Как спроектировать экструзионную матрицу для радиатора «Подсолнух» из алюминиевого профиля?

1. Анализ конструктивных характеристик алюминиевых профилей

На рисунке 1 показано поперечное сечение типичного алюминиевого профиля радиатора типа «подсолнечник». Площадь поперечного сечения профиля составляет 7773,5 мм², общее количество зубцов для отвода тепла составляет 40. Максимальный размер отверстия для подвеса, образуемого между зубцами, составляет 4,46 мм. После расчёта соотношение между зубцами составляет 15,7. При этом в центре профиля имеется большая сплошная область площадью 3846,5 мм².

Судя по характеристикам формы профиля, пространство между зубцами можно рассматривать как полупустые профили, а профиль радиатора состоит из нескольких полупустых профилей. Поэтому при проектировании структуры пресс-формы ключевым моментом является рассмотрение того, как обеспечить прочность пресс-формы. Хотя для полупустых профилей промышленность разработала множество продуманных структур пресс-форм, таких как «закрытая разделительная форма», «разрезанная разделительная форма», «разделительная форма подвесного моста» и т. д. Однако эти структуры неприменимы к изделиям, состоящим из нескольких полупустых профилей. Традиционное проектирование учитывает только материалы, но при экструзионном формовании наибольшее влияние на прочность оказывает усилие выдавливания во время процесса экструзии, а процесс формовки металла является основным фактором, создающим усилие выдавливания.

Из-за большой центральной сплошной зоны профиля солнечного радиатора, в процессе экструзии общая скорость потока в этой зоне может быть слишком высокой, что создаст дополнительное растягивающее напряжение на головке межзубцовой подвесной трубки, что приведет к ее разрушению. Поэтому при проектировании конструкции пресс-формы следует уделить особое внимание регулировке скорости потока металла и расхода для снижения давления экструзии и улучшения напряженного состояния подвесной трубки между зубцами, что позволит повысить прочность пресс-формы.

2. Выбор конструкции пресс-формы и производительности экструзионного пресса

2.1 Форма структуры пресс-формы

Для профиля радиатора подсолнечника, показанного на рисунке 1, хотя он не имеет полой части, он должен иметь разъемную структуру пресс-формы, как показано на рисунке 2. В отличие от традиционной структуры пресс-формы с шунтирующим элементом, камера паяльной станции для металла расположена в верхней пресс-форме, а в нижней пресс-форме используется вставная структура. Целью является снижение затрат на пресс-форму и сокращение цикла ее изготовления. Как верхняя, так и нижняя пресс-формы универсальны и могут использоваться повторно. Что еще более важно, блоки отверстий пресс-формы могут обрабатываться независимо, что может лучше гарантировать точность рабочего пояса отверстий пресс-формы. Внутреннее отверстие нижней пресс-формы выполнено в виде ступени. Верхняя часть и блок отверстий пресс-формы имеют посадку с зазором, а величина зазора с обеих сторон составляет 0,06 ~ 0,1 м; нижняя часть имеет посадку с натягом, а величина натяга с обеих сторон составляет 0,02 ~ 0,04 м, что обеспечивает соосность и облегчает сборку, делая посадку вставки более компактной, и в то же время позволяет избежать деформации пресс-формы, вызванной посадкой с натягом при термической установке.

2.2 Выбор производительности экструдера

Выбор производительности экструдера, с одной стороны, заключается в определении подходящего внутреннего диаметра цилиндра и максимального удельного давления экструдера на экструзионную часть цилиндра для обеспечения необходимого давления при формовании металла. С другой стороны, это определение подходящей степени экструзии и выбор подходящих размеров пресс-формы с учетом стоимости. Для алюминиевого профиля радиатора «Подсолнечник» степень экструзии не должна быть слишком большой. Основная причина заключается в том, что усилие экструзии пропорционально степени экструзии. Чем больше степень экструзии, тем больше усилие экструзии. Это крайне негативно сказывается на пресс-форме для алюминиевого профиля радиатора «Подсолнечник».

Опыт показывает, что коэффициент экструзии алюминиевых профилей для радиаторов подсолнечника составляет менее 25. Для профиля, показанного на рисунке 1, был выбран экструдер 20,0 МН с внутренним диаметром цилиндра экструзии 208 мм. После расчета максимальное удельное давление экструдера составляет 589 МПа, что является более подходящим значением. Если удельное давление слишком высокое, давление на форму будет большим, что пагубно сказывается на сроке службы формы; если удельное давление слишком низкое, она не может соответствовать требованиям экструзионного формования. Опыт показывает, что удельное давление в диапазоне 550 ~ 750 МПа может лучше соответствовать различным технологическим требованиям. После расчета коэффициент экструзии составляет 4,37. Спецификация размера формы выбрана как 350 мм x 200 мм (наружный диаметр x градусы).

