Экструзия алюминия: краткое введение

 

Экструзия алюминия (или прессование алюминия) – это промышленный формовочный процесс производства длинномерных алюминиевых профилей постоянного поперечного сечения. Под алюминием подразумеваются как марки нелегированного алюминия, так и алюминиевые сплавы.

Ниже представлен краткий обзор процесса прессования алюминия. Он предназначен для первоначального ознакомления технического персонала прессового производства с этой технологией, а также может быть полезен как информация для управленческого и вспомогательного персонала.

Экструзионный пресс

Алюминиевые цилиндрические стержни – заготовки – нагревают и прессуют через матрицу с одним или несколькими отверстиями, чтобы получить профиль с заданным поперечным сечением. Наиболее частым типом прессования является прямое прессование, когда пресс-штемпель пресса проталкивает алюминиевую заготовку через стационарную (неподвижную) матрицу. Большинство прессов для этой технологии являются горизонтальными гидравлическими прессами. Производительность пресса зависит от размеров применяемых матриц, которые могут иметь диаметр от 100 до 1000 мм. Для большинства прессованных алюминиевых изделий применяют матрицы диаметром от 175 до 250 мм. Для матриц такого диаметра требуются экструзионные прессы с усилием от 1500 до 2000 тонн.

Прямое прессование

Схема типичного экструзионного пресса для прямого прессования алюминия показана на рисунке 1.


1 – пресс-штемпель; 2 – пресс-шайба; 3 — контейнер; 4 – питатель;  5 – матрица; 6 – подкладка;
7 – больстер; 8 – матрицедержатель; 9 – держатель матричного комплекта

Рисунок 1 – Схема прямого прессования алюминия [1]

Пресс-штемпель (1) передает усилие от главного цилиндра экструзионного пресса на алюминиевую заготовку, которая загружена в контейнер (3). На пресс-штемпеле установлена стальная пресс-шайба (2). Пресс-шайба входит в контейнер с весьма малым зазором, что предотвращает выдавливание алюминия (показан черным) внутрь контейнера. Матрица (5) является частью матричного комплекта, который изготавливают из теплостойких инструментальных сталей. Подкладка (6), больстер (опорное кольцо) (7) и матрицедержатель (8) и держатель матричного комплекта (9) поддерживают матрицу под воздействием прессового усилия. Перед матрицей может устанавливаться питатель (4), чтобы расширять поток алюминия из контейнера на более широкий участок матрицы.

Прессование без смазки

Поскольку при прямом прессовании алюминия смазка не применяется, то наружный слой заготовки срезается под воздействием трения о стенку контейнера. Это благоприятно сказывается на качестве прессуемых алюминиевых изделий. Дело в том, что наружный слой литых заготовок имеет повышенное содержание железосодержащих интерметаллических частиц и частиц Mg2Si [1]. Эти загрязнения могут являться источниками поверхностных дефектов на готовом прессованном алюминиевом изделии. При прямом прессовании без смазки они скапливаются в конце заготовки.

Пресс-остаток и поперечный сварочный шов

Эта часть заготовки, которую называют пресс-остатком, отрезается перед тем, как новая заготовка будет загружаться в пресс. В ходе следующего рабочего хода пресса алюминий из новой заготовки под воздействием большого давления и повышенной температуры приваривается к алюминию от предыдущей заготовки, который остался в матрице. Таким образом создается непрерывное прессованное алюминиевое изделие. Место сварки двух смежных заготовок называют поперечным сварочным швом. Поскольку вблизи этого шва профиль имеет пониженные механические свойства, а также неудовлетворительный внешний вид, то обычно его вырезают и отправляют на переплавку.

Нагрев заготовки и прессового инструмента

Перед загрузкой в пресс алюминиевую заготовку нагревают до 400-500 ºС в зависимости от сплава. Это облегчает процесс деформирования и сводит к минимуму деформационное упрочнение алюминия. Нагретая заготовка находится в пластичном (но не в жидком) состоянии. Контейнер и матрицу также подогревают, чтобы предотвратить подстуживание заготовки. Размеры отверстия матрицы делают несколько больше, чем размеры поперечного сечения готового прессуемого профиля, так как при охлаждении алюминий сокращается больше, чем инструментальная сталь, из которой изготовлена матрица.

Типы матриц

Самыми широко применяемыми типами матриц для экструзии алюминия являются плоские (сплошные) матрицы и матрицы «портхол». Плоские матрицы состоят только из одного стального плоского диска и их применяют, чтобы прессовать сплошные профили (рисунок 2 (а)). Матрицы «портхол» состоят из двух частей, матричного диска и оправочной части. Это позволяет прессовать полые профили (рисунок 2 (б)) и полуполые профили (рисунок 2 (в)). Матрицы обоих типов могут иметь несколько каналов прессования, так что одновременно могут прессоваться несколько одинаковых профилей.

  а – сплошной профиль; б – полый профиль; в – полуполый профиль

Рисунок 2 – Три типа прессованных профилей [1]

Плоская матрица

Плоская (сплошная) матрица показана на рисунке 3. Самыми важными характеристиками плоской матрицы являются:

  • форкамера (1), карман перед рабочим пояском; применяется при необходимости;
  • рабочий поясок (2);
  • расширяющаяся выходная часть (3).


Рисунок 3 – Плоская (сплошная) матрица [1]

Рабочий поясок – это та часть матрицы, на которой алюминий получает свою окончательную форму. Рабочий поясок не проходит через всю толщину матрицы, а имеют длину 15 мм или меньше. Это нужно, чтобы минимизировать требуемое усилие прессования.

Функция расширяющейся выходной части матрицы – обеспечивать необходимую силовую опору рабочему пояску, но без контакта с выходящим из матрицы алюминием. Для этого стенки выходной части идут под углом около 5º и, кроме того, она обычно имеет некоторый уступ сразу за рабочим пояском.

Функция форкамеры – защищать «хрупкий» рабочий поясок от повреждения при отделении пресс-остатка, а также способствовать сварки остатку заготовки в матрице со следующей заготовкой. Кроме того, форкамеру применяют как средство управления потоком алюминия.

Матрица «портхол»

На рисунке 4 показана матрица «портхол». Как уже упоминалось, она состоит из двух частей, матричного диска (а) и оправочной части (б).

Рисунок 4 – Матрица «портхол» [1]

Оправочная часть может иметь одну или несколько оправок (1) с рабочими поясками, которые формируют внутренний контур алюминиевого профиля. Оправки связаны с телом оправочной части с помощью мостиков (2). Потоки алюминия текут вокруг этих мостиков через питательные отверстия (порты) (3) и соединяются снова в сварочных камерах (4). Окончательное формирование профиля проходит одновременно на рабочих поясках оправки и матричного диска (5).

Источник:

  1. CAD Implentation of Design Rules for Aluminium Extrusion Dies / Gijs van Ouwerkerk, PhD Thesis, the University of Twente, Enschede, The Netherlands, 2009