Прессование алюминия: от заготовки до готового профиля

Ниже кратко, упрощенно и схематично – для первоначального ознакомления – изложены основы производственного процесса изготовления прессованных алюминиевых профилей.

И прессование, и экструзия

Прессование алюминия часто, и вполне обоснованно, называют также экструзией алюминия. Алюминий, действительно, выдавливается из контейнера пресса через отверстия матрицы, на которых формируется сечение алюминиевого профиля. Прямое значение английского слова «extrusion» как раз и означает «выдавливание». Вместе с тем, в русскоязычной технической литературе и нормативных документах пока чаще применяется термин «прессование».

Алюминиевые сплавы для профилей

Подавляющее большинство алюминиевых профилей изготавливают из сплавов серии 6ххх. Основные легирующие элементы этих сплавов – магний и кремний в количестве до 1,2 %. Из всех сплавов серии 6ххх наиболее популярными являются международные сплавы 6060 и 6063, которые являются аналогами отечественного сплава АД31. Эти сплавы являются термически упрочняемыми, то есть обладают способностью повышать свою прочность в результате термической обработки. О профилях из этих сплавов и будет, в основном, идти речь ниже.

Слиток-столб

Исходным материалом для изготовления алюминиевых профилей являются алюминиевые слитки. Чаще всего они имеют вид цилиндрических столбов длиной до 7 м (рисунок 1). Эти столбы могут иметь различные диаметры, как правило, шагом в один дюйм (25,4 мм). Самыми распространенными являются столбы диаметром от 6 дюймов до 9 дюймов (от 152 до 228 мм). О процессе изготовления слитков-столбов (литье и гомогенизации) см. здесь.

Рисунок 1 – Резка слитков столбов на заготовки [1]

Заготовка

В контейнер пресса загружают не весь столб, а его часть – заготовку. Часть производителей профилей заранее нарезают из столбов заготовки нужной длины – обычно от 400 до 1000 мм (см. рисунок 1), другие – загружают в печь весь столб, а затем непосредственно перед загрузкой в пресс отрезают от него нагретую заготовку нужной длины.

Нагрев заготовки

На рисунке 2 показан процесс подачи заранее отрезанной заготовки в печь нагрева заготовок. Заготовки поступает в печь и нагревается до заданной температуры.

Рисунок 2 – Нагрев заготовки перед ее экструзией [1]

Температура плавления чистого алюминия составляет 660 ºС. С увеличением содержания примесей и легирующих элементов температура алюминиевых сплавов, которые применяются для изготовления профилей несколько снижается (см. подробнее здесь). Типичная температура заготовки из сплавов серии 6ххх перед загрузкой в пресс составляет от 400 до 480 ºС. Точная температура нагрева зависит от химического состава сплава, сложности профиля и других параметров.

Отметим, что нагретая заготовка визуально ничем не отличается от холодной, она не имеет красноватого оттенка и не светится.

Нагрев матрицы и установка ее на пресс

Для прессования заданного профиля подготавливается соответствующая матрица  – она нагревается в печи нагрева матриц до температуры близкой температуре заготовки.

Рисунок 3 – Установка матричного комплекта в пресс [1]

Нанесение смазки на торец заготовки

Нагретая заготовка извлекается из печи и направляется к прессу для загрузки в контейнер. Перед самой загрузкой в пресс на задний торец заготовки наносят смазочный слой, который предотвращает прилипание пресс-шайбы к заготовке при обратном движении пресс-штемпеля в конце цикла прессования. Обычно для этого на торец заготовки направляют факел горящего ацетилена. Образующаяся от неполного сгорания ацетилена сажа покрывает торец заготовки и играет роль той самой смазки.

Рисунок 4 – Подача заготовки к прессу и нанесение смазки на ее задний торец [1]

Загрузка заготовки в контейнер и прессование

Заготовка свободно «заталкивается» пресс-штемпелем в контейнер, диаметр которого на 3-4 мм больше, чем диаметр заготовки. Затем пресс-штемпель начинает «давить» на торец заготовки с большим усилием, так что материал заготовки заполняет весь объем. С дальнейшим продвижением пресс-штемпеля давление в контейнере возрастает, и алюминий начинает «выдавливаться» через отверстия матрицы в виде профиля с заданным поперечным сечением (рисунок 5).

Рисунок 5 – Загрузка заготовки в контейнер и прессование (экструзия) профиля [1]

Пресс-остаток

В конце цикла прессования заготовки около 10 % ее объема, включая ее наружную оболочку, остается в задней части контейнера. Контейнер немного отъезжает назад, и эта часть заготовки извлекается из контейнера и отрезается от матрицы специальным острым ножом-гильотиной. Эта отрезанная часть заготовки называется пресс-остатком. Он вместе с другими технологическими отходами направляется на переплавку.

