راهنمای مقاومت برشی آلومینیوم: مقادیر آلیاژ، آزمایش و طراحی اکستروژن

در شرکت فناوری صنعت آلومینیوم شانگهای Huishuo، تیم مهندسی ما اخیراً سؤالی را از یک ماشین‌ساز که یک اتصال قاب دروازه‌ای از آلومینیوم سری 40 T-slot طراحی می‌کند، مطرح کرده است: اگر طراحی 207 مگاپاسکال منتشر شده برای 6061-T6، 152 مگاپاسکال با وضوح MPa3-17 برای 60، 17 یا 60 MPa است. 6063-T5. انتخاب اندازه پیچ، هندسه براکت و ضخامت دیواره پروفیل را تغییر می دهد. مقاومت برشی آلومینیوم یک شماره دفترچه راهنما نیست. این بستگی به آلیاژ، مزاج، روش آزمایش و محل قرارگیری صفحه برشی در مجموعه واقعی دارد. این راهنما مقادیری را که برای قاب های اکستروژن T-slot صنعتی مهم هستند و نحوه اعمال آنها بدون مهندسی بیش از حد هر اتصال را پوشش می دهد.

آلیاژ اکستروژن 6061-T6 دارای مقاومت برشی 207 مگاپاسکال است. 6063-T5 117 مگاپاسکال را حمل می کند. 7075-T6 به 330 مگاپاسکال می رسد. از 60 درصد استحکام کششی نهایی به عنوان تخمین عبور اول استفاده کنید.

معنی استحکام برشی در پروفیل های اکسترود شده

مقاومت برشی حداکثر تنشی است که یک پروفیل آلومینیوم می تواند قبل از اینکه یک صفحه از مواد به موازات بار اعمال شده از هم جدا شود مقاومت کند و برای آلیاژهای آلومینیوم ساختاری معمولاً بین 55 تا 65 درصد از مقاومت کششی نهایی فرود می آید.

تعریف اصلی: تنش برشی برابر است با نیروی اعمالی تقسیم بر مساحت صفحه مقاوم که به صورت F/A نوشته می شود. زمانی که تنش برشی محاسبه شده از مقاومت برشی آلیاژ فراتر رود، به جای خم شدن از حالت خارج شدن، با لغزش یا پاره شدن در امتداد آن صفحه شکست می خورد.

در یک قاب اکسترود شده، برش در سه مکان مجزا ظاهر می شود: ساقه پیچ، درگیری رزوه در داخل مهره T و دیواره شکاف پروفیل. هر هواپیما دارای یک منطقه و شرایط محدودیت متفاوت است، بنابراین هر کدام باید به طور مستقل بررسی شوند. ضعیف ترین صفحه بر مفصل حاکم است.

ظرفیت برشی ساقه پیچ - بر اساس درجه و قطر اتصال دهنده تعیین می شود.
استحکام نوار نخ مهره T - با طول درگیری در مهره تنظیم می شود.
سطح برشی دیوار شکاف پروفیل - با ضخامت دیوار پشت شکاف تعیین می شود.

آندایزینگ وارد محاسبه نمی شود. یک لایه اکسیدی 5 تا 25 میکرومتری مقاومت در برابر سایش سطح را بهبود می بخشد، اما مقاومت برشی حجیم به طور کامل توسط آلیاژ پایه و حرارت اکستروژن انجام می شود.

مقاومت برشی آلومینیوم توسط آلیاژ و دما

در بین آلیاژهای آلومینیوم تجاری، استحکام برشی از تقریباً 40 مگاپاسکال برای فلز خالص آنیل شده تا 330 مگاپاسکال برای 7075-T6 است و دو آلیاژی که در اکثر اکستروژن‌های شیار T، 6063 و 6061 استفاده می‌شوند، بین 117 تا 207 مگاپاسکال بسته به مزاج ارائه می‌کنند.

استحکام برشی آلیاژهای معمولی آلومینیوم، MPa

1100-O 45 6063-T5 117 5052-H32 138 6063-T6 152 6061-T6 207 2024-T3 283 7075-T6 330

207 مگا پاسکال مقاومت برشی 6061-T6

117 مگاپاسکال مقاومت برشی 6063-T5

330 مگاپاسکال مرجع قله 7075-T6

0.6 x UTS برآورد برش گذر اول

مقادیر استحکام برشی منتشر شده برای آلیاژهای آلومینیوم رایج و دماهای مورد استفاده در کاربردهای ساختاری و صنعتی.
آلیاژ و مزاج	مقاومت برشی (MPa)	مقاومت برشی (psi)	کاربرد معمولی
1100-O	40-62	5800-9000	قطعات آلومینیوم خالص، شیمیایی و سبک
6063-T5	117	17000	پروفیل های اکستروژن استاندارد T-slot
5052-H32	138	20000	ورق کاری دریایی و پانل های شکل گرفته
6063-T6	152	22000	پروفیل های اکستروژن T-slot ساختاری
6061-T6	207	30000	پروفیل های اکستروژن سنگین و فریم ماشین
2024-T3	283	41000	ورق های سازه ای هوافضا
7075-T6	330	48000	اتصالات هوافضا و پراسترس

نوسان خلق و خو در فریم های واقعی اهمیت دارد. یک اکستروژن 6063-T6 تقریباً 30 درصد بار برشی بیشتر در هر میلی متر مربع نسبت به همان پروفیل در 6063-T5 در ابعاد دیوار یکسان مقاومت می کند، بنابراین اتصالات با برش بالا باید دما را مشخص کرده و آن را در گواهی مواد تأیید کنند.

