Niniejsze badanie skupia się na-formowanych przez prasowanie częściach wykonanych ze średnio-do-grubych płyt ze stopu aluminium EN AW 6082-T651. Odnosząc się do problemu pęknięć podczas-procesu formowania w prasie, w badaniu przeanalizowano pierwotne przyczyny z wielu perspektyw,-w tym składu chemicznego, kierunkowych różnic we właściwościach zginania i parametrów procesu,-oraz zidentyfikowano podstawowy mechanizm powstawania pęknięć poprzez weryfikację eksperymentalną. Na podstawie tych ustaleń zaproponowano systematyczny schemat optymalizacji procesu, obejmujący kontrolę chropowatości powierzchni formy, optymalizację szybkości formowania, wstępne podgrzewanie materiału, smarowanie formy i wykrywanie wad po-formowaniu. Praktyczne zastosowanie pokazuje, że zoptymalizowany proces znacznie zmniejsza szybkość pękania i zapewnia, że jakość formowania spełnia wymagania techniczne, co stanowi wiarygodne odniesienie techniczne w przypadku-formowania tłocznego podobnych-płyt ze stopu aluminium o średniej i dużej grubości.
Wstęp
Ze względu na takie zalety, jak niska gęstość i odporność na korozję, stopy aluminium stały się w moim kraju preferowanym materiałem do lekkich-pociągów dużych prędkości, pociągów metra i dedykowanych wagonów do transportu węgla w moim kraju, szeroko stosowanym w krajowym sektorze transportu kolejowego [1]. EN AW 6082-T651 to poddający się obróbce cieplnej stop aluminium-Al{7}}Mg-Si; po obróbce roztworowej i sztucznym starzeniu wykazuje połączenie wysokiej wytrzymałości, dobrej spawalności i odporności na korozję, co czyni go podstawowym materiałem do produkcji sprzętu. W artykule zbadano proces produkcyjny dotyczący nagłego problemu pękania występującego po zewnętrznej stronie łuku R35 mm na końcu panelu w kształcie litery U podczas formowania przez tłoczenie.
Struktura produktu i zagadnienia formowania
Panel w kształcie litery U-jest produkowany z płyty EN AW 6082-T651 o grubości 10 mm przy użyciu prasy-formującej. Jego główną strukturą jest symetryczny kształt litery U-o promieniu formowania 3,5-krotności grubości blachy i kącie formowania 108 stopni. Gotowe wymiary wynoszą 2552 mm długości, 480 mm szerokości i 240 mm wysokości, jak pokazano na rysunku 1. Element wymaga wysokich standardów jakości powierzchni i wewnętrznej integralności mikrostruktury w uformowanych obszarach narożnych; widoczne pęknięcia i ukryte wady są zabronione podczas procesu formowania, a część musi spełniać wymagania dotyczące późniejszej obróbki i nośności. Obraz
Rysunek 1: Schemat profilu i wymiarów panelu w kształcie litery U-
Podczas produkcji nastąpiło pęknięcie po zewnętrznej stronie łuku R35 mm w części końcowej w wyniku procesu formowania. Pęknięcie obejmowało dwie-trzecie szerokości panelu, powodując wycinek panelu (patrz rysunek 2).
Obraz
Rysunek 2: Pęknięcie po formowaniu
Analiza i weryfikacja przyczyn źródłowych
Panel w kształcie litery U-jest produkowany w procesie obejmującym laserowe cięcie konturowe, a następnie formowanie matrycowe. Aby wykorzystać właściwości kierunkowe materiału i zapewnić, że uformowany obszar pozostanie wolny od defektów, takich jak pęknięcia, operację formowania przeprowadzono prostopadle do kierunku walcowania. Aby określić przyczynę pęknięcia, przeprowadzono systematyczną weryfikację, badając zarówno właściwości materiału, jak i proces formowania.
