1. Вступ
Прес-форма є ключовим інструментом для екструзії алюмінієвих профілів. Під час процесу екструзії профілю прес-форма повинна витримувати високу температуру, високий тиск і високе тертя. Під час тривалого використання це призведе до зносу прес-форми, пластичної деформації та пошкодження від втоми. У важких випадках це може призвести до руйнування прес-форми.
2. Форми несправностей та причини появи цвілі
2.1 Зносостійкість
Знос є основною формою, яка призводить до виходу з ладу екструзійної матриці, що призводить до порушення порядку розмірів алюмінієвих профілів та погіршення якості поверхні. Під час екструзії алюмінієві профілі стикаються з відкритою частиною порожнини форми через екструзійний матеріал під високою температурою та високим тиском без обробки мастилом. Одна сторона безпосередньо контактує з площиною стрічки суппорта, а інша сторона ковзає, що призводить до великого тертя. Поверхня порожнини та поверхня стрічки суппорта піддаються зносу та руйнуванню. Водночас, під час процесу тертя форми, частина металу заготовки прилипає до робочої поверхні форми, що змінює геометрію форми та робить її непридатною для використання, а також вважається зносом, який проявляється у вигляді пасивації ріжучої кромки, закруглення країв, прогинання площини, канавок на поверхні, відшаровування тощо.
Конкретна форма зносу штампу пов'язана з багатьма факторами, такими як швидкість процесу тертя, хімічний склад та механічні властивості матеріалу штампу та оброблюваної заготовки, шорсткість поверхні штампу та заготовки, а також тиск, температура та швидкість під час процесу екструзії. Знос алюмінієвої екструзійної форми є переважно термічним, термічний знос спричинений тертям, розм'якшенням поверхні металу через підвищення температури та зчепленням поверхні порожнини форми. Після розм'якшення поверхні порожнини форми при високій температурі її зносостійкість значно знижується. У процесі термічного зносу температура є основним фактором, що впливає на термічний знос. Чим вища температура, тим серйозніший термічний знос.
2.2 Пластична деформація
Пластична деформація екструзійної матриці алюмінієвого профілю є процесом текучості металевого матеріалу матриці.
Оскільки екструзійна матриця під час роботи протягом тривалого часу перебуває в стані високої температури, високого тиску та високого тертя з екструдованим металом, температура поверхні матриці підвищується, що призводить до її розм'якшення.
За умов дуже високого навантаження відбудеться значна пластична деформація, що призведе до руйнування робочої стрічки або утворення еліпса, а форма виробу зміниться. Навіть якщо форма не тріщить, вона все одно вийде з ладу, оскільки не можна гарантувати точність розмірів алюмінієвого профілю.
Крім того, поверхня екструзійної матриці піддається перепаду температур, спричиненому багаторазовим нагріванням та охолодженням, що створює змінні термічні напруження розтягу та стиснення на поверхні. Водночас мікроструктура також зазнає змін різного ступеня. Під цим сукупним впливом відбуватиметься знос форми та пластична деформація поверхні.
2.3 Пошкодження від втоми
Термічна втома також є однією з найпоширеніших форм руйнування прес-форми. Коли нагрітий алюмінієвий стрижень контактує з поверхнею екструзійної матриці, температура поверхні алюмінієвого стрижня підвищується набагато швидше, ніж внутрішня температура, і на поверхні виникає стискаюче напруження внаслідок розширення.
Водночас, межа текучості поверхні форми зменшується через підвищення температури. Коли збільшення тиску перевищує межу текучості поверхневого металу за відповідної температури, на поверхні виникає пластична деформація стиску. Коли профіль залишає форму, температура поверхні знижується. Але коли температура всередині профілю все ще висока, утворюється деформація розтягу.
Аналогічно, коли збільшення розтягуючого напруження перевищує межу текучості поверхні профілю, виникає пластична деформація розтягу. Коли локальна деформація форми перевищує межу пружності та потрапляє в область пластичної деформації, поступове накопичення невеликих пластичних деформацій може утворювати тріщини від втоми.
Отже, щоб запобігти або зменшити пошкодження форми від втоми, слід вибрати відповідні матеріали та застосувати відповідну систему термічної обробки. Водночас слід звернути увагу на покращення умов використання форми.
2.4 Поломка форми
У реальному виробництві тріщини розподіляються в певних частинах форми. Після певного терміну служби утворюються невеликі тріщини, які поступово розширюються вглиб. Після розширення тріщин до певного розміру несуча здатність форми значно знижується та призводить до руйнування. Або ж мікротріщини вже утворилися під час початкової термічної обробки форми, що полегшує розширення форми та спричиняє раннє розтріскування під час використання.
