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

1. Анализ конструктивных характеристик алюминиевых профилей

На рисунке 1 показано поперечное сечение типичного алюминиевого профиля радиатора подсолнечника. Площадь поперечного сечения профиля составляет 7773,5 мм², в общей сложности 40 зубцов для рассеивания тепла. Максимальный размер отверстия для подвешивания, образованного между зубцами, составляет 4,46 мм. После расчета соотношение язычка между зубцами составляет 15,7. В то же время 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 зрелых структур пресс-форм, таких как «закрытая разделительная форма», «разрезанная разделительная форма», «разделительная форма подвесного моста» и т. д. Однако эти структуры не применимы к изделиям, состоящим из нескольких полупустых профилей. Традиционное проектирование учитывает только материалы, но при экструзионном формовании наибольшее влияние на прочность оказывает сила выдавливания во время процесса экструзии, а процесс формования металла является основным фактором, генерирующим силу выдавливания.

Из-за большой центральной твердой области профиля солнечного радиатора очень легко сделать общую скорость потока в этой области слишком быстрой во время процесса экструзии, и дополнительное растягивающее напряжение будет генерироваться на головке межзубчатой ​​подвесной трубки, что приведет к разрушению межзубчатой ​​подвесной трубки. Поэтому при проектировании структуры пресс-формы мы должны сосредоточиться на регулировке скорости потока металла и расхода потока для достижения цели снижения давления экструзии и улучшения напряженного состояния подвесной трубы между зубцами, чтобы 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 принять структуру разъемной формы, как показано на рисунке 2. В отличие от традиционной структуры шунтовой формы, камера металлической паяльной станции помещается в верхнюю форму, а в нижней форме используется вставная структура. Цель состоит в том, чтобы снизить затраты на пресс-форму и сократить цикл изготовления пресс-формы. Как верхняя, так и нижняя формы являются универсальными и могут использоваться повторно. Что еще более важно, блоки отверстий матрицы могут обрабатываться независимо, что может лучше гарантировать точность рабочего пояса отверстия матрицы. Внутреннее отверстие нижней формы спроектировано как ступенька. Верхняя часть и блок отверстий формы принимают посадку с зазором, а величина зазора с обеих сторон составляет 0,06 ~ 0,1 м; нижняя часть принимает посадку с натягом, а величина натяга с обеих сторон составляет 0,02 ~ 0,04 м, что помогает обеспечить соосность и облегчает сборку, делая посадку вставки более компактной, и в то же время это может избежать деформации формы, вызванной посадкой с натягом при тепловой установке.

2.2 Выбор производительности экструдера

Выбор мощности экструдера заключается, с одной стороны, в определении соответствующего внутреннего диаметра экструзионного цилиндра и максимального удельного давления экструдера на экструзионном цилиндре для соответствия давлению во время формовки металла. С другой стороны, это определение соответствующего коэффициента экструзии и выбор соответствующих спецификаций размера пресс-формы на основе стоимости. Для алюминиевого профиля радиатора подсолнечника коэффициент экструзии не может быть слишком большим. Основная причина заключается в том, что сила экструзии пропорциональна коэффициенту экструзии. Чем больше коэффициент экструзии, тем больше сила экструзии. Это крайне пагубно для пресс-формы алюминиевого профиля радиатора подсолнечника.

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 скажется на сроке службы формы; если удельное давление слишком низкое, она не сможет 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 отверстий для отвода. Для формы шунта профиля радиатора подсолнечника, чем больше количество отверстий шунта, тем лучше. Для профилей с похожей круглой формой обычно выбирают от 3 до 4 традиционных отверстий шунта. Результатом является то, что ширина моста шунта больше. Как правило, когда она больше 20 мм, количество сварных швов меньше. Однако при выборе рабочего пояса отверстия матрицы рабочий пояс отверстия матрицы в нижней части моста шунта должен быть короче. При условии, что нет точного метода расчета для выбора рабочего пояса, это, естественно, приведет к тому, что отверстие матрицы под мостом и другие детали не будут достигать точно такой же скорости потока во время экструзии из-за разницы в рабочем поясе. Эта разница в скорости потока создаст дополнительное растягивающее напряжение на консоли и вызовет отклонение зубцов рассеивания тепла. Поэтому для экструзионной матрицы радиатора подсолнечника с плотным количеством зубцов очень важно гарантировать, что скорость потока каждого зубца будет постоянной. По мере увеличения количества шунтирующих отверстий соответственно увеличится и количество шунтирующих мостов, а скорость потока и распределение потока металла станут более равномерными. Это происходит потому, что по мере увеличения количества шунтирующих мостов ширина шунтирующих мостов может быть соответственно уменьшена.

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

Кроме того, при размещении отверстий шунта следует рассмотреть возможность использования верхней формы для надлежащего экранирования головки консоли зуба рассеивания тепла, чтобы предотвратить прямое попадание металла на головку трубки консоли и, таким образом, улучшить напряженное состояние трубки консоли. Заблокированная часть головки консоли между зубцами может составлять 1/5~1/4 длины трубки консоли. Расположение отверстий шунта показано на рисунке 3.

