Ze względu na swoją lekkość, estetyczny wygląd, dobrą odporność na korozję oraz doskonałe przewodnictwo cieplne i właściwości przetwórcze, stopy aluminium są szeroko stosowane jako elementy rozpraszające ciepło w przemyśle IT, elektronicznym i motoryzacyjnym, a zwłaszcza w rozwijającym się obecnie przemyśle diod LED. Te elementy rozpraszające ciepło ze stopów aluminium charakteryzują się dobrymi właściwościami odprowadzania ciepła. W procesie produkcyjnym kluczem do wydajnego wytłaczania profili radiatorów jest forma. Ponieważ profile te charakteryzują się zazwyczaj dużymi i gęstymi zębami rozpraszającymi ciepło oraz długimi rurami nośnymi, tradycyjna konstrukcja matrycy płaskiej, matrycy dzielonej i matrycy półpustej nie spełnia wymagań dotyczących wytrzymałości formy i formowania ekstruzyjnego.
Obecnie przedsiębiorstwa w coraz większym stopniu polegają na jakości stali stosowanej w formach. Aby zwiększyć wytrzymałość formy, chętnie sięgają po drogą stal importowaną. Koszt formy jest bardzo wysoki, a jej średnia żywotność wynosi mniej niż 3 tony, co przekłada się na stosunkowo wysoką cenę rynkową grzejników, co poważnie ogranicza promocję i popularyzację lamp LED. Dlatego też matryce do wytłaczania profili grzejnikowych w kształcie słonecznika cieszą się dużym zainteresowaniem inżynierów i techników w branży.
W tym artykule przedstawiono różne technologie wytłaczania profili chłodnic w kształcie słonecznika, opracowane na podstawie wieloletnich, żmudnych badań i wielokrotnych prób produkcyjnych, zaprezentowane w rzeczywistych warunkach produkcyjnych, do wykorzystania przez kolegów po fachu.
1. Analiza charakterystyk konstrukcyjnych przekrojów profili aluminiowych
Rysunek 1 przedstawia przekrój poprzeczny typowego aluminiowego profilu grzejnikowego typu „sunflower”. Pole przekroju poprzecznego profilu wynosi 7773,5 mm², a liczba zębów rozpraszających ciepło wynosi 40. Maksymalny rozmiar otworu między zębami wynosi 4,46 mm. Po obliczeniu stosunek wypustu między zębami wynosi 15,7. Jednocześnie w środku profilu znajduje się duża, lita powierzchnia o powierzchni 3846,5 mm².
Sądząc po charakterystyce kształtu profilu, przestrzeń między zębami można uznać za profile półpuste, a profil grzejnika składa się z wielu profili półpustych. Dlatego przy projektowaniu struktury formy kluczowe jest rozważenie, jak zapewnić wytrzymałość formy. Chociaż w przypadku profili półpustych, branża opracowała wiele sprawdzonych struktur form, takich jak „forma z zakrytym rozdzielaczem”, „forma z ciętym rozdzielaczem”, „forma z mostkiem wiszącym rozdzielaczem” itp. Jednakże struktury te nie mają zastosowania do produktów składających się z wielu profili półpustych. Tradycyjny projekt uwzględnia jedynie materiały, ale w formowaniu ekstruzyjnym największy wpływ na wytrzymałość ma siła wytłaczania podczas procesu wytłaczania, a proces formowania metalu jest głównym czynnikiem generującym siłę wytłaczania.
Ze względu na dużą, centralną, litą powierzchnię profilu promiennika słonecznego, bardzo łatwo jest spowodować zbyt duże ogólne natężenie przepływu w tym obszarze podczas procesu wytłaczania, co prowadzi do powstania dodatkowych naprężeń rozciągających na głowicy rury zawieszenia międzyzębowego, co może prowadzić do jej pęknięcia. Dlatego, projektując konstrukcję formy, należy skupić się na dostosowaniu natężenia przepływu metalu i przepływu, aby osiągnąć cel, jakim jest zmniejszenie ciśnienia wytłaczania i poprawa stanu naprężeń rury zawieszonej między zębami, a tym samym zwiększenie wytrzymałości formy.
