تجزیه و تحلیل علل ترک در قالب گیری فشاری ورق های آلیاژ آلومینیوم و بهینه سازی فرآیند

این مطالعه بر روی قطعات پرس{0} ساخته شده از صفحات آلیاژ آلومینیوم متوسط{1}}تا-EN AW 6082-T651 متوسط ​​تا-تمرکز دارد. این مطالعه با پرداختن به مسئله ترک‌خوردگی در طی-فرایند شکل‌گیری پرس، علل ریشه‌ای را از منظرهای متعدد-از جمله ترکیب شیمیایی، تفاوت‌های جهت در خواص خمشی، و پارامترهای فرآیند{10}}تحلیل می‌کند و مکانیسم اساسی تشکیل ترک را از طریق تأیید تجربی شناسایی می‌کند. بر اساس این یافته‌ها، یک طرح بهینه‌سازی فرآیند سیستماتیک پیشنهاد شده است که کنترل زبری سطح قالب، بهینه‌سازی سرعت شکل‌دهی، پیش گرم‌کردن مواد، روان‌کاری قالب و تشخیص عیب‌های بعد از شکل‌گیری را پوشش می‌دهد. کاربرد عملی نشان می‌دهد که فرآیند بهینه‌سازی شده به‌طور قابل‌توجهی میزان ترک خوردگی را کاهش می‌دهد و تضمین می‌کند که کیفیت شکل‌دهی مطابق با الزامات فنی است، و یک مرجع فنی قابل اعتماد برای پرس{13}}شکل‌دهی صفحات آلیاژی آلومینیومی متوسط{14} به ضخامت مشابه ارائه می‌دهد.

مقدمه

به دلیل مزایایی مانند چگالی کم و مقاومت در برابر خوردگی، آلیاژهای آلومینیوم به مواد ترجیحی برای قطارهای سریع{0} سبک، قطارهای مترو، و واگن‌های اختصاصی حمل و نقل زغال سنگ در کشور من تبدیل شده‌اند و در بخش حمل‌ونقل ریلی کشور کاربرد گسترده‌ای دارند [1]. EN AW 6082-T651 یک آلیاژ آلومینیوم-قابل درمان حرارتی Al-Mg-سری Si است. پس از درمان محلول و پیری مصنوعی، ترکیبی از استحکام بالا، جوش پذیری خوب و مقاومت در برابر خوردگی را نشان می دهد و آن را به یک ماده اصلی در تولید تجهیزات تبدیل می کند. این مقاله فرآیند تولید را در رابطه با یک مسئله ترک ناگهانی که در سمت بیرونی قوس R35 میلی‌متری در انتهای یک پانل U شکل در حین شکل‌گیری پرس رخ می‌دهد، بررسی می‌کند.

ساختار محصول و مسائل مربوط به شکل گیری

پانل U شکل از یک صفحه EN AW 6082-T651 به ضخامت 10 میلی متر با استفاده از قالب پرس- ساخته شده است. ساختار اصلی آن به شکل U متقارن- با شعاع شکل دهی 3.5 برابر ضخامت صفحه و زاویه شکل دهی 108 درجه است. ابعاد تمام شده 2552 میلی متر طول، 480 میلی متر عرض و 240 میلی متر ارتفاع است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. ترک‌های قابل مشاهده و عیوب پنهان در طول فرآیند شکل‌دهی ممنوع هستند و قطعه باید شرایط لازم برای ماشین‌کاری بعدی و عملکرد تحمل بار را داشته باشد. تصویر
شکل 1: شماتیک نمایه و ابعاد پانل U شکل

در طول ساخت، شکستگی در سمت بیرونی قوس R35mm در قسمت انتهایی به دنبال فرآیند شکل‌دهی رخ داد. شکستگی دو-سوم عرض پانل را در برگرفت و باعث ضایعات پانل شد (شکل 2 را ببینید).