З точки зору конструкції, основними причинами невдач є конструкція міцності форми та вибір радіуса закруглення на переході. З точки зору виробництва, основними причинами є попередній контроль матеріалу та увага до шорсткості поверхні та пошкоджень під час обробки, а також вплив термічної обробки та якості обробки поверхні.
Під час використання слід звертати увагу на контроль попереднього нагрівання форми, коефіцієнта екструзії та температури злитка, а також на контроль швидкості екструзії та потоку деформації металу.
3. Покращення життя цвілі
У виробництві алюмінієвих профілів витрати на прес-форми становлять значну частку витрат на виробництво профілів методом екструзії.
Якість форми також безпосередньо впливає на якість продукту. Оскільки умови роботи екструзійної форми у виробництві профілів методом екструзії дуже суворі, необхідно суворо контролювати форму, починаючи від проектування та вибору матеріалу до остаточного виробництва форми та подальшого використання та обслуговування.
Особливо під час виробничого процесу форма повинна мати високу термостабільність, термовтому, термостійкість та достатню міцність, щоб продовжити термін служби форми та знизити виробничі витрати.
3.1 Вибір матеріалів для форм
Процес екструзії алюмінієвих профілів є процесом обробки за високих температур та високих навантажень, а алюмінієва екструзійна матриця піддається дуже суворим умовам експлуатації.
Екструзійна матриця піддається впливу високих температур, а локальна температура поверхні може досягати 600 градусів Цельсія. Поверхня екструзійної матриці багаторазово нагрівається та охолоджується, що призводить до термічної втоми.
Під час екструзії алюмінієвих сплавів форма повинна витримувати високі напруження стиску, вигину та зсуву, що спричиняє адгезійне та абразивне зношування.
Залежно від умов роботи екструзійної матриці можна визначити необхідні властивості матеріалу.
Перш за все, матеріал повинен мати хороші технологічні характеристики. Матеріал повинен легко плавитися, куватися, оброблятися та піддаватися термічній обробці. Крім того, матеріал повинен мати високу міцність та високу твердість. Екструзійні матриці зазвичай працюють за високої температури та високого тиску. Під час екструзії алюмінієвих сплавів міцність матеріалу матриці на розтяг за кімнатної температури повинна бути більше 1500 МПа.
Він повинен мати високу термостійкість, тобто здатність протистояти механічному навантаженню за високих температур під час екструзії. Він повинен мати високі значення ударної в'язкості та міцності на розтріскування за нормальної та високої температур, щоб запобігти крихкому руйнуванню форми в умовах напруження або ударних навантажень.
Він повинен мати високу зносостійкість, тобто поверхня повинна мати здатність протистояти зношуванню при тривалому впливі високої температури, високого тиску та поганого змащування, особливо при екструзії алюмінієвих сплавів, вона повинна мати здатність протистояти адгезії металу та зношуванню.
Для забезпечення високих та рівномірних механічних властивостей по всьому поперечному перерізу інструменту необхідна добра прогартовуваність.
Висока теплопровідність необхідна для швидкого відведення тепла від робочої поверхні інструментальної форми, щоб запобігти локальному перегорянню або надмірній втраті механічної міцності екструдованої заготовки та самої форми.
Він повинен мати високу стійкість до повторюваних циклічних навантажень, тобто високу тривалу міцність для запобігання передчасному пошкодженню від втоми. Він також повинен мати певну стійкість до корозії та хороші властивості азотування.
3.2 Розумний дизайн форми
Розумна конструкція форми є важливою складовою продовження терміну її служби. Правильно спроектована конструкція форми повинна гарантувати відсутність можливості розриву внаслідок удару та концентрації напружень за нормальних умов використання. Тому під час проектування форми намагайтеся рівномірно розподіляти напруження на кожну деталь та звертайте увагу на те, щоб уникнути гострих кутів, увігнутих кутів, різниці в товщині стінок, плоских широких тонких стінок тощо, щоб уникнути надмірної концентрації напружень. Це може призвести до деформації під час термічної обробки, розтріскування та крихкого руйнування або передчасного гарячого розтріскування під час використання, а стандартизована конструкція також сприяє зручному зберіганню та обслуговуванню форми.
3.3 Покращення якості термічної обробки та обробки поверхні
Термін служби екструзійної матриці значною мірою залежить від якості термічної обробки. Тому передові методи та процеси термічної обробки, а також обробка загартування та зміцнення поверхні є особливо важливими для покращення терміну служби форми.
