1. Uvod
Kalup je ključno orodje za ekstruzijo aluminijastih profilov. Med postopkom ekstrudiranja profila mora kalup prenesti visoke temperature, visok tlak in veliko trenje. Med dolgotrajno uporabo bo to povzročilo obrabo kalupa, plastično deformacijo in utrujenost materiala. V hujših primerih lahko povzroči lom kalupa.
2. Oblike okvar in vzroki plesni
2.1 Obrabna okvara
Obraba je glavni vzrok za okvaro ekstruzijske matrice, kar povzroči, da se velikost aluminijastih profilov spremeni in kakovost površine se zmanjša. Med ekstrudiranjem se aluminijasti profili pod visokimi temperaturami in visokim tlakom brez mazanja srečajo z odprtim delom votline kalupa skozi ekstruzijski material pod vplivom visoke temperature in visokega tlaka. Ena stran se neposredno dotika ravnine čeljustnega traku, druga stran pa drsi, kar povzroči veliko trenje. Površina votline in površina čeljustnega traku sta izpostavljeni obrabi in okvari. Hkrati se med trenjem kalupa del kovine oprime delovne površine kalupa, zaradi česar se geometrija kalupa spremeni in ga ni mogoče uporabiti. To se šteje tudi za okvaro zaradi obrabe, ki se kaže v pasivizaciji rezalnega roba, zaobljenih robovih, ugrezovanju ravnine, površinskih utorih, luščenju itd.
Specifična oblika obrabe kalupa je povezana s številnimi dejavniki, kot so hitrost trenja, kemična sestava in mehanske lastnosti materiala kalupa in obdelanega obdelovanca, hrapavost površine kalupa in obdelovanca ter tlak, temperatura in hitrost med postopkom ekstrudiranja. Obraba aluminijastega ekstruzijskega kalupa je predvsem toplotna obraba, ki jo povzroča trenje, kovinska površina se zaradi naraščajoče temperature zmehča in površina votline kalupa se prepleta. 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, hujša je toplotna obraba.
2.2 Plastična deformacija
Plastična deformacija ekstruzijske matrice iz aluminijastega profila je postopek popuščanja kovinskega materiala matrice.
Ker je ekstruzijska matrica med delovanjem dlje časa v stanju visoke temperature, visokega tlaka in visokega trenja z ekstrudirano kovino, se površinska temperatura matrice poveča in povzroči mehčanje.
Pri zelo visokih obremenitvah pride do velike plastične deformacije, zaradi katere se delovni trak zruši ali ustvari elipso, oblika izdelka pa se spremeni. Tudi če kalup ne povzroči razpok, bo odpovedal, ker ni mogoče zagotoviti dimenzijske natančnosti aluminijastega profila.
Poleg tega je površina ekstruzijske matrice izpostavljena temperaturnim razlikam, ki jih povzroča ponavljajoče se segrevanje in hlajenje, kar povzroča izmenične toplotne napetosti napetosti in stiskanja na površini. Hkrati se mikrostruktura spreminja v različnih stopnjah. Zaradi tega kombiniranega učinka pride do obrabe kalupa in plastične deformacije površine.
2.3 Poškodbe zaradi utrujenosti
Poškodba zaradi toplotne utrujenosti je tudi ena najpogostejših oblik odpovedi kalupa. Ko segreta aluminijasta palica pride v stik s površino ekstruzijske matrice, se površinska temperatura aluminijaste palice dvigne veliko hitreje kot notranja temperatura, zaradi raztezanja pa na površini nastane tlačna napetost.
Hkrati se zaradi naraščanja 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 temperatura površine zniža. Ko pa je temperatura v notranjosti profila še vedno visoka, se pojavi natezna deformacija.
Podobno, ko povečanje natezne napetosti preseže mejo tečenja površine profila, pride do plastične natezne deformacije. Ko lokalna deformacija kalupa preseže mejo elastičnosti in vstopi v območje plastične deformacije, lahko postopno kopičenje majhnih plastičnih deformacij povzroči utrujenostne razpoke.
Zato je treba za preprečevanje ali zmanjšanje utrujenostnih poškodb kalupa izbrati ustrezne materiale in uporabiti ustrezen sistem toplotne obdelave. Hkrati je treba pozornost nameniti izboljšanju okolja uporabe kalupa.