تصویر
شکل 2: شکستگی پس از تشکیل

تجزیه و تحلیل و تأیید علت ریشه ای

پانل U{0}}شکل با استفاده از فرآیندی شامل برش کانتور لیزری و به دنبال آن شکل‌دهی قالب تولید می‌شود. برای استفاده از خواص جهتی ماده و حصول اطمینان از اینکه ناحیه تشکیل شده عاری از عیوب مانند ترک باقی می ماند، عملیات شکل دهی عمود بر جهت نورد انجام شد. برای مشخص کردن علت شکستگی، یک راستی‌آزمایی سیستماتیک انجام شد که هم ویژگی‌های مواد و هم فرآیند شکل‌گیری را بررسی می‌کرد.

3.1 تأیید با استفاده از مواد قراضه از بخش مرکزی

مشخصات محصول مستلزم آن بود که خم عمود بر جهت نورد باشد، با شعاع خمش 35 میلی متر و زاویه 108 درجه. مشخصات آزمایش مجدد نیازمند یک خم موازی با جهت غلتش، با شعاع 50 میلی متر و زاویه 180 درجه است. عملکرد خمشی عمود بر جهت غلتش نسبت به سایر جهات برتری دارد. برای بررسی درستی جهت خمش قطعه شکست خورده، آزمایش‌های شکل‌دهی قالب بر روی مواد ضایعاتی از نزدیک ناحیه شکست (به‌ویژه، ناحیه با برش مقطع انتهایی-) ​​در هر دو جهت-عمود و موازی با جهت غلتش انجام شد. در آزمایش عمود بر جهت غلتش، سطح بیرونی تقریباً به طور کامل شکسته شد (شکل 3 را ببینید). در آزمایش موازی با جهت غلتش، مواد به طور کامل شکسته شد و آسیب شدیدتر از آزمایش عمود بر آن بود (شکل 4 را ببینید). بنابراین، تایید شد که ترک در طول شکل‌دهی به دلیل انتخاب نادرست جهت خمش نسبت به جهت نورد ایجاد نشده است.

تصویر
شکل 3: تأیید عمود بر جهت نورد

تصویر
شکل 4: تأیید موازی با جهت غلتش

3.2 تأیید ترکیب مواد

دسته ورق فلزی بازرسی شد. آزمایش مجدد ترکیب شیمیایی (به جدول 1 مراجعه کنید) و خواص مکانیکی (نگاه کنید به جدول 2) مطابقت با استانداردهای EN485 را تأیید کرد. این احتمال را رد کرد که خرابی به دلیل-ترکیب شیمیایی یا خواص مکانیکی ناسازگار باشد. جدول 1 ترکیب شیمیایی ماده (کسر جرمی) (%)

[تصویر]

جدول 2 خواص مکانیکی مواد

[تصویر]

عملکرد خمشی را می توان بر اساس ازدیاد طول ورق به صورت کمی ارزیابی کرد. رابطه بین ازدیاد طول، ضخامت ورق و شعاع خمش را می توان با فرمول زیر بیان کرد [2]:

δ = (t/2) / (t/2 + r) (1)

جایی که δ طول (%) است. t ضخامت ورق (mm) است. و r شعاع خمش (mm) است.

بر اساس مقادیر ازدیاد طول و ضخامت در جدول 2، شعاع خمشی محاسبه شده برای ورق تقریباً 36.6 میلی متر است. این نزدیک به نیاز محصول 35 میلی متر است، که نشان می دهد عملکرد خمشی مواد رضایت بخش است.

3.3 بازرسی قالب شکل دهی

بازرسی قالب شکل دهی سطح نسبتا ناهمواری را نشان داد. با این حال، از آنجایی که این قالب قبلا دسته‌های دیگری از ورق‌ها را بدون مشکل تولید کرده بود، و پرس آزمایشی با استفاده از ورق 12 میلی‌متری از همان ماده نیز هیچ گونه ناهنجاری را نشان نداد، نتیجه‌گیری شد که در حالی که زبری سطح قالب باعث افزایش آسیب و مقاومت سطح در طول فرآیند شکل‌دهی می‌شود، این عامل اصلی نیست.