3. Определение структурных параметров формы

3.1 Параметры конструкции верхней формы

(1) Количество и расположение распределительных отверстий. Для пресс-формы для радиаторного профиля подсолнечника, чем больше количество распределительных отверстий, тем лучше. Для профилей с аналогичной круглой формой обычно выбирают от 3 до 4 традиционных распределительных отверстий. В результате ширина распределительного моста больше. Как правило, если ширина превышает 20 мм, количество сварных швов меньше. Однако при выборе рабочего пояса отверстия фильеры, рабочий пояс отверстия фильеры в нижней части распределительного моста должен быть короче. При отсутствии точного метода расчета для выбора рабочего пояса, это, естественно, приведет к тому, что отверстие фильеры под мостом и другие детали не будут достигать одинаковой скорости потока во время экструзии из-за разницы в рабочем поясе. Эта разница в скорости потока создаст дополнительное растягивающее напряжение на консоли и вызовет прогиб зубцов теплоотвода. Поэтому для пресс-формы для радиаторного профиля подсолнечника с плотным количеством зубцов очень важно обеспечить постоянную скорость потока каждого зубца. По мере увеличения количества шунтирующих отверстий соответственно увеличивается и количество шунтирующих мостов, а скорость и распределение потока металла становятся более равномерными. Это связано с тем, что при увеличении количества шунтирующих мостов их ширина может быть соответственно уменьшена.

Практические данные показывают, что количество шунтирующих отверстий обычно составляет 6, 8 или даже больше. Конечно, для некоторых крупных профилей теплоотвода подсолнечника верхняя форма также может располагать шунтирующие отверстия по принципу ширины шунтирующего моста ≤ 14 мм. Разница заключается в том, что необходимо добавить переднюю разделительную пластину для предварительного распределения и регулирования потока металла. Количество и расположение направляющих отверстий в передней разделительной пластине можно определить традиционным способом.

Кроме того, при размещении отверстий для шунтов следует предусмотреть использование верхней формы для надлежащей защиты головки консоли теплорассеивающего зуба, чтобы предотвратить прямое попадание металла на головку консольной трубки и, таким образом, улучшить её напряжённое состояние. Заблокированная часть головки консоли между зубцами может составлять от 1/5 до 1/4 длины консольной трубки. Схема расположения отверстий для шунтов показана на рисунке 3.

(2) Соотношение площадей отверстий шунта. Поскольку толщина стенки основания горячего зубца мала, высота расположена далеко от центра, а физическая площадь сильно отличается от центра, это наиболее сложная для формовки часть. Поэтому ключевым моментом при проектировании формы для радиаторного профиля подсолнечника является максимально медленное снижение скорости потока центральной сплошной части, чтобы металл сначала заполнил основание зубца. Для достижения такого эффекта, с одной стороны, необходимо выбрать рабочий пояс и, что более важно, определить площадь отверстия шунта, в основном площадь центральной части, соответствующей отверстию шунта. Испытания и эмпирические данные показывают, что наилучший эффект достигается, когда площадь центрального отверстия шунта S1 и площадь внешнего одиночного отверстия шунта S2 удовлетворяют следующему соотношению: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2

Кроме того, эффективный канал потока металла центрального отверстия разделителя должен быть на 20–25 мм длиннее эффективного канала потока металла внешнего отверстия разделителя. Эта длина также учитывает запас и возможность ремонта пресс-формы.

(3) Глубина сварочной камеры. Пресс-форма для изготовления радиаторного профиля «Sunflower» отличается от традиционной пресс-формы с прямыми пазами. Вся сварочная камера должна располагаться в верхней пресс-форме. Это необходимо для обеспечения точности обработки блока отверстий нижней пресс-формы, особенно точности рабочего пояска. По сравнению с традиционной пресс-формой с прямыми пазами, глубина сварочной камеры пресс-формы для изготовления радиаторного профиля «Sunflower» должна быть увеличена. Чем больше производительность пресс-формы, тем больше глубина сварочной камеры, которая составляет 15–25 мм. Например, при использовании пресс-формы с усилием 20 МН глубина сварочной камеры традиционной пресс-формы с прямыми пазами составляет 20–22 мм, в то время как глубина сварочной камеры пресс-формы для изготовления радиаторного профиля «Sunflower» должна составлять 35–40 мм. Преимущество этого заключается в полной сварке металла и значительном снижении нагрузки на подвешенную трубу. Конструкция сварочной камеры верхней пресс-формы показана на рисунке 4.

