1. Введение
Пресс-форма — ключевой инструмент для экструзии алюминиевого профиля. В процессе экструзии профиля пресс-форма должна выдерживать высокие температуры, давление и трение. Длительное использование приводит к износу пресс-формы, пластической деформации и усталостным повреждениям. В тяжёлых случаях это может привести к её разрушению.
2. Формы и причины появления дефектов
2.1 Износ
Износ является основной формой, приводящей к выходу из строя экструзионной матрицы, что приводит к нарушению размеров алюминиевых профилей и ухудшению качества поверхности. Во время экструзии алюминиевые профили встречаются с открытой частью полости формы через экструзионный материал под высокой температурой и высоким давлением без обработки смазкой. Одна сторона непосредственно контактирует с плоскостью ленты суппорта, а другая сторона скользит, что приводит к большому трению. Поверхность полости и поверхность пояса суппорта подвергаются износу и разрушению. В то же время в процессе трения формы часть металла заготовки налипает на рабочую поверхность формы, что приводит к изменению геометрии формы и невозможности ее использования, а также рассматривается как отказ от износа, который выражается в виде пассивации режущей кромки, скругления кромок, усадки плоскости, поверхностных канавок, шелушения и т. д.
Конкретная форма износа пресс-формы связана со многими факторами, такими как скорость процесса трения, например, химический состав и механические свойства материала пресс-формы и обрабатываемой заготовки, шероховатость поверхности пресс-формы и заготовки, а также давление, температура и скорость в процессе экструзии. Износ пресс-формы для экструзии алюминия в основном является термическим износом, термический износ вызван трением, размягчением поверхности металла из-за повышения температуры и сцеплением поверхностей полости пресс-формы. После того, как поверхность полости пресс-формы размягчается при высокой температуре, ее износостойкость значительно снижается. В процессе термического износа температура является основным фактором, влияющим на термический износ. Чем выше температура, тем серьезнее термический износ.
2.2 Пластическая деформация
Пластическая деформация экструзионной матрицы для алюминиевого профиля представляет собой процесс текучести материала матрицы.
Поскольку экструзионная матрица в процессе работы в течение длительного времени находится в состоянии высокой температуры, высокого давления и высокого трения с выдавливаемым металлом, температура поверхности матрицы повышается и вызывает ее размягчение.
При очень высокой нагрузке происходит значительная пластическая деформация, что приводит к смятию или образованию эллипса на рабочей ленте, а также изменению формы готового изделия. Даже если форма не треснет, она выйдет из строя, поскольку невозможно гарантировать точность размеров алюминиевого профиля.
Кроме того, поверхность экструзионной головки подвергается воздействию перепадов температур, вызванных многократным нагревом и охлаждением, что приводит к возникновению на поверхности знакопеременных термических напряжений растяжения и сжатия. При этом микроструктура также претерпевает изменения различной степени. Под этим совокупным воздействием происходит износ формы и поверхностная пластическая деформация.
2.3 Усталостное повреждение
Повреждения от термической усталости также являются одной из наиболее распространённых форм разрушения пресс-формы. При контакте нагретого алюминиевого прутка с поверхностью экструзионной головки температура поверхности прутка растёт значительно быстрее, чем внутренняя температура, и на поверхности вследствие расширения возникают сжимающие напряжения.
При этом предел текучести поверхности формы снижается из-за повышения температуры. Когда давление превышает предел текучести металла поверхности при соответствующей температуре, на поверхности возникают пластические деформации сжатия. При выходе профиля из формы температура поверхности снижается. Однако при сохранении высокой температуры внутри профиля возникают деформации растяжения.
Аналогично, когда увеличение растягивающих напряжений превышает предел текучести поверхности профиля, возникает пластическая деформация растяжения. Когда локальная деформация формы превышает предел упругости и входит в область пластической деформации, постепенное накопление небольших пластических деформаций может привести к образованию усталостных трещин.
Поэтому для предотвращения или снижения усталостного разрушения пресс-формы следует выбирать соответствующие материалы и применять соответствующую систему термообработки. Одновременно с этим следует уделять внимание улучшению условий эксплуатации пресс-формы.
2.4 Разрушение формы
В реальных условиях производства трещины распределены по определённым частям пресс-формы. После определённого срока службы образуются небольшие трещины, которые постепенно увеличиваются в глубину. Достигнув определённого размера, несущая способность пресс-формы значительно снижается и приводит к её разрушению. Либо же микротрещины уже образовались во время первичной термообработки и обработки пресс-формы, что позволяет пресс-форме легко расширяться и вызывать ранние трещины в процессе эксплуатации.
