В данном исследовании основное внимание уделяется-формованным деталям, изготовленным из пластин алюминиевого сплава EN AW 6082-T651 средней-до-толщины. Рассматривая проблему растрескивания в процессе-формования прессом, в исследовании анализируются основные причины с различных точек зрения,-включая химический состав, направленные различия в свойствах изгиба и параметры процесса-, а также выявляются фундаментальные механизмы образования трещин посредством экспериментальной проверки. На основе этих результатов предлагается систематическая схема оптимизации процесса, включающая контроль шероховатости поверхности формы, оптимизацию скорости формования, предварительный нагрев материала, смазку формы и обнаружение дефектов после -формования. Практическое применение показывает, что оптимизированный процесс значительно снижает скорость растрескивания и обеспечивает соответствие качества формовки техническим требованиям, обеспечивая надежную техническую основу для прессования-формования аналогичных пластин из алюминиевого сплава средней-к толщине.
Введение
Благодаря таким преимуществам, как низкая плотность и устойчивость к коррозии, алюминиевые сплавы стали предпочтительным материалом для облегчения высокоскоростных-поездов, поездов метро и специальных вагонов для перевозки угля в моей стране, получив широкое распространение в секторе железнодорожного транспорта страны [1]. EN AW 6082-T651 — это термо-обрабатываемый алюминиевый сплав серии Al-Mg-Si; После обработки раствором и искусственного старения он демонстрирует сочетание высокой прочности, хорошей свариваемости и коррозионной стойкости, что делает его основным материалом при производстве оборудования. В этой статье исследуется производственный процесс, связанный с проблемой внезапного растрескивания, возникающей на внешней стороне дуги R35 мм на конце U-образной панели во время штамповки.
Структура продукта и проблемы формования
Панель U-образной формы изготавливается из пластины EN AW 6082-T651 толщиной 10 мм с использованием штампа для штамповки-. Его основная структура представляет собой симметричную форму U- с радиусом формования, в 3,5 раза превышающим толщину пластины, и углом формования 108 градусов. Готовые размеры составляют 2552 мм в длину, 480 мм в ширину и 240 мм в высоту, как показано на рисунке 1. Деталь требует высоких стандартов к качеству поверхности и внутренней микроструктурной целостности в сформированных угловых областях; В процессе формовки не допускаются видимые трещины и скрытые дефекты, а деталь должна отвечать требованиям к последующей механической обработке и несущим характеристикам. Изображение
Рисунок 1. Схема профиля и размеров U-образной панели.
Во время изготовления произошел перелом на внешней стороне дуги R35 мм в концевой секции после процесса формовки. Трещина охватила две-трети ширины панели, образовав обломки панели (см. Рисунок 2).
Изображение
Рисунок 2: Разрушение после формовки
Анализ и проверка первопричин
Панель U-образной формы изготавливается с использованием процесса лазерной контурной резки с последующей штамповкой. Чтобы использовать направленные свойства материала и гарантировать отсутствие дефектов, таких как трещины, в сформированной области операция формования выполнялась перпендикулярно направлению прокатки. Чтобы точно определить причину перелома, была проведена систематическая проверка, изучающая как характеристики материала, так и процесс формования.
3.1 Проверка с использованием подручных материалов из центральной секции
Спецификации продукта требовали, чтобы изгиб был перпендикулярен направлению прокатки, с радиусом изгиба 35 мм и углом 108 градусов. Спецификации повторных-испытаний требовали изгиба, параллельного направлению прокатки, с радиусом 50 мм и углом 180 градусов; характеристики изгиба перпендикулярно направлению прокатки превосходят показатели в других направлениях. Чтобы проверить правильность направления изгиба вышедшего из строя компонента, были проведены испытания-формованием штампа на металлоломе вблизи зоны разрушения (в частности, области с вырезом в конце-секции) в обоих направлениях-перпендикулярно и параллельно направлению прокатки. При испытании перпендикулярно направлению прокатки внешняя поверхность разрушилась почти полностью (см. рисунок 3); при испытании параллельно направлению прокатки материал полностью раскололся, причем повреждения оказались более серьезными, чем при испытании перпендикулярно (см. рисунок 4). Таким образом, было подтверждено, что растрескивание при формовке не было вызвано неправильным выбором направления изгиба относительно направления прокатки.
Изображение
Рисунок 3: Проверка перпендикулярно направлению прокатки
Изображение
Рисунок 4: Проверка параллельно направлению прокатки
3.2 Подтверждение состава материала
Партия листового металла была проверена; повторные-испытания химического состава (см. Таблицу 1) и механических свойств (см. Таблицу 2) подтвердили соответствие стандартам EN485. Это исключило возможность того, что неисправность была вызвана несоответствием-химического состава или механических свойств. Таблица 1 Химический состав материала (массовая доля) (%)
[Изображение]
Таблица 2 Механические свойства материала
[Изображение]
Характеристики гибки можно количественно оценить по удлинению листа. Связь между удлинением, толщиной листа и радиусом изгиба можно выразить следующей формулой [2]:
δ = (t/2) / (t/2 + r) (1)
Где δ – удлинение (%); t – толщина листа (мм); r — радиус изгиба (мм).
