كيفية اختيار المواد لأجزاء المعدات الآلية

أولاً: ثلاث قواعد لاختيار المواد

ثلاث قواعد ذهبية لاختيار المواد. وفقًا لخبرة الصناعة، يتبع اختيار المواد الميكانيكية ثلاثة مبادئ: أولاً، الاختيار بناءً على الأداء لضمان تلبية المادة للمتطلبات الوظيفية (نوع الحمل، مقاومة التآكل، مقاومة الصدأ)؛ ثانيًا، الاختيار بناءً على عملية التصنيع لضمان إمكانية معالجة المادة (قابلية التشغيل الآلي، قابلية اللحام، قابلية المعالجة الحرارية)؛
ثالثًا، الاختيار بناءً على الجدوى الاقتصادية، مع التحكم في التكاليف مع تلبية الشرطين الأولين – هذه العوامل الثلاثة مجتمعة تحدد اختيار المادة النهائي.

ثانيًا: المواد الفولاذية

اختيار المواد الفولاذية

وفقًا لبيانات الصناعة، يُعدّ الفولاذ 45 خيارًا متعدد الاستخدامات يتميز بأداء عام جيد وقابلية عالية للتصليد، مما يجعله مناسبًا للأعمدة والتروس والوصلات. ويمكن تحسين أدائه بشكل أكبر من خلال التطبيع والتصليد السطحي. ويتراوح سعره بين 4.5 و7 يوانات تقريبًا للكيلوغرام.
أما الفولاذ الكربوني Q235 فهو عرضة للصدأ، وهو مناسب للأجزاء المعدنية الملحومة المطلية بالطلاء الحراري أو الطلاء المسحوق.
ويتراوح سعره بين 3.5 و6.5 يوانات تقريبًا للكيلوغرام. بالنسبة للتطبيقات الشاقة والمقاومة للتآكل، يُختار الفولاذ السبائكي عالي القوة 40Cr؛ أما بالنسبة لأحمال الصدمات، فيُفضّل استخدام 20CrMnTi؛ وبالنسبة لأجزاء محامل الدوران، يُختار فولاذ محامل GCr15 – ويتم تحديد درجة الفولاذ بناءً على الحمل.

ثالثًا. سبائك الألومنيوم خفيفة الوزن

سبائك الألومنيوم وتخفيف الوزن.

وفقًا لبيانات الصناعة، تتميز سبيكة الألومنيوم 6061 بقوة متوسطة (قوة شد تتراوح بين 260 و310 ميجا باسكال، وقوة خضوع تتراوح بين 240 و275 ميجا باسكال)، ومقاومة جيدة للتآكل، وقابلية جيدة للتشكيل، مما يجعلها مناسبة للمكونات الهيكلية، والإطارات، ولوحات أدوات الروبوت، والتجهيزات خفيفة الوزن؛
ويمكن معالجة سطحها بالأكسدة.
تتميز سبيكة الألومنيوم 6063 بقابلية جيدة للتشكيل بالبثق وسطح مؤكسد للحصول على لمسة نهائية جميلة، مما يجعلها مناسبة للمكونات الزخرفية ومكونات تبديد الحرارة. أما سبيكة 7075 فتتميز بقوة أعلى (قوة شد تبلغ حوالي 572 ميجا باسكال) وتُستخدم في تطبيقات تحمل الأحمال في صناعة الطيران – وهي سبيكة ألومنيوم مفضلة لتقليل الأحمال.

رابعًا. حماية الفولاذ المقاوم للصدأ من التآكل

الفولاذ المقاوم للصدأ وسيناريوهات الحماية من التآكل.