С точки зрения конструкции основными причинами отказов являются прочность пресс-формы и выбор радиуса скругления в месте перехода. С точки зрения производства основными причинами отказов являются предварительный контроль материала и внимание к шероховатости поверхности и повреждениям в процессе обработки, а также влияние термической обработки и качества обработки поверхности.
В процессе эксплуатации следует уделять внимание контролю предварительного нагрева формы, степени выдавливания и температуры слитка, а также контролю скорости выдавливания и течения деформации металла.
3. Увеличение срока службы пресс-формы
При производстве алюминиевых профилей затраты на пресс-формы составляют большую долю в себестоимости производства профилей методом экструзии.
Качество пресс-формы также напрямую влияет на качество продукции. Поскольку условия работы пресс-формы при производстве профилей очень суровые, необходимо строго контролировать пресс-форму на всех этапах – от проектирования и выбора материала до изготовления, а также последующей эксплуатации и обслуживания.
Особенно в процессе производства форма должна обладать высокой термостойкостью, термической усталостью, термической износостойкостью и достаточной прочностью, чтобы продлить срок службы формы и снизить производственные затраты.
3.1 Выбор материалов формы
Процесс экструзии алюминиевых профилей представляет собой высокотемпературный процесс обработки с большими нагрузками, а экструзионная матрица для алюминия подвергается очень жестким условиям эксплуатации.
Экструзионная головка подвергается воздействию высоких температур, а локальная температура её поверхности может достигать 600 градусов Цельсия. Поверхность экструзионной головки постоянно нагревается и охлаждается, что приводит к термической усталости.
При экструзии алюминиевых сплавов форма должна выдерживать высокие напряжения сжатия, изгиба и сдвига, которые могут вызвать адгезионный и абразивный износ.
В зависимости от условий работы экструзионной головки можно определить требуемые свойства материала.
Прежде всего, материал должен обладать хорошими технологическими характеристиками. Он должен легко плавиться, коваться, обрабатываться и подвергаться термической обработке. Кроме того, материал должен обладать высокой прочностью и твёрдостью. Экструзионные матрицы обычно работают при высоких температурах и давлении. При экструзии алюминиевых сплавов предел прочности материала матрицы на растяжение при комнатной температуре должен превышать 1500 МПа.
Он должен обладать высокой термостойкостью, то есть способностью выдерживать механические нагрузки при высоких температурах во время экструзии. Он должен обладать высокими значениями ударной вязкости и вязкости разрушения при нормальной и высокой температуре, чтобы предотвратить хрупкое разрушение формы под действием напряжений или ударных нагрузок.
Он должен обладать высокой износостойкостью, то есть поверхность должна быть способна противостоять износу при длительном воздействии высокой температуры, высокого давления и плохой смазки, особенно при экструзии алюминиевых сплавов, она должна обладать способностью противостоять адгезии металла и износу.
Для обеспечения высоких и равномерных механических свойств по всему сечению инструмента необходима хорошая прокаливаемость.
Высокая теплопроводность необходима для быстрого отвода тепла от рабочей поверхности пресс-формы с целью предотвращения локального пережога или чрезмерной потери механической прочности прессуемой заготовки и самой пресс-формы.
Он должен обладать высокой стойкостью к многократным циклическим нагрузкам, то есть высокой длительной прочностью для предотвращения преждевременного усталостного разрушения. Он также должен обладать определённой коррозионной стойкостью и хорошей способностью к азотированию.
3.2 Рациональная конструкция пресс-формы
Рациональное проектирование пресс-формы играет важную роль в продлении срока её службы. Правильно спроектированная конструкция пресс-формы должна исключать возможность ударного разрушения и концентрации напряжений при нормальных условиях эксплуатации. Поэтому при проектировании пресс-формы необходимо обеспечить равномерное распределение нагрузки на все её части, избегая острых и вогнутых углов, разной толщины стенок, плоских участков с широкими и тонкими стенками и т. д., чтобы избежать чрезмерной концентрации напряжений. Это может привести к деформации при термообработке, растрескиванию и хрупкому разрушению, а также к преждевременному образованию горячих трещин во время эксплуатации. Стандартизированная конструкция также способствует замене, хранению и обслуживанию пресс-формы.
3.3 Повышение качества термической обработки и обработки поверхности
Срок службы экструзионной головки во многом зависит от качества термообработки. Поэтому для увеличения срока службы пресс-формы особенно важны современные методы и процессы термообработки, а также закалка и упрочнение поверхности.
