Forklaring av prøvestyrke: Er det viktig for CNC-maskinerte deler?

Når man ser etter metallkomponenter til det neste kjøretøyprosjektet, er det én egenskap som bestemmer komponentenes evne til å beholde formen under påførte belastninger, nemlig prøvefasthet. For lastbærende CNC-komponenter er dette vanligvis viktigere enn strekkfasthet. I denne veiledningen vil vi diskutere prøvefasthet, hvordan ingeniører bestemmer denne verdien, hvordan den forholder seg til flytegrense, og hvordan Tuofa integrerer den i bulkmaskinerte produksjonsprosesser, slik at teamet ditt kan forstå et prøvefasthetsdiagram og velge riktig materialkvalitet.

Hva er bevisstyrke?

Spenningsverdien der metallet når en viss grad av permanent deformasjon, vanligvis 0.2 %, etter avlastning, kalles prøvefasthet eller prøvespenning. Proofstyrke foretrekkes av ingeniører for metaller som aluminium og rustfritt stål som ikke har noen distinkt flytegrense på spennings-tøyningsdiagrammet.

Er bevisstyrke lik bevisbelastning?

Nei. Prøvestyrke er definert som en spenningsverdi (MPa eller ksi), mens prøvelast refererer til den maksimale kraften (N eller lbf) som et festemiddel eller en annen del kan tåle uten å bli deformert. Prøvelastverdien utledes ved hjelp av formelen:

Prøvelast = Prøvestyrke x Spenningsareal (av et festemiddel)

Er bevisstyrke en mekanisk egenskap?

Ja. Strekkfasthet er en mekanisk egenskap som bestemmes via strekkprøving. Den er ofte oppført sammen med andre egenskaper som strekkfasthet, forlengelse og hardhet.

Hva brukes bevisstyrke til?

Hovedformålet med prøvestyrken er å bestemme grensen for sikre arbeidsspenninger som vil tillate at en komponent ikke deformeres permanent under drift under driftsbelastning.

Hvordan måles bevisstyrke?

Bestemmelse av strekkfasthet innebærer en laboratorieprosedyre som består av å trekke en prøve i en strekkprøvingsmaskin, tegne grafen for spennings-tøyningskurven og lese verdien fra kurven ved hjelp av offset-metoden. Prosedyren følger vanligvis retningslinjene spesifisert i ASTM E8 eller ISO 6892.

Strekkprøving

En forberedt testprøve, ofte en sylindrisk eller flat stang med kjent tverrsnittsareal, monteres i en strekkprøvemaskin og trekkes til bruddpunktet. Kraft og forlengelse av testprøven under testen registreres av et ekstensometer.

Plotting av spennings-tøyningskurven

For å få verdier for flytespenning og tøyning, deler vi de registrerte kraft- og forlengelsesverdiene med henholdsvis det opprinnelige tverrsnittsarealet og lengden på testprøven. Disse to verdiene resulterer i en spenning-tøyningskurve karakterisert av et elastisk område og et plastisk område.

Bestemmelse av Rp0.2 med offsetmetoden

En forskjøvet linje konstrueres parallelt med det elastiske (lineære) segmentet av grafen, startende ved 0.2 % av tøyningen på x-aksen. Skjæringspunktet mellom forskjøvet linje og spennings-tøyningsgrafen gir verdien av prøvefastheten, Rp0.2.

Bevisstyrke vs. andre materialegenskaper

Nå skal vi diskutere forskjellen mellom prøvestyrke og andre materialegenskaper som flytegrense og strekkfasthet osv.

Bevisstyrke vs. flytegrense

Tabellen nedenfor sammenligner prøvegrense og flytegrense, og fremhever de viktigste forskjellene mellom dem.

Bevisstyrke vs. strekkstyrke

Tabellen nedenfor skisserer forholdet mellom prøvestyrke og strekkfasthet på ulike stadier av materialdeformasjon.

Kan de brukes om hverandre?

Nei. For metaller som har flytegrense, f.eks. mange typer karbonstål, er strekkfastheten og flytegrensen relativt nær hverandre. I slike tilfeller kan du bruke begge begrepene. For metaller som mangler flytegrense, f.eks. aluminium, austenittisk rustfritt stål, titan, må imidlertid strekkfastheten (Rp0.2) brukes. Bekreft alltid verdien som er angitt i sertifiseringsarket.

Bevisstyrke for vanlige CNC-maskineringsmaterialer

Prøvefastheten varierer avhengig av legeringssammensetning, temperering og termisk behandling. Det er viktig å bekrefte den faktiske minimumsverdien for prøvefasthet i møllesertifiseringen for en bestemt CNC-maskinert materialbatch.

Aluminium legeringer

6061-T6 har en prøvefasthet på omtrent 240–276 MPa, mens høyfasthetskvaliteten 7075-T6 oppnår omtrent 460–503 MPa. Den herdede kvaliteten (dvs. T6, T651) påvirker prøvefasthetsverdien i stor grad, så sørg for å spesifisere herdingen når du bestiller.

