Tämä tutkimus keskittyy puristettuihin-osiin, jotka on valmistettu keskipaksuista---EN AW 6082-T651 alumiiniseoslevyistä. Puristus{7}}muovausprosessin aikana tapahtuvaa halkeilua käsittelevässä tutkimuksessa analysoidaan perimmäisiä syitä useista näkökulmista,-mukaan lukien kemiallinen koostumus, suuntaerot taivutusominaisuuksissa ja prosessiparametrit-ja identifioi halkeamien muodostumisen perusmekanismin kokeellisen todentamisen avulla. Näiden havaintojen perusteella ehdotetaan systemaattista prosessin optimointisuunnitelmaa, joka kattaa muotin pinnan karheuden hallinnan, muovausnopeuden optimoinnin, materiaalin esilämmityksen, muotin voitelun ja jälki{12}}muovausvirheiden havaitsemisen. Käytännön sovellus osoittaa, että optimoitu prosessi vähentää merkittävästi halkeilunopeutta ja varmistaa, että muovauksen laatu täyttää tekniset vaatimukset, mikä tarjoaa luotettavan teknisen vertailukohdan samanlaisten keskipaksujen alumiiniseoslevyjen{13}}muovaukseen.
Johdanto
Matala tiheyden ja korroosionkestävyyden kaltaisten etujen ansiosta alumiiniseoksia on tullut kotimaassani suosituin kevyiden{0}}nopeiden junien, metrojunien ja hiilikuljetusvaunujen materiaali, jota käytetään laajasti maan rautatiekuljetusalalla [1]. FI AW 6082-T651 on lämpökäsiteltävä Al-Mg-Si-sarjan alumiiniseos; liuoskäsittelyn ja keinotekoisen vanhentamisen jälkeen siinä on korkea lujuus, hyvä hitsattavuus ja korroosionkestävyys, mikä tekee siitä ydinmateriaalin laitevalmistuksessa. Tämä artikkeli tutkii valmistusprosessia koskien äkillistä halkeilua, joka ilmenee R35 mm:n kaaren ulkosivulla U-muotoisen paneelin päässä puristusmuovauksen aikana.
Tuotteen rakenne- ja muotoiluongelmat
U-muotoinen paneeli on valmistettu 10 mm paksusta EN AW 6082-T651-levystä käyttämällä puristin-muovaussuutinta. Sen päärakenne on symmetrinen U{14}}muoto, jonka muodostussäde on 3,5 kertaa levyn paksuus ja muovauskulma 108 astetta. Valmiit mitat ovat 2552 mm pitkiä, 480 mm leveitä ja 240 mm korkeita, kuten kuvassa 1 on esitetty. Komponentti vaatii korkeita vaatimuksia pinnan laadulle ja sisäiselle mikrorakenteen eheydelle muodostetuilla kulma-alueilla; näkyvät halkeamat ja piilovauriot ovat kiellettyjä muovausprosessin aikana, ja kappaleen tulee täyttää myöhemmän koneistuksen ja kantokyvyn vaatimukset. Kuva
Kuva 1: Kaavio U--muotoisen paneelin profiilista ja mitoista
Valmistuksen aikana R35mm kaaren ulkosivulle muodostui muodostusprosessin jälkeisessä päätyosassa murtuma. Murtuma ulottui kaksi-kolmasosaa paneelin leveydestä, mikä teki paneelin romuksi (katso kuva 2).
Kuva
Kuva 2: Murtuma muodostuksen jälkeen
Perussyyanalyysi ja todentaminen
U--muotoinen paneeli valmistetaan prosessilla, joka sisältää ääriviivojen laserleikkauksen ja sen jälkeen stanssauksen. Materiaalin suuntaominaisuuksien hyödyntämiseksi ja sen varmistamiseksi, että muodostuneella alueella ei ole vikoja, kuten halkeamia, muovaus suoritettiin kohtisuorassa valssaussuuntaa vastaan. Murtuman syyn selvittämiseksi suoritettiin systemaattinen tarkastus, jossa tutkittiin sekä materiaalin ominaisuuksia että muodostusprosessia.
