أشكال الفشل وأسبابه وتحسين عمر قالب البثق

1. المقدمة

يُعد القالب أداةً أساسيةً في عملية بثق مقاطع الألومنيوم. أثناء عملية البثق، يجب أن يتحمل القالب درجات حرارة وضغطًا واحتكاكًا عاليين. مع الاستخدام طويل الأمد، قد يُسبب تآكلًا وتشوهات بلاستيكية وتلفًا ناتجًا عن التعب. وفي الحالات الشديدة، قد يُسبب كسرًا في القالب.

2. أشكال الفشل وأسباب القوالب

2.1 فشل التآكل

يُعدّ التآكل السبب الرئيسي لفشل قالب البثق، مما يؤدي إلى اختلال حجم مقاطع الألومنيوم وانخفاض جودة سطحها. أثناء عملية البثق، تلتقي مقاطع الألومنيوم بالجزء المفتوح من تجويف القالب عبر مادة البثق تحت درجة حرارة وضغط عاليين دون معالجة تزييت. يلامس أحد الجانبين سطح شريط الفرجار مباشرةً، وينزلق الجانب الآخر، مما يُسبب احتكاكًا شديدًا. يتعرض سطح التجويف وسطح حزام الفرجار للتآكل والفشل. في الوقت نفسه، أثناء عملية احتكاك القالب، تلتصق بعض كتل المعدن بسطح العمل، مما يُغير شكل القالب الهندسي ويُعيق استخدامه، ويُعتبر أيضًا تآكلًا، والذي يُعبّر عنه في شكل تخميل حافة القطع، والحواف المستديرة، وغرق المستوى، والأخاديد السطحية، والتقشير، وما إلى ذلك.

يرتبط الشكل المحدد لتآكل القالب بعوامل عديدة، مثل سرعة عملية الاحتكاك، والتركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية لمادة القالب والسبائك المُعالجة، وخشونة سطح القالب والسبائك، والضغط ودرجة الحرارة وسرعة عملية البثق. يُعد تآكل قالب بثق الألومنيوم في الغالب تآكلًا حراريًا، وينتج عن الاحتكاك، وتليين سطح المعدن بسبب ارتفاع درجة الحرارة، وتشابك سطح تجويف القالب. بعد تليين سطح تجويف القالب عند درجة حرارة عالية، تقل مقاومته للتآكل بشكل كبير. في عملية التآكل الحراري، تُعد درجة الحرارة العامل الرئيسي المؤثر على التآكل الحراري. كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت خطورة التآكل الحراري.

2.2 التشوه البلاستيكي

التشوه البلاستيكي لقالب بثق مقطع الألومنيوم هو عملية إنتاج مادة المعدن للقالب.

نظرًا لأن قالب البثق يكون في حالة من درجة حرارة عالية وضغط مرتفع واحتكاك عالي مع المعدن المبثوق لفترة طويلة أثناء عمله، فإن درجة حرارة سطح القالب ترتفع وتسبب التليين.

في ظل ظروف تحميل عالية جدًا، سيحدث تشوه بلاستيكي كبير، مما يؤدي إلى انهيار سير العمل أو تشكيله شكلًا بيضاويًا، ويتغير شكل المنتج الناتج. حتى لو لم تُحدث القالب شقوقًا، فسيفشل، نظرًا لعدم ضمان دقة أبعاد مقطع الألومنيوم.

بالإضافة إلى ذلك، يتعرض سطح قالب البثق لاختلافات في درجات الحرارة نتيجةً للتسخين والتبريد المتكررين، مما يُنتج إجهادات حرارية متناوبة من الشد والضغط على السطح. في الوقت نفسه، تخضع البنية الدقيقة أيضًا لتحولات بدرجات متفاوتة. ونتيجةً لهذا التأثير المُشترك، يحدث تآكل القالب وتشوه لدن السطح.

2.3 أضرار التعب

يُعد تلف التعب الحراري أيضًا أحد أكثر أشكال فشل القالب شيوعًا. عند ملامسة قضيب الألومنيوم الساخن لسطح قالب البثق، ترتفع درجة حرارة سطح قضيب الألومنيوم أسرع بكثير من درجة حرارته الداخلية، وينشأ إجهاد ضغط على السطح نتيجة التمدد.

