Dalies gedimo sprendimas: Perdirbto komponento gedimo analizės atvejo tyrimas

TRUMPAI

Atvejo tyrimai, sprendžiantys komponentų gedimus koviniuose gaminimuose, remiasi griežta technine analize, siekiant nustatyti pagrindines priežastis. Detalią metalurginę analizę, mechaninius bandymus ir pažangius modeliavimo metodus naudodami inžinieriai gali nustatyti tokius trūkumus kaip medžiagos defektai, technologiniai klaidos ar konstrukcijos trūkumai. Sprendimas dažnai apima terminio apdorojimo protokolų optimizavimą, medžiagos cheminės sudėties koregavimą arba paties kovinio gamybos proceso tobulinimą, kad būtų padidinta komponento ilgaamžiškumas ir išvengta būsimų gedimų.

Problema: Pagrindas dalies gedimui analizuoti koviniuose gaminimuose

Aukštos rizikos pramonės gamybos srityje, jei sugenda iškovotas komponentas, tai gali sukelti brangią stabdytą veiklą, saugos rizikas ir didelę finansinę žalą. Suprasti šių gedimų pobūdį – pirmasis žingsnis link jų sprendimo. Gedimai iškovojuose daliniuose apibūdinami pagal defektų tipus, kurie juos sukelia. Šie defektai gali būti makroskopiniai, tokie kaip matomi įtrūkimai ar deformacijos, arba mikroskopiniai, paslėpti giliai medžiagos grūdelinėje struktūroje. Pavyzdžiui, kovinių formų ankstyvas gedimas kasmet pramonei kainuoja milijonus dėl netinkamų detalių gamybos ir gamybos sustabdymo.

Koviniuose komponentuose stebimi dažni defektai gali būti suskirstyti į kelias pagrindines grupes. Paviršiaus defektai dažniausiai yra labiausiai akivaizdūs ir apima tokius trūkumus kaip sukimai ar klostės, kai medžiaga persidengia, tačiau nesilieja, sukuriant silpną vietą. Įtrapios vietos ir oro burbuliukai, dažnai atsirandantys dėl užstrigusių dujų ar netinkamo medžiagos tekėjimo, taip pat yra dažni kaltininkai. Atvejis, susijęs su aliuminiu koviniais komponentais, parodė, kaip tokie defektai gali pažeisti detalės vientisumą. Kitas svarbus klausimas yra nepakankamas užpildymas, kai kovinė medžiaga visiškai neužpildo formos ertmės, dėl ko gaunama nepilnai ar matmenų požiūriu netiksliai pagaminta detalė.

Už paviršutiniškų problemų slypi dar labiau pavojaus kėlėjai – vidiniai defektai. Prie jų priskiriami vidaus tarpai ar poros, atsirandantys dėl netinkamo užkietėjimo, taip pat ne metaliniai įtraukiniai, tokie kaip oksidai ar sulfidai, kurie veikia kaip įtempimo koncentratoriai. Medžiagos mikrostruktūra pati savaime yra kritinės reikšmės veiksnys; netinkamas grūdelių dydis ar trapios fazės buvimas gali žymiai sumažinti detalės atsparumą ir nuovargio ilgaamžiškumą. Kaip išsamiai aprašyta tyrimo apie H13 įrankinį plieną, net karbido nuosėdų dydis ir jų pasiskirstymas plieno matricoje lemia esminį vaidmenį plieno lūžio atsparume ir gebėjime atlaikyti gedimus.

Metodologija: Gedimų analizės ir tyrimo procesas

Sėkminga gedimo analizė yra sistemingas, daugiadisciplininis procesas, kuris sujungia stebėjimą su pažangiomis analitinėmis technikomis. Tikslas – pereiti už simptomo – įtrūkimo ar lūžio – ribų ir nustatyti pagrindinę šakninę priežastį. Procesas paprastai prasideda kruopščiu sugedusios detalės vizualiniu apžiūrėjimu ir visų susijusių eksploatacijos duomenų rinkimu, įskaitant eksploatacines apkrovas, temperatūras ir gamybos duomenis. Ši pirminė analizė padeda suformuluoti hipotezę apie gedimo būdą.

