Die Rolle von Matrizenarbeitsbändern bei der Kontrolle des Aluminiumpressens

Was ist eine Extrusionsdüse?

Aluminiumextrusion ist eine industrielle Technologie zum Formen langer Aluminiumprofile mit konstantem Querschnitt.. Dieser Querschnitt wird durch eine Bohrung – einen Arbeitskanal – in einem Stahlwerkzeug gebildet, die heißt Matrix. Der Aluminiumfluss innerhalb der Matrix wird durch komplexe tribomechanische Phänomene gesteuert, die vom Druck abhängen, Durchfluss und Temperatur von Aluminium, und mathematisch schwer zu modellieren. Daher ist das Verständnis der Mechanik des Aluminium-Strangpressprozesses noch sehr begrenzt und die Auslegung von Strangpresswerkzeugen basiert weitgehend auf Faustregeln., а также опыте и интуиции инженера-конструктора [1-3].


Bild 1 – Матрицы на заводе по прессованию алюминия [AEC]

Gründe für den ungleichmäßigen Fluss von Aluminium

Eine der Hauptaufgaben bei der Gestaltung der Matrix besteht darin, die Fließgeschwindigkeit von Aluminium am Ausgang seines Arbeitskanals auszugleichen..

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

  • Einfluss des Behälters. Beim Direktpressen verlangsamt der Reibungswiderstand an der Schnittstelle zwischen Knüppel und Behälter den Metallfluss in der Nähe der Knüppeloberfläche. Daher bewegt sich das Metall in der Mitte des Werkstücks schneller, als in seinen "peripheren" Gebieten.
  • Unterschiede in der Profildicke. Je breiter der Arbeitskanal der Matrix, desto geringer ist der Widerstand gegen das Fließen von Aluminium und, daher, höhere Strömungsgeschwindigkeit durch diesen Kanal.

Wie der Fluss von Aluminium in einer flachen Matrix gesteuert wird

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

  • Ändern der Länge von parallel arbeitenden Bändern.
  • Änderung des Winkels der Arbeitsbänder,
  • Ändern der Größe und Form der Vorkammer.


Bild 2 – Плоская экструзионная матрица с форкамерой [3]:
1 - für Kamera, 2 - Arbeitsgürtel, 3 – Ausgangsteil

Arten von Arbeitsbändern der Matrix

Auf dem Bild 3 схематически показаны три типа рабочих поясков (рисунок 3):

  • параллельные;
  • сужающиеся по ходу течения металла («замедляющие»)английский термин: “erstickt”;
  • расширяющиеся по ходу течения металла («ускоряющие»)английский термин: “erleichtert”.


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

Arbeitsbänder mit Verzögerungs- oder Beschleunigungswinkel können sich sowohl auf einem Teil des Arbeitskanals befinden, also komplett auf dem gesamten Arbeitskanal.

Parallel arbeitende Bänder

Parallel arbeitende Bänder sind Standard. In diesem Fall wird die Durchflussmenge von Aluminium durch den Arbeitskanal der Matrix durch Ändern der Länge des Arbeitsbandes gesteuert. Beispiele für die Längenvariation der Arbeitsbänder einer Flachmatrize zum Strömungsausgleich sind in den Abbildungen dargestellt. 4 und 5.


Bild 4 - Steuerung des Aluminiumflusses in einer flachen Matrix
с помощью различной длины рабочих поясков [2]

Bild 5 – Ein Beispiel für die Längenverteilung der Arbeitsbänder
в плоской матрице [1]

Brems- und Beschleunigungsbänder working

Abbremsende und beschleunigende Arbeitsbänder am Ein- und Ausgang des Arbeitskanals sind in der Abbildung dargestellt 6. Typischerweise wird eine Fließverzögerung verwendet, um den Arbeitskanal der Matrix besser zu füllen., z.B, при прессовании твердых алюминиевых сплавов (серий 2ххх и 7ххх) [2]. Dies verleiht den Profilen eine erhöhte Maßhaltigkeit.. Die Beschleunigung des Fließens wird genutzt, um den Metallfluss entlang des Profilquerschnitts auszurichten..


