في رحلتي عبر التصميم والتصنيع آلات السحب العميقلقد اكتسبتُ رؤىً قيّمة حول العلاقة بين قوة السحب وضربة السحب. وقد كشفت هذه الدراسة التجريبية عن كيفية تفاعل هذين العاملين وتأثيرهما على الأداء العام لعملية السحب العميق. يُعد فهم هذه العلاقة أمرًا بالغ الأهمية لتحسين تصميم الآلات وتحسين جودة المنتجات المُشكَّلة. وخلال خبرتي، أجريتُ تجارب متنوعة لتحليل هذه الديناميكيات. في هذه المقالة، سأشارك نتائجي حول تصميم وتصنيع آلة سحب عميق، مع التركيز على الدراسة التجريبية لقوة السحب مقابل ضربة السحب، وآثار ذلك على فعالية تشكيل المعادن.

خلاصة

تُمثل هذه الورقة البحثية العمل المُنفَّذ في تصميم وتصنيع وتشغيل نموذج لآلة سحب عميق هيدروليكية (DDM) منخفضة التكلفة، تُستخدم حاليًا في مختبر عمليات التصنيع بقسم الهندسة الصناعية بجامعة النجاح الوطنية. تُستخدم الآلة في إجراء تجارب مختلفة تتعلق بعملية السحب العميق.

كما هو معروف، فإن آلة السحب العميق هي عملية تشغيل الصفائح المعدنية حيث تقوم المثقبة بسحب ورقة فارغة إلى تجويف القالب لتشكيل أجزاء على شكل كوب أو صندوق [1].

نُفِّذ هذا العمل على ثلاث مراحل؛ الأولى هي مرحلة التصميم، حيث أُنجزت جميع حسابات تصميم عناصر DDM بناءً على مواصفات المنتج (الكوب) المراد رسمه. الثانية هي مرحلة البناء، حيث صُنعت عناصر DDM وجُمِّعت في ورش الهندسة بالجامعة. والأخيرة هي مرحلة التشغيل والتجريب، حيث تم اختبار DDM بإجراء تجارب مختلفة.

وفي الختام، تبين أن الخبرة المكتسبة في تصميم وبناء معدات المختبر الميكانيكية كانت ناجحة من حيث الحصول على نتائج عملية تتفق مع تلك المتوفرة في الأدبيات، وتوفير المال مقارنة بتكلفة المعدات المماثلة التي تم شراؤها، فضلاً عن تعزيز قدرات الطلاب في فهم عملية السحب العميق بشكل خاص ومفاهيم تصميم عناصر الآلة بشكل عام.

الكلمات المفتاحية: السحب العميق، تصميم عناصر الآلة، تصميم دي، تجميع وتصنيع الآلة، البحث التجريبي لقوة السحب وشوط السحب

مقدمة

الرسم العميق الآلة هي عملية تشكيل صفائح معدنية تُستخدم لتشكيل أجزاء على شكل كوب أو صندوق باستخدام مثقب يسحب قطعة فارغة إلى تجويف القالب. تُجرى هذه العملية بوضع قطعة فارغة ذات حجم معين فوق فتحة القالب، ثم ضغطها داخل تجويف القالب باستخدام مثقب، كما هو موضح في الشكل 1، [1]. من المنتجات النموذجية التي تُصنع بهذه العملية علب المشروبات، وأحواض الاستحمام، والحاويات بأحجام وأشكال مختلفة، والأحواض، وألواح السيارات.

في هذه الورقة، تُدرس عملية الرسم الأساسية، وهي رسم قطعة على شكل كوب بمعلمات كما هو موضح في الشكل 1. في هذه العملية الأساسية، تُوضع ورقة دائرية فارغة قطرها Db وسمكها t فوق فتحة قالب نصف قطر زاويته Rd. ثم تُثبّت الورقة بواسطة حلقة تثبيت (حامل) بقوة معينة. بعد ذلك، تُستخدم مثقاب قطره Dp ونصف قطر زاويته Rp لثقب الورقة في تجويف القالب، مما يُشكّل القطعة على شكل كوب.

علاوة على ذلك، تتحرك اللكمة بسرعة معينة V وتطبق قوة سفلية معينة F لتحقيق تشوه المعدن، بينما يطبق حامل الفراغ قوة تثبيت Fh لمنع تجعد الفراغ.

