1. Uvod
Kalup je ključno orodje za iztiskanje aluminijastih profilov. Med postopkom iztiskanja profila mora kalup prenesti visoko temperaturo, visok pritisk in veliko trenje. Med dolgotrajno uporabo bo povzročilo obrabo plesni, plastično deformacijo in poškodbe zaradi utrujenosti. V hujših primerih lahko povzroči zlome plesni.
2. Oblike okvar in vzroki plesni
2.1 Okvara obrabe
Obraba je glavna oblika, ki vodi do okvare ekstruzijske matrice, kar bo povzročilo nepravilno velikost aluminijastih profilov in upad kakovosti površine. Med iztiskanjem se aluminijasti profili srečajo z odprtim delom kalupne votline skozi ekstrudirani material pod visoko temperaturo in visokim pritiskom brez obdelave z mazanjem. Ena stran se neposredno dotika ravnine traku čeljusti, druga stran pa drsi, kar povzroči veliko trenje. Površina votline in površina jermena čeljusti sta izpostavljeni obrabi in okvaram. Hkrati se med postopkom trenja kalupa na delovno površino kalupa prilepi nekaj kovinskih gredic, zaradi česar se geometrija kalupa spremeni in ga ni mogoče uporabiti, prav tako pa se obravnava kot okvara obrabe, kar je izraženo v obliki pasivizacije rezalnega roba, zaobljenih robov, ravninskih ugrezov, površinskih utorov, luščenja itd.
Posebna oblika obrabe matrice je povezana s številnimi dejavniki, kot je hitrost procesa trenja, kot so kemična sestava in mehanske lastnosti materiala matrice in obdelane gredice, hrapavost površine matrice in gredice ter tlak, temperatura in hitrost med postopkom iztiskanja. Obraba kalupa za iztiskanje aluminija je predvsem toplotna obraba, toplotna obraba je posledica trenja, mehčanja kovinske površine zaradi naraščajoče temperature in prepletanja površine votline kalupa. Ko se površina votline kalupa zmehča pri visoki temperaturi, se njena odpornost proti obrabi močno zmanjša. V procesu toplotne obrabe je temperatura glavni dejavnik, ki vpliva na toplotno obrabo. Višja kot je temperatura, resnejša je toplotna obraba.
2.2 Plastična deformacija
Plastična deformacija matrice za ekstrudiranje aluminijastega profila je proces popuščanja kovinskega materiala matrice.
Ker je ekstruzijska matrica med delovanjem dolgo časa v stanju visoke temperature, visokega tlaka in velikega trenja z ekstrudirano kovino, se površinska temperatura matrice poveča in povzroči mehčanje.
V pogojih zelo visoke obremenitve bo prišlo do velike plastične deformacije, zaradi česar se bo delovni trak zrušil ali ustvaril elipso, oblika proizvedenega izdelka pa se bo spremenila. Tudi če kalup ne povzroči razpok, ne bo uspel, ker ni mogoče zagotoviti dimenzijske natančnosti aluminijastega profila.
Poleg tega je površina ekstruzijske matrice izpostavljena temperaturnim razlikam, ki jih povzroča ponavljajoče se segrevanje in ohlajanje, kar povzroča izmenično toplotno obremenitev napetosti in stiskanja na površini. Hkrati se tudi mikrostruktura v različnih stopnjah spreminja. Pod tem kombiniranim učinkom bo prišlo do obrabe kalupa in površinske plastične deformacije.
2.3 Poškodbe zaradi utrujenosti
Poškodbe zaradi toplotne utrujenosti so tudi ena najpogostejših oblik odpovedi kalupov. Ko segreta aluminijasta palica pride v stik s površino ekstruzijske matrice, se površinska temperatura aluminijaste palice dvigne veliko hitreje kot notranja temperatura in na površini zaradi raztezanja nastane tlačna napetost.
Hkrati se zaradi povišanja temperature zmanjša meja tečenja površine kalupa. Ko povečanje tlaka preseže mejo tečenja površinske kovine pri ustrezni temperaturi, se na površini pojavi plastična tlačna deformacija. Ko profil zapusti kalup, se površinska temperatura zmanjša. Ko pa je temperatura znotraj profila še vedno visoka, se pojavi natezna napetost.
