Экструзия тонкостенного алюминия

Потребители алюминиевых профилей требуют все более легких и в то же время прочных алюминиевых профилей и за более низкую цену.

Алюминиевые профили с тонкой стенкой

Стремление к снижению веса и стоимости алюминиевых профилей диктует применение в них стенок с пониженной толщиной. В первую очередь это относится к тем профилям, которым не испытывают особых нагрузок. Это относится, например, к профилям для светодиодного освещения или, как их чаще называют, алюминиевым светодиодным профилям.

Оконные алюминиевые профили из-за жесткой конкуренции постоянно стремятся к минимально возможной толщине. Например, типичная толщина стенки профилей оконных рам составляет 1,6 мм при ширине некоторых профилей до 90 мм. Окна являются ограждающими конструкциями и не относятся к несущим конструкциям здания. Основная нагрузка, которую они испытывают – это ветровая нагрузка. Прессование широких оконных профилей, особенно наружных элементов рамных профилей с терморазрывом – тонких и широких – представляет определенную проблему для прессовщиков алюминия.

Тоньше стенка, жестче контроль

Чтобы контролировать течение материала при прессовании металла – алюминиевого сплава – и размеры поперечного сечения тонкостенных профилей, необходимо уделять особое внимание конструкции прессового инструмента и выходного отверстия матрицы, а также тщательному контролю температуры заготовки и прессового инструмента в ходе процесса прессования.

Номинальные размеры выходного отверстия матрицы редко совпадают с поперечным сечением профиля. И толщина, и форма поперечного сечения могут колебаться и различия между ними могут достигать одной десятой миллиметра.

Это происходит потому, что, во-первых, всегда присутствует такое явление как разница в коэффициентах термического расширения алюминия и матричной инструментальной стали.

Во-вторых, на рабочих поясках матрицы неизбежно происходит налипание алюминия, неметаллических включений и различных загрязнений, которые присутствуют в заготовке. Эти налипания сужают выходное отверстие матрицы. Они редко бывают очень толстыми, но они, тем не менее, могут значительно влиять на условия течения алюминия через матрицу.

Прогиб матрицы

В-третьих, давление на зеркале матрицы – ее входной стороне – может достигать 500 МПа – около 50 килограммов на один квадратный миллиметр. Это может приводить к значительному деформированию – прогибу – прессового инструмента, в первую очередь, матрицы. Эти прогибы матрицы могут серьезно влиять на размеры ее выходного отверстия.

Матричный комплект обычно проектируется таким образом, чтобы обеспечить максимальную поддержку матрицы и свести к минимуму ее прогиб и, следовательно, искажение ее выходного отверстия. Обычно  для этого делают подкладки и больстеры с максимально узкими выходными отверстиями.

Матрицы для таких проблемных профилей, как U-образные профили или полые профили, в первую очередь страдают от недостаточной поддержки и испытывают большие прогибы. Более того, мало таких матриц, для которых было бы можно полностью компенсировать их прогибы в ходе прессования.

Неустойчивость течения алюминия

В случае тонких алюминиевых профилей коробление поперечного сечения, а также, в определенной степени, колебание его толщины могут происходить также в результате такого явления, как неустойчивость течения металла. Опытные корректировщики матриц могут настраивать длину рабочих поясков и их углы так, чтобы облегчать течение металла там, где это необходимо. Этим они добиваются того, что скорость металла на выходе из матрицы становится близкой к однородной по всему поперечному сечению профиля. С этой же целью матрицы часто делают с питателями.

Самостабилизация течения алюминия

Если сопротивление течению металла вдоль каких-либо линий течения изменяется, в профиле на выходе из матрицы возникают сдвиговые напряжения, которые противодействуют сдвиговым деформациям. Участок профиля, который движется быстрее, тянет за собой соседние отстающие участки. В результате этого в профиле возникают также сжимающие и растягивающие напряжения (рисунок 1). Поэтому это может вызывать как утонение, так и утолщение профиля.

Рисунок 1 – Для прессования тонких полос применяют ступенчатую длину рабочего пояска матрицы. Течение вблизи краев профиля является слишком быстрыми поэтому профиль коробится на выходе из матрицы. Этот дефект прессования можно назвать «морщины». Он возникает, когда напряжения в профиле достигают некоторого критического уровня.

За счет воздействия этих сдвиговых напряжений течение металла при прессовании является в значительной степени устойчивым и форма профиля искажается незначительно. Этот механизм называют механизмом самостабилизации прессования (self-stabilisation mechanism).