Скорость прессования

Профиль выходит из матрицы при температуре выше 500 ºС. Скорость движения профиля на выходе из матриц может составлять от 8 до 80 м в минуту в зависимости от сплава и сложности профиля (рисунок 6). В продольной передаче профиля по приемному столу, который может достигать длины 50 м, обычно участвует пуллер. Он захватывает специальными зажимами передний конец профиля и тянет профиль по рольгангу приемного стола. Скорость движения пуллера и осевое усилие, которое он прилагает к профилю, согласованы со скоростью выхода профиля из матрицы.


Рисунок 6 – Выход профиля из матрицы;
охлаждение профилей на выходном столе [1]

Закалка на прессе

Почти сразу после выхода из матрицы профиль обычно подвергают ускоренному охлаждению для того, чтобы алюминиевый сплав профиля достиг закаленного состояния — закалке на прессе.

Для достижения состояния закалки каждый сплав имеет свою минимально допустимую скорость охлаждения до температуры около 250 ºС. Например, профили из сплава 6060 должны достигать этой температуры не более, чем за пять минут. Для тонкостенных профилей для этого может быть достаточно охлаждения вентиляторами на приемном столе. Для профилей из более легированного сплава 6082 обычно требуется усиленное охлаждение сжатым воздухом, водовоздушной смесью или даже водой сразу после выхода из матрицы (см. рисунок 6).

Закалка алюминия и закалка стали

Закалка алюминиевых сплавов отличается от закалки стали. Сталь сразу после охлаждения  резко повышает свою прочность. Алюминиевые же сплавы после закалки практически не изменяют своей прочности. Эффект закалки проявляется только в результате последующей операции старения – естественного или искусственного. Естественное старение – это обычное вылеживание при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. Отсюда и термин «старение».

Горячая резка профилей

Длина профиля, который прессуется из одной заготовки, может достигать 50 м. Она зависит от размеров заготовки (диаметра и длины) и площади сечения профиля, а также длины приемного стола пресса. Обычно в конце каждого цикла прессования этот длинный непрерывный профиль отрезают пилой горячей резки от той части профиля, которая еще находится в матрице (рисунок 7). Затем этот профиль передается на стол охлаждения профилей.


Рисунок 7 – Пила горячей резки [1]

Стол охлаждения профилей и растяжная машина

На столе охлаждения профили продолжают свое охлаждение до температуры цеха и затем поступают на растяжную машину (рисунок 8). На растяжной машине профиль подвергается растяжению на заданную величину пластической деформации. Цель этой операции – снижение отклонений формы профиля от прямолинейности и скручиванию, а также, при необходимости, заданной холодной деформации.

Рисунок 8 – Профили на столе охлаждения и в растяжной машине [1]

Пила холодной резки

После растяжной машины профили по рольгангу поступают к пиле мерной резки (рисунок 8). Эту пилу называют также пилой холодной резки в отличие от пилы горячей резки на выходном столе пресса. На ней профили режут на мерные длины в соответствии с требованиями заказчика, обычно от 2 до 6 м. Профили мерной длины укладываются в специальные стальные корзины и направляются в зависимости от назначения (и типа сплава) на участок упаковки или в печь старения.

Рисунок 9 – Пила мерной резки [1]

Печь старения

Профили из термически упрочненных сплавов, таких как сплав 6060, достигают своей максимальной прочности в процессе, которые называют упрочнение старением. В результате старения легирующие элементы сплава, которые в результате закалки были  «заморожены» в твердом растворе алюминия, выделяются в виде мелких частиц. Это приводит к повышению прочностных свойств профилей.

Этот процесс старения может происходить при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. В этом случае он называется естественным старением. Максимальное повышение прочностных свойств достигается при искусственном старении, которое производится путем нагрева в специальной печи — печи старения (рисунок 10). Типичный режим для сплава 6060: температура 180 ºС и длительность 5 часов.

Рисунок 10 – Загрузка профилей в печь старения

Упаковывание, складирование и отгрузка

Готовые алюминиевые профили передаются:

  • на порошковое окрашивание или анодирование;
  • на упаковку и отгрузку заказчику;
  • на склад (рисунок 11).

Рисунок 11 – Упаковка и складирование алюминиевых профилей

Источник рисунков:
http://www.abralco.com/index.php/about-aluminium/aluminum-extrusion