Исходя из значений удлинения и толщины, приведенных в таблице 2, расчетный радиус изгиба листа составляет примерно 36,6 мм. Это близко к требуемому размеру продукта в 35 мм, что указывает на удовлетворительные характеристики материала на изгиб.
3.3 Проверка формовочной матрицы
Осмотр формовочной матрицы выявил относительно шероховатую поверхность. Однако, поскольку эта матрица ранее производила другие партии листов без проблем, а пробное прессование с использованием листа толщиной 12 мм из того же материала также не выявило отклонений, был сделан вывод, что, хотя шероховатость поверхности матрицы увеличивает повреждение и сопротивление поверхности в процессе формования, это не является основным фактором.
3.4 Проверка характеристик изгиба
(1) Проверка характеристик изгиба образца (подробности ниже):
1) Образцы были взяты из центральной секции U-образной панели шириной 130 мм (зона A, см. рисунок 5). Испытания на изгиб проводились на двух образцах, ориентированных перпендикулярно направлению прокатки, и двух образцах, ориентированных параллельно направлению прокатки. Испытания проводились в соответствии с техническими требованиями к повторному контролю изгиба листового металла -с использованием радиуса формовки 50 мм и угла изгиба 180 градусов.
[Изображение]
Рисунок 5 Схема тестовых зон на панели
2) Поскольку эксплуатационные характеристики материала хуже при изгибе параллельно направлению прокатки по сравнению с изгибом перпендикулярно ему, сначала выполнялся изгиб параллельно направлению прокатки. В зависимости от толщины листа и характеристик материала использовался пуансон радиусом 50 мм (R50) со скоростью 20 мм/мин для достижения изгиба на 180 градусов. Никаких трещин не наблюдалось (см. рисунок 6), что свидетельствует о том, что характеристики изгиба материала в центральной части U--образной панели соответствуют требованиям. Изображение
Рис. 6. Поведение при изгибе участка А параллельно направлению прокатки.
3) Для дальнейшей проверки характеристик изгиба листа и соответствия требованиям к радиусу изгиба продукта было проведено испытание на изгиб с использованием пуансона R30 мм, перпендикулярного направлению прокатки. Для сравнения были выбраны два набора испытательных скоростей: 20 мм/мин (стандартная скорость испытания на изгиб) и 300 мм/мин (скорость производственного формования). Результаты показали отсутствие трещин в любом наборе после изгиба на 180 градусов, как показано на рисунке 7.
Изображение
Рис. 7. Поведение при изгибе участка А перпендикулярно направлению прокатки.
Таким образом, очевидно, что U-образный кожух,-который имеет трещины на концах-демонстрирует хорошие характеристики изгиба в своей центральной части (Зона А), удовлетворяя как техническим характеристикам материала на изгиб, так и требованиям к радиусу формования изделия.
(2) Формирующая проверка неисправного компонента (конечная часть). Подробности следующие:
1) На основании результатов проверки характеристик изгиба для центральной части U--образного бандажа были проведены дальнейшие испытания с целью определить, имеются ли существенные различия в свойствах материала в концевых областях. Проверка формовки проводилась на участках B, C и D дефектного (треснутого) компонента; места показаны на рисунке 5. Сравнение испытаний на изгиб показано на рисунке 8, а результаты приведены в таблице 3.
Изображение
Рис. 8. Сравнение результатов гибки для участков B, C и D.
Таблица 3: Результаты гибки
Изображение
2) На основе результатов, приведенных в Таблице 3, были подготовлены образцы из секций по обе стороны между зонами C и D для дополнительных испытаний на изгиб. Два образца были взяты с «треснутой стороны» и два — с «не-треснувшей стороны».
Проверка характеристик изгиба в соответствии со стандартами повторного-осмотра сырья (перпендикулярно направлению прокатки; пуансон R50 мм; скорость: 20 мм/мин): при 180 градусах не наблюдалось растрескивания образцов как со стороны с трещинами, так и со стороны без-нетрещин, как показано на рисунке 9. Это подтверждает, что характеристики изгиба материала соответствуют требуемым спецификациям.
Изображение
а) Треснутая сторона
Изображение
б) Сторона без-трещин
Рис. 9. Поведение при изгибе (перпендикулярно направлению прокатки) участка между участками C и D.
Проверка формирования моделируемого изделия (пуансон R30 мм; скорость: 300 мм/мин): Образец со стороны без-трещин не показал трещин при 180 градусах; образец со стороны с трещиной показал растрескивание под углом примерно 60 градусов, как показано на рисунке 10. Это демонстрирует существование неоднородных механических свойств на концах материала.