في الوقت نفسه، تنخفض مقاومة خضوع سطح القالب بسبب ارتفاع درجة الحرارة. عندما يتجاوز الضغط مقاومة خضوع المعدن السطحي عند درجة الحرارة المقابلة، يظهر إجهاد ضغط بلاستيكي على السطح. عند خروج القالب من القالب، تنخفض درجة حرارة السطح. ولكن مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة داخل القالب، يتشكل إجهاد شد.

وبالمثل، عندما تتجاوز الزيادة في إجهاد الشد مقاومة خضوع سطح المقطع، يحدث إجهاد شد بلاستيكي. عندما يتجاوز الإجهاد الموضعي للقالب حد المرونة ويدخل منطقة الإجهاد البلاستيكي، قد يؤدي التراكم التدريجي للإجهادات البلاستيكية الصغيرة إلى تشققات التعب.

لذلك، لمنع أو تقليل تلف إجهاد القالب، يجب اختيار المواد المناسبة واعتماد نظام معالجة حرارية مناسب. مع الاهتمام بتحسين بيئة استخدام القالب.

2.4 كسر العفن

في الإنتاج الفعلي، تتوزع الشقوق في أجزاء معينة من القالب. بعد فترة خدمة معينة، تتكون شقوق صغيرة وتتوسع تدريجيًا في العمق. بعد توسع الشقوق إلى حجم معين، تضعف قدرة القالب على التحمل بشكل كبير وتسبب الكسر. أو قد تكون الشقوق الدقيقة قد ظهرت بالفعل أثناء المعالجة الحرارية الأولية وتجهيز القالب، مما يُسهّل تمدد القالب ويسبب تشققات مبكرة أثناء الاستخدام.

من حيث التصميم، تُعزى الأسباب الرئيسية للفشل إلى تصميم قوة القالب واختيار نصف قطر القطع عند الانتقال. أما من حيث التصنيع، فتُعزى الأسباب الرئيسية إلى الفحص المسبق للمواد والاهتمام بخشونة السطح والتلف أثناء المعالجة، بالإضافة إلى تأثير المعالجة الحرارية وجودة معالجة السطح.

أثناء الاستخدام، يجب الاهتمام بالتحكم في تسخين القالب ونسبة البثق ودرجة حرارة السبيكة، بالإضافة إلى التحكم في سرعة البثق وتدفق تشوه المعدن.

3. تحسين عمر العفن

في إنتاج مقاطع الألومنيوم، تشكل تكاليف القالب نسبة كبيرة من تكاليف إنتاج عملية بثق المقاطع.

تؤثر جودة القالب بشكل مباشر على جودة المنتج. ونظرًا لصعوبة ظروف عمل قالب البثق في إنتاج بثق المقاطع، فمن الضروري مراقبة القالب بدقة، بدءًا من التصميم واختيار المواد، وصولًا إلى الإنتاج النهائي، واستخدامه وصيانته.

خاصة أثناء عملية الإنتاج، يجب أن يتمتع القالب بثبات حراري عالي، وتعب حراري، ومقاومة للتآكل الحراري، ومتانة كافية لتمديد عمر خدمة القالب وتقليل تكاليف الإنتاج.

3.1 اختيار مواد القالب

إن عملية بثق مقاطع الألومنيوم هي عملية معالجة ذات درجة حرارة عالية وحمل عالي، كما أن قالب بثق الألومنيوم يتعرض لظروف استخدام قاسية للغاية.

يتعرض قالب البثق لدرجات حرارة عالية، وقد تصل درجة حرارة سطحه المحلية إلى 600 درجة مئوية. يتعرض سطح قالب البثق للتسخين والتبريد بشكل متكرر، مما يسبب التعب الحراري.

عند ضغط سبائك الألومنيوم، يجب أن يتحمل القالب الضغط العالي والانحناء والإجهادات القصية، مما يتسبب في تآكل المادة اللاصقة والتآكل الكاشط.

اعتمادًا على ظروف عمل قالب البثق، يمكن تحديد الخصائص المطلوبة للمادة.

أولاً، يجب أن تتمتع المادة بأداء معالجة جيد. يجب أن تكون سهلة الصهر والتشكيل والمعالجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتمتع المادة بقوة وصلابة عاليتين. تعمل قوالب البثق عادةً تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين. عند بثق سبائك الألومنيوم، يجب أن تكون قوة شد مادة القالب في درجة حرارة الغرفة أكبر من 1500 ميجا باسكال.

