Aluminiumextrusion: Prinzipien und Methoden

Metallextrusion

Extrudierbare Metalle

Das Extrudieren von Metallen ist der Prozess, in dem ein Billet, normalerweise rund, wird von einem Stiel mit hohem Druck durch ein Werkzeug der gewünschten Form gepresst, der Würfel, auf eine oder mehrere Längen (Abbildung 1). Das Verfahren wird hauptsächlich zur Herstellung von Barren verwendet, Kabel, Rohre, und Profile in

• Aluminiumlegierungen und
• Kupferlegierungen.

Jedoch, Rohre, Profile, Auch Halbzeuge aus anderen Metallen werden in kleinen und mittleren Stückzahlen durch Strangpressen hergestellt. Diese Metalle und ihre Legierungen sind [1]:

• Stähle
• rostfreier Stahl
• Magnesium
• Titan
• Nickel
• Zinn
• führen

Abbildung 1 – Das Prinzip der Extrusion [2]

Druckstresszustand

Während der Extrusion, Im gesamten Barren entsteht ein Druckspannungszustand (Abbildung 1). Dadurch können große Verformungen bei geringer Rissgefahr erreicht werden.

Das Verhältnis der Querschnittsfläche des Barrens zur Querschnittsfläche des extrudierten Abschnitts wird als Extrusionsverhältnis bezeichnet. Normalerweise liegt es im Bereich 10 zu 100 und mehr in besonderen Fällen.

Dafür braucht man:

• Das Material wird so extrudiert, dass es eine geringe Fließspannung aufweist
• ein hoher spezifischer Pressdruck von bis zu 1000 N/mm2.

Die Extrusion erfolgt daher üblicherweise bei hoher Temperatur:

• Aluminiumlegierungen liegen üblicherweise im Bereich 420 zu 525 ºC
• Kupferlegierungen dazwischen 600 und 900 ºC
• Edelstähle und Sonderwerkstoffe bis zu 1250 ºC.

Zwei Hauptarten der Extrusion

Abbildung 2 veranschaulicht die beiden wichtigsten Arten der Extrusion [2]:

• (eine direkte
• (b) indirekt.

Abbildung 2 – Variation von Reibungskomponenten und Längsgeschwindigkeitskomponenten
des Metallflusses in der Reduktionszone über den Blockquerschnitt in
der Fall von (a) direkt, und (b) indirekte Extrusionsverfahren.
(V_D, Einschlüsse und Wasserstoff und ihre Auswirkungen auf die Qualität von direkt gegossenen und flachgewalzten Aluminiumlegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen /A_C, und V_R sind Sterbegeschwindigkeit, Container, und Widder, bzw.) [2]

Direktextrusion (Vorwärtsextrusion)

• Einen Schaft, mit Druckpolster vorne, schiebt den Barren in einem stationären Behälter durch ein Werkzeug der gewünschten Form, der Würfel.
• Zwischen dem Knüppel und dem Behälter findet eine Relativbewegung statt (Abbildung 2a).

Indirekte Extrusion (Rückwärtsextrusion):

• Die Matrize befindet sich vor einem hohlen Schaft und wird durch die Vorwärtsbewegung des hinten geschlossenen Behälters gegen den Barren gedrückt.
• Es gibt keine Relativbewegung zwischen Knüppel und Behälter (Abbildung 2b).
• Es gibt keine relative Verschiebung zwischen dem Knüppel und dem Behälter. Infolge, Es gibt keine Reibungsverbindung an der Schnittstelle zwischen Knüppel und Behälter.
• Deswegen, die Extrusionslast und die durch Verformung und Reibung erzeugte Temperatur werden reduziert, wie in der Abbildung gezeigt 3 [5].

