1. Wprowadzenie
Forma jest kluczowym narzędziem w procesie wytłaczania profili aluminiowych. Podczas procesu wytłaczania profili forma musi być odporna na wysokie temperatury, wysokie ciśnienie i duże tarcie. Podczas długotrwałego użytkowania może to prowadzić do zużycia formy, odkształceń plastycznych i uszkodzeń zmęczeniowych. W poważnych przypadkach może to doprowadzić do pęknięcia formy.
2. Formy i przyczyny uszkodzeń form
2.1 Uszkodzenie spowodowane zużyciem
Zużycie jest główną przyczyną uszkodzenia matrycy wytłaczającej, co powoduje zmianę wymiarów profili aluminiowych i pogorszenie jakości powierzchni. Podczas wytłaczania profile aluminiowe stykają się z otwartą częścią wnęki formy poprzez materiał wytłaczany pod wpływem wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia bez smarowania. Jedna strona styka się bezpośrednio z płaszczyzną paska zacisku, a druga strona ślizga się, co powoduje duże tarcie. Powierzchnia wnęki i powierzchnia paska zacisku ulegają zużyciu i uszkodzeniu. Jednocześnie, podczas procesu tarcia formy, część metalu przywiera do powierzchni roboczej formy, co powoduje zmianę geometrii formy i uniemożliwia jej użytkowanie. Jest to również uważane za uszkodzenie zużycia, które objawia się pasywacją krawędzi skrawającej, zaokrągleniem krawędzi, wgłębieniem, rowkami na powierzchni, łuszczeniem itp.
Specyficzna forma zużycia matrycy jest związana z wieloma czynnikami, takimi jak szybkość procesu tarcia, skład chemiczny i właściwości mechaniczne materiału matrycy i obrabianego wsadu, chropowatość powierzchni matrycy i wsadu, a także ciśnienie, temperatura i prędkość podczas procesu wytłaczania. Zużycie formy do wytłaczania aluminium to głównie zużycie cieplne. Zużycie cieplne jest spowodowane tarciem, zmiękczeniem powierzchni metalu z powodu wzrostu temperatury i zazębieniem się powierzchni wnęki formy. Po zmiękczeniu powierzchni wnęki formy w wysokiej temperaturze jej odporność na zużycie ulega znacznemu zmniejszeniu. W procesie zużycia cieplnego temperatura jest głównym czynnikiem wpływającym na zużycie cieplne. Im wyższa temperatura, tym poważniejsze zużycie cieplne.
2.2 Odkształcenie plastyczne
Odkształcenie plastyczne matrycy do wytłaczania profili aluminiowych jest procesem ustępowania materiału metalowego matrycy.
Ponieważ matryca wytłaczająca podczas pracy przez długi czas znajduje się w stanie wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i dużego tarcia z wytłaczanym metalem, temperatura powierzchni matrycy wzrasta, co powoduje jej zmiękczenie.
W warunkach bardzo dużego obciążenia dochodzi do znacznych odkształceń plastycznych, które powodują zapadnięcie się pasa roboczego lub utworzenie elipsy, a kształt wytwarzanego produktu ulega zmianie. Nawet jeśli forma nie pęknie, ulegnie awarii, ponieważ nie można zagwarantować dokładności wymiarowej profilu aluminiowego.
Ponadto powierzchnia matrycy wytłaczającej jest narażona na różnice temperatur spowodowane wielokrotnym nagrzewaniem i chłodzeniem, co powoduje naprzemienne naprężenia termiczne rozciągające i ściskające na powierzchni. Jednocześnie mikrostruktura ulega przekształceniom o różnym stopniu nasilenia. W wyniku tego łącznego efektu następuje zużycie formy i odkształcenie plastyczne powierzchni.
2.3 Uszkodzenia zmęczeniowe
Uszkodzenie zmęczeniowe cieplne jest również jedną z najczęstszych form awarii formy. Gdy rozgrzany pręt aluminiowy styka się z powierzchnią matrycy wytłaczającej, temperatura powierzchni pręta aluminiowego rośnie znacznie szybciej niż temperatura wewnętrzna, a na powierzchni powstają naprężenia ściskające w wyniku rozszerzania.