2.4 Lomljenje plesni
V dejanski proizvodnji se razpoke porazdelijo po določenih delih kalupa. Po določenem obdobju uporabe nastanejo majhne razpoke, ki se postopoma širijo v globino. Ko se razpoke razširijo do določene velikosti, se nosilnost kalupa močno oslabi in povzroči zlom. Ali pa so se mikrorazpoke že pojavile med prvotno toplotno obdelavo in predelavo kalupa, zaradi česar se kalup lahko razširi in povzroči zgodnje razpoke med uporabo.
Kar zadeva zasnovo, sta glavna razloga za neuspeh konstrukcija trdnosti kalupa in izbira polmera zaobljenja na prehodu. Kar zadeva proizvodnjo, sta glavna razloga predhodni pregled materiala in pozornost na hrapavost površine in poškodbe med obdelavo ter vpliv toplotne obdelave in kakovosti površinske obdelave.
Med uporabo je treba pozornost nameniti nadzoru predgrevanja kalupa, razmerju ekstrudiranja in temperaturi ingota ter nadzoru hitrosti ekstrudiranja in pretoka 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 pri proizvodnji profilov zelo zahtevni, je treba kalup strogo nadzorovati od zasnove in izbire materiala do končne izdelave kalupa ter nadaljnje uporabe in vzdrževanja.
Predvsem 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 ekstrudiranja aluminijastih profilov je postopek obdelave pri visokih temperaturah in obremenitvah, aluminijasta ekstruzijska matrica 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 segreje in ohladi, kar povzroča toplotno utrujenost.
Pri ekstrudiranju aluminijevih zlitin mora kalup prenesti visoke tlačne, upogibne in strižne napetosti, kar povzroči adhezijsko in abrazivno obrabo.
Glede na delovne pogoje 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. Ekstruzijski 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, torej sposobnost, da se upre mehanskim obremenitvam pri visokih temperaturah med ekstrudiranjem. Imeti mora visoke vrednosti udarne in lomne žilavosti pri normalni in visoki temperaturi, da se prepreči krhek lom kalupa pod stresnimi pogoji ali udarnimi obremenitvami.
Imeti mora visoko odpornost proti obrabi, kar pomeni, da se površina lahko upre obrabi pri dolgotrajni visoki temperaturi, visokem tlaku in slabem mazanju, zlasti pri ekstrudiranju aluminijevih zlitin, saj se lahko upre oprijemu in obrabi kovin.
Dobra kaljivost je potrebna za zagotovitev visokih in enakomernih mehanskih lastnosti po celotnem prerezu orodja.
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.
Mora imeti močno odpornost na ponavljajoče se ciklične obremenitve, kar pomeni, da zahteva visoko trajno trdnost, da se prepreči prezgodnja utrujenost. Prav tako mora imeti določeno odpornost proti koroziji in dobre lastnosti nitriranja.
3.2 Razumna zasnova kalupa
Razumna zasnova kalupa je pomemben del podaljšanja njegove življenjske dobe. Pravilno zasnovana struktura kalupa mora zagotoviti, da v normalnih pogojih uporabe ni možnosti za prelom zaradi udarca in koncentracijo napetosti. Zato pri načrtovanju kalupa poskušajte enakomerno obremeniti vsak del in bodite pozorni na ostre vogale, konkavne vogale, razlike v debelini sten, ravne, široke in tanke stene itd., da preprečite prekomerno koncentracijo napetosti. To lahko povzroči deformacije zaradi toplotne obdelave, razpoke in krhek lom ali zgodnje vroče razpoke med uporabo, standardizirana zasnova pa je ugodna tudi za shranjevanje in vzdrževanje kalupa.
3.3 Izboljšanje kakovosti toplotne 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 kaljenje in utrjevanje površin še posebej pomembni za izboljšanje življenjske dobe kalupa.
Hkrati so postopki toplotne obdelave in površinskega utrjevanja strogo nadzorovani, da se preprečijo napake pri toplotni obdelavi. Prilagajanje parametrov procesa kaljenja in popuščanja, povečanje števila predobdelav, stabilizacijskih obdelav in popuščanja, pozornost do nadzora temperature, intenzivnosti ogrevanja in hlajenja, uporaba novih kalilnih medijev ter preučevanje novih postopkov in nove opreme, kot so utrjevanje in kaljenje ter različne obdelave površinskega utrjevanja, prispevajo k izboljšanju življenjske dobe kalupa.
3.4 Izboljšajte kakovost izdelave kalupov
Med obdelavo kalupov so pogoste metode obdelave mehanska obdelava, rezanje žice, obdelava z električnim praznjenjem itd. Mehanska obdelava je nepogrešljiv in pomemben postopek v procesu obdelave kalupov. Ne le spremeni videz in velikost kalupa, temveč neposredno vpliva tudi na kakovost profila in življenjsko dobo kalupa.
