От чертежа заказчика до алюминиевого профиля

Не все можно отпрессовать

Каждый, кто занимается проектированием алюминиевых профилей – заказчики профиля или его изготовители, рано или поздно сталкивается с ограничениями, которые накладываются самой технологией прессования алюминия. Конечно, эти ограничения зависят также и от конкретного прессового оборудования и опыта работы на нем, и от правильного выбора алюминиевого сплава.

trudnye-detali-profilyaРисунок – Трудные для прессования детали алюминиевого профиля, которых нужно избегать на чертежах заказчика

Желания заказчика и возможности технологии

Если технологический процесс производства алюминиевых профилей – и не только собственно прессование – недостаточно контролируется, а конструкция профиля и алюминиевый сплав не учитывают особенностей производственного процесса, то результатом неизбежно будет низкое качество продукции и большое количество брака.

Поэтому производители алюминиевых профилей установили общие правила их проектирования. Эти правила должны соблюдаться при разработке чертежей профилей, как у заказчика, так и у изготовителя. Эти правила призваны обеспечивать гармонию формы и размеров поперечного сечения алюминиевого профиля с возможностями процесса прессования алюминия и его сплавов. Некоторые из этих правил носят общий характер, тогда как другие касаются конкретных размеров и формы и зависят от применяемого прессового оборудования, а также алюминиевого сплава.

Профиль «по чертежу заказчика»

Вообще существует очень мало профилей, которые было бы нельзя в принципе отпрессовать на экструзионном прессе. Однако всегда существует опасение, что качество или цена трудного для прессования профиля будет неприемлемой для заказчика. Чтобы разработать качественное изделие – алюминиевый профиль – конструктор, заводской или заказчика, должен пытаться достигать в своем чертеже такого сечения профиля, которое было бы «дружественным» к технологии производства. Причем это должно касаться не только собственно процесса прессования, но и всех последующих технологических операций от выхода профиля из матрицы и до его упаковки.

Конструктор изделия или детали машины из прессованного алюминиевого профиля стремится сделать его максимально функциональным и полет его фантазии ничто не ограничивает. Так рождается то, что часто называют «алюминиевый профиль по чертежу заказчика». Однако, чтобы процесс изготовления этот профиль методом горячего прессования должен подчиняться объективным законам течения металла через матрицу под воздействием высокого давления, которое обеспечивает пресс-штемпель экструзионного пресса.

Асимметричные профили

Ключевым словом процесса экструзии металлов (прессования металлов), в том числе, алюминия и его сплавов, является слово «симметрия». Для асимметричных профилей характерно неоднородное и неравномерное течение металла, что требует сложных конструкций экструзионных матриц. Скорость течения металла через поперечное сечение должна быть максимально выровнена, а, чтобы добиться этого часто приходится прессовать на очень низких скоростях. Кроме того, при ассиметричном сечении профиля матрица испытывает неоднородную нагрузку, что чревато повышением опасности ее разрушения, особенно при прессовании высокопрочных алюминиевых сплавов.

Асимметричные профили могут также быть причиной возникновения температурных градиентов, как в матрице, так и самом профиле в ходе его охлаждения. Более того, различные части профиля будут иметь различную термомеханическую обработку и, как следствие, иметь различную микроструктуру и механические свойства.

Примеры отклонений алюминиевых профилей от симметрии показаны на рисунке. Распределение массы по поперечному сечению профиля не должно быть слишком неравномерным. Профили с большим отношением максимальных и минимальных толщин очень трудны для передачи по линии экструзионного пресса, а большие эксцентричные полости могут давать плохо управляемые потоки металла.

Слишком большие профили

Существуют естественные ограничения в отношении максимальных размеров профилей. Если профиль имеет очень большой диаметр описанной окружности — минимальная окружность, в которую он может быть вписан — то могут возникать проблемы с попаданием в профиль материала заготовки из ее поверхностных, загрязненных, слоев.

Сплошные матрицы для профилей больших размеров обычно трудно надежно поддерживать подкладками и больстерами. В полых матрицах для больших профилей оправки испытывают повышенные нагрузки. В результате для профилей больших размеров характерны большие размерные отклонения и более низкое качество поверхности. Это пониженное качество поверхности профиля чаще всего выражается в большом количестве рисок (следов матрицы), а также неоднородности внешненего вида из-за полос на профиле, которые по разному отражают падающий на них свет.

Слишком малые профили

С другой стороны, профили со слишком малыми размерами дают слишком большой коэффициент вытяжки (отношение прессования). В этом случае пресс может быть не в состоянии обеспечить необходимое усилие, чтобы прессовать профиль. В этом случае для повышения производительности прессуют несколько нитей профиля одновременно.