Jednocześnie, wraz ze wzrostem temperatury, maleje granica plastyczności powierzchni formy. Gdy wzrost ciśnienia przekroczy granicę plastyczności powierzchniowego metalu w odpowiedniej temperaturze, na powierzchni pojawiają się odkształcenia plastyczne. Po opuszczeniu formy temperatura powierzchni spada. Natomiast gdy temperatura wewnątrz profilu jest nadal wysoka, powstają odkształcenia rozciągające.
Podobnie, gdy wzrost naprężenia rozciągającego przekroczy granicę plastyczności powierzchni profilu, wystąpi plastyczne odkształcenie rozciągające. Gdy lokalne odkształcenie formy przekroczy granicę sprężystości i wejdzie w obszar odkształcenia plastycznego, stopniowa akumulacja małych odkształceń plastycznych może prowadzić do pęknięć zmęczeniowych.
Dlatego, aby zapobiec lub ograniczyć uszkodzenia zmęczeniowe formy, należy dobrać odpowiednie materiały i zastosować odpowiedni system obróbki cieplnej. Jednocześnie należy zwrócić uwagę na poprawę warunków użytkowania formy.
2.4 Pęknięcie formy
W rzeczywistej produkcji pęknięcia rozłożone są w określonych częściach formy. Po pewnym okresie użytkowania powstają małe pęknięcia, które stopniowo się pogłębiają. Po osiągnięciu określonego rozmiaru, nośność formy ulega znacznemu osłabieniu, co prowadzi do jej pęknięcia. Możliwe jest również, że mikropęknięcia powstały już podczas pierwotnej obróbki cieplnej i przetwarzania formy, co ułatwia jej rozszerzanie się i powstawanie pęknięć w trakcie użytkowania.
W przypadku konstrukcji, głównymi przyczynami niepowodzeń są wytrzymałość formy oraz dobór promienia zaokrąglenia w miejscu przejścia. W przypadku produkcji, głównymi przyczynami są wstępna kontrola materiału oraz dbałość o chropowatość powierzchni i uszkodzenia podczas obróbki, a także wpływ obróbki cieplnej i jakości obróbki powierzchni.
Podczas użytkowania należy zwrócić uwagę na kontrolę nagrzewania formy, współczynnika wytłaczania i temperatury wlewka, a także na kontrolę prędkości wytłaczania i przepływu odkształcanego metalu.
3. Poprawa żywotności formy
Przy produkcji profili aluminiowych koszty form stanowią znaczną część kosztów produkcji profili wytłaczanych.
Jakość formy ma również bezpośredni wpływ na jakość produktu. Ponieważ warunki pracy formy do wytłaczania profili są bardzo trudne, konieczna jest ścisła kontrola formy, począwszy od projektu i doboru materiałów, aż po finalny proces produkcji, a także późniejsze użytkowanie i konserwację.
Zwłaszcza w procesie produkcyjnym forma musi charakteryzować się wysoką stabilnością termiczną, zmęczeniem cieplnym, odpornością na zużycie cieplne i wystarczającą wytrzymałością, aby wydłużyć żywotność formy i obniżyć koszty produkcji.
3.1 Wybór materiałów na formę
Proces wytłaczania profili aluminiowych to proces wymagający wysokiej temperatury i dużego obciążenia, a matryca do wytłaczania aluminium jest poddawana bardzo trudnym warunkom użytkowania.
Matryca wytłaczarki jest poddawana działaniu wysokich temperatur, a lokalna temperatura powierzchni może sięgać 600 stopni Celsjusza. Powierzchnia matrycy wytłaczarki jest wielokrotnie nagrzewana i chłodzona, co powoduje zmęczenie cieplne.
Podczas wytłaczania stopów aluminium forma musi wytrzymywać duże naprężenia ściskające, zginające i ścinające, które powodują zużycie adhezyjne i ścierne.
W zależności od warunków pracy matrycy wytłaczającej można określić wymagane właściwości materiału.
Przede wszystkim materiał musi charakteryzować się dobrymi parametrami procesowymi. Musi być łatwy w wytopie, kuciu, obróbce i obróbce cieplnej. Ponadto, musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością i twardością. Matryce do wytłaczania zazwyczaj pracują w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Podczas wytłaczania stopów aluminium, wytrzymałość na rozciąganie materiału matrycy w temperaturze pokojowej musi przekraczać 1500 MPa.