3.4 بررسی عملکرد خمشی

(1) تأیید عملکرد خمشی نمونه (جزئیات زیر):

1) نمونه‌ها از بخش مرکزی 130 میلی‌متری پانل U شکل گرفته شد (ناحیه A، شکل 5 را ببینید). آزمایشات خمشی روی دو نمونه عمود بر جهت غلتش و دو نمونه موازی با جهت غلتش انجام شد. آزمایش‌ها از الزامات فنی برای بازرسی مجدد خمش ورق فلزی با استفاده از شعاع شکل‌دهی 50 میلی‌متر و زاویه خمش 180 درجه پیروی کردند.

[تصویر]
شکل 5 شماتیک مناطق آزمایش روی پانل

2) از آنجایی که عملکرد ماده در هنگام خم شدن به موازات جهت غلتش نسبت به عمود بر آن ضعیف تر است، ابتدا خمش موازی با جهت غلتش انجام شد. بر اساس ضخامت ورق و مشخصات مواد، پانچ با شعاع 50 میلی متر (R50) با سرعت 20 میلی متر در دقیقه برای دستیابی به خمش 180 درجه استفاده شد. هیچ ترکی مشاهده نشد (شکل 6 را ببینید)، نشان می دهد که عملکرد خمشی مواد در بخش مرکزی پانل U شکل مطابق با الزامات است. تصویر
شکل 6: رفتار خمشی ناحیه A به موازات جهت غلتش

3) برای بررسی بیشتر عملکرد خمشی ورق و همراستایی با الزامات شعاع خمشی محصول، یک آزمایش خمشی با استفاده از پانچ R30 میلی متری عمود بر جهت نورد انجام شد. دو مجموعه از سرعت‌های آزمایش برای مقایسه انتخاب شدند: 20 میلی‌متر بر دقیقه (سرعت آزمایش خمش استاندارد) و 300 میلی‌متر در دقیقه (سرعت تشکیل تولید). همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، نتایج هیچ ترک خوردگی را در هر دو مجموعه پس از خمش 180 درجه نشان نداد.

تصویر
شکل 7: رفتار خمشی ناحیه A عمود بر جهت غلتش

بنابراین، بدیهی است که -کفن U شکل-که ترک خوردگی در انتها نشان می‌دهد-عملکرد خمشی خوبی را در بخش مرکزی خود (ناحیه A) نشان می‌دهد که هم مشخصات عملکرد خمشی ماده و هم شرایط شعاع شکل‌گیری محصول را برآورده می‌کند.

(2) تأیید صحت جزء معیوب (بخش پایانی). جزئیات به شرح زیر است:

1) بر اساس نتایج تأیید عملکرد خمشی برای بخش مرکزی پوشش U شکل، آزمایش‌های بیشتری برای تعیین اینکه آیا تفاوت‌های قابل توجهی در خواص مواد در نواحی انتهایی وجود دارد یا خیر، انجام شد. تأیید شکل‌دهی در مناطق B، C و D جزء معیوب (ترک) انجام شد. مکان ها در شکل 5 نشان داده شده است. مقایسه تست های خمشی در شکل 8 نشان داده شده است و نتایج در جدول 3 ذکر شده است.

تصویر
شکل 8: مقایسه نتایج خمشی برای نواحی B، C و D

جدول 3: نتایج خمشی

تصویر

2) بر اساس نتایج جدول 3، نمونه هایی از مقاطع دو طرف بین ناحیه C و ناحیه D برای آزمایش های خمشی اضافی تهیه شد. دو نمونه از "سمت ترک خورده" و دو نمونه از "ضلع غیر{3}}ترک دار گرفته شد."

