The role of the bearings of the dies in the control of aluminum extrusion

What is extrusion die

Aluminum Extrusion - an industrial technology of molding of long aluminum profiles with constant cross-section. This cross-section is formed by a hole - working channel - a tool steel, which is called the matrix. aluminum flow within the matrix is ​​controlled by complex phenomena tribomechanical, which depend on the pressure, flow rate and temperature of aluminum, and difficult mathematical modeling. Therefore, understanding the mechanics of aluminum pressing process is still very limited and design of extrusion dies is largely based on empirical rules, а также опыте и интуиции инженера-конструктора [1-3].


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

The reasons for the uneven flow of aluminum

One of the main problems in the design of the matrix is ​​aluminum leveling the flow velocity at the outlet of its working channel.

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

  • the impact of the container. For direct compression the frictional resistance on the border of the preform container slows metal flow near the surface of the workpiece. Therefore, the center metal workpiece moves faster, than its "peripheral" areas.
  • Differences in the profile thickness. The wider working channel matrix, the smaller the flow resistance it exerts aluminum and, Consequently, higher flow rate through the channel.

As the control over the aluminum matrix in a plane

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

  • change the length of the parallel working belts.
  • changing the angle of the working belts,
  • change the size and shape of the prechamber.


Figure 2 – Плоская экструзионная матрица с форкамерой [3]:
1 - forkamera, 2 - running web, 3 – the output part

Types of working belts matrix

On the image 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”.


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

The working belts with retarding or accelerating angles may be on both the working channel portion, so completely throughout the working channel.

Parallel running web

Parallel belts are working standard. In this case, the flow rate of aluminum through the working channel of the matrix is ​​adjusted by changing the length of the running web. Examples working belts of varying length flat die for smoothing the flow shown in figures 4 and 5.


Figure 4 - Control over the aluminum matrix in a plane
с помощью различной длины рабочих поясков [2]

Figure 5 – EXAMPLE working length distribution belts
в плоской матрице [1]

Slowing and accelerating running web

Slowing and accelerating the running web at the entrance and exit of the working channel shown in Figure 6. Typically the flow is used for slowing a better filling of the working channel matrix, for example, при прессовании твердых алюминиевых сплавов (серий 2ххх и 7ххх) [2]. It provides profiles of improving dimensional stability. Acceleration of the flow is used to equalize metal flow profile over the cross-section.


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

Adjustment of working angle belts

Changes in the working angles of the girdle is a popular technique in spotters matrices for the production of extruded aluminum profiles plants. This method makes it easy to adjust the flow of the metal in the new matrices, since even the removal of small amounts of the girdle of the matrix material gives a large effect in the acceleration or deceleration of the flow of metal.

Compensation of the elastic deflection of the matrix

Slowing the working angle of the girdle is used to compensate for the elastic bending matrix elements, such as, for example, «языки» (рисунок 7). If workers belts "language" should be during compression parallel, they perform with a small angle slows down, that when the deflection under load working belts are parallel.


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

Flow resistance in the working channel matrix

В работе [3] представлены результаты численного моделирования сопротивления рабочего канала матрицы в зависимости от угла рабочего пояска (рисунок 8). established, что отрицательный (ускоряющий) угол дает низкое сопротивление течению металла. With an increase in the accelerating flow resistance value of the angle remains constant. When reducing the accelerating angle for a small fraction of a degree to zero, that is before, as the working channel is parallel, its pressure increases dramatically. При этом стабилизация давления достигается только при положительном (замедляющем) угле около 0,5º.

Figure 8- The pressure at the inlet into the working channel of the die
width 2 mm and length 5 мм в зависимости от угла рабочего пояска [3]

Such metal flow behavior can be explained as follows:. В ускоряющем (расширяющемся) рабочем пояске алюминий касается стенок рабочего канала матрицы только на его входе и затем теряет контакт с рабочими поясками (рисунок 9а). The increase of the angle, and also the length of running web, no longer influences the flow resistance of the working channel metal.


Figure 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). A slight increase in the angle, at which there is full contact, almost no effect on the rate of flow of metal. The transition from almost no contact to complete the contact occurs at the value of the angle about 0º. Thus there is a sharp increase in friction, which corresponds to the jump in the graph the pressure pattern 6. Такое поведение рабочих поясков было установлено и экcпериментально [3].

Recommendations for working corners belts

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

When to slow down running web

Slowing working belts used metal flow control, if necessary, increased demands on the quality profile surface. The magnitude of deceleration angle should be such, to ensure full contact with aluminum. In this case, flow resistance is predictable and stable, а влияние неровностей на рабочем пояске на качество поверхности профиля будет минимальным [3].

Effect of the working angle of the girdle on the quality of the surface profile cm. also here.

When to accelerate work belts

Ускоряющие (расширяющиеся) рабочие пояски обеспечивают минимальное сопротивление течению металла и поэтому могут давать максимальную скорость прессования. They are used in the case of, When the control flow through the working band is not necessary, and there is no requirement for high quality of the surface profile.

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