Atlikus pradinę analizę, taikomos įvairios neardančiosios ir ardančiosios bandymų procedūros. Tiksliam geometriniam analizavimui vis dažniau naudojamos šiuolaikinės technikos, tokios kaip 3D optinis skenavimas, kuris leidžia inžinieriams palyginti sugedusią detalę su pirminiu CAD modeliu, kad būtų galima nustatyti deformacijas ar dėvėjimąsi. Tai gali parodyti matmenų neatitikimus ar netikėtus medžiagos netekimo arba kaupimosi plotus. Taip pat plačiai taikomas išplėstas baigtinių elementų modeliavimas (FEM), kuris virtualiai imituodamas liejimo procesą padeda nustatyti didelio įtempimo zonas ar prognozuoti defektus, tokius kaip nepilnai užpildyti ertmės, sulankstymai ar pašalinių oro kišenės, nenaudojant ardymo metodų.

Tyrimo pagrindas dažnai yra metalurginė analizė. Iš sugedusios detalės, ypač arti lūžio pradžios vietos, imami pavyzdžiai ir paruošiami mikroskopinei apžiūrai. Naudodami skenuojančią elektroninę mikroskopiją (SEM), analizuojama lūžio paviršiaus struktūra (fraktografija), kuri atskleidžia būdingus gedimo mechanizmo požymius, tokius kaip nuovargio juostelės, trapūs atskilimo bruožai arba plastiški duobutės. Cheminė analizė užtikrina, kad medžiagos sudėtis atitiktų nustatytus reikalavimus, o mikro-kietumo matavimai gali aptikti paviršinį anglies praradimą ar netinkamą terminį apdorojimą. Kaip parodyta H13 kalnakasių formų analizėje, sugedusių detalių mikrostruktūros ir kietumo palyginimas su negedusiomis detalėmis suteikia svarbių užuominų. Galiausiai mechaniniai bandymai, tokie kaip lūžio atsparumo bandymas, kiekybiškai įvertina medžiagos gebėjimą pasipriešinti įtrūkimų plitimui, tiesiogiai siejant medžiagos savybes su veikimu.

Atvejo tyrimo išsamus nagrinėjimas: nuo automobilių komponentų įtrūkimų iki sprendimo

Įtikinamas dalių gedimo sprendimo pavyzdys kilo iš automobilių komponentų tiekėjo, kuris susidūrė su nuolatine įtrūkimų problema kintamo vožtuvų atidarymo (VVT) plokštėse. Detalės, pagamintos iš anglies plieno AISI 1045, dažnai buvo grąžinamos sugedusios po to, kai būdavo siunčiamos trečiosios šalies įmonei atlikti terminio apdorojimo. Ši problema verčia įmonę gaminti per didelį kiekį detalių, kad galėtų įvykdyti sutartinius įsipareigojimus, taip pat leidžia didelius išteklius 100 % tikrinimui, dėl ko švaistomas medžiagas ir kyla dideli kaštai. Tiekėjas kreipėsi į metalurgijos ekspertus, kad diagnozuotų ir išspręstų kartojamą problemą.

Tyrimas prasidėjo atlikus kruopštų analizę sugedusių detalių. Metalurgai pastebėjo, kad komponentai buvo pernelyg trapūs. Išsamiai ištyrus mikrostruktūrą, paaiškėjo, kad detalės buvo anglį ir azotą turinčiu būdu paviršiškai sukietintos – tai paviršinis sukietinimo procesas. Toliau tyrimas buvo tęsiamas tiekimo grandine aukštyn ir atskleidė svarbų faktą: žaliavinių plieno ritulių atlepinimas vyko azotu praturtintoje aplinkoje. Nors atlepinimas buvo būtinas plienui paruošti tiksliajam išspaudimui, azoto iš atlepinimo atmosferos ir aliuminio, naudojamo kaip grūdelių reguliatorius 1045 pliename, kombinacija buvo problematiška. Ši kombinacija detalės paviršiuje suformavo aliuminio nitridus.

Azoto nitridų susidarymas sukėlė itin finos grūdelių struktūros atsiradimą paviršiuje, kas trukdė plienui tinkamai kietėti tolesnioje terminėje apdorojimo stadijoje. Tikriausiai pradinis terminio apdorojimo atlikėjas bandė įveikti šią problemą taikydamas agresyvesnį anglies ir azoto difuzijos procesą, tačiau tai tik padarė paviršinį sluoksnį trapų, nesiekiant pageidautino branduolio kietumo. Pagrindinė priežastis buvo esminis nevienodumas tarp medžiagos cheminės sudėties ir konkrečių viso tiekimo grandinės metu naudotų apdorojimo etapų.