Musi charakteryzować się wysoką odpornością termiczną, czyli odpornością na obciążenia mechaniczne w wysokich temperaturach podczas wytłaczania. Musi również charakteryzować się wysoką udarnością i odpornością na pękanie w temperaturze normalnej i wysokiej, aby zapobiec kruchemu pękaniu formy pod wpływem naprężeń lub obciążeń udarowych.
Musi mieć wysoką odporność na zużycie, tzn. powierzchnia musi mieć zdolność przeciwstawiania się zużyciu przy długotrwałym działaniu wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i słabego smarowania, szczególnie podczas wytłaczania stopów aluminium, musi mieć zdolność przeciwstawiania się przywieraniu metalu i zużyciu.
Dobra hartowność jest konieczna, aby zapewnić wysokie i jednolite właściwości mechaniczne na całym przekroju narzędzia.
Wysoka przewodność cieplna jest konieczna do szybkiego odprowadzania ciepła z powierzchni roboczej formy narzędziowej, aby zapobiec miejscowemu przepaleniu lub nadmiernej utracie wytrzymałości mechanicznej wytłaczanego przedmiotu obrabianego oraz samej formy.
Musi charakteryzować się dużą odpornością na powtarzające się obciążenia cykliczne, czyli musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością, aby zapobiec przedwczesnemu uszkodzeniu zmęczeniowemu. Musi również charakteryzować się pewną odpornością na korozję i dobrą podatnością na azotowanie.
3.2 Rozsądna konstrukcja formy
Przemyślana konstrukcja formy jest istotnym elementem wydłużającym jej żywotność. Prawidłowo zaprojektowana konstrukcja formy powinna eliminować ryzyko pęknięcia pod wpływem uderzenia i koncentracji naprężeń w normalnych warunkach użytkowania. Dlatego projektując formę, należy starać się równomiernie rozłożyć naprężenia na każdym elemencie i unikać ostrych i wklęsłych narożników, różnic grubości ścianek, płaskich, szerokich i cienkich przekrojów itp., aby uniknąć nadmiernej koncentracji naprężeń. Powoduje to odkształcenia, pęknięcia i kruche pękanie lub przedwczesne pękanie na gorąco podczas użytkowania. Znormalizowana konstrukcja sprzyja również wymianie formy podczas przechowywania i konserwacji.
3.3 Poprawa jakości obróbki cieplnej i powierzchniowej
Żywotność matrycy do wytłaczania w dużej mierze zależy od jakości obróbki cieplnej. Dlatego zaawansowane metody i procesy obróbki cieplnej, a także hartowanie i wzmacnianie powierzchni są szczególnie ważne dla wydłużenia żywotności formy.
Jednocześnie procesy obróbki cieplnej i wzmacniania powierzchni są ściśle kontrolowane, aby zapobiec powstawaniu wad obróbki cieplnej. Dostosowanie parametrów procesu hartowania i odpuszczania, zwiększenie liczby etapów obróbki wstępnej, stabilizacji i odpuszczania, zwrócenie uwagi na kontrolę temperatury, intensywność nagrzewania i chłodzenia, stosowanie nowych mediów hartowniczych oraz opracowywanie nowych procesów i urządzeń, takich jak wzmacnianie i hartowanie oraz różne rodzaje wzmacniania powierzchni, sprzyjają wydłużeniu żywotności formy.
3.4 Poprawa jakości produkcji form
Podczas obróbki form, powszechne metody obejmują obróbkę mechaniczną, cięcie drutem, obróbkę elektroerozyjną itp. Obróbka mechaniczna jest niezbędnym i ważnym procesem w procesie produkcji form. Nie tylko zmienia ona wygląd formy, ale także bezpośrednio wpływa na jakość profilu i żywotność formy.
Cięcie drutem otworów matrycowych jest powszechnie stosowaną metodą obróbki form. Poprawia wydajność i dokładność obróbki, ale wiąże się również z pewnymi specyficznymi problemami. Na przykład, jeśli forma obrabiana drutem jest używana bezpośrednio do produkcji bez odpuszczania, łatwo może pojawić się żużel, łuszczenie itp., co skróci jej żywotność. Dlatego odpowiednie odpuszczanie formy po cięciu drutem może poprawić stan naprężeń rozciągających powierzchni, zmniejszyć naprężenia szczątkowe i wydłużyć żywotność formy.