(2) Соотношение площади отверстия шунта. Поскольку толщина стенки корня горячего зуба мала, а высота далека от центра, а физическая площадь сильно отличается от центра, это самая сложная часть для формования металла. Поэтому ключевым моментом в конструкции формы профиля радиатора подсолнечника является максимально медленное изменение скорости потока центральной твердой части, чтобы гарантировать, что металл сначала заполнит корень зуба. Для достижения такого эффекта, с одной стороны, это выбор рабочего пояса и, что более важно, определение площади отверстия дивертора, в основном площади центральной части, соответствующей отверстию дивертора. Испытания и эмпирические значения показывают, что наилучший эффект достигается, когда площадь центрального отверстия дивертора S1 и площадь внешнего одиночного отверстия дивертора 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. Экструзионная матрица для профиля радиатора Sunflower отличается от традиционной шунта. Вся ее сварочная камера должна быть расположена в верхней матрице. Это необходимо для обеспечения точности обработки блока отверстий нижней матрицы, особенно точности рабочего пояса. По сравнению с традиционной шунтом, глубина сварочной камеры шунта формы для профиля радиатора Sunflower должна быть увеличена. Чем больше мощность экструзионной машины, тем больше увеличение глубины сварочной камеры, которая составляет 15 ~ 25 мм. Например, если используется экструзионная машина 20 МН, глубина сварочной камеры традиционной шунта составляет 20 ~ 22 мм, в то время как глубина сварочной камеры шунта матрицы для профиля радиатора Sunflower должна составлять 35 ~ 40 мм. Преимущество этого заключается в том, что металл полностью сваривается, и напряжение на подвешенной трубе значительно снижается. Структура сварочной камеры верхней формы показана на рисунке 4.

3.2 Конструкция вставки отверстия матрицы

Конструкция блока отверстий матрицы в основном включает в себя размер отверстия матрицы, рабочий пояс, наружный диаметр и толщину зеркального блока и т. д.

(1) Определение размера отверстия матрицы. Размер отверстия матрицы можно определить традиционным способом, в основном с учетом масштабирования термической обработки сплава.

(2) Выбор рабочего пояса. Принцип выбора рабочего пояса заключается в том, чтобы, во-первых, обеспечить достаточную подачу всего металла в нижней части корня зуба, чтобы скорость потока в нижней части корня зуба была выше, чем в других частях. Поэтому рабочий пояс в нижней части корня зуба должен быть самым коротким, со значением 0,3~0,6 мм, а рабочий пояс в соседних частях должен быть увеличен на 0,3 мм. Принцип заключается в увеличении на 0,4~0,5 каждые 10~15 мм по направлению к центру; во-вторых, рабочий пояс в самой большой сплошной части центра не должен превышать 7 мм. В противном случае, если разница в длине рабочего пояса слишком велика, возникнут большие ошибки при обработке медных электродов и обработке рабочего пояса электроэрозионным методом. Эта ошибка может легко привести к поломке прогиба зуба во время процесса экструзии. Рабочий пояс показан на рисунке 5.

 

(3) Внешний диаметр и толщина вставки. Для традиционных шунтовных форм толщина вставки отверстия матрицы равна толщине нижней формы. Однако для формы радиатора подсолнечника, если эффективная толщина отверстия матрицы слишком велика, профиль будет легко сталкиваться с формой во время экструзии и выгрузки, что приведет к неровным зубцам, царапинам или даже заклиниванию зубцов. Это приведет к поломке зубцов.

Кроме того, если толщина отверстия матрицы слишком велика, с одной стороны, время обработки во время процесса EDM велико, а с другой стороны, легко вызвать отклонение от электрической коррозии, а также легко вызвать отклонение зуба во время экструзии. Конечно, если толщина отверстия матрицы слишком мала, прочность зубьев не может быть гарантирована. Поэтому, принимая во внимание эти два фактора, опыт показывает, что степень вставки отверстия матрицы нижней формы обычно составляет от 40 до 50; а наружный диаметр вставки отверстия матрицы должен составлять от 25 до 30 мм от самого большого края отверстия матрицы до внешнего круга вставки.

Для профиля, показанного на рисунке 1, наружный диаметр и толщина блока отверстий матрицы составляют 225 мм и 50 мм соответственно. Вставка отверстия матрицы 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 матрицы показан на рисунке 6. Номинальный размер внутреннего отверстия блока отверстий матрицы, размещенного на нижней форме, составляет 225 мм. На основе фактического измеренного размера блок отверстий матрицы подбирается в соответствии с принципом 0,01~0,02 мм на сторону. Наружный диаметр блока отверстий матрицы можно получить как D, но для удобства установки наружный диаметр зеркального блока отверстий матрицы можно соответствующим образом уменьшить в диапазоне 0,1 м на конце подачи, как показано на рисунке.