2. Wybór konstrukcji formy i wydajności prasy wytłaczającej
2.1 Forma struktury formy
W przypadku profilu grzejnika typu „sunflower” przedstawionego na rysunku 1, mimo że nie posiada on części pustej, musi on zostać wyposażony w dzieloną strukturę formy, jak pokazano na rysunku 2. W odróżnieniu od tradycyjnej formy bocznikowej, metalowa komora stacji lutowniczej jest umieszczona w górnej formie, a w dolnej zastosowano strukturę wkładki. Celem jest obniżenie kosztów formy i skrócenie cyklu produkcyjnego formy. Zarówno zestaw górnej, jak i dolnej formy jest uniwersalny i nadaje się do ponownego użycia. Co ważniejsze, bloki otworów matrycy można obrabiać niezależnie, co pozwala lepiej zapewnić dokładność pasa roboczego otworów matrycy. Otwór wewnętrzny dolnej formy jest zaprojektowany jako stopień. Górna część i blok otworów formy są dopasowane luzem, a wartość szczeliny po obu stronach wynosi 0,06–0,1 m; dolna część jest dopasowana wciskowo, a wartość wcisku po obu stronach wynosi 0,02–0,04 m, co pomaga zapewnić współosiowość i ułatwia montaż, dzięki czemu wkładka jest bardziej kompaktowa, a jednocześnie pozwala uniknąć odkształceń formy spowodowanych przez montaż termiczny.
2.2 Wybór wydajności wytłaczarki
Wybór wydajności wytłaczarki ma na celu, z jednej strony, określenie odpowiedniej średnicy wewnętrznej cylindra wytłaczarki oraz maksymalnego nacisku wytłaczarki na sekcję cylindra, aby sprostać ciśnieniu podczas formowania metalu. Z drugiej strony, ma na celu określenie odpowiedniego współczynnika wytłaczania i dobór odpowiednich parametrów formy w oparciu o koszty. W przypadku profilu aluminiowego do grzejników typu „sunflower”, współczynnik wytłaczania nie może być zbyt duży. Głównym powodem jest to, że siła wytłaczania jest proporcjonalna do współczynnika wytłaczania. Im większy współczynnik wytłaczania, tym większa siła wytłaczania. Ma to bardzo negatywny wpływ na formę do produkcji profilu aluminiowego do grzejników typu „sunflower”.
Doświadczenie pokazuje, że współczynnik wytłaczania profili aluminiowych do grzejników słonecznikowych jest mniejszy niż 25. Do profilu pokazanego na rysunku 1 wybrano wytłaczarkę 20,0 MN z wewnętrzną średnicą cylindra wytłaczarki 208 mm. Po obliczeniu maksymalne ciśnienie właściwe wytłaczarki wynosi 589 MPa, co jest wartością bardziej odpowiednią. Jeśli ciśnienie właściwe jest zbyt wysokie, nacisk na formę będzie duży, co negatywnie wpływa na jej żywotność; jeśli ciśnienie właściwe jest zbyt niskie, nie może ono spełnić wymagań formowania ekstruzyjnego. Doświadczenie pokazuje, że ciśnienie właściwe w zakresie 550–750 MPa może lepiej spełnić różne wymagania procesowe. Po obliczeniu współczynnik wytłaczania wynosi 4,37. Specyfikacja rozmiaru formy wynosi 350 mm x 200 mm (średnica zewnętrzna x stopnie).