في الواقع، تقدم هذه الورقة تصميم وتصنيع آلة سحب عميق رخيصة الثمن "DDM" والتي تنتج منتجًا على شكل كوب تم تحديده مسبقًا، وقد تم تركيب DDM الآن واستخدامه للتجريب في مختبر عمليات التصنيع في قسم الهندسة الكهربائية والإلكترونية في جامعة النجاح، وتقدم الورقة التصميم التفصيلي للعناصر الرئيسية لـ DDM بما في ذلك اللكمة والقالب، وتصنيع وتجميع DDM، كما تقدم أيضًا تشغيل واختبار DDM من خلال إجراء تجارب على قوة السحب مقابل ضربة السحب ومقارنة النتائج بالبيانات المنشورة.

آلة السحب العميق: الخلفية العامة

يناقش هذا القسم بعض المفاهيم العامة لعملية السحب العميق بما في ذلك مقاييس السحب وقوة السحب وقوة الإمساك 

إجراءات السحب العميق:

من أهم مقاييس عملية السحب العميق نسبة السحب الحدية (LDR). تُعرّف نسبة السحب الحدية بأنها أقصى نسبة بين قطر الصفيحة الفارغة وقطر المثقب، والتي يُمكن سحبها في ظروف مثالية بضربة واحدة دون أي عطل [2].

قوة السحب:

القوة المؤثرة في المثقب اللازمة لإنتاج كوب هي مجموع قوة التشوه المثالية، وقوى الاحتكاك، والقوة اللازمة لإنتاج الكي. يوضح الشكل 2 العلاقة بين قوة السحب وضربة السحب [2].

قوة الاحتفاظ الفارغة:

تلعب قوة الإمساك h F دورًا هامًا في السحب العميق. وكتقريب تقريبي، يمكن ضبط ضغط الإمساك بقيمة تساوي 0.015 من مقاومة خضوع الصفائح المعدنية [1].

وبالتالي، من خلال ضرب ضغط الإمساك في جزء المساحة الأولية للفراغ الذي يجب أن يمسكه حامل الفراغ، يمكننا تقدير قوة الإمساك (hF) على النحو التالي [1].

الأدوات والمعدات:

تُستخدم عادةً مكابس ميكانيكية مزدوجة الحركة للسحب العميق، كما تُستخدم مكابس هيدروليكية. تتحكم هذه المكابس في حامل الثقب وحامل القالب بشكل مستقل، وتُشكّل القطعة بسرعة ثابتة.

بما أن قوة حامل الفراغ تتحكم في تدفق الصفائح المعدنية داخل القالب، فقد صُممت مكابس ذات قوة حامل فراغ متغيرة. في هذه المكابس، تتغير قوة حامل الفراغ مع ضربة الثقب.

العامل الأهم في تصميم القالب هو نصف قطر زاوية القالب (dR). يجب أن يكون لهذا النصف قطر قيمة مثالية نظرًا لسحب المادة فوقه. تعتمد قيمة نصف القطر الأمثل للقالب على متطلبات الطباعة ونوع المادة المراد سحبها. من الواضح أنه كلما صغر نصف قطر القالب، زادت القوة اللازمة لسحب الكأس. قد يتراوح نصف قطر القالب بين أربعة إلى ثمانية أضعاف سمك المادة الخام [3].

من الناحية العملية، يوصى بالبدء بـ d R يساوي 4t وزيادته إذا لزم الأمر.

وبالمثل، يُعدّ نصف قطر فوهة المثقب (p R) مهمًا لأنه يُشكّل نصف قطر قاع الكأس المُنتَج. إذا كان p R صغيرًا جدًا، فقد يتمزق نصف قطر قاع الكأس. قد يكون من الضروري تكبير نصف القطر أكثر من اللازم، وتقليل حجمه في عمليات السحب اللاحقة. كبداية، يُمكن استخدام سُمك 4t من نصف القطر إلى الفراغ. [3].

مواصفات الكأس وحسابات قوة السحب والإمساك

صُمم جهاز السحب العميق لإنتاج قطع على شكل كوب بضربة واحدة. وكما ذكرنا سابقًا، يهدف تصميم الجهاز إلى تزويد مختبر عمليات التصنيع في جامعة النجاح بجهاز يُظهر عملية السحب العميق، كما يُمكن للطلاب استخدامه لإجراء بعض التجارب الأساسية المتعلقة بها. في الواقع، لتصميم جهاز سحب عميق مناسب، من الضروري أولًا تحديد مواصفات المنتج (الكوب)، وقوة السحب، وقوة الإمساك.