تأیید عملکرد خمشی بر اساس استانداردهای بازرسی مجدد مواد خام (عمود بر جهت غلتش؛ پانچ R50 میلی‌متر؛ سرعت: 20 میلی‌متر در دقیقه): هیچ ترکی در 180 درجه برای نمونه‌ها از طرف‌های ترک‌دار یا غیر{4} مشاهده نشد، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است.

تصویر
الف) سمت ترک خورده

تصویر
ب) سمت- بدون ترک

شکل 9: رفتار خمشی (عمود بر جهت غلتش) مقطع بین نواحی C و D

تأیید شکل‌گیری محصول شبیه‌سازی‌شده (R30mm پانچ؛ سرعت: 300mm/min): نمونه از سمت بدون ترک در 180 درجه هیچ ترک‌خوردگی را نشان نداد. همانطور که در شکل 10 نشان داده شده است، نمونه از سمت ترک خورده تقریباً 60 درجه ترک خورد. این نشان دهنده وجود خواص مکانیکی غیریکنواخت در انتهای ماده است.

تصویر
الف) سمت بدون ترک-

تصویر
ب) سمت ترک خوردگی

شکل 10: بررسی رفتار شکل دهی و خمشی محصول

بنابراین، بدیهی است که علت اصلی ترک در هنگام شکل‌دهی، عدم یکنواختی-خواص مکانیکی ورق است. انجام قالب‌گیری فشاری در اتاق{1}}در شرایطی که فراتر از استانداردهای خمش مجدد آزمایشی است، خطر ترک خوردن را به همراه دارد.

بهینه سازی و تأیید فرآیند

بر اساس تجزیه و تحلیل بالا، اقدامات بهینه‌سازی در چندین بعد، از جمله شرایط قالب، سرعت شکل‌دهی، قبل از{0}تصفیه مواد، روان‌کاری و بازرسی کیفیت، فرموله و تأیید شد.

4.1 بهینه سازی زبری سطح قالب

در فرآیند اولیه، زبری سطح قالب (Ra) 1.6 میکرومتر بود. اصطکاک سطح بالا باعث می شود که مواد مستعد تمرکز تنش سطحی شوند. پرداخت دقیق برای سطوح کاری قالب قالب‌گیری برای کاهش زبری (Ra) به زیر 0.4 میکرومتر اعمال شد. این امر اصطکاک بین ماده و قالب را کاهش داد و غلظت تنش سطحی را کاهش داد، که منجر به تغییر شکل یکنواخت‌تر مواد و جلوگیری از ترک‌های ناشی از اضافه بار تنش موضعی شد.

4.2 بهینه سازی سرعت شکل دهی

سرعت شکل‌دهی اولیه 300 میلی‌متر بر دقیقه بود، سرعتی که ممکن است با محدودیت‌های پاسخ پلاستیک ماده ناسازگار باشد. سرعت با استفاده از روش شکل دهی آهسته و ثابت با سرعت 120 تا 180 میلی متر در دقیقه بهینه شد. این به ماده زمان کافی برای تغییر شکل پلاستیک و از بین بردن کامل تنش‌های تغییر شکل داد، در نتیجه از غلظت تنش و ترک‌خوردگی ناشی از نرخ تغییر شکل بیش از حد جلوگیری کرد.