3. Określenie parametrów konstrukcyjnych formy
3.1 Parametry konstrukcyjne górnej formy
(1) Liczba i rozmieszczenie otworów rozdzielających. W przypadku formy bocznikowej do profilu grzejnika typu słonecznikowego, im większa liczba otworów bocznikowych, tym lepiej. W przypadku profili o podobnych, okrągłych kształtach, zazwyczaj wybiera się od 3 do 4 tradycyjnych otworów bocznikowych. W rezultacie szerokość mostka bocznikowego jest większa. Generalnie, im jest on szerszy niż 20 mm, tym mniejsza jest liczba spoin. Jednakże, przy doborze pasa roboczego otworu matrycy, pas roboczy otworu matrycy u dołu mostka bocznikowego musi być krótszy. W przypadku braku precyzyjnej metody obliczeniowej doboru pasa roboczego, naturalnie spowoduje to, że otwór matrycy pod mostkiem i inne części nie osiągną dokładnie takiego samego natężenia przepływu podczas wytłaczania ze względu na różnicę w pasie roboczym. Ta różnica w natężeniu przepływu spowoduje dodatkowe naprężenie rozciągające na wsporniku i spowoduje ugięcie zębów rozpraszających ciepło. Dlatego w przypadku matrycy do wytłaczania grzejnika typu słonecznikowego z dużą liczbą zębów, bardzo ważne jest zapewnienie stałego natężenia przepływu dla każdego zęba. Wraz ze wzrostem liczby otworów bocznikowych, liczba mostków bocznikowych odpowiednio wzrośnie, a natężenie przepływu i rozkład przepływu metalu staną się bardziej równomierne. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem liczby mostków bocznikowych, ich szerokość może ulec odpowiedniemu zmniejszeniu.
Dane praktyczne pokazują, że liczba otworów bocznikowych wynosi zazwyczaj 6 lub 8, a nawet więcej. Oczywiście, w przypadku niektórych dużych profili rozpraszania ciepła, górna forma może również rozmieścić otwory bocznikowe zgodnie z zasadą szerokości mostka bocznikowego ≤ 14 mm. Różnica polega na tym, że konieczne jest dodanie przedniej płyty rozdzielającej w celu wstępnego rozprowadzenia i regulacji przepływu metalu. Liczbę i rozmieszczenie otworów bocznikowych w przedniej płycie rozdzielającej można ustalić w sposób tradycyjny.
Ponadto, podczas rozmieszczania otworów bocznikowych, należy rozważyć zastosowanie górnej formy do odpowiedniego zabezpieczenia głowicy wspornika zęba rozpraszającego ciepło, aby zapobiec bezpośredniemu uderzaniu metalu w głowicę rury wspornika, a tym samym poprawić stan naprężeń w rurze wspornika. Zablokowana część głowicy wspornika między zębami może wynosić 1/5–1/4 długości rury wspornika. Rozmieszczenie otworów bocznikowych pokazano na rysunku 3.
(2) Zależność powierzchni otworu bocznikowego. Ponieważ grubość ścianki podstawy zęba gorącego jest niewielka, a wysokość jest daleko od środka, a powierzchnia fizyczna znacznie różni się od środka, jest to najtrudniejsza do uformowania część metalowa. Dlatego kluczowym punktem w projektowaniu formy do profilu grzejnika słonecznikowego jest zapewnienie jak najmniejszego przepływu przez centralną część stałą, aby metal najpierw wypełnił podstawę zęba. Aby osiągnąć taki efekt, z jednej strony należy dobrać pas roboczy, a co ważniejsze, określić powierzchnię otworu rozdzielacza, głównie powierzchnię części centralnej odpowiadającą otworowi rozdzielacza. Testy i wartości empiryczne pokazują, że najlepszy efekt uzyskuje się, gdy powierzchnia centralnego otworu rozdzielacza S1 i powierzchnia zewnętrznego pojedynczego otworu rozdzielacza S2 spełniają następującą zależność: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2
Ponadto efektywny kanał przepływu metalu w środkowym otworze rozdzielacza powinien być o 20–25 mm dłuższy niż efektywny kanał przepływu metalu w zewnętrznym otworze rozdzielacza. Długość ta uwzględnia również margines i możliwość naprawy formy.