Podobno, ko povečanje natezne napetosti preseže mejo tečenja površine profila, se pojavi plastična natezna deformacija. Ko lokalna deformacija kalupa preseže mejo elastičnosti in vstopi v območje plastične deformacije, lahko postopno kopičenje majhnih plastičnih deformacij povzroči razpoke zaradi utrujenosti.
Zato je treba za preprečitev ali zmanjšanje poškodb kalupa zaradi utrujenosti izbrati ustrezne materiale in sprejeti ustrezen sistem toplotne obdelave. Hkrati je treba pozornost nameniti izboljšanju okolja uporabe plesni.
2.4 Zlom kalupa
V dejanski proizvodnji so razpoke razporejene v določenih delih kalupa. Po določenem času delovanja nastanejo majhne razpoke, ki se postopoma širijo v globino. Ko se razpoke razširijo na določeno velikost, bo nosilnost kalupa močno oslabljena in povzroči zlom. Ali pa so se mikrorazpoke pojavile že med prvotno toplotno obdelavo in obdelavo kalupa, zaradi česar se kalup zlahka razširi in povzroči zgodnje razpoke med uporabo.
Kar zadeva načrtovanje, sta glavna razloga za neuspeh zasnova trdnosti kalupa in izbira polmera zaokrožitve na prehodu. Kar zadeva proizvodnjo, so glavni razlogi predhodni pregled materiala in pozornost na površinsko hrapavost in poškodbe med obdelavo ter vpliv toplotne obdelave in kakovosti površinske obdelave.
Med uporabo je treba posvetiti pozornost nadzoru predgretja kalupa, ekstruzijskega razmerja in temperature ingota, kot tudi nadzoru hitrosti ekstrudiranja in toka deformacije kovine.
3. Izboljšanje življenjske dobe plesni
Pri proizvodnji aluminijastih profilov stroški kalupov predstavljajo velik delež proizvodnih stroškov ekstrudiranja profilov.
Kakovost kalupa neposredno vpliva tudi na kakovost izdelka. Ker so delovni pogoji ekstruzijskega kalupa v proizvodnji ekstrudiranja profilov zelo težki, je potrebno strogo nadzorovati kalup od zasnove in izbire materiala do končne izdelave kalupa ter kasnejše uporabe in vzdrževanja.
Zlasti med proizvodnim procesom mora imeti kalup visoko toplotno stabilnost, toplotno utrujenost, toplotno odpornost proti obrabi in zadostno žilavost, da se podaljša življenjska doba kalupa in zmanjšajo proizvodni stroški.
3.1 Izbira materialov za kalupe
Postopek iztiskanja aluminijastih profilov je visokotemperaturni proces obdelave z visoko obremenitvijo, matrica za iztiskanje aluminija pa je izpostavljena zelo težkim pogojem uporabe.
Ekstruzijska matrica je izpostavljena visokim temperaturam, lokalna površinska temperatura pa lahko doseže 600 stopinj Celzija. Površina ekstruzijske matrice se večkrat segreva in ohlaja, kar povzroča toplotno utrujenost.
Pri ekstrudiranju aluminijevih zlitin mora kalup prenesti visoke stiskalne, upogibne in strižne obremenitve, ki bodo povzročile adhezijsko obrabo in abrazivno obrabo.
Odvisno od delovnih pogojev ekstruzijske matrice je mogoče določiti zahtevane lastnosti materiala.
Najprej mora imeti material dobre procesne lastnosti. Material mora biti enostaven za taljenje, kovanje, obdelavo in toplotno obdelavo. Poleg tega mora imeti material visoko trdnost in visoko trdoto. Ekstruzijske matrice običajno delujejo pri visoki temperaturi in visokem tlaku. Pri ekstrudiranju aluminijevih zlitin mora biti natezna trdnost materiala matrice pri sobni temperaturi večja od 1500 MPa.