Водночас, процеси термічної обробки та зміцнення поверхні суворо контролюються для запобігання дефектам термічної обробки. Коригування параметрів процесу гартування та відпуску, збільшення кількості попередньої обробки, стабілізуючої обробки та відпуску, увага до контролю температури, інтенсивності нагрівання та охолодження, використання нових гартуючих середовищ та вивчення нових процесів і нового обладнання, такого як зміцнювальна та гартуюча обробка, а також різні методи зміцнення поверхні, сприяють покращенню терміну служби форми.
3.4 Покращення якості виготовлення прес-форм
Під час обробки прес-форм поширені методи обробки включають механічну обробку, різання дротом, електроерозійну обробку тощо. Механічна обробка є незамінним і важливим процесом у процесі обробки прес-форм. Вона не тільки змінює зовнішній вигляд і розмір прес-форми, але й безпосередньо впливає на якість профілю та термін служби прес-форми.
Різання отворів у матрицях дротом є широко використовуваним методом обробки прес-форм. Він підвищує ефективність та точність обробки, але також створює деякі особливі проблеми. Наприклад, якщо прес-форма, оброблена дротяним різанням, використовується безпосередньо для виробництва без відпуску, легко утворюється шлак, відшаровування тощо, що скорочує термін служби прес-форми. Тому достатній відпуск прес-форми після різання дротом може покращити стан поверхневих напружень розтягу, зменшити залишкові напруження та збільшити термін служби прес-форми.
Концентрація напружень є основною причиною руйнування форми. У межах, дозволених кресленням, чим більший діаметр дроту для різання, тим краще. Це не тільки допомагає підвищити ефективність обробки, але й значно покращує розподіл напружень, запобігаючи виникненню концентрації напружень.
Електроерозійна обробка – це вид електрокорозійної обробки, що виконується шляхом суперпозиції випаровування матеріалу, плавлення та випаровування обробної рідини, що утворюється під час розряду. Проблема полягає в тому, що через теплоту нагрівання та охолодження, що діє на обробну рідину, та електрохімічну дію обробної рідини, в оброблюваній деталі утворюється модифікований шар, що створює деформацію та напруження. У випадку оливи атоми вуглецю, що розкладаються внаслідок згоряння оливи, дифундують та навуглецьовуються до заготовки. Коли термічна напруга зростає, пошкоджений шар стає крихким і твердим, а також схильним до тріщин. Водночас утворюються залишкові напруження, які прикріплюються до заготовки. Це призводить до зниження втомної міцності, прискореного руйнування, корозії під напругою та інших явищ. Тому під час процесу обробки слід намагатися уникати вищезазначених проблем та покращувати якість обробки.
3.5 Покращення умов праці та умов процесу екструзії
Умови роботи екструзійної матриці дуже погані, а також робоче середовище. Тому вдосконалення методу екструзії та параметрів процесу, а також покращення умов праці та робочого середовища сприяють подовженню терміну служби матриці. Тому перед екструзією необхідно ретельно скласти план екструзії, вибрати найкращу систему обладнання та характеристики матеріалів, сформулювати найкращі параметри процесу екструзії (такі як температура екструзії, швидкість, коефіцієнт екструзії та тиск екструзії тощо) та покращити робоче середовище під час екструзії (таке як водяне або азотне охолодження, достатнє змащення тощо), тим самим зменшуючи робоче навантаження на форму (таке як зниження тиску екструзії, зменшення нагрівання та змінного навантаження тощо), встановити та вдосконалити процедури технологічних операцій та процедури безпечного використання.
4 Висновок
З розвитком тенденцій алюмінієвої промисловості, в останні роки всі шукають кращі моделі розробки для підвищення ефективності, економії витрат та збільшення вигод. Екструзійна матриця, безсумнівно, є важливим вузлом керування для виробництва алюмінієвих профілів.
На термін служби алюмінієвої екструзійної матриці впливає багато факторів. Окрім внутрішніх факторів, таких як конструктивне рішення та міцність матриці, матеріали матриці, технологія холодної та термічної обробки, а також електричної обробки, технології термічної обробки та обробки поверхні, існують також процеси екструзії та умови використання, технічне обслуговування та ремонт матриці, характеристики та форма матеріалу екструзійного виробу, технічні характеристики та наукове управління матрицею.
Водночас, фактори впливу не є єдиною, а складною багатофакторною комплексною проблемою, покращення терміну служби якої, звичайно, також є системною проблемою. У процесі фактичного виробництва та використання необхідно оптимізувати конструкцію, обробку прес-форм, технічне обслуговування та інші основні аспекти контролю, що покращить термін служби прес-форми, знизить виробничі витрати та підвищить ефективність виробництва.
Під редакцією Мей Цзян з MAT Aluminum
Час публікації: 14 серпня 2024 р.
