Роль рабочих поясков матрицы в управлении прессованием алюминия

Что такое экструзионная матрица

Прессование алюминия – это промышленная технология формования длинномерных алюминиевых профилей с постоянным поперечным сечением. Это поперечное сечение формируется отверстием – рабочим каналом – в стальном инструменте, который называется матрицей. Течение алюминия внутри матрицы управляется сложными трибомеханическими явлениями, которые зависят от давления, скорости течения и температуры алюминия, и трудно поддаются математическому моделированию. Поэтому понимание механики процесса прессования алюминия остается еще весьма ограниченным и проектирование экструзионных матриц в значительной степени основано на эмпирических правилах, а также опыте и интуиции инженера-конструктора [1-3].


Рисунок 1 — Матрицы на заводе по прессованию алюминия [AEC]

Причины неравномерности течения алюминия

Одной из главных задач при проектировании матрицы является выравнивание скорости течения алюминия на выходе из ее рабочего канала.

Основными причинами неравномерности течения металла через выходное отверстие плоской матрицы являются:

  • Влияние контейнера. При прямом прессовании сопротивление трению на границе заготовка-контейнер замедляет течение металла вблизи поверхности заготовки. Поэтому в центре заготовки металл движется быстрее, чем на ее «периферийных» участках.
  • Различия в толщине профиля. Чем шире рабочий канал матрицы, тем меньшее сопротивление он оказывает течению алюминия и, следовательно, выше скорость течения через этот канал.

Как управляют течением алюминия в плоской матрице

Основными методами управлению скоростью течения алюминия через рабочий канал плоской матрицы являются (рисунок 2) [1-3]:

  • изменение длины параллельных рабочих поясков.
  • изменение угла рабочих поясков,
  • изменение размеров и формы форкамеры.


Рисунок 2 – Плоская экструзионная матрица с форкамерой [3]:
1 – форкамера, 2 – рабочие пояски, 3 — выходная часть

Типы рабочих поясков матрицы

На рисунке 3 схематически показаны три типа рабочих поясков (рисунок 3):

  • параллельные;
  • сужающиеся по ходу течения металла («замедляющие») — английский термин: «choked»;
  • расширяющиеся по ходу течения металла («ускоряющие») — английский термин: «relieved».


Рисунок 3 – Типы рабочих поясков [3]:
а) параллельный; б) замедляющий; в) ускоряющий

Рабочие пояски с замедляющими или ускоряющими углами могут быть как на части рабочего канала, так полностью на всем рабочем канале.

Параллельные рабочие пояски

Параллельные рабочие пояски являются стандартными. В этом случае скорость течения алюминия через рабочий канал матрицы регулируют путем изменения длины рабочего пояска. Примеры варьирования длиной рабочих поясков плоской матрицы для выравнивания течения показаны на рисунках 4 и 5.


Рисунок 4 – Управление течением алюминия в плоской матрице
с помощью различной длины рабочих поясков [2]

Рисунок 5 — Пример распределения длин рабочих поясков
в плоской матрице [1]

Замедляющие и ускоряющие рабочие пояски

Замедляющие и ускоряющие рабочие пояски на входе и выходе рабочего канала показаны на рисунке 6. Обычно замедление течения применяют для лучшего заполнению рабочего канала матрицы, например, при прессовании твердых алюминиевых сплавов (серий 2ххх и 7ххх) [2]. Это обеспечивает профилям повышение стабильности размеров. Ускорение течения применяют для выравнивания течения металла по поперечному сечению профиля.


Рисунок 6– Замедляющий и ускоряющий углы рабочих поясков [2]

Корректировка углов рабочих поясков

Изменения углов рабочего пояска является популярным приемом у корректировщиков матриц на заводах по производству прессованных алюминиевых профилей. Этот метод позволяет легко корректировать течение металла в новых матрицах, так как даже удаление небольшого количества материала рабочего пояска матрицы дает большой эффект в ускорении или замедлении потока металла.

Компенсация упругих прогибов матрицы

Замедляющий угол рабочего пояска применяется для компенсации упругого прогиба элементов матрицы, таких как, например, «языки» (рисунок 7). Если рабочие пояски «языка» должны быть во время прессования параллельными, то их выполняют с небольшим замедляющим углом, чтобы при прогибе под нагрузкой рабочие пояски были параллельными.


Рисунок 7 – Элемент «язык» в плоской матрице [3]

Сопротивление течению в рабочем канале матрицы

В работе [3] представлены  результаты численного моделирования сопротивления рабочего канала матрицы в зависимости от угла рабочего пояска (рисунок 8). Установлено, что отрицательный (ускоряющий) угол дает низкое сопротивление течению металла. С увеличением ускоряющего угла величина сопротивления течению остается постоянной. При уменьшении ускоряющего угла за малые доли градуса до нуля, то есть перед тем, как рабочий канал станет параллельным, давление в нем резко возрастает. При этом стабилизация давления достигается только при положительном (замедляющем) угле около 0,5º.

Рисунок 8– Давление на входе в рабочий канал матрицы
шириной 2 мм и длиной 5 мм в зависимости от угла рабочего пояска [3]

Такое поведение течения металла может быть объяснено следующим образом. В ускоряющем (расширяющемся) рабочем пояске алюминий касается стенок рабочего канала матрицы только на его входе и затем теряет контакт с рабочими поясками (рисунок 9а). При этом увеличение угла, а также и длины рабочего пояска, уже не влияет на сопротивление рабочего канала течению металла.


Рисунок 9 – Контакт между алюминием и рабочими поясками [3]:
(а) – ускоряющий поясок, (б) – замедляющий поясок

 Замедляющий рабочий поясок обеспечивает полный контакт алюминия вдоль всей длины рабочего пояска (рисунок 9б). Небольшое увеличение угла, при котором происходит полный контакт, практически не влияет на скорость течения металла. Переход от почти отсутствия контакта к полному контакту происходит при величине угла около 0º. При этом происходит резкое увеличение трения, которое соответствует скачку давления на графике рисунка 6. Такое поведение рабочих поясков было установлено и экcпериментально [3].

Рекомендации по углам рабочих поясков

На основании представленных выше результатов по зависимости сопротивления течению различных типов рабочих поясков в работе [3] предлагаются следующие рекомендации по применению углов рабочих поясков.

Когда применять замедляющие рабочие пояски

Замедляющие рабочие пояски применяют при необходимости контроля течения металла и повышенных требований к качеству поверхности профиля. Величина замедляющего угла должна быть такой, чтобы обеспечивать полный контакт алюминием. В этом случае сопротивление течению будет предсказуемым и стабильным, а влияние неровностей на рабочем пояске на качество поверхности профиля будет минимальным [3].

О влиянии угла рабочего пояска на качество поверхности профиля см. также здесь.

Когда применять ускоряющие рабочие пояски

Ускоряющие (расширяющиеся) рабочие пояски обеспечивают минимальное сопротивление течению металла и поэтому могут давать максимальную скорость прессования. Их применяют в случае, когда в контроле течения через рабочий поясок нет необходимости, а также отсутствуют требования к высокому качеству поверхности профиля.

Источники:
1. T. Sheppard, Extrusion of Alluminum Alloys, 1999
2. P. Saha, Aluminum Extrusion Technology, 2000
3. G. van Ouwerkerk, PhD dissertation, 2009