تحليل أسباب التشقق في القوالب المضغوطة لصفائح سبائك الألومنيوم وتحسين العملية

تركز هذه الدراسة على -الأجزاء المشكلة بالضغط والمصنوعة من صفائح سبائك الألومنيوم المتوسطة-إلى-السُمك EN AW 6082-T651. عند معالجة مشكلة التشققات أثناء عملية التشكيل بالضغط، تحلل الدراسة الأسباب الجذرية من وجهات نظر متعددة-بما في ذلك التركيب الكيميائي، والاختلافات الاتجاهية في خصائص الانحناء، ومعلمات العملية-وتحدد الآلية الأساسية لتكوين التشققات من خلال التحقق التجريبي. بناءً على هذه النتائج، تم اقتراح مخطط منهجي لتحسين العملية، يغطي التحكم في خشونة سطح القالب، وتحسين سرعة التشكيل، والتسخين المسبق للمواد، وتزييت القالب، واكتشاف عيوب ما بعد التشكيل. يوضح التطبيق العملي أن العملية المحسنة تقلل بشكل كبير من معدل التكسير وتضمن أن جودة التشكيل تلبي المتطلبات الفنية، مما يوفر مرجعًا فنيًا موثوقًا به لضغط-تشكيل صفائح سبائك الألومنيوم المماثلة المتوسطة إلى السميكة-.

مقدمة

نظرًا لمزايا مثل الكثافة المنخفضة ومقاومة التآكل، أصبحت سبائك الألومنيوم المادة المفضلة لوزن القطارات عالية السرعة-وقطارات المترو وعربات نقل الفحم المخصصة في بلدي، حيث شهدت استخدامًا واسع النطاق في قطاع النقل بالسكك الحديدية في البلاد [1]. EN AW 6082-T651 عبارة عن سبيكة ألومنيوم من سلسلة Al-Mg-Si قابلة للمعالجة بالحرارة؛ بعد معالجة المحاليل والشيخوخة الاصطناعية، فإنها تعرض مزيجًا من القوة العالية، وقابلية اللحام الجيدة، ومقاومة التآكل، مما يجعلها مادة أساسية في تصنيع المعدات. تبحث هذه الورقة في عملية التصنيع فيما يتعلق بمشكلة التشقق المفاجئ التي تحدث على الجانب الخارجي للقوس R35 مم في نهاية اللوحة على شكل حرف U أثناء التشكيل بالضغط.

هيكل المنتج وتشكيل القضايا

يتم تصنيع اللوحة على شكل U- من لوحة EN AW 6082-T651 بسمك 10 مم باستخدام قالب التشكيل بالضغط-. هيكلها الرئيسي عبارة عن شكل U متماثل - بنصف قطر تشكيل يبلغ 3.5 أضعاف سمك اللوحة وزاوية تشكيل تبلغ 108 درجة. تبلغ الأبعاد النهائية 2552 مم طولاً، و480 مم عرضًا، و240 مم ارتفاعًا، كما هو موضح في الشكل 1. ويتطلب المكون معايير عالية لجودة السطح وسلامة البنية الدقيقة الداخلية في مناطق الزاوية المشكلة؛ يُحظر الشقوق المرئية والعيوب المخفية أثناء عملية التشكيل، ويجب أن يفي الجزء بمتطلبات المعالجة اللاحقة والأداء الحامل. صورة
الشكل 1: رسم تخطيطي لملف تعريف اللوحة ذات الشكل -U وأبعادها

أثناء التصنيع، حدث كسر في الجانب الخارجي للقوس R35mm في القسم النهائي بعد عملية التشكيل. امتد الكسر إلى -ثلثي عرض اللوحة، مما أدى إلى ظهور خردة اللوحة (انظر الشكل 2).

صورة
الشكل 2: الكسر بعد التشكيل

تحليل السبب الجذري والتحقق منه

يتم إنتاج اللوحة على شكل حرف U- باستخدام عملية تتضمن قطع محيطي بالليزر متبوعة بتشكيل القالب. للاستفادة من الخصائص الاتجاهية للمادة وضمان بقاء المنطقة المشكلة خالية من العيوب مثل الشقوق، تم إجراء عملية التشكيل بشكل عمودي على اتجاه التدحرج. لتحديد سبب الكسر، تم إجراء فحص منهجي، وفحص خصائص المادة وعملية التشكيل.

