Алюминиевые профили: ограничения размеров и формы

При разработке нового алюминиевого профиля рано или поздно приходится сталкиваться с ограничениями, которые накладывает на его размеры и форму сам процесс прессования – процесс экструзии – алюминия. Эти ограничения зависят как от прессового оборудования и технологии прессования, так и от выбора алюминиевого сплава.

Правила: писанные и не писанные

Изготовители прессованных алюминиевых профилей давно установили общие правила конструирования алюминиевых профилей, выполнение которых обеспечивают новому профилю успешное прессование на экструзионном прессе. Некоторые из этих правил носят общий характер, тогда как другие относятся к размерам профиля и, естественно, зависят от алюминиевого сплава и технологического оборудования.

Однако, единственными абсолютными ограничениями являются максимальные размеры профилей, которые диктуются размерами контейнера. Очень мало таких профилей, которые в принципе нельзя было бы отпрессовать. Однако часто бывает, что качество или цена таких проблемных профилей может не устроить заказчика.

Больше асимметрия профиля – ниже качество

Ключевым словом при разработке прессованных алюминиевых профилей является слово «симметрия». Асимметричность профиля дает неравномерность течения металла и поэтому требует сложной – и дорогой – конструкции матрицы. Скорость течения металла по поперечному сечению должна контролироваться, а это часто приводит к уменьшению скорости прессования. Кроме того, если матрица испытывает асимметричное нагружение, то повышается опасность ее излома, особенно при прессовании высокопрочных алюминиевых сплавов.

Асимметричные профили могут быть также причиной температурных перепадов, как в матрице, так и в самом профиле в ходе его охлаждения при закалке. Другая проблема таких профилей заключается в том, что различные по толщине части получают различную термомеханическую обработку и в результате большое различие в микроструктуре и механических свойствах. Еще одной проблемой асимметричных профилей является усложнение операций гибки и правки. Примеры отклонений от симметрии профиля можно видеть на рисунке ниже.

alyuminievyj-profil-ogranichenijaРисунок – Прессованный алюминиевый профиль со сложной геометрий

Большое отношение между самой толстой и самой тонкой стенками профиля вызывает трудности при его передаче по линии пресса, а большая эксцентричная полость приводит к неблагоприятному течению металла.

Больше размеры профиля — больше проблем

Если профиль слишком большой – имеет большой диаметр описанной окружности – могут возникать проблемы с попаданием в профиль металла с поверхности заготовки. Это приводит к низкому качеству поверхности профиля и таким дефектам как полосчатость, особенно, на анодированном профиле.

Кроме того, если большие профили прессуют на сплошных матрицах, то они (матрицы) обычно недостаточно поддерживаются вспомогательным прессовым инструментом – подкладками и больстерами. При прессовании больших полых профилей на оправке матрицы возникают чрезмерно большие усилия. В обоих случаях результатом являются более значительные размерные отклонения, а также низкое качество поверхности из-за следов матрицы (рисок) и видимых полос.

С другой стороны, профили со слишком малыми размерами дают слишком большое отношение прессования (коэффициент вытяжки). В этом случае пресс может оказаться неспособным дать необходимое усилие для формирования такого профиля. Решением этой проблемы часто является прессование одновременно нескольких плетей (ниток) такого профиля с увеличением, к тому же, производительности.

Полости и языки алюминиевых профилей

Простота – это другое ключевое слово для процесса прессования алюминиевых профилей, хотя его основная особенность заключается, наоборот, в том, чтобы производить сложные, максимально функциональные профили. Как полые профили, так и профили с большими «языками» имеют тенденцию к усложнению производства и поэтому их нужно по возможности избегать. Матрицы, на которых делают такие профили, являются более сложными и, следовательно, более дорогими.

Однако самой большой проблемой этих матриц является то, что они создают более значительные усилия на матрице из-за дополнительных препятствий, которые они создают для течения алюминия. С другой стороны, они имеют более сложную – и слабую – конструкцию, что снижает их способность сопротивляться нагрузкам. Излом матрицы и большие отклонения размеров являются характерными явлениями для таких матриц. Для решения этой проблемы часто языки делают с минимально возможным отношением длина-ширина, что обеспечивает языку более надежную поддержку. Полые профили иногда выполняют в виде двух сплошных профилей, которые потом соединяются вместе.