3.2 Конструкция вставки фильеры

Конструкция блока фильер в основном включает размер фильеры, рабочий поясок, наружный диаметр и толщину блока зеркала и т. д.

(1) Определение размера отверстия фильеры. Размер отверстия фильеры можно определить традиционным способом, в основном, учитывая масштабирование термической обработки сплава.

(2) Выбор рабочей ленты. Принцип выбора рабочей ленты заключается в том, чтобы, во-первых, обеспечить достаточную подачу всего металла в нижнюю часть корня зуба, чтобы скорость потока в нижней части корня зуба была выше, чем в других частях. Поэтому рабочая лента в нижней части корня зуба должна быть самой короткой, со значением 0,3–0,6 мм, а рабочая лента в соседних частях должна быть увеличена на 0,3 мм. Принцип заключается в увеличении на 0,4–0,5 мм каждые 10–15 мм по направлению к центру; во-вторых, рабочая лента в самой большой сплошной части центра не должна превышать 7 мм. В противном случае, если разница в длине рабочей ленты слишком велика, возникнут большие погрешности при обработке медных электродов и электроэрозионной обработке рабочей ленты. Эта погрешность может легко привести к поломке прогиба зуба во время процесса экструзии. Рабочая лента показана на рисунке 5.

 

(3) Наружный диаметр и толщина вставки. В традиционных матрицах для шунтовых пресс-форм толщина вставки фильеры равна толщине нижней матрицы. Однако в пресс-форме для радиатора подсолнечника, если эффективная толщина фильеры слишком велика, профиль будет легко соприкасаться с пресс-формой во время экструзии и выгрузки, что приведет к неровным зубьям, царапинам или даже заклиниванию зубьев. Это может привести к их поломке.

Кроме того, если толщина отверстия фильеры слишком велика, то, с одной стороны, увеличивается время обработки во время процесса электроэрозионной обработки, а с другой стороны, легко вызвать отклонение от электрической коррозии, а также легко вызвать отклонение зубьев во время экструзии. Конечно, если толщина отверстия фильеры слишком мала, прочность зубьев не может быть гарантирована. Поэтому, принимая во внимание эти два фактора, опыт показывает, что степень вставки отверстия фильеры нижней формы обычно составляет 40–50; а наружный диаметр вставки отверстия фильеры должен составлять 25–30 мм от наибольшего края отверстия фильеры до внешней окружности вставки.

Для профиля, показанного на рисунке 1, наружный диаметр и толщина блока отверстий фильеры составляют 225 мм и 50 мм соответственно. Вставка отверстия фильеры показана на рисунке 6. D на рисунке - фактический размер, а номинальный размер - 225 мм. Предельное отклонение его внешних размеров подбирается в соответствии с внутренним отверстием нижней формы, чтобы гарантировать, что односторонний зазор находится в диапазоне 0,01 ~ 0,02 мм. Блок отверстий фильеры показан на рисунке 6. Номинальный размер внутреннего отверстия блока отверстий фильеры, размещенного на нижней форме, составляет 225 мм. На основе фактического измеренного размера блок отверстий фильеры подбирается в соответствии с принципом 0,01 ~ 0,02 мм на сторону. Наружный диаметр блока отверстий фильеры можно получить как D, но для удобства установки наружный диаметр блока зеркала отверстия фильеры можно соответствующим образом уменьшить в диапазоне 0,1 м на конце подачи, как показано на рисунке.

4. Основные технологии изготовления пресс-форм

Механическая обработка пресс-формы для радиаторного профиля «Подсолнух» мало чем отличается от обработки обычных алюминиевых профилей. Различия, в основном, проявляются в электрообработке.

(1) При резке проволокой необходимо предотвращать деформацию медного электрода. Медный электрод, используемый для электроэрозионной обработки, тяжёлый, зубья слишком малы, сам электрод мягкий, обладает низкой жёсткостью, а локальная высокая температура, возникающая при резке проволокой, приводит к лёгкой деформации электрода во время процесса резки. При использовании деформированных медных электродов для обработки рабочих лент и пустых ножей возникает перекос зубьев, что может легко привести к браку формы в процессе обработки. Поэтому необходимо предотвращать деформацию медных электродов в процессе производства. Основные профилактические меры: перед резкой проволокой выровняйте медный блок с помощью станины; используйте циферблатный индикатор для регулировки вертикальности в начале; при резке проволокой начинайте с зубьев и в конце вырезайте деталь с толстой стенкой; периодически заполняйте вырезанные участки обрезками серебряной проволокой; после изготовления проволоки отрежьте на станке для резки проволокой короткий участок длиной около 4 мм по всей длине отрезанного медного электрода.