3.1 التحقق باستخدام المواد الخردة من القسم المركزي

تتطلب مواصفات المنتج أن يكون الانحناء متعامدًا مع اتجاه التدحرج، بنصف قطر انحناء 35 مم وزاوية 108 درجة. تطلبت إعادة اختبار المواصفات -انحناءً موازيًا لاتجاه التدحرج، بنصف قطر 50 مم وزاوية 180 درجة؛ أداء الانحناء المتعامد مع اتجاه التدحرج يتفوق على ذلك في الاتجاهات الأخرى. للتحقق مما إذا كان اتجاه الانحناء للمكون الفاشل صحيحًا، تم إجراء اختبارات تشكيل القالب- على مادة خردة من بالقرب من منطقة الفشل (على وجه التحديد، المنطقة ذات فتحة قسم النهاية-) ​​في كلا الاتجاهين-متعامدين ومتوازيين مع اتجاه التدحرج. في الاختبار المتعامد مع اتجاه التدحرج، انكسر السطح الخارجي بالكامل تقريبًا (انظر الشكل 3)؛ في الاختبار الموازي لاتجاه التدحرج، تنكسر المادة تمامًا، ويكون الضرر أكثر خطورة مما هو عليه في الاختبار العمودي (انظر الشكل 4). وبالتالي، تم التأكيد على أن التشقق أثناء التشكيل لم يكن بسبب الاختيار غير الصحيح لاتجاه الانحناء بالنسبة لاتجاه التدحرج.

صورة
الشكل 3: التحقق عمودي على اتجاه المتداول

صورة
الشكل 4: التحقق بالتوازي مع الاتجاه المتداول

3.2 تأكيد تكوين المواد

تم فحص دفعة الصفائح المعدنية. أكدت إعادة -اختبار التركيب الكيميائي (راجع الجدول 1) والخواص الميكانيكية (راجع الجدول 2) التوافق مع معايير EN485. وقد استبعد هذا احتمال أن يكون الفشل ناتجًا عن عدم توافق-التركيب الكيميائي أو الخواص الميكانيكية. الجدول 1 التركيب الكيميائي للمادة (الجزء الكتلي) (٪)

[صورة]

الجدول 2: الخواص الميكانيكية للمادة

[صورة]

يمكن تقييم أداء الانحناء كميًا بناءً على استطالة الورقة. يمكن التعبير عن العلاقة بين الاستطالة وسمك الورقة ونصف قطر الانحناء بالصيغة التالية [2]:

δ = (t/2) / (t/2 + r) (1)

حيث δ هو الاستطالة (٪)؛ t هو سمك الورقة (مم)؛ و r هو نصف قطر الانحناء (مم).

استنادا إلى قيم الاستطالة والسمك في الجدول 2، يبلغ نصف قطر الانحناء المحسوب للورقة حوالي 36.6 ملم. وهذا قريب من متطلبات المنتج البالغة 35 مم، مما يشير إلى أن أداء ثني المادة مرضٍ.

3.3 فحص قالب التشكيل

كشف فحص قالب التشكيل عن سطح خشن نسبيًا. ومع ذلك، نظرًا لأن هذا القالب قد أنتج سابقًا دفعات أخرى من الصفائح دون مشكلات، كما أظهر اختبار الضغط باستخدام لوح مقاس 12 مم من نفس المادة أيضًا عدم وجود أي تشوهات، فقد تم التوصل إلى أنه على الرغم من أن خشونة سطح القالب زادت من تلف السطح ومقاومته أثناء عملية التشكيل، إلا أنها لم تكن العامل الأساسي.

3.4 التحقق من أداء الانحناء

(1) التحقق من أداء ثني العينة (التفاصيل أدناه):

1) تم أخذ العينات من القسم المركزي الذي يبلغ عرضه 130 مم من اللوحة ذات الشكل U - (المنطقة A، انظر الشكل 5). تم إجراء اختبارات الانحناء على عينتين موجهتين بشكل عمودي على اتجاه التدحرج واثنتين موازيتين لاتجاه التدحرج. اتبعت الاختبارات المتطلبات الفنية لإعادة فحص ثني الصفائح المعدنية، باستخدام نصف قطر تشكيل يبلغ 50 مم وزاوية ثني تبلغ 180 درجة.

[صورة]
الشكل 5: رسم تخطيطي لمناطق الاختبار على اللوحة

2) بما أن أداء المادة يكون أضعف عندما يتم ثنيها بشكل موازي لاتجاه التدحرج مقارنةً بالعمودي عليها، فقد تم إجراء الثني الموازي لاتجاه التدحرج أولاً. بناءً على سماكة اللوح ومواصفات المادة، تم استخدام لكمة نصف قطرها 50 مم (R50) بسرعة 20 مم/دقيقة لتحقيق ثني 180 درجة. لم يتم ملاحظة أي شقوق (انظر الشكل 6)، مما يدل على أن أداء الانحناء للمادة في القسم المركزي من اللوحة ذات الشكل -U يفي بالمتطلبات. صورة
الشكل 6: سلوك الانحناء للمنطقة A بالتوازي مع اتجاه التدحرج

3) لمزيد من التحقق من أداء الانحناء للورقة والتوافق مع متطلبات نصف قطر الانحناء للمنتج، تم إجراء اختبار الانحناء باستخدام لكمة R30 مم متعامدة مع اتجاه التدحرج. تم اختيار مجموعتين من سرعات الاختبار للمقارنة: 20 مم/دقيقة (سرعة اختبار الانحناء القياسية) و300 مم/دقيقة (سرعة تشكيل الإنتاج). أظهرت النتائج عدم وجود تشقق في أي من المجموعتين بعد انحناء 180 درجة، كما هو موضح في الشكل 7.