Больше деталей – труднее прессовать

Часто в один алюминиевый профиль включают много специальных деталей, чтобы он был способен нести сразу большое количество функций. Однако, добавление даже маленькой детали может привести к большому изменению в производительности и качестве продукции. Поэтому нужно всегда оценивать, является ли эта деталь такой уж необходимой и нельзя ли выполнить ее в виде, который будет более «дружественным» для процесса прессования.

Острые углы профиля

Острые углы могут, во многих случаях, быть причиной неполного заполнения матрицы, а в других – возникновения горячих трещин. Кроме того, зарождение трещин и их рост происходит именно в тех элементах матрицы, которые формируют острые углы профиля. Поэтому углы, внутренние и наружные, всегда должны быть скруглены. Самые малые радиусы, которые обычно применяют, имеют величину от 0,4 до 1,0 мм в зависимости от толщины стенки. Например, самый малый минимальный радиус скругления имеют стенки толщиной до 3 мм: 0,3 мм по ГОСТ 22233-2001 и 0,5 мм по EN 12020-2.

Резкие переходы толщины профиля

Нужно избегать резких переходов толщины стенки и, следовательно, резких перепадов длины рабочего пояска матрицы. При резком переходе толщины возникает два типа проблем течения металла. С одной стороны, если рабочие пояски недостаточно тщательно спроектированы, то возникают затруднения с острых углов около таких резких переходов толщины стенки. С другой стороны, из-за резкого изменения условий деформирования и охлаждения между тонким и толстым участками профиля возникают резкие различия в микроструктуре металла. Эти различия микроструктуры приводят к образованию на поверхности профиля видимых полос с различной отражательной способностью — дефекту, который называют «плосчатость«.

Решением этой проблемы является максимально плавный переход от толстостенного участка профиля к тонкостенному. Если это невозможно, то иногда на границе между толстым и тонким участком профиля выполняют специальные декоративные риски, чтобы по возможности замаскировать эти полосы. Однако, это не решает проблему с различиями механических свойств в толстых и тонких участках.

Тонкая стенка профиля

В определенном смысле прессование тонкостенных частей алюминиевых профилей всегда представляет собой проблему. На таких участках возникают очень высокие силы трения и скорость течения трудно контролировать. В результате не достигается полного заполнения металлов некоторых участков поперечного сечения и, конечно, требуется более высокое усилие прессования.

Если тонкая стенка алюминиевого профиля является в добавок еще и внутренней (см. рисунок), то достигать полного заполнения этого участка матрицы еще труднее. Кроме того, величины давления в сварочной камере может быть недостаточно для выполнения хорошего сварного шва. Слабый или не сплошной внутренний сварной шов является серьезным дефектом профиля, а обнаружить это очень трудно. По этой причине внутренних сварных швов нужно избегать. Часто бывает более разумным применить более толстую стенку, чтобы обеспечить условия для хорошего сварного шва, несмотря на увеличение стоимости материала. Еще одной проблемой внутренних сварных швов является то, что в целом конструкция матрицы становится менее прочной и поэтому возрастает риск ее излома.

Функциональные детали

Чрезмерно сложные детали поперечного сечения профиля вызывают проблемы, которые связаны с нарушением равномерности течения металла и повышенным нагревом от трения. В результате производительность прессования снижается. Более того, дополнительными проблемам являются разрывы поверхности профиля и неполное заполнение каналов матрицы. В любом случае эти детали должны быть достаточно массивными, не слишком длинными и действительно необходимыми. В то же время, все острые углы должны быть скруглены. При этом всегда надо помнить, что детали внутри поперечного сечения обычно всегда более проблематичны, чем наружные детали.

Ограничения по условиям эксплуатации

Кроме ограничений формы алюминиевых профилей, которые связаны с самим процессом прессования, есть еще много других ограничений, которые диктуются условиями применения готовых изделий. Одним из таких ограничений может быть, например, то, что форма профиля должна предотвращать коррозию его поверхности. Для этого профиль не должен содержать элементов, которые приводят к накапливанию воды или препятствуют ее дренажу.

Источник: Handbook of Metallurgical Process Design / George E. Totten et al, Marcel Dekker, 2004