3.1 Weryfikacja przy użyciu złomu z sekcji środkowej
Specyfikacje produktu wymagały, aby zagięcie było prostopadłe do kierunku walcowania, z promieniem zgięcia wynoszącym 35 mm i kątem 108 stopni. Specyfikacje-ponownego testowania wymagały zagięcia równoległego do kierunku walcowania, o promieniu 50 mm i kącie 180 stopni; Wydajność zginania prostopadle do kierunku walcowania jest lepsza niż w innych kierunkach. Aby sprawdzić, czy kierunek zginania uszkodzonego elementu był prawidłowy, przeprowadzono testy-formowania matrycy na złomie z okolic strefy uszkodzenia (w szczególności obszaru z wycięciem w-sekcji końcowej) w obu kierunkach-prostopadłych i równoległych do kierunku walcowania. W teście prostopadłym do kierunku walcowania powierzchnia zewnętrzna pękła prawie całkowicie (patrz rys. 3); w badaniu równoległym do kierunku walcowania materiał pękł całkowicie, przy czym uszkodzenia były poważniejsze niż w badaniu prostopadłym (patrz rysunek 4). Tym samym potwierdzono, że pękanie podczas formowania nie jest spowodowane nieprawidłowym wyborem kierunku zginania w stosunku do kierunku walcowania.
Obraz
Rysunek 3: Weryfikacja prostopadła do kierunku walcowania
Obraz
Rysunek 4: Sprawdzanie równolegle do kierunku walcowania
3.2 Potwierdzenie składu materiału
Kontrolowano partię blachy; Ponowne-testowanie składu chemicznego (patrz tabela 1) i właściwości mechanicznych (patrz tabela 2) potwierdziło zgodność z normami EN485. Wykluczyło to możliwość, że awaria była spowodowana-niezgodnym składem chemicznym lub właściwościami mechanicznymi. Tabela 1 Skład chemiczny materiału (ułamek masowy) (%)
[Obraz]
Tabela 2 Właściwości mechaniczne materiału
[Obraz]
Wydajność zginania można ocenić ilościowo na podstawie wydłużenia arkusza. Zależność pomiędzy wydłużeniem, grubością blachy i promieniem zgięcia można wyrazić wzorem [2]:
δ = (t/2) / (t/2 + r) (1)
Gdzie δ jest wydłużeniem (%); t to grubość blachy (mm); oraz r jest promieniem gięcia (mm).
Na podstawie wartości wydłużenia i grubości podanych w tabeli 2 obliczony promień gięcia blachy wynosi około 36,6 mm. Jest to zbliżone do wymaganej dla produktu wartości 35 mm, co wskazuje, że odporność materiału na zginanie jest zadowalająca.
3.3 Kontrola matrycy formującej
Kontrola matrycy formującej ujawniła stosunkowo szorstką powierzchnię. Ponieważ jednak za pomocą tej matrycy można było wcześniej wytwarzać inne partie arkuszy bez problemów, a prasowanie próbne przy użyciu arkusza o grubości 12 mm z tego samego materiału również nie wykazało żadnych nieprawidłowości, stwierdzono, że chociaż chropowatość powierzchni matrycy zwiększała uszkodzenia powierzchni i odporność podczas procesu formowania, nie był to czynnik główny.
3.4 Weryfikacja wytrzymałości na zginanie
(1) Weryfikacja wytrzymałości próbki na zginanie (szczegóły poniżej):
1) Próbki pobrano ze środkowej części panelu w kształcie litery U- o szerokości 130 mm (obszar A, patrz rysunek 5). Badania zginania przeprowadzono na dwóch próbkach zorientowanych prostopadle do kierunku walcowania i dwóch równolegle do kierunku walcowania. Testy przeprowadzono zgodnie z wymogami technicznymi dotyczącymi ponownej-kontroli zginania blachy, stosując promień formowania 50 mm i kąt zgięcia 180 stopni.
[Obraz]
Rysunek 5 Schemat obszarów testowych na panelu
2) Ponieważ właściwości materiału są słabsze przy zginaniu równolegle do kierunku walcowania w porównaniu do prostopadłego do niego, najpierw przeprowadzono gięcie równolegle do kierunku walcowania. W oparciu o grubość blachy i specyfikacje materiału, zastosowano stempel o promieniu 50 mm (R50) przy prędkości 20 mm/min, aby uzyskać zagięcie o 180 stopni. Nie zaobserwowano żadnych pęknięć (patrz rysunek 6), co wskazuje, że wytrzymałość materiału na zginanie w środkowej części panelu w kształcie litery U- spełnia wymagania. Obraz
Rysunek 6: Zachowanie się obszaru A przy zginaniu równolegle do kierunku walcowania
3) W celu dalszej weryfikacji wytrzymałości blachy na zginanie i dostosowania jej do wymagań dotyczących promienia gięcia produktu, przeprowadzono próbę zginania przy użyciu stempla R30 mm prostopadle do kierunku walcowania. Do porównania wybrano dwa zestawy prędkości testowych: 20 mm/min (standardowa prędkość próby zginania) i 300 mm/min (prędkość formowania produkcyjnego). Wyniki nie wykazały pęknięć w żadnym zestawie po zgięciu o 180 stopni, jak pokazano na rysunku 7.
