اللدونة والقابلية للطرق هما سلوكان للتشوه اللدن في المواد. أثناء عمليات التشغيل بالتحكم الرقمي CNC، يمكن لهذين المعلمين أن يؤثرا بشكل مباشر على شكل حافة القطع، والتحكم في النتوءات، واحتمال حدوث الشقوق، وكذلك جودة السطح النهائية. لذلك، نكتب اليوم هذا المقال لشرح معنى اللدونة والقابلية للطرق، وأهم الفروقات بينهما، وتأثيرهما على عمليات التشغيل بالتحكم الرقمي CNC.
ما هي اللدونة؟
اللدونة هي خاصية ميكانيكية للمادة تمكنها من الخضوع للتشوه اللدن تحت أحمال الشد دون فقدان كمالها. تحدد هذه الخاصية كمية الطاقة التي تستطيع المادة امتصاصها قبل الانكسار عند شدها أو ثنيها.
عادةً ما تُسمّى المواد ذات اللدونة العالية بالمواد اللدنة، بينما تُسمّى المواد ذات اللدونة المنخفضة بالمواد الهشة.
كيف يتم قياس اللدونة
يمكن قياس اللدونة بطريقتين:
اختبار الشد
في اختبار الشد، يُعتبر الاستطالة وتقلص المساحة مؤشرين لقياس لدونة المواد.
الاستطالة
الاستطالة تُستخدم لتحديد مدى زيادة طول المادة بعد انكسارها.
طريقة الحساب هي:
الاستطالة (%)=[(Lf – L0)/L0]*100%
معايير محددة لتقييم درجة اللدونة
نطاق اللدونة النموذجي للمواد اللدنة: (لتحديد اللدونة المنخفضة أو اللدونة العالية)
| مستوى اللدونة | نطاق الاستطالة | نطاق انخفاض المساحة | أمثلة على المواد |
| لدونة عالية | > 30% | > 50% | النحاس النقي (45–60%)، الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المُعاد صهره (40–60%)، الألمنيوم النقي (50–55%) |
| لدونة متوسطة | 15%–30% | 30%–50% | الفولاذ الطري (20–30%)، سبيكة الألمنيوم 6061 (12–18%) |
| لدونة منخفضة | 5%–15% | 10%–30% | فولاذ سبيكة 4140 المُعالَج بالتقسية والتهدئة، سبيكة التيتانيوم Ti-6Al-4V (10–14%) |
| مواد هشة | < 5% | < 10% | الحديد الزهر الرمادي (0–2%)، الفولاذ عالي الكربون المُقسّى، السيراميك |
يمكن أن يكون هذا الجدول مرجعًا هندسيًا لتحديد ما إذا كانت المواد ذات ليونة عالية أم منخفضة.
انخفاض المساحة
تقليل المساحة يعني ملاحظة مدى رقة سطح الكسر. وصيغة الحساب هي:
الانخفاض في المساحة (%)= [(Af – A0)/A0]*100%
إذا كانت قيمة تقليل المساحة مرتفعة، فهذا يعني أن المادة قد تعرضت لتشوه بلاستيكي كبير قبل حدوث الكسر. ويقدم الجدول التالي نطاقات للمقارنة:
| انخفاض المساحة | المرونة |
| < 10% | ميل نحو الهشاشة |
| 10–30% | متوسط |
| > 30% | لدونة جيدة |
| > 50% | لدونة شديدة |
لماذا تُعتبر اللدونة مهمة في التصنيع
أثناء التصنيع، تحدد ليونة المواد مقاومة المادة للتشقق خلال مرحلة التشكيل. فالمواد ذات الليونة العالية تسمح بعمليات السحب العميق، وثني الأنابيب، ودرفلة الخيوط دون الحاجة إلى عمليات التلدين. وفي التشغيل باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي (CNC)، يمكن أن تؤثر الليونة على استمرارية الرقاقة:
قد تنتج المواد اللينة رقائق خراطة طويلة ومستمرة.
أما المواد الهشة فتنتج بسهولة رقائق مسحوقة أو مفتتة، وعلى الرغم من سهولة إزالتها إلا أنها عرضة للكسر المفاجئ تحت أحمال الاهتزاز.