Imeti mora visoko toplotno odpornost, to je sposobnost, da se upre mehanskim obremenitvam pri visokih temperaturah med ekstrudiranjem. Imeti mora visoke vrednosti udarne žilavosti in lomne žilavosti pri normalni temperaturi in visoki temperaturi, da se kalupu prepreči krhek zlom pod stresnimi pogoji ali udarnimi obremenitvami.
Imeti mora visoko odpornost proti obrabi, to pomeni, da ima površina sposobnost odpornosti proti obrabi pri dolgotrajni visoki temperaturi, visokem tlaku in slabem mazanju, zlasti pri ekstrudiranju aluminijevih zlitin, ima sposobnost odpornosti na oprijem in obrabo kovin.
Za zagotovitev visokih in enakomernih mehanskih lastnosti po celotnem preseku orodja je potrebna dobra kaljivost.
Visoka toplotna prevodnost je potrebna za hitro odvajanje toplote z delovne površine kalupa orodja, da se prepreči lokalno pregorevanje ali prekomerna izguba mehanske trdnosti ekstrudiranega obdelovanca in samega kalupa.
Imeti mora močno odpornost na ponavljajoče se ciklične obremenitve, kar pomeni, da zahteva visoko trajno trdnost, da prepreči poškodbe zaradi prezgodnje utrujenosti. Imeti mora tudi določeno odpornost proti koroziji in dobre lastnosti nitriranja.
3.2 Razumna zasnova kalupa
Razumna zasnova kalupa je pomemben del podaljšanja njegove življenjske dobe. Pravilno oblikovana struktura kalupa mora zagotavljati, da v običajnih pogojih uporabe ni možnosti zloma zaradi udarca in koncentracije napetosti. Zato pri načrtovanju kalupa poskusite, da je napetost na vsakem delu enakomerna in bodite pozorni, da se izognete ostrim vogalom, konkavnim vogalom, razliki v debelini stene, ravnemu širokemu tankemu odseku stene itd., da se izognete pretirani koncentraciji napetosti. Nato povzroči deformacijo toplotne obdelave, razpoke in krhke zlome ali zgodnje vroče razpoke med uporabo, medtem ko je standardizirana zasnova ugodna tudi za izmenjavo shranjevanja in vzdrževanja kalupa.
3.3 Izboljšajte kakovost toplotne obdelave in površinske obdelave
Življenjska doba ekstruzijske matrice je v veliki meri odvisna od kakovosti toplotne obdelave. Zato so napredne metode toplotne obdelave in postopki toplotne obdelave ter obdelave za utrjevanje in površinsko utrjevanje še posebej pomembne za izboljšanje življenjske dobe kalupa.
Hkrati so postopki toplotne obdelave in utrjevanja površin strogo nadzorovani, da se preprečijo napake pri toplotni obdelavi. Prilagajanje procesnih parametrov kaljenja in popuščanja, povečanje števila predobdelave, stabilizacijske obdelave in popuščanja, posvečanje pozornosti nadzoru temperature, intenzivnosti segrevanja in hlajenja, uporaba novih medijev za kaljenje in preučevanje novih procesov in nove opreme, kot so ojačitvena in utrjevalna obdelava ter različna površinska utrjevanja obdelave, prispevajo k izboljšanju življenjske dobe kalupa.
3.4 Izboljšajte kakovost izdelave kalupov
Med obdelavo kalupov običajne metode obdelave vključujejo mehansko obdelavo, rezanje žice, obdelavo z električnim praznjenjem itd. Mehanska obdelava je nepogrešljiv in pomemben proces v procesu obdelave kalupov. Ne spremeni samo velikosti videza kalupa, ampak tudi neposredno vpliva na kakovost profila in življenjsko dobo kalupa.
Rezanje lukenj z žico je široko uporabljena procesna metoda pri obdelavi kalupov. Izboljša učinkovitost obdelave in natančnost obdelave, prinaša pa tudi nekaj posebnih težav. Na primer, če se kalup, obdelan z rezanjem žice, uporablja neposredno za proizvodnjo brez kaljenja, bo zlahka prišlo do žlindre, luščenja itd., kar bo zmanjšalo življenjsko dobo kalupa. Zato lahko zadostno temperiranje kalupa po rezanju žice izboljša stanje površinske natezne napetosti, zmanjša preostalo napetost in podaljša življenjsko dobo kalupa.