Obraz
Rysunek 7: Zachowanie się obszaru A przy zginaniu prostopadle do kierunku walcowania
Jest zatem oczywiste, że osłona w kształcie litery U--, która wykazywała pęknięcia na końcach,-wykazuje dobrą odporność na zginanie w swojej środkowej części (obszar A), spełniając zarówno specyfikacje dotyczące wytrzymałości na zginanie materiału, jak i wymagania dotyczące promienia formowania produktu.
(2) Formująca weryfikacja wadliwego komponentu (część końcowa). Szczegóły są następujące:
1) Na podstawie wyników weryfikacji wytrzymałości na zginanie środkowej części osłony w kształcie litery U-przeprowadzono dalsze badania w celu ustalenia, czy występują znaczące różnice we właściwościach materiału w obszarach końcowych. Weryfikację formowania przeprowadzono na obszarach B, C i D wadliwego (pękniętego) elementu; lokalizacje pokazano na rysunku 5. Porównanie prób zginania pokazano na rysunku 8, a wyniki zestawiono w tabeli 3.
Obraz
Rysunek 8: Porównanie wyników zginania dla obszarów B, C i D
Tabela 3: Wyniki zginania
Obraz
2) W oparciu o wyniki zawarte w Tabeli 3 przygotowano próbki z przekrojów po obu stronach pomiędzy obszarem C i obszarem D do dodatkowych testów zginania. Pobrano dwie próbki ze „strony pękniętej” i dwie z „-strony niepękniętej”.
Weryfikacja wytrzymałości na zginanie zgodnie ze standardami-kontroli surowców (prostopadle do kierunku walcowania; stempel R50 mm; prędkość: 20 mm/min): Nie zaobserwowano pęknięć pod kątem 180 stopni w przypadku próbek zarówno po-pękniętej, jak i niepękanej stronie, jak pokazano na rysunku 9. Potwierdza to, że właściwości zginania materiału spełniają wymagane specyfikacje.
Obraz
a) Pęknięta strona
Obraz
b) Strona nie-pęknięta
Rysunek 9: Zachowanie przy zginaniu (prostopadle do kierunku walcowania) przekroju pomiędzy obszarami C i D
Weryfikacja symulowanego formowania produktu (stempel R30 mm; prędkość: 300 mm/min): Próbka od strony-niepękniętej nie wykazała pęknięć przy 180 stopniach; próbka od strony pękniętej wykazywała pęknięcie pod kątem około 60 stopni, jak pokazano na rysunku 10. Świadczy to o istnieniu niejednorodnych-właściwości mechanicznych na końcach materiału.
Obraz
a) Strona niepękająca-
Obraz
b) Strona pękająca
Rysunek 10: Weryfikacja zachowania się produktu podczas formowania i zginania
Jest zatem oczywiste, że główną przyczyną pęknięć podczas formowania jest-niejednorodność właściwości mechanicznych arkusza; wykonywanie formowania tłocznego w-temperaturze pokojowej w warunkach przekraczających normy zginania podczas-testu ponownego stwarza ryzyko pękania.
Optymalizacja i weryfikacja procesów
Na podstawie powyższej analizy sformułowano i zweryfikowano środki optymalizacyjne w kilku wymiarach, w tym stanu matrycy, szybkości formowania,-wstępnej obróbki materiału, smarowania i kontroli jakości.
4.1 Optymalizacja chropowatości powierzchni matrycy
W pierwotnym procesie chropowatość powierzchni matrycy (Ra) wynosiła 1,6 μm; duże tarcie powierzchniowe powodowało, że materiał był podatny na koncentrację naprężeń powierzchniowych. Powierzchnie robocze matrycy formierskiej zostały poddane precyzyjnemu polerowaniu w celu zmniejszenia chropowatości (Ra) do wartości poniżej 0,4 µm. Zmniejszyło to tarcie pomiędzy materiałem a matrycą i obniżyło koncentrację naprężeń powierzchniowych, co skutkowało bardziej równomiernym odkształceniem materiału i zapobiegało pęknięciom spowodowanym miejscowym przeciążeniem naprężeniowym.
