คู่มือกำลังรับแรงเฉือนของอะลูมิเนียม: ค่าโลหะผสม การทดสอบ และการออกแบบการอัดขึ้นรูป

ที่ Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd. ทีมวิศวกรของเราได้ตอบคำถามจากผู้สร้างเครื่องจักรที่ออกแบบข้อต่อเฟรมโครงสำหรับตั้งสิ่งของจากอะลูมิเนียม T-slot ซีรีส์ 40: ควรออกแบบเป้าหมายไว้ที่ 207 เมกะปาสคาล ที่เผยแพร่สำหรับ 6061-T6, 152 MPa โดยทั่วไปของ 6063-T6 หรือ 117 เมกะปาสคาล ที่ระบุไว้สำหรับ 6063-T5 ตัวเลือกจะเปลี่ยนขนาดสลักเกลียว รูปทรงของตัวยึด และความหนาของผนังโปรไฟล์ แรงเฉือนอลูมิเนียม ไม่ใช่เลขคู่มือเล่มเดียว ขึ้นอยู่กับโลหะผสม การปรับอุณหภูมิ วิธีทดสอบ และตำแหน่งของระนาบเฉือนในการประกอบจริง คู่มือนี้ครอบคลุมถึงค่าที่สำคัญสำหรับเฟรมอัดขึ้นรูป T-slot ทางอุตสาหกรรม และวิธีการใช้งานโดยไม่ต้องออกแบบทุกการเชื่อมต่อมากเกินไป

โลหะผสมอัดขึ้นรูป 6061-T6 มีความต้านทานแรงเฉือน 207 MPa 6063-T5 รองรับ 117 MPa; 7075-T6 ถึง 330 เมกะปาสคาล ใช้ค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด 60 เปอร์เซ็นต์เป็นการประมาณค่าผ่านครั้งแรก

แรงเฉือนหมายถึงอะไรในโปรไฟล์อัด

ความต้านทานแรงเฉือนคือความเค้นสูงสุดที่โปรไฟล์อลูมิเนียมสามารถต้านทานได้ก่อนที่ระนาบวัสดุจะเลื่อนออกจากกันขนานกับภาระที่ใช้ และสำหรับโครงสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม โดยทั่วไปจะตกลงอยู่ระหว่าง 55 ถึง 65 เปอร์เซ็นต์ของความต้านทานแรงดึงสูงสุด

คำจำกัดความหลัก: ความเค้นเฉือนเท่ากับแรงที่ใช้หารด้วยพื้นที่ของระนาบต้านทาน เขียนเป็น F/A เมื่อค่าความเค้นเฉือนที่คำนวณได้เกินกำลังรับเฉือนของโลหะผสม ส่วนนั้นจะล้มเหลวโดยการเลื่อนหรือฉีกไปตามระนาบนั้น แทนที่จะงอจนผิดรูปร่าง

ในเฟรมที่อัดขึ้นรูป แรงเฉือนจะปรากฏที่ตำแหน่งแยกกันสามตำแหน่ง ได้แก่ ก้านโบลต์ การเชื่อมเกลียวภายในน็อตตัว T และผนังช่องของโปรไฟล์ เครื่องบินแต่ละลำมีพื้นที่และเงื่อนไขข้อจำกัดที่แตกต่างกัน ดังนั้นแต่ละลำจะต้องตรวจสอบอย่างอิสระ ระนาบที่อ่อนแอที่สุดควบคุมข้อต่อ

ความสามารถในการรับแรงเฉือนของก้านโบลท์ - พิจารณาจากเกรดและเส้นผ่านศูนย์กลางของตัวยึด
ความแข็งแรงของแถบเกลียว T-nut - กำหนดโดยความยาวของการมีส่วนร่วมในน็อต
พื้นที่รับแรงเฉือนของผนังช่องโปรไฟล์ - กำหนดโดยความหนาของผนังด้านหลังช่อง