چگونه استحکام برشی اندازه گیری می شود و نتایج در کجا اشتباه می شود

استحکام برشی آلومینیوم با آزمایش‌های فیکسچر نوع پانچ و تک برشی اندازه‌گیری می‌شود و هر دو نیاز به کنترل دقیق فاصله دارند. هنگامی که راه اندازی خاموش است، استحکام گزارش شده می تواند بیش از 10 درصد در همان ماده جابجا شود.

ASTM B831 تست برشی پانچ محصولات آلیاژ آلومینیوم نازک را پوشش می دهد و مرجع استاندارد برای ورق و کوپن های اکستروژن است.
ASTM F606 بر تست برشی اتصال دهنده های پیچ و مهره ای نظارت می کند و زمانی اعمال می شود که پیچ و نه پروفیل جزء تحت ارزیابی باشد.
روش های آسیاب داخلی بر اساس این استانداردها برای پروفیل های اکستروژن رایج است و نتایج بر روی گواهی آزمایش مواد چاپ می شود.

قانون تنظیم تست

فاصله پانچ تا قالب را بین 5 تا 12 درصد ضخامت نمونه حفظ کنید و سطوح آنودایز یا رنگ شده را قبل از آزمایش بردارید، در غیر این صورت مقاومت برشی گزارش شده می تواند بیش از 10 درصد انحراف داشته باشد.

سه متغیر بیشتر از سایر متغیرها نتایج آزمایش برشی را خراب می کنند.

فاصله پانچ تا قالب: خیلی کوچک باعث برش ثانویه و مقادیر بالای مصنوعی می شود. بیش از حد بزرگ باعث ایجاد سوراخ و اعداد کم و غیرقابل تکرار می شود.
جهت گیری نمونه: استحکام می تواند چند درصد بین جهت اکستروژن و عرضی به دلیل جهت دانه متفاوت باشد.
آماده سازی سطح: گیره ناهموار یا سطوح آنودایز اصطکاک را در ناحیه برشی تغییر می دهد و باید قبل از آزمایش حذف شوند.

برای پروفیل های اکسترود شده، نماینده ترین نتیجه از ماشینکاری یک کوپن مسطح از دیواره پروفیل واقعی و آزمایش آن ماده به دست می آید، نه از مقادیر عمومی دفترچه راهنمای برگه سهام.

قانون 60 درصد: تخمین مقاومت برشی از داده های کششی

هنگامی که ارزش برشی تایید شده در دسترس نیست، مقاومت برشی را 60 درصد مقاومت کششی نهایی تخمین بزنید. برای آلیاژهای آلومینیوم، این پیش‌بینی استحکام برشی و سوراخ‌شدگی در حدود 5.5 درصد از مقادیر اندازه‌گیری شده است.

برآورد برش گذر اول

برآورد برشی برابر با 0.6 x مقاومت کششی نهایی است. مثال: 6061-T6 در 310 مگاپاسکال UTS تقریباً 186 مگاپاسکال می دهد. 6063-T5 در 190 مگاپاسکال UTS تقریباً 114 مگاپاسکال می دهد.

قانون 60 درصد یک ابزار مرحله مفهومی است، نه جایگزینی برای داده های کارخانه تایید شده. هنگامی که یک اتصال حیاتی شد، گواهی مالکیت مکانیکی را برای گرمای خاص اکستروژن درخواست کنید، یا یک تست پانچ روی یک کوپن از مشخصات تحویل داده شده انجام دهید.

در این شرایط از قانون استفاده کنید:

طراحی مفهومی، هنگام مقایسه آلیاژها و دماها قبل از اینکه چیدمان قاب ثابت شود.
نقل قول تامین کننده، زمانی که یک برگه داده استحکام کششی را ذکر می کند اما مقاومت برشی را حذف می کند.
تجزیه و تحلیل شکست، هنگام بررسی اینکه آیا یک اتصال ترک خورده از حد مجاز برش معقول بارگذاری شده است یا خیر.

استفاده از داده های مقاومت برشی در قاب های اکستروژن T-Slot

در طراحی قاب T-slot، استحکام برشی مواد پروفیل بیشترین اهمیت را در اتصال دارد، زیرا قاب ها تقریباً همیشه در ابتدا به جای در وسط دهانه در محل اتصال از کار می افتند.

یک اتصال شیار T پیچ‌دار با کوچک‌ترین سه مقدار محدود می‌شود: ظرفیت برشی پیچ، استحکام نوار رزوه مهره T یا ناحیه برشی دیواره پروفیل پشت شکاف. در پروفیل های دیوار نازک، لبه شکاف معمولا ضعیف ترین صفحه است، به همین دلیل است که اتصالات بارگذاری شده، شکاف تغییر شکل یا ترک خوردگی را قبل از برش بست نشان می دهند.