ما هي القابلية للطرق
القابلية للطرق هي قدرة المادة على التعرض لتشوه بلاستيكي دون حدوث تشققات تحت الأحمال الضاغطة. وتعد هذه الخاصية ذات صلة مباشرة بمعالجة المعادن مثل الصفائح المسطحة، والأغلفة، أو الأشكال ثلاثية الأبعاد المعقدة عبر عمليات مثل الحدادة، الدرفلة، والطبع.
كيف يتم تقييم القابلية للطرق
تُحدَّد القابلية للطرق من خلال تقييم قدرة المادة على التعرض لتشوه بلاستيكي دون تشقق تحت قوة ضغط. وعادةً ما يتم تقييمها من خلال عمليات الضغط والتشكيل.
لماذا تُعد القابلية للطرق مهمة في تشكيل المعادن؟
يمكن للقابلية للطرق أن تحدد بشكل مباشر ما إذا كان بالإمكان تصنيع المواد وفق الأشكال الهندسية المطلوبة عبر عمليات الضغط. فالمواد ذات القابلية العالية للطرق تسمح بالحدادة الباردة أو الدرفلة الباردة مع تشوه كبير، مما يقلل من عمليات التسخين ويُخفِّض تكاليف التصنيع. أما المواد ذات القابلية المنخفضة فتحتاج إلى عمليات تشكيل حرارية لتعزيز قدرتها على الانسياب البلاستيكي، وبالتالي تحسين سلوكها أثناء التشوه الناتج عن الضغط.
الليونة مقابل القابلية للطرق: ما الفرق؟
الفرق الأساسي بين الليونة والقابلية للطرق يكمن في نوع الإجهاد والتشوه الذي يواجهانه. فالليونة هي قدرة المادة على التعرض لتشوه بلاستيكي تحت إجهاد الشد، بينما القابلية للطرق هي القدرة على التعرض لتشوه بلاستيكي تحت إجهاد الضغط دون حدوث تشققات.
اللدونة مقابل القابلية للطرق: عمليات تصنيع مختلفة
يمكن أن تؤثر اللدونة والقابلية للطرق بشكل كبير على طرق التصنيع المستخدمة في معالجة المواد. لذا فإن فهم خصائص اللدونة والقابلية للطرق للمواد يمكن أن يساعد بفعالية في اختيار العمليات التصنيعية المناسبة.
تطبيقات تصنيع مختلفة
تُعد المواد ذات اللدونة العالية مناسبة لتصنيع الكابلات والزنبركات ووسائل التثبيت والمكونات الإنشائية. أما المواد ذات القابلية العالية للطرق فتُفضل لتصنيع رؤوس أوعية الضغط ولوحات هياكل السيارات والعملات المعدنية وأي مكونات تُشكَّل عبر عمليات الطرق أو الختم.
في التشغيل بالماكينات الرقمية (CNC)، تتطلب المكونات المحورية لدونة عالية لتتحمل إجهادات القص الناجمة عن عزم الدوران، بينما تحتاج المكونات ذات الشكل الغشائي إلى قابلية للطرق تسهّل عمليات البرشمة الثانوية أو البرشمة بالضغط.
معادن ذات لدونة وقابلية عالية للطرق
تتمتع بعض المواد بقابلية عالية للطرق بالإضافة إلى لدونة مرتفعة. سنعرّفكم عليها.
النحاس
يتميز النحاس بكلٍّ من اللدونة والقابلية العالية للطرق, ، مما يجعله أحد أكثر المعادن قابليةً للتشكيل. يمكن أن يصل استطالة النحاس النقي في حالة التلدين إلى 45% إلى 60%، مع انخفاض في المساحة يتجاوز 80%. وتتيح له لدونته العالية أن يُسحب إلى أسلاك معدنية دقيقة للغاية، ولذلك يُستخدم النحاس على نطاق واسع في صناعة الأسلاك الكهربائية والكابلات. وفي الوقت نفسه، يمكن تحويل النحاس ذي القابلية العالية للطرق إلى صفائح رقيقة أو أنابيب أو مكونات أخرى بواسطة عملية الدرفلة.
ومع ذلك، يسهل أثناء التشغيل بالماكينات الرقمية ظهور نشارة طويلة ومخلفات حادة بسبب ليونة النحاس ولدونته العالية،,
الذهب
يُعد الذهب من المعادن ذات اللدونة والقابلية العالية للطرق. تبلغ نسبة الاستطالة في الذهب النقي نحو 45%. وبسبب تكلفته العالية، نادرًا ما يُستخدم الذهب في عمليات التشغيل العادية بالماكينات الرقمية، لكنه يظل مادة أساسية في الإلكترونيات والصناعات الفضائية والمنتجات عالية الأداء.