Простота алюминиевого профиля

Простота – это другое ключевое слово почти для всех производств. Это особенно касается процесса прессования алюминиевых профилей, хотя его основная заслуга заключается именно в способности производить сложные профили.

Полые профили и профили с длинными «языками» значительно усложняют производство профилей и их нужно избегать насколько это возможно. Экструзионные матрицы для этих профилей являются более сложными и поэтому более дорогими. Однако самой большой проблемой этих матриц является то, что в них возникают значительно бОльшие усилия из-за тех препятствий, которые они накладывают на течение металла. С другой стороны, их более сложная конструкция делает их более слабыми, что ограничивает усилия, которым их можно подвергать. С этим связана их склонность к отклонениям размеров и низкому качеству поверхности.

Поэтому часто стараются делать «языки» с небольшим отношением длины к ширине, а полые профили нередко делают в виде двух сплошных профилей, которые потом соединяются вместе и образуют полость.

Функциональные элементы профиля

Специальные алюминиевые профили обычно включают много различных специальных элементов. Собственно, эти элементы и делают профиль специальным, и они часто очень важны для заказчика. Однако добавление даже небольшой детали в чертеж профиля может привести к большим изменениям как в производительности, так в качестве изделия. Поэтому всегда нужно взвешивать, так ли уж необходима та или иная функциональная деталь профиля и нельзя ли сделать ее форму более удобной для процесса прессования.

Острые углы профиля

Чрезмерно острые углы алюминиевого профиля могут приводить к недостаточному заполнению матрицы металлом, а в других случаях – к возникновению на этих острых углах нарушений сплошности в виде разрывов (см. рисунок). Кроме того, зарождение трещин и их рост чаще всего происходят именно в тех частях матрицы, которые формируют острые углы. Поэтому все углы – внутренние и наружные – должны быть должным образом скруглены. Минимальные радиусы скругления углов  профиля на чертеже должны быть от 0,4 до 1.0 мм. Только в отдельных случаях – если это действительно нужно заказчику – на чертежах ставят радиус скругления 0,2 мм.

Резкие изменения толщины профиля

Резких изменений толщины стенки алюминиевого профиля, а, следовательно, резкого изменения длины рабочих поясков матрицы нужно избегать (см. рисунок). Такие резкие изменения приводят к двум типам проблем с течением металла. С одной стороны, нужно обеспечивать полное заполнение металлом вокруг этих острых углов путем хитроумного изменения длины рабочих поясков. С другой стороны, при таких резких переходах меняются условия пластической деформации, что приводит к различиям микроструктуры в соседних участках профиля. В результате возникает визуальных дефект алюминиевых профилей в виде полос с различным отражением света. «В народе» этот дефект по понятным причинам называют «лыжи».

Решением этой проблемы является по возможности плавный переход от толстых элементов профиля к тонким. Если это по каким-то причинам невозможно, то часто на границе толстой и тонкой стенок по согласованию с заказчиком выполняют специальную декоративную риску.

Тонкостенные профили

В определенном смысле, прессование тонкостенных элементов профилей всегда представляет собой проблему. В таких участках матрицы характерны высокие силы трения, а скорость течения металла трудно контролировать. В результате в этих участках матрицы может быть неполное заполнение металлов некоторых элементов поперечного сечения. Кроме того, матрицы с такими участками требуют более высоких усилий прессования.

Если тонкая стенка находится внутри профиля (см. рисунок), то проблема с наполнением ее металлом еще более серьезна. При этом давление в сварочной камере может быть недостаточным для формирования хорошего сварного шва. Слабый сварной шов или его полное отсутствие являются катастрофой для качества профиля, а обнаружить этот дефект очень трудно. Поэтому внутренних тонких стенок нужно всячески избегать и убеждать в этом заказчика.

Иногда бывает лучше применить более толстую внутреннюю стенку, чтобы обеспечить ее надежное наполнение металлам и качественный сварной шов, не смотря на то, что стоимость профиля при этом возрастает.

Еще ограничения для профиля

Кроме ограничений для конструкции профиля, которые связаны с особенностями процесса прессования, существуют и другие ограничения. Такие ограничения могут быть связаны, например, с применением изделия в эксплуатации. Одним из таких ограничений, является, например, предотвращение коррозии изделия за счет того, что конструкция профиля не содержит элементов, которые бы собирали воду от дождя или снега. Подобные особенности эксплуатации алюминиевого профиля должны обсуждаться с заказчиком еще на стадии разработки чертежа профиля.

Источник: Handbook of Metallurgical Process Design / ed. George E. Totten, Kiyoshi Funatani, Lin Xie / Marcel Dekker Inc, 2004