Abbildung 3 – Typische Last-/Stempelverschiebungskurven
für Aluminium-Strangpressprozesse [5].
(a) Last-gegen-Stempel-Verschiebungskurven
für direkte (vorwärts) (1) und indirekte (rückwärts) (2) Extrusion.
(b) Aufteilung der Verformungsarbeit.
EIN, Arbeit zum Stauchen von Knüppeln;
B, Arbeit, die erforderlich ist, um eine Verformung einzuleiten;
C, Verformungsarbeit;
D, Arbeit, die zur Überwindung von Reibung und Scherung bei der Direktextrusion erforderlich ist

Arten von Aluminium-Strangpressen

Direktpressung

Ein Schema einer direkten Aluminium-Strangpresse ist in Abb. dargestellt. 4. Zur Herstellung von Vollstäben werden Direktpressen eingesetzt, Stangen, Streifen, und integrierte Profile. Die Pressen können auch zum Strangpressen von Rohren und Hohlprofilen aus weicherem Aluminium unter Verwendung eines Vollbarrens durch ein Bullauge oder Brückenmatrizen verwendet werden [2]..

Indirekte Presse

Die Presse zur indirekten Aluminium-Strangpressung (Abb. 5) besteht im Wesentlichen aus den gleichen Elementen wie die Pressen für die Direktextrusion. Allgemein, für die Extrusion harter Legierungen, speziell für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie, Die beim indirekten Strangpressen erzielten Metallfließeigenschaften sind wesentlich günstiger als die beim direkten Verfahren [2].

Abbildung 4 – Schema einer Direktstrangpresse.
1, Gegenplatte; 2, Matrizenschlitten oder Rotationsstanzkopf; 3, scheren; 4, Billet-Container;
5, bewegliches Querhaupt; 6, Stengel; 7, Zylinderkreuzkopf; Und 8, Öltank.
Quelle: Schloemann-Siemag [2]

Abbildung 5 – Schema einer indirekten Strangpresse.
1, Gegenplatte; 2, Werkzeugschlitten; 3, scheren; 4, Billet-Container; 5, bewegliches Querhaupt;
6, die stem; 7, Dichtelement; 8, Zylinderkreuzkopf; Und 9, Öltank.
Quelle: Schloemann-Siemag [2]

Direkte Extrusion versus indirekte Extrusion

Die indirekte Methode bietet folgende Vorteile:

• Längere Anfangsrohlinge
• Höhere Extrusionsgeschwindigkeit für viele Materialien
• Dünnere Enden
• Gleichmäßigere Struktur über die extrudierte Länge
• Dünnere Abschnitte
• Engere Toleranzen über die gesamte Länge des Produkts
• Gleichmäßigere Behälter- und Knüppeltemperaturen während der Extrusion
• Längere Lebensdauer von Behälter und Liner

Aber, Es gibt einige wichtige Nachteile indirekter Pressen:

• Um Oberflächenfehler zu vermeiden, ist eine maschinelle Bearbeitung der Knüppelhaut erforderlich.
• Die Extrusionsgröße ist durch die Bohrung des Hohlschafts begrenzt.
• Die Handhabung der Matrizen ist schwierig.
• Die Schwierigkeiten beim Widderbau.
• Das extrudierte Produkt muss die Länge des Stiels durchlaufen, bevor es abgekühlt werden kann. Deswegen, Eine Pressabschreckung ist nicht möglich.

Aufgrund dieser begrenzenden Faktoren hat die indirekte Extrusion nicht die gleiche breite Anwendung gefunden wie das direkte Verfahren.

Direkte Knüppel-zu-Knüppel-Extrusion

• Das wichtigste und gebräuchlichste Verfahren bei der Aluminiumextrusion ist das Direktverfahren [2].

Figuren 1 und 2a zeigen das Prinzip der Direktextrusion, bei der der Barren in den Behälter gelegt und durch den Stempeldruck durch die Matrize gedrückt wird. Direktextrusion findet Anwendung bei der Herstellung von Vollstäben, Riegel, Hohlrohre, sowie Hohl- und Vollprofile je nach Design und Form der Matrize. Im Direktextrudieren, Die Richtung des Metallflusses entspricht der Bewegungsrichtung des Stößels. Während dieses Prozesses, der Barren gleitet relativ zu den Wänden des Behälters [2, 3].