الألومنيوم
تبلغ نسبة الاستطالة في الألمنيوم النقي نحو 25%-45%. ويتمتع الألمنيوم النقي والألمنيوم المُلدن بلدونة أعلى وقابلية جيدة للطرق. وهذه الخصائص تجعل الألمنيوم مناسبًا لعمليات الدرفلة والبثق والثني ومعالجة الصفائح المعدنية.
في التشغيل بالماكينات الرقمية، قد تؤدي اللدونة العالية للألمنيوم إلى تشكّل نشارة متواصلة، والتي يمكن أن تلتصق بسهولة بالحافة الأمامية لأداة القطع، مما يؤدي إلى تكوّن ورم من النشارة. ويمكن السيطرة على هذه المشكلة من خلال استخدام سرعة قطع عالية وصقل سطح أدوات القطع.
الفولاذ المعتدل
الفولاذ الطري يتمتع بلدونة متوسطة إلى عالية, ، وقابلية منخفضة للطرق. تساعد قابلية الشد له على تجنب الكسر المفاجئ عند تعرض الفولاذ الطري لأحمال الشد، كما تتيح له قابلية الطرق أن يُشكَّل تحت تأثير القوة الضاغطة.
بالمقارنة مع المواد الهشة، يُظهر الفولاذ الطري تشوهًا بلاستيكيًا كبيرًا قبل الكسر، مما يجعله مناسبًا للثني واللحام والدرفلة والتشكيل الإنشائي.
يُعد الفولاذ الطري أحد أكثر المواد قابلية للتنبؤ أثناء التشغيل بالتحكم الرقمي، نظرًا لسلوكه المستقر في انكسار الرقاقة.
مواد ذات قابلية منخفضة للتشوه أو قابلية منخفضة للطرق
تتميز المواد ذات القابلية المنخفضة للتشوه أو القابلية المنخفضة للطرق عادةً ببنية بلورية مكعبة مركزية الجسم أو بنية سداسية قريبة التعبئة، أو تحتوي على جسيمات ثانوية صلبة وهشة. هذه الخصائص تحد من حركة الانزلاق البلوري وتؤدي إلى حدوث كسر مبكر.
الحديد الزهر
يُعتبر الحديد الزهر مادة هشة بشكل عام، إذ يقل استطالة الشد لديه عن 1%، مما يعني أنه نادرًا ما يحدث فيه تشوه بلاستيكي.
الفولاذ عالي الكربون
عادةً ما يكون الفولاذ عالي الكربون (بنسبة كربون تتجاوز 0.6%) ذو استطالة أقل من 10% في حالته غير المعالجة، وقد تنخفض هذه الاستطالة إلى أقل من 2% بعد عملية التبريد السريع.
السيراميك
تُعد المواد الخزفية موادًا هشة نموذجية، إذ لا يحدث فيها أي تشوه بلاستيكي؛ وعند بلوغها حد مقاومة الشد القصوى، يحدث كسر كارثي. كما أن قابلية الطرق غير موجودة لديها. وفي عمليات التشغيل بالتحكم الرقمي، يجب تشكيل المواد الخزفية باستخدام الطحن أو المعالجة بالليزر، وليس تقنيات القطع التقليدية.
لماذا تُعد القابلية للتشوه والقابلية للطرق مهمة في التشغيل بالتحكم الرقمي؟
تؤثر القابلية للتشوه والقابلية للطرق على شكل حافة القطع، وتكوّن النتوءات، وسلامة السطح أثناء التشغيل بالتحكم الرقمي.
تأثير على تشكّل الرقاقة
تحافظ المواد القابلة للتشوه على استمرارية شكلها حتى بعد تعرضها لتشوه بلاستيكي كبير في منطقة القص، فتتشكّل رقاقات ممدودة أو حلزونية الشكل. وتميل هذه الرقاقات إلى الالتفاف حول قطعة العمل أو الأداة، مما قد يؤدي إلى أعطال تلقائية في تغيير الأداة أو خدوش على السطح.
ومع ذلك، فإن المواد ذات القابلية المنخفضة للتشوه تسهل تصريف الرقاقات، لكنها تُظهر تقلبات كبيرة في قوة القطع، مما قد يؤدي بسهولة إلى حدوث اهتزازات.