يجب أن يتمتع بمقاومة عالية للحرارة، أي القدرة على تحمل الأحمال الميكانيكية في درجات الحرارة العالية أثناء عملية البثق. كما يجب أن يتمتع بقيم عالية من متانة الصدمات ومقاومة الكسر في درجات الحرارة العادية والعالية، وذلك لمنع تكسر القالب الهش تحت ظروف الإجهاد أو أحمال الصدمات.

يجب أن يكون لديه مقاومة عالية للتآكل، أي أن السطح لديه القدرة على مقاومة التآكل تحت درجة حرارة عالية طويلة الأمد وضغط مرتفع وتزييت رديء، خاصة عند ضغط سبائك الألومنيوم، لديه القدرة على مقاومة التصاق المعادن والتآكل.

تُعد القدرة على التصلب الجيدة ضرورية لضمان خصائص ميكانيكية عالية وموحدة عبر المقطع العرضي الكامل للأداة.

تُعد الموصلية الحرارية العالية ضرورية لتبديد الحرارة بسرعة من سطح العمل الخاص بقالب الأداة لمنع الحرق الزائد المحلي أو الخسارة المفرطة للقوة الميكانيكية لقطعة العمل المبثوقة والقالب نفسه.

يجب أن يتمتع بمقاومة قوية للإجهاد الدوري المتكرر، أي يتطلب متانة عالية لمنع تلف التعب المبكر. كما يجب أن يتمتع بمقاومة معينة للتآكل وخصائص نيتريدية جيدة.

3.2 تصميم معقول للقالب

يُعد التصميم المعقول للقالب عاملاً أساسياً في إطالة عمره الافتراضي. يجب أن يضمن هيكل القالب المصمم بشكل صحيح عدم وجود احتمالية لتمزق الصدمات وتركيز الإجهاد في ظروف الاستخدام العادية. لذلك، عند تصميم القالب، يُنصح بتوزيع الإجهاد على كل جزء بالتساوي، وتجنب الزوايا الحادة والمقعرة، واختلاف سمك الجدار، ووجود أقسام رقيقة وعريضة ومسطحة، لتجنب تركيز الإجهاد المفرط. قد يؤدي ذلك إلى تشوه المعالجة الحرارية، والتشقق، والكسر الهش، أو التشقق المبكر أثناء الاستخدام. كما أن التصميم الموحد يُسهّل تخزين القالب وصيانته.

3.3 تحسين جودة المعالجة الحرارية والمعالجة السطحية

يعتمد عمر خدمة قالب البثق بشكل كبير على جودة المعالجة الحرارية. لذلك، تُعد أساليب المعالجة الحرارية المتقدمة وعملياتها، بالإضافة إلى معالجات التقوية وتقوية السطح، بالغة الأهمية لتحسين عمر خدمة القالب.

في الوقت نفسه، تخضع عمليات المعالجة الحرارية وتقوية الأسطح لرقابة صارمة لمنع عيوب المعالجة الحرارية. إن تعديل معايير عمليات التبريد والتسخين، وزيادة عدد عمليات المعالجة المسبقة، ومعالجة التثبيت والتسخين، والاهتمام بضبط درجة الحرارة، وكثافة التسخين والتبريد، واستخدام وسائط تبريد جديدة، ودراسة عمليات ومعدات جديدة مثل معالجة التقوية والتصلب، وأنواع مختلفة من معالجات تقوية الأسطح، كلها عوامل تُسهم في إطالة عمر خدمة القالب.

3.4 تحسين جودة تصنيع القوالب

أثناء معالجة القوالب، تشمل طرق المعالجة الشائعة المعالجة الميكانيكية، وقطع الأسلاك، ومعالجة التفريغ الكهربائي، وغيرها. تُعد المعالجة الميكانيكية عملية أساسية وهامة في عملية معالجة القوالب، فهي لا تُغير حجم القالب فحسب، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على جودة المقطع وعمر خدمة القالب.

يُعدّ القطع السلكي لثقوب القوالب طريقةً شائعة الاستخدام في تصنيع القوالب. فهو يُحسّن كفاءة المعالجة ودقتها، إلا أنه يُسبب بعض المشاكل الخاصة. على سبيل المثال، إذا استُخدم قالب مُعالج بالقطع السلكي مباشرةً للإنتاج دون معالجة حرارية، فسيحدث بسهولة تكوّن الخبث والتقشير، مما يُقلل من عمر خدمة القالب. لذلك، يُمكن لتحسين المعالجة الحرارية الكافية للقالب بعد القطع السلكي تحسين حالة إجهاد الشد السطحي، وتقليل الإجهاد المتبقي، وزيادة عمر خدمة القالب.