ضخامت دیواره اهرمی است که ظرفیت اتصال را بدون تغییر آلیاژ افزایش می دهد. یک پروفیل 4040 با دیواره 4.5 میلی متری تقریباً دو برابر سطح برشی نسخه 1.8 میلی متری دیوار نازک را در همان شکل هندسی شکاف ایجاد می کند، در حالی که مقاومت برشی مواد در 207 مگاپاسکال برای 6061-T6 در هر دو مورد باقی می ماند.

پروفیل آلومینیومی فوق سنگین 4040 HS-8-4040W با دیواره 4.5 میلی متری دیوار 4.5 میلی متری این پروفیل 4040 تقریباً سطح برشی را در مقایسه با نسخه های دیوار نازک دو برابر می کند و آن را به گزینه ای قوی برای مناطق اتصال تحت بارهای مکرر تبدیل می کند، همانطور که با بحث پیرامون ضخامت دیوار و مقاومت برشی برجسته شده است. مشاهده محصول →

برای براکت های دروازه ای، بازوهای کنسولی و نقاط بالابر، مشخص کنید پروفیل های سنگین 6061 با دیوارهای ضخیم در نواحی مفصلی و ذخیره پروفیل های استاندارد برای دهانه های باقی مانده. نسخه کوتاه مقایسه 6061 و 6063 ما: 6063-T5 برای قاب بندی سبک مناسب است، در حالی که 6061-T6 پیش فرض مهندسی برای اتصالاتی است که بارهای برشی مکرر را حمل می کنند.

HS-10-4545 Heavy-Duty 4545 Aluminum Extrusion with 2.4mm Thick Wall

HS-10-4545 اکستروژن آلومینیومی سنگین 4545 با دیواره ضخیم 2.4 میلی متر ایده آل برای براکت های دروازه ای و بازوهای کنسول، این نمایه 45x45 یک دیوار 2.4 میلی متری برای افزایش ظرفیت اتصال ارائه می دهد. شیار T 10.2 میلی‌متری آن از اتصال دهنده‌های سنگین پشتیبانی می‌کند، برنامه‌هایی که در آن بر عملکرد برشی درجه 6061 تاکید شده است. مشاهده محصول →

پس از تنظیم برش مجاز، قبل از مقایسه آن با نیروی اتصال اعمال شده، ضریب ایمنی حداقل 2 را برای بارهای استاتیکی و 3 را برای بارهای دینامیکی یا معکوس اعمال کنید.

بررسی طراحی مشترک

ظرفیت پیچ و مهره را حداقل 20 درصد بالاتر از ظرفیت برشی دیوار پروفیل طراحی کنید. سپس یک بار اضافی غیرمنتظره، شکاف را به طور قابل مشاهده ای قبل از شکستگی تغییر شکل می دهد و یک خرابی ناگهانی را به یک سیگنال تعمیر و نگهداری قابل مشاهده تبدیل می کند.

سوالات متداول مقاومت برشی آلومینیوم

مقاومت برشی آلومینیوم 6061-T6 چقدر است؟

آلومینیوم 6061-T6 دارای مقاومت برشی منتشر شده 207 مگاپاسکال (30000 psi) است. برای کار طراحی، قانون 60 درصد را در برابر استحکام کششی نهایی 310 مگاپاسکال، که تقریباً 186 مگاپاسکال می‌دهد، اعمال کنید، سپس یک ضریب ایمنی بر اساس نوع بارگذاری اضافه کنید.

مقاومت برشی آلومینیوم شیار T 6063-T5 چقدر است؟

آلومینیوم 6063-T5 دارای مقاومت برشی حدود 117 مگاپاسکال (17000 psi) است. دمای T6 آن را به 152 مگاپاسکال (22000 psi) می رساند. قبل از محاسبه ظرفیت اتصال، وضعیت گواهی مواد پروفیل را بررسی کنید، زیرا بسیاری از پروفیل های استاندارد T-slot در 6063-T5 عرضه می شوند.

آیا آندایز کردن مقاومت برشی آلومینیوم را تغییر می دهد؟

خیر. آنودایز کردن یک لایه اکسید نازک را تشکیل می دهد که معمولاً 5 تا 25 میکرومتر ضخامت دارد که مقاومت در برابر سایش و خوردگی را بهبود می بخشد اما مقاومت برشی عمده اکستروژن را تغییر نمی دهد. محاسبات ساختاری باید پوشش را نادیده بگیرد و از مقدار آلیاژ پایه استفاده کند.

مقاومت برشی آلومینیوم در مقایسه با فولاد چگونه است؟

فولاد ساختاری A36 دارای مقاومت برشی نزدیک به 250 مگاپاسکال، نزدیک به آلومینیوم 6061-T6 در 207 مگاپاسکال است. از آنجایی که آلومینیوم تقریباً یک سوم وزن دارد، استحکام برشی ویژه 6061-T6 تقریباً دو برابر A36 است، بنابراین قاب های آلومینیومی می توانند بارهای مشترک مشابهی را با کسری از وزن حمل کنند.