4. Основные технологии изготовления пресс-форм

Обработка формы радиаторного профиля Sunflower не сильно отличается от обработки обычных алюминиевых профилей. Очевидная разница в основном отражается в электрической обработке.

(1) С точки зрения резки проволоки, необходимо предотвратить деформацию медного электрода. Поскольку медный электрод, используемый для EDM, тяжелый, зубья слишком малы, сам электрод мягкий, имеет плохую жесткость, а локальная высокая температура, создаваемая резкой проволоки, приводит к тому, что электрод легко деформируется в процессе резки проволоки. При использовании деформированных медных электродов для обработки рабочих ремней и пустых ножей, могут возникнуть перекошенные зубья, что может легко привести к поломке формы во время обработки. Поэтому необходимо предотвратить деформацию медных электродов во время процесса производства в режиме онлайн. Основные профилактические меры: перед резкой проволоки выровняйте медный блок с помощью станины; используйте циферблатный индикатор для регулировки вертикальности в начале; при резке проволоки сначала начинайте с зубчатой ​​части и, наконец, отрежьте часть с толстой стенкой; Время от времени используйте обрезки серебряной проволоки для заполнения отрезанных частей; после изготовления проволоки используйте проволочный станок, чтобы отрезать короткий участок около 4 мм по длине отрезанного медного электрода.

(2) Электроэрозионная обработка, очевидно, отличается от обычных форм. Электроэрозионная обработка очень важна при обработке форм для радиаторных профилей подсолнечника. Даже если конструкция идеальна, небольшой дефект в электроэрозионной обработке приведет к тому, что вся форма будет отбракована. Электроэрозионная обработка не так зависит от оборудования, как резка проволокой. Она во многом зависит от навыков и мастерства оператора. Электроэрозионная обработка в основном уделяет внимание следующим пяти пунктам:

①Ток электроэрозионной обработки. Ток 7~10 А можно использовать для начальной электроэрозионной обработки, чтобы сократить время обработки; ток 5~7 А можно использовать для финишной обработки. Целью использования малого тока является получение хорошей поверхности;

② Обеспечьте плоскостность торцевой поверхности формы и вертикальность медного электрода. Плохая плоскостность торцевой поверхности формы или недостаточная вертикальность медного электрода затрудняют обеспечение соответствия длины рабочей ленты после обработки EDM проектной длине рабочей ленты. Процесс EDM легко может выйти из строя или даже прорезать зубчатую рабочую ленту. Поэтому перед обработкой необходимо использовать шлифовальный станок для выравнивания обоих концов формы, чтобы соответствовать требованиям точности, а также использовать циферблатный индикатор для корректировки вертикальности медного электрода;

③ Убедитесь, что зазор между пустыми ножами равномерный. Во время первоначальной обработки проверьте, смещен ли пустой инструмент на 0,2 мм каждые 3–4 мм обработки. Если смещение большое, его будет сложно исправить с помощью последующих регулировок;

④ Своевременно удаляйте остатки, образующиеся в процессе электроэрозионной обработки. Коррозия от искрового разряда приводит к образованию большого количества остатков, которые необходимо своевременно убирать, 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 схемы проектирования, предложенной в этой статье. Сравнение результатов показано в таблице 1.

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

6. Заключение

Пресс-форма для экструзии радиаторного профиля «подсолнух» — это тип пресс-формы, которую очень сложно спроектировать и изготовить, а ее проектирование и изготовление относительно сложны. Поэтому для обеспечения успешности экструзии и срока службы пресс-формы необходимо достичь следующих пунктов:

(1) Структурная форма формы должна быть выбрана разумно. Структура формы должна способствовать уменьшению силы экструзии, чтобы уменьшить напряжение на консоли формы, образованной зубцами рассеивания тепла, тем самым повышая прочность формы. Ключевым моментом является разумное определение количества и расположения отверстий шунта, площади отверстий шунта и других параметров: во-первых, ширина моста шунта, образованного между отверстиями шунта, не должна превышать 16 мм; во-вторых, площадь разделенного отверстия должна быть определена таким образом, чтобы соотношение разделения достигало более 30% от соотношения экструзии, насколько это возможно, при обеспечении прочности формы.

(2) Разумно выбирайте рабочий пояс и принимайте разумные меры во время электрообработки, включая технологию обработки медных электродов и электрические стандартные параметры электрообработки. Первым ключевым моментом является то, что медный электрод должен быть отшлифован до резки проволоки, и метод вставки должен использоваться во время резки проволоки, чтобы гарантировать это. Электроды не должны быть ослаблены или деформированы.

(3) В процессе электрообработки электрод должен быть точно выровнен, чтобы избежать отклонения зуба. Конечно, на основе разумного проектирования и производства, использование высококачественной стали для форм горячей обработки и процесс вакуумной термообработки трех или более отпусков могут максимизировать потенциал формы и достичь лучших результатов. От проектирования, производства до экструзионного производства, только если каждое звено является точным, мы можем гарантировать, что форма для профиля радиатора подсолнечника будет экструдирована.