4.3 فرآیند پیش گرم کردن مواد

آلیاژ آلومینیوم EN AW-6082-T651 انعطاف پذیری نسبتاً کمی در دمای اتاق از خود نشان می دهد. پیش گرم کردن می تواند انعطاف پذیری را افزایش دهد و مقاومت در برابر تغییر شکل را کاهش دهد. در حال حاضر، پارامترهای فرآیند پیری برای تولید صفحات آلومینیومی 6082-T6 طیف وسیعی را پوشش می دهد (دمای پیری 155-190 درجه و زمان نگهداری 2.5-20 ساعت)، با خواص مکانیکی که به طور مداوم استانداردهای مربوطه (مانند EN 485) را برآورده می کند [3-5]. پیش گرم کردن ناحیه شکل دهی قطعه کار تا حدود 100 درجه باعث افزایش ذخایر پلاستیسیته، کاهش مقاومت تغییر شکل و تمرکز تنش در طول فرآیند قالب گیری و جلوگیری از تشکیل ترک می شود{13}} بهینه سازی روانکاری قالب

فرآیند اولیه فاقد اقدامات روانکاری یا فیلم های تخصصی برای کاهش مقاومت اصطکاکی بین قطعه کار و قالب بود. فرآیند بهینه سازی شده از یک روان کننده تخصصی برای شکل دهی قالب آلیاژ آلومینیوم استفاده می کند که به طور یکنواخت از طریق پاشش اعمال می شود. این یک فیلم روان کننده یکنواخت در رابط تماس ایجاد می کند، ضریب اصطکاک را کاهش می دهد و خراش های سطحی و غلظت استرس را کاهش می دهد، در حالی که از تخریب موضعی مواد ناشی از گرمای بیش از حد اصطکاکی جلوگیری می کند.

4.5 ارسال{1}}تشخیص نقص در شکل گیری

برای شناسایی سریع عیوب سطح، یک مرحله{0}}تشخیص عیب پستی معرفی شد. آزمایش مایع نافذ برای انجام بازرسی 100٪ از قوس بیرونی و مناطق انتقالی قسمت شکل‌گرفته، غربالگری برای ترک‌های سطحی و نزدیک{3}سطحی برای اطمینان از عدم وجود عیوب سطحی استفاده می‌شود.

4.6 تأیید نتایج بهینه سازی

دو قطعه از مواد قراضه که دارای ترک‌های شکل‌دهنده مشابهی بودند برای تأیید انتخاب شدند. فرآیند شامل: آسیاب کردن لبه های ناحیه تشکیل شده برای از بین بردن سوراخ ها و فلاش. پیش گرم کردن ناحیه خمشی تا حدود 100 درجه؛ استفاده از روان کننده به قالب ماده برای کاهش اصطکاک. و در نهایت کاهش سرعت شکل دهی و به دنبال آن تست نافذ. نتایج تأیید تنها ردپای سطحی جزئی (تقریباً 3 میلی‌متر طول) را در نواحی موضعی نشان داد که با سنگ زنی سبک از بین رفتند و اثربخشی بهینه‌سازی قابل توجهی را نشان می‌داد (شکل 11 را ببینید).

تصویر
الف) نمونه 1

تصویر
ب) نمونه 2

شکل 11 تشخیص عیب نمونه های بهینه شده

نتیجه گیری

این مقاله به مسئله ترک خوردن در قطعات U شکل ساخته شده از صفحه EN AW 6082{3}}T651 آلیاژ متوسط- آلومینیوم می پردازد. از طریق تجزیه و تحلیل سیستماتیک و تأیید، علت اصلی ترک به عنوان ترکیبی از عوامل شناسایی شد: خواص مکانیکی نسبتاً پایین در انتهای مواد (علیرغم رعایت الزامات استاندارد)، زاویه خمش تنگ، و فرآیند شکل‌دهی ناسازگار. بر اساس این یافته‌ها، یک طرح بهینه‌سازی فرآیند جامع پیشنهاد شد که کنترل زبری سطح قالب، بهینه‌سازی سرعت شکل‌دهی، پیش گرم‌کردن مواد، روان‌کاری قالب و تشخیص عیب پس از شکل‌گیری را پوشش می‌دهد. راستی‌آزمایی عملی تأیید کرد که این رویکرد به طور مؤثر مشکل ترک خوردگی را حل می‌کند و به کیفیت شکل‌دهی منطبق با الزامات فنی دست می‌یابد.