(3) Głębokość komory spawalniczej. Matryca do wytłaczania profilu grzejnikowego typu „Sunflower” różni się od tradycyjnej matrycy bocznikowej. Jej cała komora spawalnicza musi znajdować się w matrycy górnej. Ma to na celu zapewnienie dokładności obróbki bloku otworów w matrycy dolnej, a zwłaszcza dokładności pasa roboczego. W porównaniu z tradycyjną formą bocznikową, głębokość komory spawalniczej formy bocznikowej profilu grzejnikowego typu „Sunflower” musi zostać zwiększona. Im większa wydajność wytłaczarki, tym większy wzrost głębokości komory spawalniczej, która wynosi 15–25 mm. Na przykład, jeśli używana jest wytłaczarka o sile nacisku 20 MN, głębokość komory spawalniczej tradycyjnej matrycy bocznikowej wynosi 20–22 mm, podczas gdy głębokość komory spawalniczej matrycy bocznikowej profilu grzejnikowego typu „Sunflower” powinna wynosić 35–40 mm. Zaletą tego rozwiązania jest pełne spawanie metalu i znaczne zmniejszenie naprężeń w podwieszonej rurze. Strukturę komory spawalniczej górnej formy przedstawiono na rysunku 4.
3.2 Projekt wkładki otworu matrycy
Projekt bloku otworów matrycy obejmuje głównie rozmiar otworów matrycy, pas roboczy, średnicę zewnętrzną i grubość bloku lustrzanego itp.
(1) Określanie rozmiaru otworu matrycy. Rozmiar otworu matrycy można określić w tradycyjny sposób, biorąc pod uwagę głównie skalę obróbki cieplnej stopu.
(2) Dobór pasa roboczego. Zasada doboru pasa roboczego polega na upewnieniu się, że podaż całego metalu u podstawy stopy zęba jest wystarczająca, tak aby przepływ w dolnej części stopy zęba był szybszy niż w innych częściach. Dlatego pas roboczy u podstawy stopy zęba powinien być najkrótszy, o wartości 0,3–0,6 mm, a pas roboczy w sąsiednich częściach powinien być zwiększony o 0,3 mm. Zasada polega na zwiększaniu o 0,4–0,5 mm co 10–15 mm w kierunku środka; po drugie, pas roboczy w największej części środka nie powinien przekraczać 7 mm. W przeciwnym razie, jeśli różnica długości pasa roboczego będzie zbyt duża, wystąpią duże błędy podczas obróbki elektrod miedzianych i obróbki elektroerozyjnej pasa roboczego. Ten błąd może łatwo spowodować pęknięcie ugięcia zęba podczas procesu wytłaczania. Pas roboczy pokazano na rysunku 5.
(3) Średnica zewnętrzna i grubość wkładki. W przypadku tradycyjnych form bocznikowych grubość wkładki otworu matrycy jest równa grubości formy dolnej. Jednak w przypadku formy z radiatorem słonecznikowym, jeśli efektywna grubość otworu matrycy jest zbyt duża, profil będzie łatwo kolidował z formą podczas wytłaczania i rozładowywania, powodując nierówne zęby, zarysowania, a nawet zakleszczanie się zębów. Doprowadzi to do złamania zębów.
Ponadto, jeśli grubość otworu matrycy jest zbyt duża, z jednej strony wydłuża się czas obróbki elektroerozyjnej, a z drugiej strony łatwo o odchylenia w wyniku korozji elektrycznej i odchylenia zębów podczas wytłaczania. Oczywiście, jeśli grubość otworu matrycy jest zbyt mała, nie można zagwarantować wytrzymałości zębów. Dlatego, biorąc pod uwagę te dwa czynniki, doświadczenie pokazuje, że stopień włożenia otworu matrycy w dolnej formie wynosi zazwyczaj od 40 do 50; a średnica zewnętrzna wkładki otworu matrycy powinna wynosić od 25 do 30 mm od najszerszej krawędzi otworu matrycy do zewnętrznego okręgu wkładki.