Das Knüppel-auf-Knüppel-Strangpressen ist ein spezielles Verfahren für Aluminiumlegierungen, die sich bei Strangpresstemperatur und -druck leicht zusammenschweißen lassen. Mit diesem Verfahren, Kontinuierliche Längen einer bestimmten Geometrie (Form) können mit verschiedenen Methoden hergestellt werden. Auch bei der Herstellung von gewickelten Halbzeugen zur Weiterverarbeitung ist die Strangpressung von Strang auf Strang ein sinnvolles Verfahren, wie die Herstellung von Stangen- und Rohrzügen. Beim Durchlaufen der Verformungszone muss eine einwandfreie Verschweißung des im Behälter befindlichen Barrens mit dem nachfolgenden Barren erfolgen.

Es wurden zwei Methoden der Knüppel-an-Knüppel-Extrusion entwickelt, mit Entfernen von Verwerfen und ohne Entfernen von Verwerfen.

Strangpressen von Knüppel zu Knüppel mit Ausschuss (Stumpf)

Die am häufigsten verwendete Methode der Knüppel-auf-Knüppel-Extrusion ist die Methode, wenn der Abwurf entfernt wird, und der folgende Rohling wird mit dem in der Schweiß- oder Vorschubplatte verbliebenen Rohling verschweißt (Abbildung 6) [2].

 

Abbildung 6 – Die Methode der Direktextrusion mit Entfernung des Ausschusses (Stumpfes).
Der folgende Rohling wird mit dem verbleibenden verschweißt
in der Schweiß- oder Anschlussplatte [2]

Strangpressen von Knüppel zu Knüppel ohne Ausschuss (Stumpf)

Die zweite Methode erfordert kein Verwerfen; Der nachfolgende Block wird direkt auf den noch im Behälter befindlichen Block gedrückt, wie in Abb. 7. Der mit der Spindel befestigte Blindblock schert bei jedem Rückhub einen Aluminiumring vom Behälter ab, und dieser muss vom Stiel entfernt werden [2]. Diese Methode wird viel seltener verwendet.

Abbildung 7 – Die zweite Methode erfordert keinen Abwurf (Hintern)..
Der nachfolgende Block wird direkt auf den noch im Container befindlichen Block gepresst.
Der am Stiel befestigte Blindblock schneidet einen Aluminiumring ab
den Behälter bei jedem Rückhub, und dieser muss vom Stiel entfernt werden [2]

Extrudierbarkeit von Aluminiumlegierungen

Extrudierbarkeit, was an der maximalen Extrusionsgeschwindigkeit gemessen werden kann, ist einer der wichtigsten Faktoren, die Kosten und Effizienz des Extrusionsprozesses beeinflussen (Abbildung 8). Temperatur- und Geschwindigkeitsparameter, zusammen mit dem Spannungszustand in der Verformungszone, hauptsächlich in der Die-Region, spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Extrudierbarkeit einer bestimmten Legierung.

Leicht extrudierbare Legierungen – Weiche Legierungen:

• Al
• : Aluminium-Knetlegierungen mit geringer Festigkeit
• : Aluminium-Knetlegierungen mit geringer Festigkeit
• AlMgSi0,5, und
• AlMgSi0,8

Legierungen, die mäßig schwer zu extrudieren sind – Mittelfeste Legierungen:

• AlMg2-3
• ) Warmhärtbare Legierungen im ungealterten Zustand:
• ) Wärmebehandelte Legierungen im gealterten und/oder kaltverfestigten Zustand:

Schwierig zu extrudierende Legierungen – Harte Legierungen

• AlCuMg
• Wärmebehandelte Knetsorten mit spanbrechenden Zusätzen
• AlZnMgCu
• AlMg > 3%Mg

Abbildung 8 – Extrudierbarkeit verschiedener Aluminiumlegierungen: weich, mittelfest und hart [4]

Extrusionswerkzeuge für verschiedene Aluminiumlegierungen

Beim Warmfließpressen von Aluminiumlegierungen, Im Allgemeinen werden Flachmatrizen verwendet. Es gibt grundlegende Unterschiede zwischen den Konfigurationen der Matrizen und Werkzeuge, die für die Extrusion von [2] verwendet werden:

• weiche und mittelfeste Legierungen (Abbildung 9:
  – Zubringer
  – fester Dummy
  – Knüppel-auf-Knüppel-Prozess
• Hartlegierungen (Abbildung 10):
  – kein Feeder
  – schwimmender (loser) Dummy
  – Jeder Barren wird separat extrudiert.