อโนไดซ์ไม่รวมอยู่ในการคำนวณ ชั้นออกไซด์ขนาด 5 ถึง 25 ไมโครเมตรจะช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอของพื้นผิว แต่กำลังรับแรงเฉือนจำนวนมากจะถูกแบกรับโดยอัลลอยด์พื้นฐานและอุณหภูมิของการอัดขึ้นรูป

แรงเฉือนของอะลูมิเนียมโดยอัลลอยด์และเทมเปอร์

สำหรับอลูมิเนียมอัลลอยด์เชิงพาณิชย์ ความต้านทานแรงเฉือนมีตั้งแต่ประมาณ 40 MPa สำหรับโลหะบริสุทธิ์ที่ผ่านการอบอ่อน จนถึง 330 MPa สำหรับ 7075-T6 และโลหะผสมทั้งสองที่ใช้ในการอัดขึ้นรูป T-slot ส่วนใหญ่คือ 6063 และ 6061 ให้ค่าระหว่าง 117 ถึง 207 MPa ขึ้นอยู่กับอารมณ์

แรงเฉือนของอะลูมิเนียมอัลลอยด์ทั่วไป, MPa

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

207 MPa แรงเฉือน 6061-T6

117 MPa แรงเฉือน 6063-T5

330 MPa การอ้างอิงสูงสุด 7075-T6

0.6 x UTS การประมาณการแรงเฉือนผ่านครั้งแรก

ค่าความต้านทานแรงเฉือนที่เผยแพร่สำหรับอะลูมิเนียมอัลลอยด์ทั่วไปและเทมเปอร์ที่ใช้ในงานโครงสร้างและอุตสาหกรรม
โลหะผสมและอารมณ์	แรงเฉือน (MPa)	แรงเฉือน (psi)	การใช้งานทั่วไป
1100-อ	40-62	5,800-9,000	อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ ชิ้นส่วนเคมี และงานเบา
6063-T5	117	17,000	โปรไฟล์การอัดขึ้นรูป T-slot มาตรฐาน
5052-H32	138	20,000	งานแผ่นมารีนและแผงขึ้นรูป
6063-T6	152	22,000	โปรไฟล์การอัดขึ้นรูปโครงสร้าง T-slot
6061-T6	207	30,000	โปรไฟล์การอัดขึ้นรูปและเฟรมเครื่องจักรสำหรับงานหนัก
2024-T3	283	41,000	แผ่นโครงสร้างการบินและอวกาศ
7075-T6	330	48,000	อุปกรณ์การบินและอวกาศและความเค้นสูง

การแกว่งของอารมณ์มีความสำคัญในเฟรมจริง การอัดขึ้นรูป 6063-T6 ต้านทานแรงเฉือนต่อตารางมิลลิเมตรได้มากกว่าโปรไฟล์เดียวกันใน 6063-T5 ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ที่ขนาดผนังเท่ากัน ดังนั้นข้อต่อแรงเฉือนสูงควรระบุอุณหภูมิและตรวจสอบบนใบรับรองวัสดุ

วิธีวัดกำลังรับแรงเฉือนและผลลัพธ์ผิดพลาดตรงไหน

ความต้านทานแรงเฉือนของอลูมิเนียมวัดด้วยการทดสอบฟิกซ์เจอร์แบบพันช์และแรงเฉือนเดี่ยว และทั้งสองอย่างจำเป็นต้องมีการควบคุมระยะห่างที่แน่นหนา เมื่อปิดการตั้งค่า ความแรงที่รายงานอาจเปลี่ยนไปมากกว่า 10 เปอร์เซ็นต์บนวัสดุชนิดเดียวกัน

