent needs of foundry field. Both these issues are tackled in this Thesis. First, a new classification of defects and reference dies for estimating the static mechanical properties of aluminium alloys have been developed and then published as CEN Technical Reports, satisfying the need for new standards. Then, a novel and comprehensive methodology has been developed for optimizing HPDC process through the definition of meaningful behavioural models. Some newly defined process parameters have been hence introduced, by representing the most important physical phenomena affecting casting quality and the integral nature of HPDC, and an original approach is outlined. In particular, in order to provide an effective representation of the different process stages, the following parameters have been found to be more influential and effective in representing transmitted forces, mechanical energy exchange and heat removal: the root mean square acceleration in the second stage, the energy associated to the flow forces in the whole cycle, the work of the pressure forces in the third stage and the normalized thermal gradient. The first two parameters embody the plunger motion time-history, the third parameter represents the hydraulic pressure time-history, while the last one concentrates on some thermal aspects. These parameters take advantage from signal processing techniques of the measured position and pressure profiles. Four experimental campaigns (in the whole 210 castings) using different injection machines, different alloys and different geometries of the die have been carried out to validate the novel process parameters and to prove the general validity of the approach. The statistical correlation with the measured static mechanical properties, density and percentage of porosity, as well as the metallographic analysis (percentage of oxides on fracture surfaces, analysis of different kinds of internal defect) prove the soundness of the developed method. Given the significance of the plunger motion profile in explaining the casting quality, analytical models for computing the root mean square acceleration and the energy associated to the flow forces have been developed. These analytical models permit selecting in advance the best plunger motion profile, which guarantees reliability and soundness of castings, thus satisfying the need expressed by foundries for effective optimization tools.

La pressocolata è un processo ampiamente utilizzato per produrre componenti con elevata produttività e geometria complessa. Comunque, la pressocolata è ancora considerata un “processo generatore di difetti”, dal momento che una percentuale del 5-10% di scarto è rilevata di solito nei getti. Per questa ragione, la disponibilità di nuovi standard e strumenti per l’ottimizzazione di processo è uno dei bisogni più importanti del settore della fonderia. Entrambe queste criticità sono affrontate in questa Tesi. Per prima cosa, è stata sviluppata e successivamente pubblicata come Report Tecnici riconosciuti dal CEN una nuova classificazione dei difetti e degli stampi di riferimento per stimare le proprietà meccaniche statiche delle leghe di alluminio, rispondendo al bisogno di nuovi standard. Poi, è stata sviluppata una metodologia nuova e completa per ottimizzare il processo di pressocolata attraverso la definizione di metamodelli significativi. Quindi, sono stati introdotti dei nuovi parametri di processo, che rappresentano i più importanti fenomeni fisici che influenzano la qualità dei getti e la natura integrale del processo di pressocolata, ed è stato delineato un approccio originale. In particolare, allo scopo di fornire una rappresentazione efficace delle diverse fasi del processo, si è dimostrato che i seguenti parametri sono i più influenti ed efficaci nel rappresentare le forze trasmesse, il flusso di energia meccanica e l’asportazione del calore: il valore quadratico medio dell’accelerazione in seconda fase, l’energia associata alle forze di flusso nell’intero ciclo, il lavoro delle forze di pressione nella terza fase e il gradiente termico normalizzato. I primi due parametri descrivono l’effetto del profilo di moto del pistone; il secondo è invece legato anche alla pressione esercitata dal pistone stesso, mentre l’ultimo rappresenta esclusivamente fenomeni di natura termica. Lo sviluppo ed il calcolo di questi parametri sfrutta le tecniche di elaborazione numerica dei segnali, al fine di estrarre le informazioni dai profili misurati di posizione e di pressione del pistone. La validazione del metodo proposto è stata condotta attraverso quattro diverse campagne sperimentali, con un totale di 210 getti analizzati, nelle quali sono state utilizzate diverse macchine di iniezione, diversi stampi e diverse leghe, al fine di ottenere risultati generali ed estendibili. La correttezza del metodo proposto è confermata dalla correlazione statistica dei parametri proposti con la resistenza meccanica statica, con la densità, la porosità, e da alcune significative analisi metallografiche (percentuale di ossidi sulle superfici di frattura, analisi dei difetti interni). Data l’efficacia dimostrata dei parametri proposti, ed in particolare di quelli legati al profilo di moto del pistone, l’approccio è stato esteso tramite lo sviluppo di alcune relazioni analitiche per calcolare i due parametri cinematici. Ciò rappresenta uno strumento efficace per sintetizzare a priori il profilo di moto ottimale del pistone che, nel rispetto dei vincoli di macchina, consenta di ottimizzare la qualità dei getti.