Nustačius pagrindinę priežastį, sprendimas buvo elegantiškas, bet efektyvus. Kadangi keisti plieno kalnakasybos atliekamą kaitinimą nebuvo įmanoma, komanda pasiūlė modifikuoti patį medžiagą. Jie rekomendavo 1045 plienui pridėti nedidelį chromo kiekį. Chromas yra galingas lydinio elementas, kuris ženkliai padidina plieno kietinamumą. Šis papildymas kompensavo aliuminio nitridų sukeltą smulkiagrūdį struktūrą, leisdamas VVT plokštėms pasiekti visišką ir tolygų kietumą standartiniu kietinimo procesu, nesukeliant trapumo. Sprendimas pasirodė labai sėkmingas – visiškai pašalinęs trūkinėjimo problemą. Šis atvejis pabrėžia visapusiško gamybos proceso vertinimo svarbą ir rodo, kaip bendradarbiavimas su specializuotu tiekėju gali užkirsti kelią tokioms problemoms. Pavyzdžiui, įmonės, besitelkiančios į aukštos kokybės automobilių komponentus, tokias kaip individualūs kalimo paslaugų sprendimai nuo Shaoyi Metal Technology , dažnai palaiko vertikaliai integruotus procesus ir IATF16949 sertifikatą, kad užtikrintų medžiagų ir procesų vientisumą nuo pradžios iki pabaigos.

Priežastinės analizės: Dažniausios kaltininkės forguotų detalių gedimuose

Forguotų detalių gedimai beveik visada gali būti nustatyti viename iš trijų pagrindinių aspektų: medžiagos trūkumai, proceso sukelti defektai arba projektavimo ir eksploatacijos sąlygų problemos. Išsamiai nustatyti šakninę priežastį reikalauja kruopščiai ištirti kiekvieną iš šių galimų veiksnių. Konkrečios priežasties nustatymas yra būtinas siekiant įgyvendinti efektyvias ir ilgalaikes taisomąsias priemones.

Medžiagos trūkumai yra būdingi žaliavai, naudojamai liejimui. Tai apima neteisingą cheminę sudėtį, kai legiruojantys elementai yra už nustatyto diapazono ribų, arba per didelį nešvarumų, tokių kaip siera ir fosforas, kiekį, kuris gali sukelti trapumą. Nemetalinės priemaišos, tokios kaip oksidai ir silikatai, yra dar viena pagrindinė problema. Šie mikroskopiniai dalelių susitelkimo vietų taškai gali tapti įtrūkimų atsiradimo pradžia, žymiai sumažinant detalės atsparumą ir ilgaamžiškumą. Kaip nurodyta H13 formų analizėje, plieno švarumas tiesiogiai veikia medžiagos atsparumą ir izotropiją.

Gamybinių procesų sukelti defektai yra įvedami gamybos etapuose, įskaitant kovą ir tolesnį terminį apdorojimą. Kovant netinkamas medžiagos tekėjimas gali sukelti defektus, tokius kaip suvartos ir raukšlės. Netinkamos kovimo temperatūros gali sukelti karštą plyšimą (jei per karšta) ar paviršiaus įtrūkimus (jei per šalta). Terminis apdorojimas yra kitas svarbus etapas, kuriame klaidos gali būti katastrofiškos. Netinkamas aušinimo greitis gali sukelti iškraipymus ar aušinimo įtrūkimus, o netinkamos atlepinimo temperatūros gali sukelti trapų mikrostruktūrą. Kaip parodė H13 formos atvejo tyrimas, aukštesnėje temperatūroje atlepinimas ženkliai pagerino lūžio atsparumą, išvengiant suminkštinto martensito trapumo diapazono.

Konstrukcijos ir eksploatacijos sąlygos susiję su detalės forma ir jos naudojimo būdu. Konstrukciniai trūkumai, tokie kaip aštrūs kampai, nepakankami apvalinimo spinduliai arba staigūs skerspjūvio storio pokyčiai, sukuria įtempimo koncentraciją, kuri veikia kaip natūralus nuovargio įtrūkimų pradžios taškas. Be to, faktinės eksploatacijos sąlygos gali viršyti projektavimo prielaidas. Perkrovos, stiprūs smūgiai arba veikimas agresyvioje aplinkoje gali visi sukelti ankstyvą gedimą. Termalinis nuovargis, atsirandantis dėl ciklinio įkaismės ir aušimo, yra dažnas gedimo tipas koviniams formavimo įrankiams ir kitoms detalėms, naudojamoms aukštoje temperatūroje.

Kad būtų pateiktas aiškus atskaitos taškas, žemiau pateiktoje lentelėje apibendrinti šie dažni gedimų priežastys:

Dažniausiai užduodami klausimai