ASTM B831 ครอบคลุมการทดสอบแรงเฉือนแบบเจาะของผลิตภัณฑ์โลหะผสมอลูมิเนียมบาง และเป็นข้อมูลอ้างอิงมาตรฐานสำหรับคูปองแผ่นและการอัดขึ้นรูป
ASTM F606 ควบคุมการทดสอบแรงเฉือนของตัวยึดแบบสลักเกลียว และใช้เมื่อสลักเกลียวไม่ใช่โปรไฟล์ เป็นส่วนประกอบที่อยู่ระหว่างการประเมิน
ขั้นตอนการผลิตภายในตามมาตรฐานเหล่านี้เป็นเรื่องปกติสำหรับโปรไฟล์การอัดขึ้นรูป และผลลัพธ์จะถูกพิมพ์ลงบนใบรับรองการทดสอบวัสดุ

ทดสอบกฎการตั้งค่า

รักษาระยะห่างจากการเจาะถึงแม่พิมพ์ระหว่าง 5 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ของความหนาของชิ้นงาน และลอกพื้นผิวอะโนไดซ์หรือพื้นผิวที่ทาสีออกก่อนการทดสอบ ไม่เช่นนั้นค่าแรงเฉือนที่รายงานอาจเบี่ยงเบนไปมากกว่า 10 เปอร์เซ็นต์

ผลการทดสอบแรงเฉือนเสียหายของตัวแปรสามตัวแปรมากกว่าตัวแปรอื่นๆ

การกวาดล้างแบบ Punch-to-die: น้อยเกินไปทำให้เกิดแรงเฉือนทุติยภูมิและมีค่าสูงเกินจริง ใหญ่เกินไปทำให้เกิดเสี้ยนและตัวเลขต่ำและไม่สามารถทำซ้ำได้
การวางแนวของชิ้นงาน: ความแข็งแรงอาจแตกต่างกันสองสามเปอร์เซ็นต์ระหว่างการอัดขึ้นรูปและทิศทางตามขวางเนื่องจากการวางแนวของเกรน
การเตรียมพื้นผิว: การยึดจับที่ไม่สม่ำเสมอหรือพื้นผิวอะโนไดซ์จะเปลี่ยนแรงเสียดทานที่บริเวณแรงเฉือน และควรถอดออกก่อนการทดสอบ

สำหรับโปรไฟล์ที่อัดขึ้นรูป ผลลัพธ์ที่เป็นตัวแทนได้มากที่สุดมาจากการตัดคูปองแบบเรียบออกจากผนังโปรไฟล์จริง และการทดสอบวัสดุที่แน่นอนนั้น ไม่ใช่จากค่าในคู่มือสต๊อกแผ่นทั่วไป

กฎร้อยละ 60: การประมาณค่าความต้านทานแรงเฉือนจากข้อมูลแรงดึง

เมื่อไม่มีค่าแรงเฉือนที่ได้รับการรับรอง ให้ประมาณค่าความต้านทานแรงเฉือนเท่ากับ 60 เปอร์เซ็นต์ของค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด สำหรับอะลูมิเนียมอัลลอยด์ จะคาดการณ์ค่าแรงเฉือนของการตัดเฉือนและการเจาะได้ภายในประมาณ 5.5 เปอร์เซ็นต์ของค่าที่วัดได้โดยเฉลี่ย

การประมาณการแรงเฉือนผ่านครั้งแรก

ค่าประมาณแรงเฉือนเท่ากับ 0.6 x ความต้านทานแรงดึงสูงสุด ตัวอย่าง: 6061-T6 ที่ 310 MPa UTS ให้ประมาณ 186 MPa; 6063-T5 ที่ 190 MPa UTS ให้ประมาณ 114 MPa

กฎ 60 เปอร์เซ็นต์เป็นเครื่องมือในระยะแนวคิด ไม่ใช่สิ่งทดแทนข้อมูลโรงสีที่ได้รับการรับรอง เมื่อข้อต่อเกิดวิกฤต ให้ขอใบรับรองคุณสมบัติทางกลสำหรับความร้อนในการอัดขึ้นรูปเฉพาะ หรือทำการทดสอบการเจาะด้วยคูปองจากโปรไฟล์ที่จัดส่ง