Rezanje z žico za luknje v kalupih je pogosto uporabljena procesna metoda pri obdelavi kalupov. Izboljša učinkovitost in natančnost obdelave, vendar prinaša tudi nekatere posebne težave. Če se na primer kalup, obdelan z žično rezanjem, uporabi neposredno za proizvodnjo brez popuščanja, se zlahka pojavi žlindra, luščenje itd., kar skrajša življenjsko dobo kalupa. Zato lahko zadostno popuščanje kalupa po žičnem rezanju izboljša stanje natezne napetosti površine, zmanjša preostale napetosti in podaljša življenjsko dobo kalupa.
Koncentracija napetosti je glavni vzrok za lom kalupa. V okviru, ki ga dovoljuje zasnova risbe, velja, da večji kot je premer žice za rezanje, tem bolje. To ne le izboljša učinkovitost obdelave, temveč tudi močno izboljša porazdelitev napetosti in prepreči nastanek koncentracije napetosti.
Elektroerozijska obdelava je vrsta elektrokorozijske obdelave, ki se izvaja s superpozicijo uparjanja materiala, taljenja in izhlapevanja obdelovalne tekočine, ki nastane med erozijsko obdelavo. Težava je v tem, da se zaradi toplote segrevanja in hlajenja, ki deluje na obdelovalno tekočino, in elektrokemičnega delovanja obdelovalne tekočine v obdelovancu tvori modificirana plast, ki povzroča deformacije in napetosti. V primeru olja se atomi ogljika, ki se razgradijo zaradi zgorevanja olja, razpršijo in naogljičijo na obdelovanec. Ko se toplotna napetost poveča, poškodovana plast postane krhka in trda ter nagnjena k razpokam. Hkrati se tvorijo preostale napetosti, ki se pritrdijo na obdelovanec. To povzroči zmanjšano utrujenostno trdnost, pospešen lom, napetostno korozijo in druge pojave. Zato se moramo med procesom obdelave poskušati izogniti zgoraj navedenim težavam in izboljšati kakovost obdelave.
3.5 Izboljšanje delovnih pogojev in pogojev ekstruzijskega procesa
Delovni pogoji ekstruzijske matrice so zelo slabi, prav tako pa tudi delovno okolje je zelo slabo. Zato izboljšanje metode ekstruzijskega procesa in procesnih parametrov ter izboljšanje delovnih pogojev in delovnega okolja koristita za podaljšanje življenjske dobe matrice. Pred ekstruzijo je treba skrbno oblikovati načrt ekstruzije, izbrati najboljši sistem opreme in specifikacije materiala, oblikovati najboljše parametre ekstruzijskega procesa (kot so temperatura ekstruzije, hitrost, koeficient ekstruzije in ekstruzijski tlak itd.) ter izboljšati delovno okolje med ekstruzijo (kot je hlajenje z vodo ali dušikom, zadostno mazanje itd.), s čimer se zmanjša delovna obremenitev kalupa (kot je zmanjšanje ekstruzijskega tlaka, zmanjšanje hladilne toplote in izmenične obremenitve itd.), vzpostaviti in izboljšati postopke delovanja procesa in postopke varne uporabe.
4 Zaključek
Z razvojem trendov v aluminijarski industriji 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.
Na življenjsko dobo aluminijaste ekstruzijske matrice vpliva veliko dejavnikov. Poleg notranjih dejavnikov, kot so konstrukcijska zasnova in trdnost matrice, materiali matrice, hladna in termična obdelava ter električna tehnologija obdelave, tehnologija toplotne in površinske obdelave, obstajajo še postopek ekstrudiranja in pogoji uporabe, vzdrževanje in popravilo matrice, značilnosti in oblika materiala ekstruzijskega izdelka, specifikacije in znanstveno upravljanje matrice.
Hkrati vplivni dejavniki niso posamezni, temveč kompleksen večfaktorski celovit problem. Za izboljšanje življenjske dobe je seveda tudi sistemski problem. V dejanski proizvodnji in uporabi procesa je treba optimizirati zasnovo, obdelavo kalupov, vzdrževanje uporabe in druge glavne vidike nadzora, s čimer se podaljša življenjska doba kalupa, zmanjšajo proizvodni stroški in izboljša učinkovitost proizvodnje.
Uredil May Jiang iz MAT Aluminum
Čas objave: 14. avg. 2024