Koncentracija napetosti je glavni vzrok za zlom kalupa. Znotraj obsega, ki ga dovoljuje načrt risbe, večji kot je premer žice za rezanje žice, tem bolje. To ne le pomaga izboljšati učinkovitost obdelave, ampak tudi močno izboljša porazdelitev stresa, da se prepreči pojav koncentracije stresa.
Obdelava z električnim praznjenjem je vrsta električne korozijske obdelave, ki se izvaja s superpozicijo uparjanja materiala, taljenja in izhlapevanja obdelovalne tekočine, ki nastane med praznjenjem. Težava je v tem, da se zaradi toplote segrevanja in hlajenja, ki deluje na obdelovalno tekočino, in elektrokemičnega delovanja obdelovalne tekočine v obdelovalnem delu oblikuje spremenjena plast, ki povzroči deformacijo in napetost. V primeru olja se atomi ogljika zaradi izgorevanja olja razgradijo in naogljičijo na obdelovanec. Ko se toplotna obremenitev poveča, pokvarjena plast postane krhka in trda ter je nagnjena k razpokam. Istočasno se oblikuje zaostala napetost in se pritrdi na obdelovanec. To bo povzročilo zmanjšano utrujenostno trdnost, pospešen lom, napetostno korozijo in druge pojave. Zato se moramo med procesom obdelave poskušati izogniti zgornjim težavam in izboljšati kakovost obdelave.
3.5 Izboljšajte delovne pogoje in pogoje postopka ekstrudiranja
Delovni pogoji ekstruzijske matrice so zelo slabi, delovno okolje pa je tudi zelo slabo. Zato so izboljšanje metode ekstrudiranja in procesnih parametrov ter izboljšanje delovnih pogojev in delovnega okolja koristni za izboljšanje življenjske dobe matrice. Zato je treba pred iztiskanjem skrbno oblikovati načrt iztiskanja, izbrati najboljši sistem opreme in specifikacije materiala, oblikovati najboljše parametre postopka iztiskanja (kot so temperatura iztiskanja, hitrost, koeficient iztiskanja in tlak iztiskanja itd.) ter izboljšati delovno okolje med iztiskanjem (kot je vodno hlajenje ali hlajenje z dušikom, zadostno mazanje itd.), s čimer se zmanjša delovna obremenitev kalupa (kot je zmanjšanje ekstruzijskega tlaka, zmanjšanje ohlajanja in izmenične obremenitve itd.), vzpostavitev in izboljšanje procesne operativne postopke in postopke varne uporabe.
4 Zaključek
Z razvojem trendov v industriji aluminija v zadnjih letih vsi iščejo boljše razvojne modele za izboljšanje učinkovitosti, prihranek stroškov in povečanje koristi. Ekstruzijska matrica je nedvomno pomembno krmilno vozlišče za proizvodnjo aluminijastih profilov.
Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na življenjsko dobo matrice za iztiskanje aluminija. Poleg notranjih dejavnikov, kot so konstrukcijska zasnova in trdnost matrice, materiali matrice, hladna in toplotna obdelava ter tehnologija električne obdelave, toplotna obdelava in tehnologija površinske obdelave, obstajajo še postopek ekstrudiranja in pogoji uporabe, vzdrževanje in popravilo matrice, ekstrudiranje značilnosti in oblika materiala izdelka, specifikacije in znanstveno upravljanje matrice.
Hkrati pa vplivni dejavniki niso en sam, ampak zapleten večfaktorski celovit problem, izboljšanje njegove življenjske dobe je seveda tudi sistemski problem, pri dejanski proizvodnji in uporabi procesa je treba optimizirati zasnovo, obdelavo plesni, uporabo vzdrževanja in druge glavne vidike nadzora, nato pa izboljšajte življenjsko dobo plesni, zmanjšajte proizvodne stroške, izboljšajte učinkovitost proizvodnje.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminium
Čas objave: 14. avgusta 2024