ใช้กฎในสถานการณ์เหล่านี้:

แนวคิดการออกแบบ เมื่อเปรียบเทียบโลหะผสมและเทมเปอร์ก่อนที่จะแก้ไขโครงร่างเฟรม
การเสนอราคาของซัพพลายเออร์ เมื่อเอกสารข้อมูลแสดงรายการความต้านทานแรงดึงแต่ละเว้นค่าความต้านทานแรงเฉือน
การวิเคราะห์ความล้มเหลว เมื่อตรวจสอบว่าข้อต่อที่ร้าวได้รับแรงเกินค่าแรงเฉือนที่สมเหตุสมผลหรือไม่

การใช้ข้อมูลความแรงเฉือนกับเฟรมการอัดขึ้นรูป T-Slot

ในการออกแบบเฟรม T-slot แรงเฉือนของวัสดุโปรไฟล์มีความสำคัญมากที่สุดในการเชื่อมต่อ เนื่องจากเฟรมมักจะล้มเหลวที่ข้อต่อก่อน แทนที่จะอยู่ตรงกลางของช่วง

ข้อต่อ T-slot แบบสลักเกลียวถูกจำกัดด้วยค่าที่น้อยที่สุดจากสามค่า ได้แก่ ความสามารถในการรับแรงเฉือนของโบลต์ ความแข็งแรงของแถบเกลียว T-nut หรือพื้นที่รับแรงเฉือนของผนังโปรไฟล์ด้านหลังช่อง ในโปรไฟล์ที่มีผนังบาง ปากร่องมักจะเป็นระนาบที่อ่อนแอที่สุด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมข้อต่อที่รับน้ำหนักมากเกินไปจึงแสดงช่องที่ผิดรูปหรือแตกร้าวก่อนที่จะมีกรรไกรยึด

ความหนาของผนังคือคันโยกที่เพิ่มความจุของข้อต่อโดยไม่ต้องเปลี่ยนโลหะผสม โปรไฟล์ 4040 ที่มีผนัง 4.5 มม. ให้พื้นที่รับเฉือนประมาณสองเท่าของรุ่นผนังบาง 1.8 มม. ที่รูปทรงร่องเดียวกัน ในขณะที่ความต้านทานแรงเฉือนของวัสดุอยู่ที่ 207 MPa สำหรับ 6061-T6 ในทั้งสองกรณี

HS-8-4040W โปรไฟล์อะลูมิเนียม T-Slot สำหรับงานหนักพิเศษ 4040 พร้อมผนัง 4.5 มม. ผนัง 4.5 มม. ของโปรไฟล์ 4040 นี้มีพื้นที่รับแรงเฉือนเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับรุ่นผนังบาง ทำให้เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับโซนรอยต่อภายใต้การรับน้ำหนักซ้ำๆ ดังที่เน้นโดยการอภิปรายโดยรอบเกี่ยวกับความหนาของผนังและความแข็งแรงเฉือน ดูผลิตภัณฑ์ →

สำหรับขายึด แขนยื่น และจุดยก ให้ระบุ โปรไฟล์ 6061 สำหรับงานหนัก โดยมีผนังหนาบริเวณรอยต่อและสำรองโปรไฟล์มาตรฐานไว้สำหรับช่วงที่เหลือ เวอร์ชันสั้นของการเปรียบเทียบ 6061 และ 6063 ของเรา: 6063-T5 เหมาะกับโครงน้ำหนักเบา ในขณะที่ 6061-T6 เป็นค่าเริ่มต้นทางวิศวกรรมสำหรับข้อต่อที่รับแรงเฉือนซ้ำๆ