Dla profilu pokazanego na Rysunku 1, średnica zewnętrzna i grubość bloku otworów matrycy wynoszą odpowiednio 225 mm i 50 mm. Wkładka otworu matrycy jest pokazana na Rysunku 6. D na rysunku jest rzeczywistym rozmiarem, a rozmiar nominalny wynosi 225 mm. Graniczne odchylenie jej wymiarów zewnętrznych jest dopasowane do otworu wewnętrznego dolnej formy, aby zapewnić, że szczelina jednostronna mieści się w zakresie 0,01~0,02 mm. Blok otworów matrycy jest pokazany na Rysunku 6. Nominalny rozmiar otworu wewnętrznego bloku otworów matrycy umieszczonego na dolnej formie wynosi 225 mm. Na podstawie rzeczywistego zmierzonego rozmiaru blok otworów matrycy jest dopasowany zgodnie z zasadą 0,01~0,02 mm na stronę. Średnicę zewnętrzną bloku otworów matrycy można uzyskać jako D, ale dla wygody instalacji, średnicę zewnętrzną bloku lustrzanego otworu matrycy można odpowiednio zmniejszyć w zakresie 0,1 m na końcu podającym, jak pokazano na rysunku.
4. Kluczowe technologie produkcji form
Obróbka formy do profili grzejnikowych Sunflower nie różni się znacząco od obróbki form do zwykłych profili aluminiowych. Wyraźna różnica widoczna jest głównie w obróbce elektrycznej.
(1) W przypadku cięcia drutem, konieczne jest zapobieganie deformacji elektrody miedzianej. Ponieważ elektroda miedziana używana do obróbki elektroerozyjnej jest ciężka, zęby są zbyt małe, sama elektroda jest miękka, ma słabą sztywność, a lokalnie wysoka temperatura generowana podczas cięcia drutem powoduje, że elektroda łatwo się deformuje. Podczas stosowania zdeformowanych elektrod miedzianych do obróbki pasów roboczych i pustych noży, zęby mogą być skośne, co może łatwo doprowadzić do uszkodzenia formy podczas obróbki. Dlatego konieczne jest zapobieganie deformacji elektrod miedzianych podczas procesu produkcji online. Główne środki zapobiegawcze to: przed cięciem drutu wypoziomowanie bloku miedzianego za pomocą stołu roboczego; użycie czujnika zegarowego do regulacji pionowości na początku; podczas cięcia drutu, zacznij najpierw od części zębatej, a na końcu odetnij część o grubej ściance; od czasu do czasu użyj złomu drutu srebrnego do wypełnienia ciętych elementów; po wykonaniu drutu, użyj maszyny do cięcia drutu, aby odciąć krótki odcinek o długości około 4 mm wzdłuż długości ciętej elektrody miedzianej.
(2) Obróbka elektroerozyjna różni się oczywiście od obróbki tradycyjnych form. EDM jest bardzo ważna w obróbce form do profili grzejnikowych typu słonecznik. Nawet jeśli projekt jest idealny, niewielka wada w obróbce elektroerozyjnej spowoduje złomowanie całej formy. Obróbka elektroerozyjna nie jest tak zależna od sprzętu jak cięcie drutem. Zależy w dużej mierze od umiejętności i biegłości operatora. Obróbka elektroerozyjna koncentruje się głównie na następujących pięciu punktach:
①Prąd obróbki elektroerozyjnej. Prąd 7–10 A można zastosować do wstępnej obróbki elektroerozyjnej, aby skrócić czas obróbki; prąd 5–7 A można zastosować do obróbki wykończeniowej. Celem stosowania małego prądu jest uzyskanie dobrej powierzchni.
② Należy zadbać o płaskość powierzchni czołowej formy i pionowość elektrody miedzianej. Niewłaściwa płaskość powierzchni czołowej formy lub niewystarczające pionowość elektrody miedzianej utrudniają zapewnienie zgodności długości pasa roboczego po obróbce elektroerozyjnej z zaprojektowaną długością pasa roboczego. Proces elektroerozyjny może łatwo ulec awarii lub nawet przebić zębaty pas roboczy. Dlatego przed obróbką należy użyć szlifierki do spłaszczenia obu końców formy, aby spełnić wymagania dotyczące dokładności, oraz czujnika zegarowego do skorygowania pionowości elektrody miedzianej.