Koncentracja naprężeń jest główną przyczyną pękania form. W zakresie dopuszczalnym przez rysunek konstrukcyjny, im większa średnica drutu tnącego, tym lepiej. Pomaga to nie tylko zwiększyć wydajność obróbki, ale także znacznie poprawia rozkład naprężeń, zapobiegając wystąpieniu koncentracji naprężeń.
Obróbka elektroerozyjna to rodzaj obróbki korozyjnej, polegającej na nakładaniu się parowania materiału, topnienia i parowania cieczy obróbkowej powstających podczas obróbki. Problem polega na tym, że wskutek działania ciepła nagrzewania i chłodzenia na ciecz obróbkową oraz elektrochemicznego działania cieczy obróbkowej, w obrabianym elemencie tworzy się zmodyfikowana warstwa, która powoduje odkształcenia i naprężenia. W przypadku oleju, atomy węgla ulegają rozkładowi w wyniku spalania oleju, dyfundują i nawęglania do przedmiotu obrabianego. Wraz ze wzrostem naprężeń cieplnych, zniszczona warstwa staje się krucha i twarda oraz podatna na pęknięcia. Jednocześnie powstają naprężenia szczątkowe, które przylegają do przedmiotu obrabianego. Skutkuje to obniżeniem wytrzymałości zmęczeniowej, przyspieszonym pękaniem, korozją naprężeniową i innymi zjawiskami. Dlatego podczas procesu obróbki należy starać się unikać powyższych problemów i poprawiać jakość obróbki.
3.5 Poprawa warunków pracy i procesu wytłaczania
Warunki pracy matrycy wytłaczającej są bardzo trudne, a środowisko pracy również bardzo złe. Dlatego też udoskonalenie metody i parametrów procesu wytłaczania oraz poprawa warunków i środowiska pracy korzystnie wpływają na wydłużenie żywotności matrycy. Dlatego przed rozpoczęciem wytłaczania należy starannie opracować plan wytłaczania, dobrać najlepszy system urządzeń i specyfikacje materiałowe, określić najlepsze parametry procesu wytłaczania (takie jak temperatura, prędkość, współczynnik wytłaczania i ciśnienie wytłaczania itp.) oraz poprawić środowisko pracy podczas wytłaczania (takie jak chłodzenie wodne lub azotowe, odpowiednie smarowanie itp.), zmniejszając w ten sposób obciążenie robocze formy (np. poprzez zmniejszenie ciśnienia wytłaczania, ograniczenie ciepła schładzania i obciążenia zmiennego itp.), a także opracować i udoskonalić procedury operacyjne procesu oraz procedury bezpiecznego użytkowania.
4. Wnioski
Wraz z rozwojem trendów w branży aluminiowej, w ostatnich latach wszyscy poszukują lepszych modeli rozwoju, aby poprawić wydajność, obniżyć koszty i zwiększyć korzyści. Matryca wytłaczająca jest niewątpliwie ważnym elementem sterowania produkcją profili aluminiowych.
Na żywotność matrycy do wytłaczania aluminium wpływa wiele czynników. Oprócz czynników wewnętrznych, takich jak konstrukcja i wytrzymałość matrycy, materiały matryc, obróbka na zimno i cieplnie oraz technologia obróbki elektrycznej, obróbka cieplna i technologia obróbki powierzchni, należy również uwzględnić proces wytłaczania i warunki użytkowania, konserwację i naprawę matryc, charakterystykę i kształt materiału, specyfikację oraz naukowe zarządzanie matrycą.
Jednocześnie czynniki wpływające nie są pojedyncze, ale stanowią złożony, wieloczynnikowy problem, a wydłużenie żywotności formy jest oczywiście również problemem systemowym. W rzeczywistej produkcji i użytkowaniu procesu należy zoptymalizować konstrukcję, przetwarzanie formy, konserwację i inne główne aspekty kontroli, a następnie wydłużyć żywotność formy, obniżyć koszty produkcji i poprawić wydajność produkcji.
Edytowane przez May Jiang z MAT Aluminum
Czas publikacji: 14.08.2024