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

HS-10-4545 การอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม Heavy-Duty 4545 พร้อมผนังหนา 2.4 มม. เหมาะสำหรับขายึดและแขนยื่น โปรไฟล์ขนาด 45x45 มีผนัง 2.4 มม. เพื่อเพิ่มความจุข้อต่อ ช่อง T-slot ขนาด 10.2 มม. รองรับการยึดแบบหนัก เหมาะสำหรับการใช้งานที่เน้นประสิทธิภาพแรงเฉือนเกรด 6061 ดูผลิตภัณฑ์ →

เมื่อตั้งค่าการรับแรงเฉือนที่อนุญาตแล้ว ให้ใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัยอย่างน้อย 2 สำหรับโหลดคงที่ และ 3 สำหรับโหลดแบบไดนามิกหรือแบบย้อนกลับ ก่อนที่จะเปรียบเทียบกับแรงร่วมที่ใช้

การตรวจสอบการออกแบบร่วมกัน

ออกแบบความสามารถในการรับแรงเฉือนของโบลต์และน็อตตัว T สูงกว่าความสามารถในการรับแรงเฉือนของผนังโปรไฟล์อย่างน้อย 20 เปอร์เซ็นต์ การโอเวอร์โหลดที่ไม่คาดคิดจะทำให้สล็อตเสียรูปอย่างเห็นได้ชัดก่อนที่จะเกิดการแตกหัก ส่งผลให้ความล้มเหลวกะทันหันกลายเป็นสัญญาณการบำรุงรักษาที่มองเห็นได้

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับกำลังรับแรงเฉือนของอลูมิเนียม

ความต้านทานแรงเฉือนของอลูมิเนียม 6061-T6 คืออะไร?

อะลูมิเนียม 6061-T6 มีความต้านทานแรงเฉือนที่เผยแพร่ที่ 207 MPa (30,000 psi) สำหรับงานออกแบบ ให้ใช้กฎ 60 เปอร์เซ็นต์กับความต้านทานแรงดึงสูงสุด 310 MPa ซึ่งให้ค่าประมาณ 186 MPa จากนั้นเพิ่มปัจจัยด้านความปลอดภัยตามประเภทการโหลด

ความต้านทานแรงเฉือนของอะลูมิเนียม 6063-T5 T-slot คือเท่าใด

อลูมิเนียม 6063-T5 มีความต้านทานแรงเฉือนประมาณ 117 MPa (17,000 psi) อุณหภูมิ T6 เพิ่มเป็นประมาณ 152 MPa (22,000 psi) ตรวจสอบอุณหภูมิบนใบรับรองวัสดุโปรไฟล์ก่อนคำนวณความจุร่วม เนื่องจากมีโปรไฟล์ T-slot มาตรฐานหลายโปรไฟล์ให้มาใน 6063-T5

อโนไดซ์เปลี่ยนค่าแรงเฉือนของอลูมิเนียมหรือไม่?

ไม่ อโนไดซ์จะสร้างชั้นออกไซด์บางๆ ซึ่งโดยทั่วไปมีความหนา 5 ถึง 25 ไมโครเมตร ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและการกัดกร่อน แต่ไม่เปลี่ยนค่าแรงเฉือนจำนวนมากของการอัดขึ้นรูป การคำนวณโครงสร้างควรละเว้นการเคลือบและใช้ค่าโลหะผสมฐาน

ความต้านทานแรงเฉือนของอลูมิเนียมเปรียบเทียบกับเหล็กเป็นอย่างไร?

เหล็กโครงสร้าง A36 มีความต้านทานแรงเฉือนใกล้ 250 MPa ใกล้เคียงกับอลูมิเนียม 6061-T6 ที่ 207 MPa เนื่องจากอะลูมิเนียมมีน้ำหนักประมาณหนึ่งในสาม ความต้านทานแรงเฉือนจำเพาะของ 6061-T6 จึงเป็นสองเท่าของ A36 โดยประมาณ ดังนั้นเฟรมอะลูมิเนียมจึงรับน้ำหนักข้อต่อที่คล้ายกันได้โดยใช้น้ำหนักเพียงเล็กน้อย