Strangpressen von Aluminium 

Aluminium-Extrusion: Temperaturregelung

Wärmebilanz bei der Direktextrusion

Wärmeenergiequellen für das Direktextrusionsverfahren sind in Abb.. 1. Der größte Teil der Verformungsarbeit wird in Wärme umgewandelt. Reibungskräfte, an drei verschiedenen Standorten tätig, die Gesamttemperaturänderung im Werkstück beeinflussen, sowie in extrudierten Profilen, der aus der Extrusionsdüse austritt.


Feige. 1 – Die Quellen der Wärmeenergie zum direkten Extrusionsverfahren.
Der größte Teil der Verformungsarbeit wird in Wärme umgewandelt.
Dieser Temperaturanstieg ist auf plastische Verformung und Reibung zurückzuführen.
Friction forces acting in three different locations:
Container-Billet-Schnittstelle, dead-metal zone and die bearing [1].

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Extrusionsparameter. Mit steigender Temperatur nimmt die Fließspannung ab und, daher, plastische Verformung wird einfacher. Gleichzeitig, aber, reduzierte maximale Extrusionsgeschwindigkeit, da eine lokale Temperatur zu einem lokalen Unterschmelzen einer bestimmten Legierung führen kann. Temperaturänderungen während der Extrusion hängen von vielen Faktoren ab, таких как [1]:

  • Ausgangstemperatur des Werkstücks
  • Legierungsfließspannung bei einer gegebenen Temperatur, Dehnung und Dehnungsrate
  • Plastische Verformung
  • Reibung zwischen Behälter und Werkstück
  • Reibung während des Metallflusses in der Totzone der Matrize
  • Reibung während des Metallflusses durch die Arbeitsbänder der Extrusionsdüse
  • Теплопередача (как теплопроводность, так и конвекция)

Die Wärmebilanz des Aluminium-Strangpressprozesses ist in Abb.. 2.

Feige. 2 – The heat balance of aluminium extrusion [1]

Схема численной модели теплового баланса при прямой экструзии алюминия показана на рис. 3 [2]. Тепловой баланс между деформируемым материалом и экструзионными инструментами задает рост температуры в экструдате. Применяются контрольные объемы вокруг зоны деформации и других зон, где происходит значительные потоки тепла.


Feige. 3 – The heat balance during the extrusion process [2]

Экструзия алюминиевых сплавов серии 6000

Прямая экструзия алюминия — это процесс приложения гидравлической силы к заготовке в контейнере через отверстие (отверстия) неподвижной матрицы. Примером может быть экструзия алюминиевых сплавов серии 6000 (Feige. 4). Алюминиевые заготовки нагревают до 450-500°С (в зависимости от сплава, формы прессования и коэффициента экструзии) и загружают в предварительно подогретый контейнер (420-470°С). Гидравлический поршень проталкивает заготовку через отверстие (отверстия) матрицы при давлении до 680 MPa. Горячий металл проходит через экструзионную матрицк, образуя непрерывный экструдат с поперечным сечением, идентичным отверстию экструзионной матрицы. Формы поперечного сечения экструдата могут быть от сложных полых до простых сплошных (без полостей).


Feige. 4 – Schematic of direct extrusion process of 6000 aluminium alloys:
temperatures for the billet, Container, die and extrusion [3]

Matrix-Auslasstemperatur

Температура алюминия на выходе из матрицы (температура экструзии) важна по нескольким причинам.

  • Температура экструзии влияет на качество экструдированного изделия и на срок службы экструзионной матрицы, wie im Bild gezeigt. 5.
  • Температура на выходе влияет на процессы термообработки и стабильность размеров, а также вызывает дефекты экструзии.
  • Температура на выходе является критической проблемой для срока службы ‘экструзионной матрицы. Der Verschleiß der Extrusionsdüse und ihre Produktivität hängen von der Austrittstemperatur ab, welcher, wiederum, bewirkt eine Temperaturerhöhung der Arbeitsbänder der Extrusionsdüse.

Feige. 5 – Extrusion temperature (exit temperature) effects
on product quality and die life [1]

Что влияет на температуру профиля на выходе из пресса

Materialeigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften des Barrens aus Aluminiumlegierung haben einen großen Einfluss auf die Wärmemenge, которое образуется в результате деформации и трения. В случае деформации, die abgeführte Wärme ist proportional zur Fließspannung bei einer gegebenen Temperatur, Dehnung und Dehnungsraten. Bei Reibung, die Temperatur steigt proportional zur Reibungsschubspannung.

Reibung

Verteilung температуры алюминия сильно зависит от условий его трения о контейнер, entlang der Grenze der Totzone und des Matrixgürtels.

Es wird zusammen mit anderen technologischen Abfällen zum Umschmelzen geschickt.

Die Temperatur des Aluminiumprofils steigt mit der Geschwindigkeit des Stößels. Diese Erhöhung ist auf, dass die Verformungsgeschwindigkeit direkt proportional zur Geschwindigkeit des Pressenstößels ist, und die erzeugte Wärmemenge ist proportional zur Dehnungsrate. Je niedriger die Pressenstößelgeschwindigkeit, desto mehr Zeit für Wärmeübertragung und -ableitung.

Pressverhältnis

Je größer das Pressverhältnis, desto höher die Temperatur am Austritt aus der Matrix aufgrund intensiverer plastischer Verformung.

Der Umfang des Matrixgürtels

Die Temperatur des Aluminiumprofils am Ausgang der Matrix steigt mit zunehmendem Umfang des Matrixbandes. Das ist weil, dass, während die Länge des Riemens mit einer Zunahme seines Umfangs beibehalten wird, die Reibungsfläche entlang des Matrixriemens zunimmt.

Измерение температуры на экструзионом прессе

Измерение температуры экструзии, выходящей из головки, можно выполнить несколькими способами:

  • Вставка термопары в экструзионную матрицу
  • Измерение вне экструзионной матрицы с помощью термопары контактного типа
  • Использование оптического пирометра

Бесконтактные измерения температуры производятся в течение нескольких секунд после того, как экструдируемый профиль покидает экструзионную матрицу. Датчик непрерывно контролирует температуру от начала до конца экструзии. Непрерывный мониторинг температуры экструзии позволяет проводить процесс в максимально возможной степени при постоянной температуре (изотермическая экструзия) за счет управления скоростью пресс-штемпеля, тем самым оптимизируя производительность.

Систему можно использовать для более точного контроля и мониторинга температуры заготовки и экструзии, чтобы поддерживать постоянное качество экструзии. Схема установки для экструзии алюминия показана на рис. 6.

Feige. 6 – Typical billet and extrusion temperature measurement system [1](Williamson Corp.)

 

Quellen:

  1. Aluminium-Extrusionstechnologie / Saha P.
  2. Extrusion von Aluminiumlegierungen / T. Schäfer
  3. Basic Metallurgy: 6000 Series Extrusion Alloys, Comalco-Veröffentlichung