(2) Электроэрозионная обработка, очевидно, отличается от обработки обычных пресс-форм. Электроэрозионная обработка играет важную роль в обработке пресс-форм для радиаторных профилей типа «подсолнечник». Даже если конструкция идеальна, малейший дефект электроэрозионной обработки приведёт к браку всей пресс-формы. Электроэрозионная обработка не так зависима от оборудования, как проволочная резка. Она в значительной степени зависит от навыков и квалификации оператора. При электроэрозионной обработке особое внимание уделяется следующим пяти пунктам:

①Ток электроэрозионной обработки. Для предварительной электроэрозионной обработки можно использовать ток силой 7–10 А, что сокращает время обработки; для чистовой обработки можно использовать ток силой 5–7 А. Целью использования малого тока является получение качественной поверхности;

② Убедитесь в плоскостности торца формы и вертикальности медного электрода. Неплоскостность торца формы или недостаточная вертикальность медного электрода затрудняют соответствие длины рабочей ленты после электроэрозионной обработки проектной длине рабочей ленты. Процесс электроэрозионной обработки может легко привести к сбоям или даже проколу зубчатой ​​рабочей ленты. Поэтому перед обработкой необходимо выровнять оба торца формы на шлифовальном станке для обеспечения требуемой точности, а также откорректировать вертикальность медного электрода с помощью циферблатного индикатора.

③ Убедитесь, что зазор между пустыми ножами равномерный. Во время первичной обработки проверьте, смещен ли пустой инструмент на 0,2 мм на каждые 3–4 мм обработки. Если смещение большое, его будет сложно исправить при последующей регулировке;

④ Своевременно удаляйте остатки, образующиеся в процессе электроэрозионной обработки. Коррозия, вызванная искровым разрядом, приводит к образованию большого количества остатков, которые необходимо своевременно удалять, в противном случае длина рабочей ленты будет разной из-за разной высоты остатков;

⑤Перед электроэрозионной обработкой форму необходимо размагнитить.

5. Сравнение результатов экструзии

Профиль, показанный на рисунке 1, был испытан с использованием традиционной разъемной формы и новой конструкции, предложенной в данной статье. Сравнение результатов представлено в таблице 1.

Из результатов сравнения видно, что конструкция пресс-формы оказывает большое влияние на её срок службы. Пресс-форма, спроектированная по новой схеме, имеет очевидные преимущества и значительно увеличивает срок её службы.

6. Заключение

Пресс-форма для изготовления радиаторного профиля «Подсолнечник» — это довольно сложный в проектировании и изготовлении тип пресс-формы. Поэтому для обеспечения успешного прессования и срока службы пресс-формы необходимо обеспечить следующее:

(1) Конструктивная форма пресс-формы должна быть выбрана обоснованно. Конструкция пресс-формы должна способствовать снижению усилия выдавливания, что снижает нагрузку на консоль пресс-формы, создаваемую зубцами теплоотвода, тем самым повышая прочность пресс-формы. Ключевым моментом является обоснованное определение количества и расположения отверстий для шунтов, их площади и других параметров: во-первых, ширина перемычки между отверстиями для шунтов не должна превышать 16 мм; во-вторых, площадь разделяемых отверстий должна быть определена таким образом, чтобы коэффициент разделения составлял как можно более 30% от коэффициента выдавливания, обеспечивая при этом прочность пресс-формы.

(2) Рационально выбирайте рабочий пояс и принимайте разумные меры во время электрообработки, включая технологию обработки медных электродов и стандартные параметры электрообработки. Первым ключевым моментом является шлифование поверхности медного электрода перед резкой проволоки, а также использование правильного способа установки электрода во время резки проволоки, чтобы гарантировать отсутствие ослабления и деформации электродов.

(3) В процессе электромеханической обработки электрод должен быть точно выровнен, чтобы избежать смещения зубцов. Конечно, использование высококачественной стали для пресс-форм, предназначенных для горячей обработки, и вакуумная термообработка с тремя или более отпусками, основанные на разумном проектировании и производстве, позволяют максимально раскрыть потенциал пресс-формы и добиться лучших результатов. Только точность каждого звена на всех этапах – от проектирования и изготовления до экструзии – позволяет гарантировать, что пресс-форма для радиаторного профиля «Подсолнечник» будет изготовлена ​​методом экструзии.