Изображение
а) Сторона,-не растрескивающаяся
Изображение
б) Сторона растрескивания
Рис. 10. Проверка поведения изделия при формовании и изгибе.
Таким образом, очевидно, что основной причиной растрескивания при формовке является неоднородность-механических свойств по всему листу; выполнение компрессионного формования при комнатной-температуре в условиях, превышающих стандарты повторного-испытания на изгиб, создает риск образования трещин.
Оптимизация и проверка процессов
На основе приведенного выше анализа были сформулированы и проверены меры по оптимизации по нескольким параметрам, включая состояние штампа, скорость штамповки, пред-предварительную обработку материала, смазку и контроль качества.
4.1 Оптимизация шероховатости поверхности штампа
В исходном процессе шероховатость поверхности матрицы (Ra) составляла 1,6 мкм; высокое поверхностное трение сделало материал склонным к концентрации поверхностных напряжений. К рабочим поверхностям формовочной матрицы была применена прецизионная полировка для уменьшения шероховатости (Ra) до уровня ниже 0,4 мкм. Это уменьшило трение между материалом и штампом и снизило концентрацию поверхностных напряжений, что привело к более равномерной деформации материала и предотвращению трещин, вызванных локальной перегрузкой напряжения.
4.2 Оптимизация скорости формовки
Первоначальная скорость формования составляла 300 мм/мин, что могло быть несовместимо с пределами пластической реакции материала. Скорость была оптимизирована до диапазона 120–180 мм/мин с использованием медленного метода формовки с постоянной-скоростью. Это давало материалу достаточно времени для пластической деформации и полного рассеивания деформационных напряжений, тем самым избегая концентрации напряжений и растрескивания, вызванных чрезмерными скоростями деформации.
4.3 Процесс предварительного нагрева материала
Алюминиевый сплав EN AW-6082-T651 обладает относительно низкой пластичностью при комнатной температуре; предварительный нагрев может повысить пластичность и снизить сопротивление деформации. В настоящее время параметры процесса старения при производстве алюминиевых пластин 6082-Т6 охватывают широкий диапазон (температуры старения 155–190 градусов и время выдержки 2,5–20 часов), при этом механические свойства стабильно соответствуют соответствующим стандартам (например, EN 485) [3-5]. Предварительный нагрев зоны формовки заготовки примерно до 100 градусов увеличивает запасы пластичности, снижает сопротивление деформации и концентрацию напряжений в процессе формования, препятствует образованию трещин.. 4.4 Оптимизация смазки штампов
В исходном процессе отсутствовали смазочные средства или специальные пленки для уменьшения сопротивления трения между заготовкой и штампом. В оптимизированном процессе используется специализированная смазка для штамповки алюминиевых сплавов, равномерно наносимая распылением. Это создает однородную смазочную пленку на контактной поверхности, снижая коэффициент трения и уменьшая поверхностные царапины и концентрацию напряжений, а также предотвращая локальную деградацию материала, вызванную фрикционным перегревом.
4.5. Обнаружение дефектов после-формирования
Для быстрого обнаружения поверхностных дефектов был введен этап дефектоскопии после-формирования. Капиллярный контроль применяется для проведения 100% контроля внешней дуги и переходных зон формуемой детали, проверки на наличие поверхностных и при-поверхностных трещин на предмет отсутствия поверхностных дефектов.
4.6 Проверка результатов оптимизации
Для проверки были выбраны два куска металлолома с одинаковыми образовавшимися трещинами. В ходе процесса осуществлялись: шлифовка кромок сформированного участка для удаления заусенцев и облоя; предварительный нагрев зоны гибки примерно до 100 градусов; нанесение смазки на охватывающую матрицу для уменьшения трения; и, наконец, снижение скорости формовки с последующим пенетрантом. Результаты проверки показали лишь незначительные поверхностные следы (длиной около 3 мм) на локализованных участках, которые были устранены легкой шлифовкой, что продемонстрировало значительную эффективность оптимизации (см. Рисунок 11).
Изображение
а) Образец 1
Изображение
б) Образец 2
Рисунок 11. Дефектоскопия оптимизированных образцов.
Заключение
В данной статье рассматривается проблема растрескивания U-формованных деталей, изготовленных из листов алюминиевого сплава EN AW 6082-T651 средней-толщины. Путем систематического анализа и проверки основная причина растрескивания была определена как комбинация факторов: относительно низкие механические свойства на концах материала (несмотря на соответствие стандартным требованиям), малый угол изгиба и несовместимый процесс формования. На основании этих результатов была предложена комплексная схема оптимизации процесса, включающая контроль шероховатости поверхности штампа, оптимизацию скорости формования, предварительный нагрев материала, смазку штампа и обнаружение дефектов после формования. Практическая проверка подтвердила, что этот подход эффективно решил проблему растрескивания, обеспечив качество формовки, соответствующее техническим требованиям.