③ Upewnij się, że odstęp między pustymi nożami jest równy. Podczas wstępnej obróbki sprawdź, czy puste narzędzie jest przesunięte o 0,2 mm co 3–4 mm obróbki. Jeśli przesunięcie jest duże, trudno będzie je skorygować w kolejnych regulacjach;
④ Należy terminowo usuwać pozostałości powstałe podczas obróbki elektroerozyjnej. Korozja spowodowana wyładowaniem iskrowym spowoduje powstanie dużej ilości pozostałości, które należy usunąć na czas, w przeciwnym razie długość pasa roboczego będzie się różnić ze względu na różną wysokość pozostałości.
⑤Przed obróbką elektroerozyjną formę należy rozmagnesować.
5. Porównanie wyników wytłaczania
Profil przedstawiony na rysunku 1 został przetestowany przy użyciu tradycyjnej formy dzielonej oraz nowego schematu konstrukcyjnego zaproponowanego w niniejszym artykule. Porównanie wyników przedstawiono w tabeli 1.
Z wyników porównania wynika, że struktura formy ma ogromny wpływ na jej żywotność. Forma zaprojektowana w oparciu o nowy schemat ma oczywiste zalety i znacznie wydłuża jej żywotność.
6. Wnioski
Forma do wytłaczania profili grzejnikowych typu słonecznik to rodzaj formy, który jest bardzo trudny w projektowaniu i produkcji, a jej konstrukcja i produkcja są stosunkowo złożone. Dlatego, aby zapewnić skuteczność wytłaczania i żywotność formy, należy spełnić następujące wymagania:
(1) Kształt formy musi być dobierany rozsądnie. Konstrukcja formy musi sprzyjać zmniejszeniu siły wytłaczania, aby zmniejszyć naprężenia na wsporniku formy utworzonym przez zęby rozpraszające ciepło, a tym samym poprawić wytrzymałość formy. Kluczem jest rozsądne określenie liczby i rozmieszczenia otworów bocznikowych oraz ich powierzchni i innych parametrów: po pierwsze, szerokość mostka bocznikowego utworzonego między otworami bocznikowymi nie powinna przekraczać 16 mm; po drugie, powierzchnia otworów rozdzielających powinna być tak dobrana, aby współczynnik podziału wynosił ponad 30% współczynnika wytłaczania, w miarę możliwości, przy jednoczesnym zapewnieniu wytrzymałości formy.
(2) Należy rozsądnie dobrać pas roboczy i zastosować odpowiednie środki podczas obróbki elektrycznej, uwzględniając technologię obróbki elektrod miedzianych oraz standardowe parametry elektryczne obróbki elektrycznej. Pierwszą kluczową kwestią jest to, aby elektroda miedziana była oszlifowana powierzchniowo przed cięciem drutem, a metoda wprowadzania powinna być stosowana podczas cięcia drutu, aby zapewnić, że elektrody nie będą luźne ani odkształcone.
(3) Podczas obróbki elektrycznej elektroda musi być precyzyjnie wyosiowana, aby uniknąć odchylenia zębów. Oczywiście, dzięki rozsądnemu projektowaniu i produkcji, zastosowanie wysokiej jakości stali do form do obróbki na gorąco oraz proces próżniowej obróbki cieplnej z trzema lub więcej stopniami utwardzenia pozwala zmaksymalizować potencjał formy i osiągnąć lepsze rezultaty. Od projektu, przez produkcję, aż po wytłaczanie, tylko dokładność każdego ogniwa gwarantuje, że forma do profilu grzejnika słonecznikowego zostanie wytłoczona.
Czas publikacji: 01-08-2024