3.1 Tarkastus keskiosan romumateriaalilla
Tuotespesifikaatioiden mukaan taivutuksen oli oltava kohtisuorassa vierintäsuuntaan nähden, taivutussäteen ollessa 35 mm ja kulman 108 astetta. Teknisten vaatimusten uudelleen-testaus vaati vierintäsuunnan suuntaisen taivutuksen, jonka säde oli 50 mm ja kulma 180 astetta; taivutuskyky kohtisuorassa vierintäsuuntaan nähden on parempi kuin muihin suuntiin. Sen varmistamiseksi, oliko viallisen osan taivutussuunta oikea, suoritettiin muotinmuodostuskokeet romumateriaalille vauriovyöhykkeen läheltä (erityisesti alueelta, jossa on pääty-leikkaus) molempiin suuntiin -pystysuorassa ja vierintäsuuntaan nähden samansuuntaisesti. Vierintäsuuntaan nähden kohtisuorassa testissä ulkopinta murtui lähes kokonaan (ks. kuva 3); vierintäsuunnan suuntaisessa testissä materiaali murtui kokonaan ja vaurio oli vakavampi kuin kohtisuorassa testissä (ks. kuva 4). Siten varmistettiin, että muovauksen aikana muodostunut halkeilu ei johtunut taivutussuunnan väärästä valinnasta suhteessa valssaussuuntaan.
Kuva
Kuva 3: Varmistus kohtisuorassa vierintäsuuntaan nähden
Kuva
Kuva 4: Varmistus vierintäsuunnan suuntaisesti
3.2 Materiaalin koostumuksen vahvistus
Peltierä tarkastettiin; Kemiallisen koostumuksen (katso taulukko 1) ja mekaanisten ominaisuuksien (katso taulukko 2) uudelleen-testaus vahvisti EN485-standardien noudattamisen. Tämä sulki pois mahdollisuuden, että vika johtui -sääntöjenvastaisesta kemiallisesta koostumuksesta tai mekaanisista ominaisuuksista. Taulukko 1 Materiaalin kemiallinen koostumus (massaosuus) (%)
[Kuva]
Taulukko 2 Materiaalin mekaaniset ominaisuudet
[Kuva]
Taivutuskyky voidaan arvioida kvantitatiivisesti levyn venymän perusteella. Suhde venymän, levyn paksuuden ja taivutussäteen välillä voidaan ilmaista seuraavalla kaavalla [2]:
δ = (t/2) / (t/2 + r) (1)
jossa δ on venymä (%); t on levyn paksuus (mm); ja r on taivutussäde (mm).
Taulukon 2 venymä- ja paksuusarvojen perusteella levyn laskettu taivutussäde on noin 36,6 mm. Tämä on lähellä tuotteen vaatimusta 35 mm, mikä osoittaa, että materiaalin taivutuskyky on tyydyttävä.
3.3 Muovausmuotin tarkastus
Muovausmuotin tarkastus paljasti suhteellisen karkean pinnan. Koska tämä suutin oli kuitenkin aiemmin tuottanut muita arkkieriä ilman ongelmia, ja koepuristus 12 mm:n levyllä samaa materiaalia ei myöskään osoittanut poikkeavuuksia, pääteltiin, että vaikka muotin pinnan karheus lisäsi pintavaurioita ja kestävyyttä muodostusprosessin aikana, se ei ollut ensisijainen tekijä.
3.4 Taivutussuorituskyvyn tarkastus
(1) Näytteen taivutussuorituskyvyn tarkastus (tiedot alla):
1) Näytteet otettiin U--muotoisen paneelin 130 mm leveästä keskiosasta (alue A, katso kuva 5). Taivutuskokeet suoritettiin kahdelle näytteelle, jotka oli suunnattu kohtisuoraan valssaussuuntaan nähden ja kahdella yhdensuuntaisesti valssaussuuntaan nähden. Testeissä noudatettiin ohutlevyn taivutustarkastuksen teknisiä vaatimuksia{6}} 50 mm:n muovaussäteellä ja 180 asteen taivutuskulmalla.
[Kuva]
Kuva 5 Kaavio testialueista paneelissa
2) Koska materiaalin suorituskyky on heikompi taivutettuna yhdensuuntaisesti valssaussuunnan kanssa verrattuna kohtisuoraan sitä vastaan, suoritettiin ensin valssaussuunnan suuntainen taivutus. Levyn paksuuden ja materiaalispesifikaatioiden perusteella käytettiin 50 mm:n säteellä (R50) olevaa meistiä nopeudella 20 mm/min 180 asteen taivutuksen aikaansaamiseksi. Halkeamia ei havaittu (katso kuva 6), mikä osoittaa, että materiaalin taivutuskyky U--muotoisen paneelin keskiosassa täyttää vaatimukset. Kuva
Kuva 6: Alueen A taivutuskäyttäytyminen vierintäsuunnan suuntaisesti
3) Arkin taivutussuorituskyvyn lisäämiseksi ja tuotteen taivutussädevaatimusten mukaiseksi kohdistamiseksi suoritettiin taivutuskoe käyttämällä R30 mm:n meistiä kohtisuorassa valssaussuuntaan nähden. Vertailun vuoksi valittiin kaksi testinopeuksien sarjaa: 20 mm/min (vakiotaivutustestinopeus) ja 300 mm/min (tuotannon muovausnopeus). Tulokset eivät osoittaneet halkeamia kummassakaan sarjassa 180 asteen taivutuksen jälkeen, kuten kuvassa 7.