Austenittisk rustfritt stål

Rustfritt stål 304 og 316 er de glødede austenittiske typene, og har relativt lav strekkfasthet, omtrent 170–310 MPa, men er svært forlengelses- og korrosjonsbestandige. Strekkfastheten øker betydelig på grunn av kaldbearbeiding.

Karbonstål

Lavkarbonstål, inkludert 1018, vil operere mellom 370–440 MPa. 4140-legeringsstål kan oppnå 655–1000 MPa når de er bråkjølt og anløpt, avhengig av varmebehandling.

Titanlegeringer

Ti-6Al-4V er det vanligste titanet som brukes i luftfart, og prøvefastheten i glødet tilstand er omtrent 830–950 MPa. Dette betyr at prøvefastheten er nesten dobbelt så høy som for 7075-T6 aluminiumlegering, men vekten er mye lavere.

Kobberlegeringer

C360-messing har en temperatur på omtrent 124–310 MPa, avhengig av temperament, mens berylliumkobberlegeringer som brukes i presisjonsfjærer og kontakter, kan overstige 900 MPa etter varmebehandling.

Har bare metall bevisstyrke?

Nei, plast og komposittmaterialer har også prøvefasthet, de er vanligvis definert som offset flytegrense. Prøvefasthet brukes vanligvis for metaller.

Hva kan påvirke materialets bevisstyrke?

Det er noen faktorer som kjemisk sammensetning, mikrostruktur, temperatur og materialforhold som påvirker materialenes prøvestyrke. Alle disse faktorene er beskrevet nedenfor.

Kjemisk oppbygning

Tilstedeværelsen av forskjellige legeringselementer som krom, nikkel og kobber påvirker dislokasjonsbevegelsen i metaller og påvirker prøvestyrken. Selv små variasjoner innenfor en materialspesifikasjon kan forårsake Rp0.2-variasjon på 10–20 %.

Materialtilstand og temperament

Varmebehandling og herdingsprosesser (anløp) påvirker prøvefastheten mer enn noen annen egenskap. Den samme aluminiumlegeringen vil ha en prøvefasthet på omtrent 76 MPa i glødet O-anløp og over 500 MPa i toppaldret T6-anløp.

Kornstørrelse og mikrostruktur

Strukturer med fin kornstørrelse har en tendens til å øke prøvestyrken ved å hemme dislokasjonsbevegelser og kalles Hall-Petch-forsterkningsmekanismen. Prosessen med støping, smiing og tidligere maskineringshistorikk påvirker kornstørrelsen.

Temperatur

Når temperaturen økes, reduseres prøvestyrken, spesielt for aluminiumslegeringer over 150 °C. For deler som går varmt, er det nødvendig å teste prøvestyrken ved delens driftstemperatur.

Hvordan påvirker prøvestyrke CNC-maskinering?

Verdien av prøvestyrke påvirker skjærekreftene, verktøyenes levetid og dimensjonsstabiliteten til CNC-maskinerte deler.

Skjærekraft og maskinbelastning

Jo større prøvestyrke, desto større er de nødvendige skjærekreftene som ville skjære materialet, noe som øker spindelbelastningen og kan kreve lavere matehastigheter på CNC-maskiner.

Verktøyslitasje og skjærevarme

Skjæring av materialer med høy prøvestyrke som Ti-6Al-4V eller 4140 ledsages av ytterligere varmeavgivelse og økt slitasje på skjæreverktøyene sammenlignet med mykere aluminiumslegeringer.

Permanent deformasjon av CNC-deler

Overskridelse av prøvestyrken på et tynt område på grunn av for stor klemme- eller skjærekraft fører til plastisk deformasjon av en CNC-maskinert del – en av hovedårsakene til dimensjonsfeil umiddelbart etter maskinering.

Betyr det at du kan lage en tynnere del hvis du bytter til et materiale med høy prøvestyrke for å redusere vekten? Det er det definitivt ikke. Selv om du velger et materiale med høyere prøvestyrke, påvirkes veggtykkelsen på delene av andre faktorer som treghetsmoment i seksjonen, stivhet og tilkoblingsdesign.

Deformasjon av tynnveggede CNC-deler

På grunn av konsentrasjonen av spenninger kan selv materiale med prøvestyrke som langt overstiger belastningen lokalt bli utsatt for krefter utover prøvestyrken og dermed deformere tynnveggede områder.

Hvordan brukes bevisstyrke i CNC-deldesign?

Prøvestyrken påvirker en rekke aspekter ved utformingen av en CNC-del, inkludert valg av materialer som brukes og dimensjonene til de kritiske funksjonene i komponenten.

Materialvalg for lastbærende deler

For komponenter under kontinuerlig eller repeterende belastning velges en tillatt arbeidsspenning vanligvis til 50–67 % av prøvefastheten.

Veggtykkelse og tverrsnittsdesign

Veggtykkelsen vil bli valgt slik at spenningen på det kritiske stedet under den største belastningen er mindre enn materialets prøvefasthet med en viss sikkerhetsfaktor.