مواصفات الكأس

يتم اختيار منتج DDM المطلوب ليكون عبارة عن كوب بسيط له قطر داخلي معين (d) وعمق (h) ويتم إنتاجه باستخدام صفائح معدنية ذات سمك (t).

يجب اختيار أبعاد الكوب بحيث تكون عملية السحب العميق مناسبة لإنتاجه بضربة واحدة؛ ولقياس جدوى العملية، يجب أن تستوفي نسبة السحب العميق (LDR)، ونسبة السُمك إلى القطر (t/D)، ونسبة الاختزال (Re) شروط الجدوى المذكورة في القسم الثاني من هذه الورقة. ولتحقيق ذلك، تقرر أن يكون سُمك الصفائح المعدنية المستخدمة في إنتاج الكوب t = 1.32 بوصة = 0.8 مم، وبناءً على التوصيات الواردة في القسم الثاني،

تحديد قوة السحب وقوة الإمساك بالفراغ

يُصنع الكأس من النحاس الأصفر C 26800 (65% Cu، 35%Zn) بضغط 322 ميجا باسكال و98 ميجا باسكال من الفولاذ. y   باستخدام المعادلة (5) مع Dp = 50 مم؛ يمكن حساب قوة السحب اللازمة لإنتاج الكأس على النحو التالي: F = 36.4 كيلو نيوتن. وبالمثل، من المعادلة (6) Fh = 14 كيلو نيوتن. لذا، فإن قوة السحب الكلية (Fd) التي سيطبقها DDM تساوي مجموع F وFh، أي Fd = 50.4 كيلو نيوتن. لأغراض تصميم عناصر DDM؛ يجب ضرب Fd في عامل تحميل يساوي 1.6.

تصميم عناصر آلة السحب العميق

يعرض هذا القسم تصميم عناصر رئيسية مختارة لآلة السحب العميق (DDM). يوضح الشكل (4) مقطعًا من آلة السحب العميق وعناصرها والتوضيح المصاحب لها. يوضح الشكل (5) صورتها.

تصميم القالب والثقب

بمجرد تحديد مواصفات الكأس كما تم شرحه سابقًا، يمكن تحديد مواصفات القالب والثقب المستخدم لإنتاج هذا الكأس.

بمعنى آخر، يجب أن يكون قطر المثقب الخارجي مساويًا للقطر الداخلي للكوب، أي 50 مم. كما يجب أن يكون ارتفاعه كافيًا لإنتاج العمق المطلوب (20 مم). لذلك، صُمم المثقب ليكون قطره الخارجي 50 مم، ونصف قطر ثقبه (p R) 3.2 مم، وارتفاعه 80 مم.

القالب والمثقب هما العنصران المتزاوجان في هذه العملية؛ لذا، يكون القطر الداخلي للقالب مساويًا للقطر الخارجي للمثقب، بالإضافة إلى تعويض الخلوص بينهما. يوضح الشكل (6) أبعاد القالب.

تحليل التصميم/السلامة للوحة الدعم العلوية

تُستخدم صفيحة الدعم العلوية، كما يشير اسمها، لدعم آلة DDM من خلال تثبيت أسطوانة الآلة الهيدروليكية. لذلك، يجب أن يعتمد تصميم هذه الصفيحة على أقصى قوة تُنتجها الوحدة الهيدروليكية، والتي تساوي 1.6 Fd = 80 KN. يوضح الشكل (7) أبعاد هذه الصفيحة، بينما يوضح الشكل (8) مخطط الجسم الحر لها. وكما هو موضح في الشكل (8)، يُمكن تقريب الجزء المحمّل من هذه الصفيحة كدعامة ثابتة من كلا الطرفين مع تطبيق حمل مركزي من الوحدة الهيدروليكية.

التفاعلات عند النقطتين A وC متماثلة وتساوي 40 كيلو نيوتن، والعزوم عند النقطتين A وB وC تساوي MA = 2090 نيوتن متر، وMB = 2200 نيوتن متر، وMC = 2090 نيوتن متر، على التوالي [4]. المقطع B (الامتداد الأوسط) هو المقطع الحرج. تحت هذا الحمل، يبلغ أقصى إجهاد عمودي فيه 27.7 ميجا باسكال. الصفيحة مصنوعة من فولاذ مدرفل على الساخن بضغط Sy = 170 ميجا باسكال، وبالتالي، فإن معامل الحماية من انحناء الصفيحة العلوية يساوي 6.

فيديو