Kuva
Kuva 7: Alueen A taivutuskäyttäytyminen kohtisuorassa vierintäsuuntaan nähden
Näin ollen on ilmeistä, että U{0}}muotoinen suojus-, jonka päissä oli halkeamia,-osoitti hyvää taivutuskykyä keskiosassa (alue A) ja täyttää sekä materiaalin taivutussuorituskykyvaatimukset että tuotteen muotoilusädevaatimukset.
(2) Viallisen osan (päätyosan) muodostustarkastus. Yksityiskohdat ovat seuraavat:
1) U--muotoisen suojuksen keskiosan taivutussuorituskyvyn varmistustulosten perusteella suoritettiin lisätestejä sen määrittämiseksi, oliko materiaaliominaisuuksissa merkittäviä eroja päätyalueilla. Muodostumisen varmistus suoritettiin viallisen (säröisen) komponentin alueilla B, C ja D; paikat on esitetty kuvassa 5. Taivutuskokeiden vertailu on esitetty kuvassa 8 ja tulokset on listattu taulukossa 3.
Kuva
Kuva 8: Taivutustulosten vertailu alueilla B, C ja D
Taulukko 3: Taivutustulokset
Kuva
2) Taulukon 3 tulosten perusteella valmistettiin näytteet alueen C ja alueen D välisistä molemmin puolin olevista osista lisätaivutuskokeita varten. Kaksi näytettä otettiin "halkeamattomalta puolelta" ja kaksi "halkeamattomalta puolelta".
Taivutussuorituskyvyn todentaminen raaka-aineen{0}}uudelleentarkastusstandardien mukaisesti (suoraan valssaussuuntaan nähden; R50 mm:n lävistys; nopeus: 20 mm/min): Halkeamia ei havaittu 180 asteessa halkeilemattomilta tai halkeilemattomilta sivuilta, kuten kuvassa 9. Tämä vahvistaa, että materiaali täyttää vaaditut taivutusominaisuudet.
Kuva
a) Halkeileva puoli
Kuva
b) Halkeamaton puoli
Kuva 9: Alueiden C ja D välisen osan taivutuskäyttäytyminen (pystysuorassa vierintäsuuntaan).
Simuloidun tuotteen muodostumisen todentaminen (R30 mm:n lävistys; nopeus: 300 mm/min): Halkeamattoman puolen näyte ei osoittanut halkeilua 180 asteessa; halkeilevan puolen näyte osoitti halkeilua noin 60 asteessa, kuten kuvassa 10 esitetään. Tämä osoittaa epätasaisten mekaanisten ominaisuuksien olemassaolon materiaalin päissä.
Kuva
a) Halkeilematon puoli
Kuva
b) Halkeileva puoli
Kuva 10: Tuotteen muovautumis- ja taivutuskäyttäytymisen tarkastus
Siten on ilmeistä, että pääasiallinen syy halkeilemiseen muovauksen aikana on levyn mekaanisten ominaisuuksien epätasaisuus; huoneenlämpöisen-puristusmuovauksen suorittaminen olosuhteissa, jotka ylittävät uudelleen-testitaivutusstandardit, aiheuttaa halkeamisvaaran.
Prosessin optimointi ja todentaminen
Yllä olevan analyysin perusteella optimointitoimenpiteet muotoiltiin ja vahvistettiin useilla eri ulottuvuuksilla, mukaan lukien muotin kunto, muovausnopeus, materiaalin esikäsittely-, voitelu ja laaduntarkastus.
4.1 Muotin pinnan karheuden optimointi
Alkuperäisessä prosessissa muotin pinnan karheus (Ra) oli 1,6 μm; korkea pintakitka teki materiaalista alttiita pintajännityksen keskittymiselle. Muotin työpinnoille suoritettiin tarkkuuskiillotus karheuden (Ra) vähentämiseksi alle 0,4 μm:n. Tämä vähensi materiaalin ja muotin välistä kitkaa ja alensi pintajännityskonsentraatiota, mikä johtaa tasaisempaan materiaalin muodonmuutokseen ja estää paikallisen jännitysylikuormituksen aiheuttamia halkeamia.