Spesielle delfunksjoner Design

• Spenningskonsentrasjonsdesign: Skarpe innvendige hjørner, liten avrundingsradius og plutselig endring i tverrsnittet resulterer i høy lokal spenning, mye høyere enn den nominelle spenningen, og muligens overstiger prøvefastheten til tross for en lav gjennomsnittlig delspenning.
• Festekonstruksjon: Bolter og gjenger kjennetegnes av prøvebelastning snarere enn prøvestyrke fordi klembelastningen snarere enn materialspenningen er kritisk for skjøtens integritet.

Anvendelser av prøvestyrke i CNC-maskinerte deler

Nedenfor er noen eksempler på anvendelse av prøvestyrke i ulike CNC-maskinerte deler.

Struktur- og monteringsdeler for luftfart

Braketter og monteringsdeler for luftfart er vanligvis laget av 7075-T6 aluminium eller Ti-6Al-4V-legering på grunn av deres høye prøvestyrke per vektenhet for flylaster.

Bilbærende komponenter

Komponenter i hjuloppheng og drivverk må ha en passende styrkeverdi for å motstå støtbelastninger uten deformasjon i løpet av tusenvis av driftssykluser.

Robotikkkomponenter

Informasjon om prøvestyrke er viktig for robotarmenes ledd og endeeffektorfester for å forhindre deformasjon som kan føre til tilbakeslag ved gjentatte aktiveringer.

Deler til optiske instrumenter og presisjonsinstrumenter

Bevisstyrken bør være tilstrekkelig i huset til presisjonsinstrumenter, slik at selv monteringsrelatert klemme og termiske belastninger aldri vil endre optisk/mekanisk justering.

Hvordan støtter Tuofa CNC-deler med krav til prøvestyrke?

Tuofa er et CNC-maskineringsfirma som tilbyr produksjon av deler i bulk og prototyper , og styrketesting er i ferd med å bli en rutineprosess i produksjonssyklusen. Uansett om det er en enkelt lastbærende brakett maskinert med Tuofas CNC-funksjoner eller fullskala maskineringsstøtte innenfor et helt kjøretøyprogram, vil styrketesting bli kontrollert i hvert trinn, fra materialmottak til inspeksjon.

Gjennomgå materialkvalitet og tilstand

Ingeniørene sjekker materialets kvalitet, tilstand og styrke fra fabrikksertifikatet. Hvis kundene våre ber om bærende deler, anbefaler Tuofa vanligvis at de bruker materialer som tåler høyere belastning. Vanlige spesialtilpassede bærende deler inkluderer:

• Parentes
• Shaft
• Monteringsplater
• Bærende pinner

Bruk av materialer med høyere prøvestyrke for disse komponentene er for å unngå risiko for sprekkdannelser, deformasjon og feil dimensjon.

Evaluer lastbærende egenskaper under DFM

Som en del av DFM-prosessen kontrolleres veggtykkelse, filetradius og festeelementdesign mot materialets prøvestyrke, og endringer foreslås der det er nødvendig. Når vi for eksempel evaluerer hullegenskaper i bærende områder, bruker vi vanligvis materialets prøvestyrke som referanse for å avgjøre om det gjenværende tverrsnittet er tilstrekkelig til å motstå permanent deformasjon.

Inspiser kritiske dimensjoner etter maskinering

Etter maskineringsprosessen kontrolleres kritiske dimensjoner for å sikre at det ikke har oppstått deformasjoner under produksjonen.

Konklusjon

Prøvespenning er i bunn og grunn det som avgjør om metalldelen vil beholde formen sin under belastning eller ikke. Å forstå forholdet mellom prøvespenning og flytegrense, strekkfasthet og materialets tilstand vil legge til rette for riktig valg av materiale og design av delen ved hjelp av CNC-maskineringsprosessen. Det viktigste er å velge et CNC-maskineringsfirma som tar hensyn til prøvespenningen når de designer og maskinerer delen.

FAQ

Er bevisstyrke det samme som bevisspenning?

Ja, prøvestyrke og prøvespenning betegner det samme fenomenet – spenningsnivået der en viss mengde permanent tøyning oppstår, vanligvis 0.2 %. Noen standarder og leverandører bruker bare forskjellige begreper for å indikere dette fenomenet.

Kan CNC-maskinering endre prøvestyrken til et materiale?

Ettersom CNC-maskinering ikke påvirker materialets egenskaper, men bare eliminerer materialet, kan kraftig kaldbearbeiding på grunn av aggressive skjæreoperasjoner og lokal oppvarming av materialet i nærheten av skjærekanten påvirke mikrostruktur og prøvestyrke lokalt.

Hvordan beregner du prøvebelastning fra prøvestyrke?

Bevisstyrken bør multipliseres med strekkspenningsarealet til et festemiddel for å få dens bevisbelastning.

Hvorfor har ikke 316-bolter i rustfritt stål en spenningsverdi?

316 austenittisk rustfritt stål herder under bearbeiding og kan ikke oppnå sin prøvespenning slik som karbonstålbolter. Flyttegrense- og strekkfasthetsområdet er kriteriene for 316 stålbolter, på grunn av dens endrede kaldbearbeidbarhetsstyrke.