وفقًا لخبرة الصناعة، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 304، الذي يحتوي على 18% كروم و8% نيكل، للوقاية العامة من الصدأ.
فهو مقاوم للتآكل، ومناسب للاستخدام في الأغذية، كما أنه ملائم للبيئات الرطبة، ومعدات الأغذية، والمعدات الطبية، ومحطات العمل التي تعمل بالغازات المسببة للتآكل.
أما في حالات التآكل الشديد، فيُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 316، الذي يحتوي على 2% إلى 3% موليبدينوم، وهو مقاوم للماء المالح والمواد الكيميائية. تجدر الإشارة إلى أن الفولاذ 304 لا يمكن تبريده بالتسخين السريع، وإنما يُشكل على البارد فقط؛ لذا لا تتوقع أن تصبح أعمدة الفولاذ 304 صلبة، كما أنه ضعيف قابلية التشغيل ويميل إلى الالتصاق بالأداة – لذا اختر الفولاذ المقاوم للصدأ بحذر للأجزاء المشغولة آليًا.

خامسًا: البلاستيك ومعالجة الأسطح

البلاستيك الهندسي ومعالجة الأسطح.
بحسب الخبرة الصناعية، تُختار البلاستيكات الهندسية مثل بولي أوكسي ميثيلين (POM) وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS) للتطبيقات ذات الأحمال الخفيفة، وتقليل الوزن، والتشحيم الذاتي، لما توفره من عزل ومقاومة للتآكل وتكلفة منخفضة.
أما بالنسبة لأعمدة التوجيه، فيُعدّ الفولاذ 45 المُقسّى والمطلي بالكروم الحل التقليدي الفعال من حيث التكلفة؛ بينما يُستخدم فولاذ المحامل GCr15 للتطبيقات ذات الأحمال الثقيلة، ومقاومة التآكل، والدقة العالية؛ أما للتطبيقات الرطبة، والغذائية، والصيدلانية التي تتطلب مقاومة للتآكل، فيُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ 304 أو 316. ويمكن أن تُحسّن عملية الكربنة والنتردة لأسطح أسنان التروس قوة التلامس بشكل كبير – فالمواد ليست سوى الأساس؛ إذ تُحدد المعالجة الحرارية ومعالجة السطح العمر الافتراضي.

الخلاصة

كيفية اختيار المواد لمكونات المعدات الآلية؟

الخلاصة هي: “أولاً، احسب ظروف التشغيل، ثم حدد المادة، ووازن المعالجة”: استخدم فولاذ 45 (المقسى، والمُقسّى، والمطلي بالكروم، وهو الأكثر فعالية من حيث التكلفة) للأجزاء الهيكلية العادية وأعمدة الدوران؛ استخدم فولاذ 40Cr للأجزاء المقاومة للتآكل، وفولاذ 20CrMnTi للأجزاء شديدة التحمل، وفولاذ GCr15 لأجزاء تدحرج المحامل؛ استخدم ألومنيوم 6061 (المؤكسد) للهياكل الخفيفة الوزن، وألومنيوم 6063 للقطاعات المبثوقة؛ استخدم فولاذ 304 للتطبيقات المقاومة للتآكل مثل الأغذية الرطبة والمستحضرات الصيدلانية، وفولاذ 316 للتآكل الشديد (لاحظ عدم تصلبه وضعف قابليته للتشغيل الآلي)؛ استخدم POM/ABS للبلاستيك ذاتي التشحيم الخفيف.
وفقًا للممارسات الصناعية، يجب أن يراعي اختيار المواد التوافق ثلاثي الأبعاد بين الحمل (الثابت، والصدمات، والإجهاد، ومقاومة التآكل)، والعملية (القطع، واللحام، والمعالجة الحرارية)، والاقتصاد. تتراوح تكلفة فولاذ Q235 بين 3.5 و 6.5 يوان تقريبًا للكيلوغرام، بينما تتراوح تكلفة فولاذ 45 بين 4.5 و 7 يوان تقريبًا للكيلوغرام – تحدد المادة الحد الأدنى للأداء، بينما تحدد المعالجة الحرارية ومعالجة السطح الحد الأقصى للعمر الافتراضي؛
والتوافق بين هذين العاملين هو الخيار الأمثل للمواد.