يُعد تركيز الإجهاد السبب الرئيسي لكسر القالب. ضمن النطاق المسموح به في تصميم الرسم، كلما زاد قطر سلك القطع، كان ذلك أفضل. هذا لا يُحسّن كفاءة المعالجة فحسب، بل يُحسّن أيضًا توزيع الإجهاد بشكل كبير، مما يمنع حدوث تركيز الإجهاد.

التشغيل بالتفريغ الكهربائي هو نوع من التشغيل بالتآكل الكهربائي، يتم إجراؤه عن طريق تراكب تبخر المواد والذوبان وتبخر سائل التشغيل الناتج أثناء التفريغ. تكمن المشكلة في أنه بسبب حرارة التسخين والتبريد المؤثرة على سائل التشغيل والتأثير الكهروكيميائي لسائل التشغيل، تتشكل طبقة معدلة في جزء التشغيل مما ينتج عنه إجهاد وشد. في حالة الزيت، تتحلل ذرات الكربون بسبب احتراق الزيت وتنتشر وتتكربن إلى قطعة العمل. عندما يزداد الإجهاد الحراري، تصبح الطبقة المتدهورة هشة وصلبة وعرضة للتشقق. في الوقت نفسه، يتشكل إجهاد متبقٍ ويلتصق بقطعة العمل، مما سيؤدي إلى انخفاض قوة التعب، وتسارع الكسر، وتآكل الإجهاد، وظواهر أخرى. لذلك، يجب علينا أثناء عملية المعالجة تجنب المشاكل المذكورة أعلاه وتحسين جودة المعالجة.

3.5 تحسين ظروف العمل وظروف عملية البثق

ظروف عمل قالب البثق سيئة للغاية، وبيئة العمل سيئة أيضًا. لذلك، فإن تحسين طريقة عملية البثق ومعاييرها، وتحسين ظروف العمل وبيئة العمل، يُحسّن من عمر القالب. لذلك، قبل عملية البثق، من الضروري وضع خطة البثق بعناية، واختيار أفضل نظام للمعدات ومواصفات المواد، وصياغة أفضل معايير عملية البثق (مثل درجة حرارة البثق، والسرعة، ومعامل البثق، وضغط البثق، إلخ)، وتحسين بيئة العمل أثناء البثق (مثل التبريد بالماء أو النيتروجين، والتزييت الكافي، إلخ)، مما يُقلل من عبء عمل القالب (مثل تقليل ضغط البثق، وتقليل حرارة التبريد، والحمل المتناوب، إلخ)، ووضع إجراءات تشغيل العملية وتحسينها، وإجراءات الاستخدام الآمن.

4 الخاتمة

مع تطور اتجاهات صناعة الألومنيوم في السنوات الأخيرة، يسعى الجميع إلى نماذج تطوير أفضل لتحسين الكفاءة وتوفير التكاليف وزيادة الأرباح. ولا شك أن قالب البثق يُعدّ وحدة تحكم مهمة في إنتاج مقاطع الألومنيوم.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على عمر قالب بثق الألومنيوم. فبالإضافة إلى العوامل الداخلية، مثل التصميم الهيكلي ومتانة القالب، ومواد القالب، والمعالجة الباردة والحرارية، وتقنيات المعالجة الكهربائية، والمعالجة الحرارية، وتقنيات المعالجة السطحية، هناك أيضًا عملية البثق وظروف الاستخدام، وصيانة القالب وإصلاحه، وخصائص وشكل مادة منتج البثق، والمواصفات، والإدارة العلمية للقالب.

في الوقت نفسه، فإن العوامل المؤثرة ليست مشكلة واحدة، بل مشكلة شاملة متعددة العوامل، لتحسين عمرها بالطبع هي أيضا مشكلة منهجية، في الإنتاج الفعلي واستخدام العملية، تحتاج إلى تحسين التصميم، ومعالجة القالب، واستخدام الصيانة وغيرها من الجوانب الرئيسية للسيطرة، ومن ثم تحسين عمر خدمة القالب، وخفض تكاليف الإنتاج، وتحسين كفاءة الإنتاج.

تم تحريره بواسطة ماي جيانج من MAT Aluminum