Как возникает неустойчивость течения

Пределы устойчивости течения металла могут быть превышены, если:

• конструкция матрицы и течение металла в контейнере способствуют неустойчивости течения;
• профиль слишком тонкий и широкий,
• металл (алюминий) по какой-то причине является чрезмерно “мягким”.

Эта чрезмерная “мягкость” металла может возникать из-за:

• чрезмерно высокой его температуры на выходе из матрицы,

а также, по-видимому,

• при прессовании нелегированного алюминия или чрезмерно разбавленных – минимально легированных – алюминиевых сплавов.

Дефекты прессования “гармошка” и “морщины”

В таких случаях различие в скорости истечения алюминия их матрицы может приводить таким формам коробления, как показано на рисунке для прессования широкой тонкой полосы.

Рисунок 2 – Дефекты прессования «гармошка» и «морщины». Возникают при недостаточном выравнивании течения алюминия при прессовании тонких полос

В первом случае более высокую скорость имеют центральный участок полосы. Этот дефект прессования по-английски называют «buckles», что по аналогии с дефектами стального проката можно назвать «гармошка».

Во втором случае быстрее двигаются кромки полосы. Этот дефект прессования по-английски называется «wrinkles», а по-русски его логично называть «морщины».

Устойчивое течение с пуллером

При промышленных условиях при прессовании алюминиевых профилей применяют пуллер, который ведет – тянет – профиль от выхода из матрицы и до конца приемного стола, метров на сорок-пятьдесят. Небольшое растягивающее усилие, которое пуллер прилагает к профилю, во многих случаях может предотвращать неустойчивое течение алюминия из матрицы.

Если течение металла является неустойчивым с самого выхода из матрицы, то прессование в этом случае может быть вообще невозможным. Бывают такие случаи, что выходное отверстие полностью блокируется металлом.

Необходимо подчеркнуть, что неустойчивость течения металла редко является проблемой при прессовании достаточно толстых профилей. Конструкторы матриц и корректировщики матриц на основе собственного опыта и статистических данных по результатом прессования аналогичных профилей, в целом получают вполне работоспособные матрицы. Эти матрицы требуют относительно небольшое количество опрессовок и корректировок для запуска их производство.

В принципе, технология прессования позволяет изготавливать очень тонкие алюминиевые профили – до 0,5 мм, а то и тоньше, в зависимости от алюминиевого сплава. Однако существует ограничение на отношение толщины стенки к ширине пластины или полки профиля, которое зависит от технологических возможностей определенного экструзионного пресса. Это означает то, что чем больше ширина профиля, тем больше минимальная толщина его стенки.

Неустойчивость течения тонкой полосы

Чем тоньше профиль, тем более он предрасположен к срабатыванию механизма неустойчивости течения металла. Неустойчивое течение алюминия – это такое течение, когда различные участки профиля на выходе из матрицы двигаются с различной скоростью. Если толщина профиля чрезмерно мала, то приложенных сдвиговых напряжений уже не хватает для проявления механизма самостабилизации, чтобы предотвратить коробление. Критическая величина  усилий, которые приводят к короблению профиля при выходе его из матрицы, также снижается, так тонкие профили «коробятся» намного легче.

Известны результаты экспериментов по прессованию тонких полос шириной 78 мм и толщиной от 1,1 до 1,8 мм из сплава 6060. При прессовании полос толщиной 1,8 мм явления неустойчивости не возникало. При прессовании полос толщиной 1,1-1,4 мм явление неустойчивости течения уже явно присутствовало. Повышение температуры полосы на выходе из матрицы с 480 до 520 ºС «провоцировало» более явное проявление неустойчивости течения.

Факторы неустойчивого течения алюминия

Проблема неустойчивого течения алюминия из матрицы тесно связана с реологическими свойствами металла и характеристиками трения металла об прессовый инструмент. Процесс экструзии является очень сложным и трудным для математического описания. Зоны деформации и условия трения в матрице находятся в постоянном изменении. Неоднородность течения может возникать еще в контейнере, а на рабочих поясках матрицы она проявляется наиболее отчетливо.

Неустойчивость течения металла связана с таким факторами как:

• неоднородность распределения давления;
• различные условия течения металла;
• условия скольжения на поясках матрицы;
• неоднородное трение на поясках матрицы;
• прогиб матрицы;
• степень износа матрицы;
• характер скольжения-налипания на границе мертвой зоны матрицы;
• резкое изменение напряженного состояния после выхода металла из матрицы.

Рисунок 3 – Течение алюминия через рабочий поясок матрицы

 

Источник: P. T. Moe, PhD Thesis, 2005