صورة
الشكل 7: سلوك الانحناء للمنطقة A المتعامدة مع اتجاه التدحرج

ومن ثم، فمن الواضح أن الكفن على شكل حرف U-الذي أظهر تشققًا في الأطراف-يُظهر أداء ثني جيد في قسمه المركزي (المنطقة A)، مما يلبي كلاً من مواصفات أداء الثني للمادة ومتطلبات نصف قطر التشكيل للمنتج.

(2) نموذج التحقق من المكون المعيب (القسم النهائي). التفاصيل هي كما يلي:

1) استنادًا إلى نتائج التحقق من أداء الانحناء للقسم المركزي من الكفن على شكل حرف U-، تم إجراء المزيد من الاختبارات لتحديد ما إذا كانت هناك اختلافات كبيرة في خصائص المواد في المناطق النهائية. تم إجراء التحقق من التشكيل في المناطق B وC وD للمكون المعيب (المتصدع)؛ وتظهر المواقع في الشكل 5. وتظهر مقارنة اختبارات الانحناء في الشكل 8، ويتم سرد النتائج في الجدول 3.

صورة
الشكل 8: مقارنة نتائج الانحناء للمناطق B وC وD

الجدول 3: نتائج الانحناء

صورة

2) بناءً على النتائج الواردة في الجدول 3، تم إعداد عينات من الأقسام الموجودة على كلا الجانبين بين المنطقة C والمنطقة D لإجراء اختبارات انحناء إضافية. تم أخذ عينتين من "الجانب المتصدع" وعينتين من "الجانب غير المتصدع".

التحقق من أداء الثني وفقًا لمعايير إعادة فحص المواد الخام - (عمودي على اتجاه التدحرج؛ ثقب R50 مم؛ السرعة: 20 مم/دقيقة): لم تتم ملاحظة أي تشقق عند 180 درجة للعينات من الجوانب المتشققة أو غير المتشققة، كما هو موضح في الشكل 9. وهذا يؤكد أن أداء ثني المادة يلبي المواصفات المطلوبة.

صورة
أ) الجانب المتصدع

صورة
ب) الجانب غير -المتشقق

الشكل 9: سلوك الانحناء (عمودي على اتجاه التدحرج) للقسم الواقع بين المنطقتين C وD

التحقق من محاكاة تشكيل المنتج (ثقب R30 مم؛ السرعة: 300 مم/دقيقة): أظهرت العينة من الجانب غير -المتشقق عدم وجود تشقق عند 180 درجة؛ أظهرت العينة من الجانب المتصدع تشققًا عند حوالي 60 درجة، كما هو موضح في الشكل 10. وهذا يدل على وجود -خصائص ميكانيكية موحدة في نهايات المادة.

صورة
أ) الجانب غير -المتشقق

صورة
ب) تكسير الجانب

الشكل 10: التحقق من سلوك التشكيل والانحناء للمنتج

ومن ثم، فمن الواضح أن السبب الرئيسي للتشقق أثناء التشكيل هو عدم -تجانس الخواص الميكانيكية عبر الورقة؛ تشكل عملية قولبة ضغط درجة حرارة الغرفة-في ظل ظروف تتجاوز معايير إعادة اختبار الانحناء-خطر التشقق.

تحسين العملية والتحقق منها

استنادًا إلى التحليل أعلاه، تمت صياغة مقاييس التحسين والتحقق منها عبر عدة أبعاد، بما في ذلك حالة القالب وسرعة التشكيل والمعالجة المسبقة -للمادة والتشحيم وفحص الجودة.

4.1 تحسين خشونة سطح القالب

في العملية الأصلية، كانت خشونة سطح القالب (Ra) 1.6 ميكرومتر؛ الاحتكاك السطحي العالي يجعل المادة عرضة لتركيز الإجهاد السطحي. تم تطبيق التلميع الدقيق على أسطح عمل قالب التشكيل لتقليل الخشونة (Ra) إلى أقل من 0.4 ميكرومتر. يؤدي هذا إلى تقليل الاحتكاك بين المادة والقالب وتقليل تركيز إجهاد السطح، مما يؤدي إلى تشوه أكثر تجانسًا للمادة ومنع التشققات الناتجة عن الحمل الزائد للإجهاد الموضعي.