4.2 Muovausnopeuden optimointi
Alkuperäinen muovausnopeus oli 300 mm/min, mikä nopeus ei ehkä ole yhteensopiva materiaalin plastisten vasterajojen kanssa. Nopeus optimoitiin alueelle 120–180 mm/min käyttämällä hidasta, vakionopeuden{4}}muovausmenetelmää. Tämä antoi materiaalille riittävästi aikaa plastisen muodonmuutoksen läpikäymiseen ja muodonmuutosjännitysten poistamiseen täysin, jolloin vältyttiin liiallisten muodonmuutosnopeuksien aiheuttamilta jännityskeskittymiltä ja halkeilulta.
4.3 Materiaalin esilämmitysprosessi
EN AW-6082-T651 alumiiniseoksella on suhteellisen alhainen plastisuus huoneenlämpötilassa; esilämmitys voi parantaa plastisuutta ja vähentää muodonmuutoskestävyyttä. Tällä hetkellä 6082-T6-alumiinilevyjen valmistuksen vanhentamisprosessiparametrit kattavat laajan alueen (vanhenemislämpötilat 155–190 astetta ja pitoajat 2,5–20 tuntia), ja mekaaniset ominaisuudet vastaavat jatkuvasti asiaankuuluvia standardeja (kuten EN 485) [3-5]. Työkappaleen muovausvyöhykkeen esilämmittäminen noin 100 asteeseen lisää plastisuusvarantoja, vähentää muodonmuutoskestävyyttä ja jännityspitoisuutta muovausprosessin aikana sekä estää halkeamien muodostumista. 4.4 Die Lubricationin optimointi
Alkuperäisestä prosessista puuttui voitelutoimenpiteitä tai erikoiskalvoja, jotka vähentäisivät työkappaleen ja muotin välistä kitkavastusta. Optimoidussa prosessissa käytetään erikoisvoiteluainetta alumiiniseoksen muotinmuovaukseen, joka levitetään tasaisesti ruiskuttamalla. Tämä luo tasaisen voitelukalvon kosketusrajapintaan, mikä alentaa kitkakerrointa ja vähentää pinnan naarmuja ja jännityspitoisuuksia, samalla kun estetään kitkan ylikuumenemisen aiheuttamaa paikallista materiaalin huononemista.
4.5 Post-Muotoiluvirheiden tunnistus
Pintavirheiden havaitsemiseksi nopeasti otettiin käyttöön muotovirheen{0}}jälkeinen havaitsemisvaihe. Nesteläpäisytestausta käytetään muodostetun osan ulkokaaren ja siirtymävyöhykkeiden 100 %:n tarkastukseen sekä pinta- ja pintahalkeamien seulomiseen pintavikojen puuttumisen varmistamiseksi.
4.6 Optimointitulosten tarkistaminen
Kaksi kappaletta romumateriaalia, joissa oli samanlaisia muodostuvia halkeamia, valittiin todentamista varten. Prosessi sisälsi: hiotaan muodostuneen alueen reunoja purseiden ja välähdyksen poistamiseksi; taivutusalueen esilämmitys noin 100 asteeseen; voiteluaineen levittäminen naarasmuottiin kitkan vähentämiseksi; ja lopuksi muovausnopeuden vähentäminen, jota seuraa tunkeutumistesti. Varmistustulokset osoittivat vain pieniä pintajälkiä (pituus noin 3 mm) paikallisilla alueilla, jotka poistettiin kevyellä hiomalla, mikä osoitti merkittävää optimointitehokkuutta (katso kuva 11).
Kuva
a) Näyte 1
Kuva
b) Näyte 2
Kuva 11 Optimoitujen näytteiden virheiden havaitseminen
Johtopäätös
Tämä artikkeli käsittelee EN AW 6082-T651-alumiiniseoksesta valmistettujen keskipaksuista{0}}muovattujen osien halkeilua{0}}. Systemaattisen analyysin ja todentamisen avulla halkeilun perimmäinen syy tunnistettiin tekijöiden yhdistelmänä: suhteellisen alhaiset mekaaniset ominaisuudet materiaalin päissä (vakiovaatimusten täyttämisestä huolimatta), tiukka taivutuskulma ja yhteensopimaton muovausprosessi. Näiden havaintojen perusteella ehdotettiin kattavaa prosessin optimointisuunnitelmaa, joka kattaa muotin pinnan karheuden hallinnan, muovausnopeuden optimoinnin, materiaalin esilämmityksen, muotin voitelun ja muovausvirheiden havaitsemisen. Käytännön tarkastus vahvisti, että tämä lähestymistapa ratkaisi tehokkaasti halkeiluongelman ja saavutti tekniset vaatimukset täyttävän muotoilun laadun.