4.2 Optymalizacja prędkości formowania
Pierwotna prędkość formowania wynosiła 300 mm/min, co mogło być niezgodne z limitami reakcji plastycznej materiału. Prędkość zoptymalizowano do zakresu 120–180 mm/min, stosując metodę formowania z powolną, stałą-prędkością. Zapewniło to materiałowi wystarczającą ilość czasu na poddanie się odkształceniu plastycznemu i całkowite rozproszenie naprężeń odkształcających, unikając w ten sposób koncentracji naprężeń i pęknięć spowodowanych nadmierną szybkością odkształcania.
4.3 Proces podgrzewania materiału
Stop aluminium EN AW-6082-T651 wykazuje stosunkowo niską plastyczność w temperaturze pokojowej; podgrzewanie wstępne może zwiększyć plastyczność i zmniejszyć odporność na odkształcenia. Obecnie parametry procesu starzenia przy produkcji płyt aluminiowych 6082-T6 obejmują szeroki zakres (temperatury starzenia 155–190 stopni i czas wytrzymywania 2,5–20 godzin), a właściwości mechaniczne stale odpowiadają odpowiednim normom (takim jak EN 485) [3-5]. Podgrzanie strefy formowania przedmiotu obrabianego do około 100 stopni zwiększa rezerwy plastyczności, zmniejsza odporność na odkształcenia i koncentrację naprężeń podczas procesu formowania oraz hamuje powstawanie pęknięć.. 4.4 Optymalizacja smarowania matrycy
W pierwotnym procesie brakowało środków smarnych lub specjalistycznych folii zmniejszających opór tarcia pomiędzy przedmiotem obrabianym a matrycą. W zoptymalizowanym procesie wykorzystuje się specjalistyczny smar do formowania matrycowego stopów aluminium, nakładany równomiernie poprzez natryskiwanie. Tworzy to jednolity film smarny na powierzchni styku, obniżając współczynnik tarcia i redukując zarysowania powierzchni oraz koncentrację naprężeń, a jednocześnie zapobiegając miejscowej degradacji materiału spowodowanej przegrzaniem wskutek tarcia.
4.5 Wykrywanie-defektów po formowaniu
Aby szybko wykryć wady powierzchni, wprowadzono etap-wykrywania wad po formowaniu. Testy penetracyjne cieczy służą do przeprowadzenia 100% kontroli łuku zewnętrznego i stref przejściowych uformowanej części, a także sprawdzenia pęknięć powierzchniowych i przypowierzchniowych-w celu zapewnienia braku wad powierzchniowych.
4.6 Weryfikacja wyników optymalizacji
Do weryfikacji wybrano dwa kawałki złomu wykazujące podobne pęknięcia tworzące. Proces polegał na: szlifowaniu krawędzi uformowanej powierzchni w celu usunięcia zadziorów i wypływek; wstępne podgrzanie strefy zginania do około 100 stopni; nałożenie smaru na matrycę żeńską w celu zmniejszenia tarcia; i wreszcie zmniejszenie prędkości formowania, a następnie przeprowadzenie testów penetracyjnych. Wyniki weryfikacji wykazały jedynie niewielkie ślady powierzchniowe (o długości około 3 mm) w zlokalizowanych obszarach, które zostały wyeliminowane poprzez lekkie szlifowanie, co wykazało znaczną skuteczność optymalizacji (patrz Rysunek 11).
Obraz
a) Próbka 1
Obraz
b) Próbka 2
Rysunek 11. Wykrywanie wad zoptymalizowanych próbek
Wniosek
W artykule omówiono problem pękania-części w kształcie litery U wykonanych ze średniej grubości blachy ze stopu aluminium EN AW 6082-T651-. W drodze systematycznej analizy i weryfikacji zidentyfikowano pierwotną przyczynę pęknięć jako kombinację czynników: stosunkowo niskie właściwości mechaniczne na końcach materiału (pomimo spełnienia wymagań normowych), mały kąt zgięcia i niekompatybilny proces formowania. W oparciu o te ustalenia zaproponowano kompleksowy schemat optymalizacji procesu, obejmujący kontrolę chropowatości powierzchni matrycy, optymalizację prędkości formowania, wstępne podgrzewanie materiału, smarowanie matrycy i wykrywanie wad po formowaniu. Praktyczna weryfikacja potwierdziła, że to podejście skutecznie rozwiązało problem pękania, osiągając jakość formowania spełniającą wymagania techniczne.