4.2 تحسين سرعة التشكيل

كانت سرعة التشكيل الأصلية 300 مم/دقيقة، وهو معدل قد لا يكون متوافقًا مع حدود الاستجابة البلاستيكية للمادة. تم تحسين السرعة إلى نطاق 120-180 مم/دقيقة باستخدام طريقة تشكيل السرعة البطيئة والثابتة. وقد أتاح هذا للمادة وقتًا كافيًا للخضوع للتشوه البلاستيكي وتبديد ضغوط التشوه بشكل كامل، وبالتالي تجنب تركيزات الإجهاد والتشقق الناتج عن معدلات التشوه المفرطة.

4.3 عملية التسخين المسبق للمواد

تعرض سبائك الألومنيوم EN AW-6082-T651 مرونة منخفضة نسبيًا في درجة حرارة الغرفة؛ التسخين المسبق يمكن أن يعزز اللدونة ويقلل من مقاومة التشوه. في الوقت الحالي، تغطي معلمات عملية التعتيق لإنتاج ألواح الألومنيوم 6082-T6 نطاقًا واسعًا (درجات حرارة التعتيق تتراوح بين 155-190 درجة وأوقات الاحتفاظ من 2.5 إلى 20 ساعة)، مع توافق الخواص الميكانيكية باستمرار مع المعايير ذات الصلة (مثل EN 485) [3-5]. يؤدي التسخين المسبق لمنطقة التشكيل لقطعة العمل إلى 100 درجة تقريبًا إلى زيادة احتياطيات اللدونة، وتقليل مقاومة التشوه وتركيز الضغط أثناء عملية التشكيل، ويمنع تكوين الشقوق. 4.4 تحسين تشحيم القالب

كانت العملية الأصلية تفتقر إلى تدابير التشحيم أو الأفلام المتخصصة لتقليل مقاومة الاحتكاك بين قطعة العمل والقالب. تستخدم العملية المحسنة مادة تشحيم متخصصة لتشكيل قالب سبائك الألومنيوم، ويتم تطبيقها بالتساوي عن طريق الرش. يؤدي هذا إلى إنشاء طبقة تشحيم موحدة عند واجهة التلامس، مما يقلل من معامل الاحتكاك ويقلل من خدوش السطح وتركيزات الضغط، بينما يمنع أيضًا تدهور المواد الموضعي الناتج عن ارتفاع درجة حرارة الاحتكاك.

4.5 نشر-تكوين اكتشاف الأخطاء

لاكتشاف عيوب السطح على الفور، تم تقديم-خطوة اكتشاف العيوب في مرحلة ما بعد التشكيل. يتم استخدام اختبار اختراق السائل لإجراء فحص بنسبة 100% للقوس الخارجي والمناطق الانتقالية للجزء المُشكَّل، وفحص الشقوق السطحية والقريبة من -السطح لضمان عدم وجود عيوب في السطح.

4.6 التحقق من نتائج التحسين

تم اختيار قطعتين من مادة الخردة تظهر عليها شقوق متشابهة للتحقق منها. تضمنت العملية: طحن حواف المنطقة المشكلة لإزالة النتوءات والوميض؛ تسخين منطقة الانحناء إلى حوالي 100 درجة؛ وضع مواد التشحيم على الأنثى لتقليل الاحتكاك؛ وأخيرًا، تقليل سرعة التشكيل متبوعًا باختبار الاختراق. وأظهرت نتائج التحقق آثار سطحية بسيطة فقط (حوالي 3 مم في الطول) في المناطق المحلية، والتي تم القضاء عليها عن طريق الطحن الخفيف، مما يدل على فعالية تحسين كبيرة (انظر الشكل 11).

صورة
أ) العينة 1

صورة
ب) العينة 2

الشكل 11: الكشف عن الخلل في العينات المحسنة

خاتمة

يتناول هذا البحث مشكلة التشقق في الأجزاء المشكلة على شكل حرف U- المصنوعة من لوح سميك من سبائك الألومنيوم EN AW 6082-T651-. من خلال التحليل المنهجي والتحقق، تم تحديد السبب الجذري للتشقق على أنه مجموعة من العوامل: الخواص الميكانيكية المنخفضة نسبيًا في نهايات المواد (على الرغم من تلبية المتطلبات القياسية)، وزاوية الانحناء الضيقة، وعملية التشكيل غير المتوافقة. بناءً على هذه النتائج، تم اقتراح مخطط شامل لتحسين العملية، يغطي التحكم في خشونة سطح القالب، وتحسين سرعة التشكيل، والتسخين المسبق للمواد، وتزييت القالب، واكتشاف عيوب ما بعد التشكيل. أكد التحقق العملي أن هذا النهج قد حل مشكلة التشقق بشكل فعال، مما أدى إلى تحقيق جودة التشكيل التي تلبي المتطلبات الفنية.