Прессование алюминия: усилие и давление

Операция прессования алюминия

Центральной операцией при производстве алюминиевых профилей является их прессование на экструзионном прессе. Основными параметрами, которые влияют на величину усилия прессования того или иного алюминиевого профиля являются:

  • тип прессования (прямое или обратное);
  • отношение прессования (коэффициент вытяжки);
  • температура прессования;
  • скорость прессования;
  • длина заготовки;
  • тип и химический состав алюминиевого сплава.

Давление прессования

На рисунке 1 показано изменение давления прессования в зависимости от перемещения пресс-штемпеля в контейнере. Давление прессования – это усилие прессования, деленное на площадь поперечного сечения заготовки.

При прямом прессовании алюминиевых профилей быстрый рост давления прессования в начале движения пресс-штемпеля соответствует начальной осадке (распрессовке) заготовки, когда она заполняет контейнера.

Максимум давления соответствует прохождению материала переднего конца заготовки через матрицу. Как только передний конец заготовки проходит через матрицу требуемое, давление прессования начинает постепенно снижается по мере уменьшения длины заготовки в контейнере.

И, наконец, в конце цикла прессования заготовки давление прессования ненадолго опять возрастает при формировании пресс-остатка, который содержит большое количество оксидов и других металлических и неметаллических включений из поверхностного слоя слитка-заготовки.

Максимальная длина заготовки

Разность между максимальным и минимальным давлением прессования возникает из-за усилия, которое требуется для «проталкивания» заготовки через контейнер вопреки сопротивлению трения между материалом заготовки и стенкой контейнера:

  • чем больше длина заготовки остается в контейнере, тем большее усилие необходимо для прессования.
  • максимальная исходная длина заготовки составляет около четырех ее диаметров.

izmenenie-nagruzki-pressa+                                                                    Рисунок 1  

Составляющие давления прессования

Полное давление прессования pпол удобно условно разбить на три составляющих:

pпол = pмат + pтр + pизб.

Слагаемое pмат – это давление, которое необходимо для пластического деформирования материала через матрицу. Оно зависит от напряжения течения, а через него — от деформации, скорости деформации и температуры.

Слагаемое pтр – это давление, которое нужно добавить к pмат для преодоления трения при движении материала вдоль стенки контейнера.

Наконец, слагаемое pизб  — это часть давления, которая необходима для совершения работы внутренней сдвиговой деформации материала. Ее величина зависит от напряжения течения и величины конусного угла мертвой зоны, который зависит, в первую очередь, от отношения прессования (рисунок 2).

izbytochnaya-rabota-pressovaniyaРисунок 2            

Рисунок 2 показывает, как элементы материала в центре заготовки подвергаются в основном чистому удлинению с изменением поперечного сечения от заготовки до прессуемого алюминевого профиля. Элементы материала заготовки вблизи контейнера подвергаются интенсивной сдвиговой деформации. Эта сдвиговая деформация требует затрат энергии, которая  прямо не связана с изменением размеров от заготовки до профиля и ее называют «избыточной» работой. При достаточно большом трении между контейнером и заготовкой течение материала концентрируется в направлении  центра заготовки, и возникают внутренние плоскости пластического сдвига. Это случается также тогда, когда поверхность нагретой заготовки охлаждается более холодным контейнером. Когда между контейнером и заготовкой возникает условие полного «прилипания», металл отделяется внутри заготовки вдоль поверхности максимального сдвига, а тонкая наружная оболочка заготовки остается на стенке контейнера. Поэтому вся поверхность прессуемого алюминиевого профиля формируется из чистого внутреннего материала заготовки.     

Модель движения алюминия 

Углубление понимания о давлении прессования дает модель движения материала через контейнер и матрицу при следующих упрощающих предположениях (рисунок 3) [1]:

  • прессование круглой заготовки диаметром DC через сплошную матрицу с пояском, расположенным под прямым углом к ее зеркалу;
  • прессуемый профиль – пруток  диаметром DE;
  • движение материала вдоль конуса мертвой зоны – деформация сдвигом;
  • движение материала вдоль стенки контейнера – деформация сдвигом.

model-processa-pressovaniyaРисунок 3

В рамках этой модели полное среднее давление прессования на материал заготовки на расстоянии Z от начала мертвой зоны (см. рисунок 3) с учетом вклада усилий трения заготовки об контейнер выглядит следующим образом:  

pZ = 2σf (1+cos α)/√3)ln(DC/DE) + 4(σf Z )/(√3DC),

где σf– напряжение течения и α – угол конуса мертвой зоны.

Первое слагаемое дает оценку среднего давления, которое необходимо для движения металла только через конус мертвой зоны, то есть при Z=0 (см. рисунок 3). Оно зависит от отношения прессования, угла конуса мертвой зоны и напряжения течения. Второе слагаемое учитывает вклад сопротивления трения заготовки об контейнер: чем больше величина Z, тем больше требуется давление.  

Реальные давления прессования находятся в интервале от 450 до 760 МПа, иногда до 1040 МПа [2]. На практике пресс обычно имеет максимальное усилие, которое превышает фактически требуемое для прессования. Это позволяет при необходимости понижать температуру прессования и увеличивать скорость движения пресс-штемпеля для обеспечения алюминевым профилям повышенных свойств, в том числе, по качеству поверхности. 

Необходимое для прессования алюминиевых профилей усилие пресса вычисляется как произведение давления прессования на площадь поперечного сечения полости контейнера.  Усилие пресса FPопределяется как FP = pA1 + р(2A2), где A1 – площадь поперечного сечения полости главного поршня, A2 – площадь поперечного сечения полости каждого из двух боковых цилиндров, а p – прилагаемое гидравлическое давление в цилиндрах, как показано на рисунке 4. Обычно рабочее давление составляет около 250 бар.

sxema-extrusionnogo-pressaРисунок 4

 

Источники:
1. Saha P.
2. Aluminum and Aluminum Alloys.

Запись опубликована в рубрике Экструзия алюминия. Добавьте в закладки постоянную ссылку.