При этом процессы термообработки и поверхностного упрочнения строго контролируются для предотвращения дефектов термообработки. Корректировка параметров процесса закалки и отпуска, увеличение количества этапов предварительной обработки, стабилизационной обработки и отпуска, уделение особого внимания контролю температуры, интенсивности нагрева и охлаждения, использование новых закалочных сред, а также изучение новых технологических процессов и оборудования, таких как упрочняющая и закаливающая обработка, а также различные виды поверхностного упрочнения, способствуют увеличению срока службы пресс-формы.
3.4 Повышение качества изготовления пресс-форм
При изготовлении пресс-форм обычно применяются такие методы обработки, как механическая обработка, резка проволокой, электроэрозионная обработка и др. Механическая обработка является неотъемлемым и важным процессом в процессе изготовления пресс-форм. Она не только изменяет внешний вид пресс-формы, но и напрямую влияет на качество профиля и срок её службы.
Проволочная резка отверстий в матрицах — широко используемый метод обработки пресс-форм. Она повышает эффективность и точность обработки, но также создаёт некоторые специфические проблемы. Например, если пресс-форма, обработанная проволочной резкой, используется непосредственно в производстве без отпуска, легко образуются шлак, отслоения и т. д., что сокращает срок службы пресс-формы. Следовательно, достаточный отпуск пресс-формы после проволочной резки может улучшить поверхностное напряжённое состояние, снизить остаточные напряжения и увеличить срок службы пресс-формы.
Концентрация напряжений является основной причиной разрушения пресс-формы. В пределах, допускаемых конструкцией чертежа, чем больше диаметр режущей проволоки, тем лучше. Это не только способствует повышению эффективности обработки, но и значительно улучшает распределение напряжений, предотвращая их концентрацию.
Электроэрозионная обработка является разновидностью электрокоррозионной обработки, выполняемой путем наложения испарения материала, плавления и испарения рабочей жидкости, образующихся во время разряда. Проблема заключается в том, что из-за тепла нагрева и охлаждения, действующего на рабочую жидкость, и электрохимического воздействия рабочей жидкости, в обрабатываемой детали образуется модифицированный слой, который создает деформации и напряжения. В случае масла атомы углерода, разложившиеся из-за сгорания масла, диффундируют и науглероживаются в заготовке. При увеличении термического напряжения изношенный слой становится хрупким и твердым и склонным к образованию трещин. В то же время образуются остаточные напряжения, которые закрепляются в заготовке. Это приводит к снижению усталостной прочности, ускоренному разрушению, коррозии под напряжением и другим явлениям. Поэтому в процессе обработки следует стараться избегать вышеуказанных проблем и улучшать качество обработки.
3.5 Улучшение условий труда и процесса экструзии
Условия работы экструзионной головки очень плохие, а рабочая среда также очень плохая. Поэтому улучшение метода и параметров процесса экструзии, а также улучшение условий труда и рабочей среды способствуют увеличению срока службы головки. Поэтому перед экструзией необходимо тщательно разработать план экструзии, выбрать оптимальную систему оборудования и характеристики материалов, сформулировать оптимальные параметры процесса экструзии (такие как температура, скорость экструзии, коэффициент экструзии и давление экструзии и т. д.) и улучшить рабочую среду во время экструзии (например, водяное или азотное охлаждение, достаточная смазка и т. д.), тем самым снижая рабочую нагрузку на форму (например, снижая давление экструзии, уменьшая тепло охлаждения и знакопеременную нагрузку и т. д.), устанавливать и совершенствовать процедуры эксплуатации процесса и процедуры безопасного использования.
4 Заключение
В последние годы, в связи с развитием алюминиевой промышленности, все стремятся к более совершенным моделям развития, позволяющим повысить эффективность, сократить расходы и увеличить прибыль. Экструзионная матрица, несомненно, является важным узлом управления при производстве алюминиевых профилей.
На срок службы алюминиевой экструзионной матрицы влияет множество факторов. Помимо внутренних факторов, таких как конструкция и прочность матрицы, материал матрицы, технологии холодной и термической обработки, электрообработки, термической обработки и обработки поверхности, к ним относятся условия процесса и эксплуатации экструзии, техническое обслуживание и ремонт матрицы, характеристики и форма материала, из которого изготавливается экструзионная продукция, технические характеристики и научное управление матрицей.
В то же время факторы влияния не являются единичными, а представляют собой сложную многофакторную комплексную проблему, улучшение ее срока службы, конечно, также является системной проблемой, в реальном процессе производства и эксплуатации необходимо оптимизировать конструкцию, обработку пресс-формы, использование технического обслуживания и другие основные аспекты контроля, а затем улучшить срок службы пресс-формы, снизить производственные затраты, повысить эффективность производства.
Под редакцией Мэй Цзян из MAT Aluminum
Время публикации: 14 августа 2024 г.
