Экструзия алюминия 

Экструзия алюминия: контроль температуры

Тепловой баланс при прямой экструзии

Источники тепловой энергии для процесса прямой экструзии показаны на рис. 1. Большая часть работы деформации превращается в тепло. Силы трения, действующие в трех разных местах, влияют на общее изменение температуры в заготовке, а также в экструдированном профилей, который выходит из экструзионной матрицы.


Fig. 1 – The sources of heat energy to the direct extrusion process.
Most of the work of deformation is transformed into heat.
This temperature rise due to plastic deformation and friction.
Friction forces acting in three different locations:
container-billet interface, dead-metal zone and die bearing [1].

Температура является одним из наиболее важных параметров экструзии. При поышении температуры напряжение течения снижается и, следовательно, пластическая деформация становится легче. В то же время, однако, снижается максимальная скорость экструзии, поскольку локальная температура может привести к локальному под плавлению конкретного сплава. Изменения температуры во время экструзии зависят от многих факторов, таких как [1]:

  • Начальная температура заготовки
  • Напряжение течения сплава при заданной температуре, деформации и скорости деформации
  • Пластическая деформация
  • Трение между контейнером и заготовкой
  • Трение при течении металла в мертвой зоне матрицы
  • Трение при течении металла через рабочие пояски экструзионной матрицы
  • Теплопередача (как теплопроводность, так и конвекция)

Тепловой баланс поцесса экструзии алюминия показан на рис. 2.

Fig. 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.

 
Fig. 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 (рис. 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 МПа. 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).


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

Температура на выходе из матрицы

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, как показано на рис. 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. Износ экструзионной матрицы и ее производительность зависят от температуры на выходе, которая, в свою очередь, вызывает повышение температуры рабочих поясков экструзионной матрицы.

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

Что влияет на температуру профиля на выходе из пресса

Свойства материала

Механические свойства алюминиевого сплава заготовки значительно влияют на количество тепла, которое образуется  в результате деформации и трения. В случае  деформации, рассеиваемое тепло пропорционально напряжению течения при данной температуре, скорости деформации и деформации. В случае трения, температура повышается пропорционально сдвиговому напряжению трения.

Трение

Распределение температуры алюминия сильно зависит от условий его трения о контейнер, по границе мертвой зоны и пояску матрицы.  

Скорость прессования

Температура алюминиевого профиля повышается с повышением скорости пресс-штемпеля. Это повышение происходит потому, что скорость деформации прямо пропорциональна скорости пресс-штемпеля, а количество образуемого тепла пропорционально скорости деформации. Чем ниже скорость пресс-штемпеля, тем больше времени для передачи тепла и его рассеивания.

Отношение прессования

Чем больше отношение прессования, тем выше температура на выходе из матрицы из-за более интенсивной пластической деформации.

Периметр пояска матрицы

Температура алюминиевого профиля на выходе из матрицы повышается с увеличением периметра пояска матрицы. Это происходит потому, что при сохранении длины пояска с увеличением его периметра увеличивается площадь трения по пояску матрицы.

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.

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

 

Источники:

  1. Aluminum Extrusion Technology / Saha P.
  2. Extrusion of Aluminium Alloys / T. Sheppard
  3. Basic Metallurgy: 6000 Series Extrusion Alloys, Comalco Publication