الحل:
- استخدام هندسة كاسر الرقاقة
- استخدام سرعة تغذية عالية
- استخدام مبرد عالي الضغط
تأثير على تشكّل النتوءات
المواد اللدنة تميل إلى تكوين نتوءات كبيرة لأنها تستطيع تحمل انحناء بلاستيكي كبير قبل الانكسار. كما أن القابلية للطرق تؤثر على تكون النتوءات عند الدخول.
الحل:
- زيادة الزاوية السالبة للأداة
- استخدام استراتيجية الطحن المتزايد
- تطبيق أخاديد لتفكيك النتوءات مسبقًا
التأثير على التشطيب السطحي
تميل المواد اللدنة إلى تشكيل حافة متراكمة أثناء التشغيل الميكانيكي، مما قد يترك حفرًا دقيقة وخدوشًا على السطح المعالج، مما يؤدي إلى زيادة قيمة خشونة السطح Ra.
خلال الإنتاج العملي، يتم حل هذه المشكلة عن طريق رفع سرعة القطع لزيادة درجة حرارة القطع ومن ثم تقليل إجهاد الخضوع للمواد. وبتطبيق هذه الطريقة، يمكن الحد من تكوين الحافة المتراكمة وتحسين جودة سطح القطعة.
اللدونة مقابل القابلية للطرق لدى المعادن الشائعة
تنبع الاختلافات بين اللدونة والقابلية للطرق لدى مختلف المواد المعدنية من تباينات في بنيتها الذرية الداخلية وقدرتها على التشوه البلاستيكي. وفيما يلي مقارنة مزدوجة من منظور التطبيقات الهندسية.
النحاس مقابل الألومنيوم
طول استطالة النحاس النقي أعلى من تلك الخاصة بالألومنيوم النقي. أما من حيث القابلية للطرق، فإن الألومنيوم يتفوق على النحاس. ويبلغ مقاومة الخضوع للألومنيوم نحو ثلث مقاومة الخضوع للنحاس.
في التشغيل باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي، يظهر النحاس التصاقًا أقوى للرقائق ويميل إلى تكوين حافة متراكمة. بينما ينتج الألومنيوم رقائقًا مستمرة، ويمكن أن يسهل كسرها باستخدام مبرد عالي الضغط.
الفولاذ المقاوم للصدأ مقابل الفولاذ الكربوني
الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، يتميز بلدونة عالية جدًا تفوق تلك الموجودة في الفولاذ الكربوني. ومع ذلك، فإن قابلية طرق الفولاذ الكربوني أفضل من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.
من منظور التشغيل باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي، تبلغ قوة القطع للفولاذ المقاوم للصدأ نحو 1.5 ضعف قوة الفولاذ الكربوني، كما أن رقائقه أقل عرضة للتكسير.
كيفية اختيار المواد بناءً على اللدونة والقابلية للطرق
خلال مرحلة التصميم الميكانيكي، يجب أن يستند اختيار المادة إلى عملية تصنيع الجزء وظروف الخدمة، مع تحقيق توازن بين اللدونة والقابلية للطرق، واتخاذ قرار شامل يأخذ في الاعتبار القوة والتكلفة وقابلية التشغيل.
للقطع المصنوعة باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي
بالنسبة لأجزاء الآلات ذات التحكم الرقمي التي تُصنع بإزالة المواد، يُفضل استخدام مواد ذات لدونة معتدلة، مع ضبط نسبة الاستطالة بين 15% و25%. إذ يساعد هذا النطاق على انكسار الرقائق بشكل طبيعي على شكل حروف C أو حلزونات قصيرة، مع منع حدوث نتوءات عند حافة القطع بسبب الهشاشة الزائدة.
في الممارسة العملية، يُعدّ الألمنيوم 6061 والفولاذ 1215 والنحاس الأصفر C3600 الخيارات المثالية.
يجب تجنّب النحاس النقي أو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المُعَدّ لدرجة اللدونة، والتي تتجاوز نسبة استطالة 40%، إلا إذا تم استخدام نظام تبريد عالي الضغط وأدوات متخصصة لكسر الرقائق.
بالنسبة للمكوّنات ذات الجدران الرقيقة أو القطع التي تحتوي على العديد من التفاصيل الدقيقة، يُفضَّل اختيار مواد ذات ليونة أعلى. فهذه المواد تمتص طاقة الاهتزاز بشكل أفضل وتساعد على منع اختراق الجدار الناجم عن تقلبات قوى القطع.