Abbildung 9 – Werkzeugkonfiguration im Direktextrusionsverfahren
mit Speiserplatte für weiche und mittelfeste Legierungen.
1, Futterplatte; 2, sterben; 3, Unterstützer; 4, sterben ring; 5, Nackenrolle;
6, Druckplatte; Und 7, fester Dummy [2]

Abbildung 10 – Werkzeugkonfiguration in der Direktextrusionsverarbeitung
mit massiver Matrize für harte Legierungen.
1, solide sterben; 2, Unterstützer; 3, sterben ring; 4, Nackenrolle;
5, Druckplatte; Und 6, schwimmender (loser) Dummy [2]

Fließspannung von Aluminiumlegierungen

Abbildung 11 zeigt den Bereich der Austrittsgeschwindigkeiten, die beim Strangpressen verschiedener Aluminiumlegierungen auftreten.

• Die Extrusionsgeschwindigkeit hängt stark von der Fließspannung der Legierung unter den Prozessbedingungen ab
• Die Austrittsgeschwindigkeiten sind für Soft (6063 und 3003 Legierungen), sind aber für harte Legierungen wie z. B. recht niedrig 7075 und 2024 [5].

Abbildung 11 – Extrusionsrate versus Fließspannung für verschiedene Aluminiumlegierungen [5]

Kraft- und Druckkapazitäten von Strangpressen

Pressen zum Heißfließpressen werden in der Regel nach der Kraftkapazität bewertet, das ist, die Gesamtkraft, die die Presse auf den Knüppel ausüben kann. Jedoch, Der Pressbetrieb hängt vom tatsächlichen Einheitsdruck ab, der auf das Metall ausgeübt wird. Für eine Presse mit einer bestimmten Kraftkapazität, Höhere Einheitsdrücke können erreicht werden, wenn der Knüppelbehälter einen kleineren Durchmesser hat. Da der Behälter im Durchmesser zunimmt, die Druckkapazität der Einheit nimmt ab, mit einer daraus resultierenden Verringerung der Extrusionsfähigkeit [5].

Der typische Einheitsdruck, oder der spezifische Druck, ist in der Tabelle der Abbildung aufgeführt 12 für unterschiedliche Presskapazitäten und Behältergrößen. Der Einheits- oder spezifische Druck der Presse muss unter bestimmten Bedingungen größer sein als der für eine bestimmte Extrusion erforderliche Druck. Der für die Extrusion erforderliche Druck kann je nach Legierung und Zustand variieren, das Extrusionsverhältnis, Länge und Knüppeltemperatur, Extrusionsgeschwindigkeit, und umschriebener Kreisdurchmesser [2].

• Der typische maximale Einheitsdruck, der bei den meisten Extrusionspressen verwendet wird, beträgt ca 1035 MPa.
• Dieser Druck liegt nahe der Obergrenze der mechanischen Festigkeit der meisten Werkzeugstähle, die zum Strangpressen verwendet werden [5].

Abbildung 12 – Kraft- und Druckkapazität typischer Aluminium-Strangpressen.
(Das Fragment der Tabelle der Quelle [2])

Quellen:

1. Extrusion / M. Bauser, G. Sauer, K. Siegert – Englische Ausgabe, 2006
2. Aluminium-Extrusionstechnologie / Saha P.
3. Extrusion von Aluminiumlegierungen / T. Schäfer
4. TALAT 1302
5. Extrusion / Aluminium und Aluminiumlegierungen / ASM-Spezialhandbuch – ASM International, 1996