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

Korrektur der Ecken der Arbeitsbänder

Die Winkeländerung des Arbeitsbandes ist eine beliebte Technik bei Die-Spottern in Fabriken zur Herstellung von stranggepressten Aluminiumprofilen.. Diese Methode macht es einfach, den Metallfluss in neuen Matrizen zu korrigieren., da schon das Abtragen geringer Materialmengen vom Arbeitsband der Matrize einen großen Einfluss auf die Beschleunigung oder Verlangsamung des Metallflusses hat.

Matrix elastische Durchbiegungskompensation

Der Abbremswinkel des Arbeitsbandes dient zum Ausgleich der elastischen Durchbiegung der Matrixelemente, solche wie, z.B, «языки» (рисунок 7). Wenn die Arbeitsriemen der "Zunge" beim Pressen parallel sein müssen, dann werden sie mit kleinem Verzögerungswinkel ausgeführt, damit bei Durchbiegung unter Last die Arbeitsriemen parallel sind.


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

Strömungswiderstand im Arbeitskanal der Matrix

В работе [3] представлены результаты численного моделирования сопротивления рабочего канала матрицы в зависимости от угла рабочего пояска (рисунок 8). Eingerichtet, что отрицательный (ускоряющий) угол дает низкое сопротивление течению металла. Mit zunehmendem Beschleunigungswinkel bleibt der Wert des Strömungswiderstandes konstant. Wenn der Beschleunigungswinkel um kleine Bruchteile eines Grades auf Null abnimmt, das heißt vor, wie der Arbeitskanal parallel wird, der Druck darin steigt stark an. При этом стабилизация давления достигается только при положительном (замедляющем) угле около 0,5º.

Abbildung 8 - Druck am Einlass zum Arbeitskanal der Matrix
Breite 2 mm und Länge 5 мм в зависимости от угла рабочего пояска [3]

Dieses Verhalten des Metallflusses lässt sich wie folgt erklären. В ускоряющем (расширяющемся) рабочем пояске алюминий касается стенок рабочего канала матрицы только на его входе и затем теряет контакт с рабочими поясками (рисунок 9а). In diesem Fall ist eine Vergrößerung des Winkels, sowie die Länge des Arbeitsbandes, beeinflusst nicht mehr den Widerstand des Arbeitskanals gegen den Metallfluss.


Bild 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). Leichte Erhöhung des Winkels, bei dem Vollkontakt auftritt, beeinflusst den Metalldurchfluss praktisch nicht. Der Übergang von fast keinem Kontakt zu vollem Kontakt erfolgt in einem Winkel von etwa 0º. Gleichzeitig nimmt die Reibung stark zu, was dem Drucksprung auf der Grafik in der Abbildung entspricht 6. Такое поведение рабочих поясков было установлено и экcпериментально [3].

Richtlinien für die Winkel der Arbeitsbänder

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

Wann sollten bremsende Arbeitsgurte verwendet werden

Verlangsamende Arbeitsbänder werden eingesetzt, wenn es erforderlich ist, den Metallfluss zu kontrollieren und erhöhte Anforderungen an die Qualität der Profiloberfläche zu erfüllen.. Der Wert des Verzögerungswinkels sollte wie folgt sein, um vollen Kontakt mit Aluminium zu gewährleisten. In diesem Fall ist der Strömungswiderstand vorhersehbar und stabil., а влияние неровностей на рабочем пояске на качество поверхности профиля будет минимальным [3].

Zum Einfluss des Winkels des Arbeitsbandes auf die Oberflächengüte des Profils siehe. ebenfalls Hier.

Wann sollten Beschleunigungsbänder verwendet werden

Ускоряющие (расширяющиеся) рабочие пояски обеспечивают минимальное сопротивление течению металла и поэтому могут давать максимальную скорость прессования. Sie werden im Koffer verwendet, wenn der Durchfluss durch das Arbeitsband nicht kontrolliert werden muss, und es werden keine Anforderungen an eine hohe Qualität der Profiloberfläche gestellt.

Quellen:
1. T. Schäfer, Extrusion von Aluminiumlegierungen, 1999
2. P. Saha, Aluminium-Extrusionstechnologie, 2000
3. G. von Ouwerkerk, Doktorarbeit, 2009