للقطع المصنوعة من الصفائح المعدنية
بالنسبة لمكوّنات تشكيل الصفائح، ينبغي أن يكون قابلية الطيّ المعيار الأساسي للاختيار، خاصةً في عمليات الثني والنقش والرسم العميق. يجب أن يكون حاصل قسمة نصف قطر الانحناء الأقصى للمادة على سمك الصفيحة أقل من المتطلبات التصنيعية المحددة، إذ يعكس هذا الحاصل مباشرةً جودة قابلية الطي.
بالنسبة للصفائح التي يزيد سمكها عن 3 ملم، يُفضَّل التركيز على المواد عالية القابلية للطي مثل الفولاذ المتوسط والمنخفض الكربون المعالج بالتلدين الكروي، أو سبيكة الألمنيوم 5052.
تُعتبر الليونة معيارًا ثانويًا في مثل هذه التطبيقات، حيث تؤثر أساسًا على حدّ الشدّ عند حواف الأطراف. وعندما تحتوي المكوّنات على ثقوب شدّ أو تعرّجات بقطر يقل عن خمسة أضعاف سمك الصفيحة، يجب أن تتجاوز نسبة استطالة المادة 20% لتفادي التشققات.
للمكوّنات المسبوكة
تتطلب أجزاء الطيّ أن تتميّز المواد بقابلية طيّ ممتازة في كلٍّ من الحالتين الساخنة والباردة، بما يسمح للمعدن بملء تجويف القالب تمامًا دون حدوث طيّ.
- بالنسبة لعمليات الطيّ الساخن، تُظهر الفولاذات السبائكية مثل 4140 و4340 قابلية طيّ متفوقة عند درجات حرارة تتراوح بين 1000 و1200 درجة مئوية، مع استطالة تتجاوز مؤقتًا 50%.
- أما في عمليات الطيّ البارد، فإن الألمنيوم النقي والفولاذ منخفض الكربون والنحاس الأصفر تُعدّ موادًا مفضلة، لأنها تستطيع تحمل ضغوط انضغاط عالية في درجة حرارة الغرفة دون أن تتشقق.
تُعتبر الليونة معيارًا ثانويًا في عمليات الطيّ، وتؤثر بشكل رئيسي على عملية إزالة الزوائد؛ فالمواد ذات الليونة العالية تكون أكثر قدرة على الحفاظ على جودة الحواف الخالية من التشققات بعد إزالة الزوائد.
الخاتمة
تُعدّ كلٌّ من الليونة والطواعية قدرةً على التشوه البلاستيكي لدى المواد، لكنهما يختلفان من حيث الإجهاد وطرق التصنيع. فالليونة تعكس قدرة المادة على التشوه تحت إجهاد الشدّ، بينما تعكس الطواعية قدرتها على التشكّل تحت إجهاد الضغط. وهذه الاختلافات تؤثر مباشرةً على عمليات مثل التشغيل باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي، وتشكيل الصفائح المعدنية، والدرفلة، والطِّيّ.
في التصنيع العملي، تُعطى الأولوية في مكوّنات الصفائح المعدنية لقابلية الطيّ، بينما يركّز التشغيل باستخدام الآلات ذات التحكم الرقمي على تحقيق التوازن بين الليونة والتحكم في الرقائق. إن فهم الفروق بين هذين الجانبين يساعد على تحسين اختيار المواد وعمليات التشغيل وأداء الجزء النهائي.
الأسئلة الشائعة
هل اللدونة هي نفسها القابلية للطرق؟
لا. يشير الامتداد إلى قدرة المادة على مقاومة الكسر الناتج عن الشد، ويُقاس بطول الامتداد أو انخفاض المساحة. أما القابلية للطرق فتشير إلى مقاومة المادة للكسر الناتج عن الضغط، وتُقدّر من خلال درجة التشوه الناتج عن الضغط.
ما هي المعادن الأكثر لدونة؟
الذهب الخالص والفضة الخالصة والنحاس الخالص هم المواد الثلاث الأكثر ليونة بين جميع المعادن. تبلغ نسب الامتداد تقريبًا 45% للذهب، و50% إلى 55% للفضة، و45% إلى 60% للنحاس. كما يُعد الفولاذ منخفض الكربون المُلدن والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي من المواد عالية الليونة، إذ تتراوح نسب الامتداد لديها بين 30% و60%.