Алюминиевые профили: виды и типы

Как изготавливают алюминиевые профили

Алюминиевый профиль. Это почти всегда прессованный алюминиевый профиль. Значительно реже применяются другие виды алюминиевых профилей, например, гнутые или катаные.

Рисунок 1.1 – Метод прямого прессования [1]

Рисунок 1.2 – Типичный пресс для прямого прессования алюминиевых сплавов [4]

Рисунок 1.3 – Типичный комплект прессового инструмента для прямого прессования [1]

Рисунок 1.4 – Метод обратного прессования [1]

Рисунок 1.5 – Метод прессования полых профилей
с применением матрицы типа “портхол” [1]

Рисунок 1.6- Метод прессования труб с применением матрицы и оправки [1]

 

Рисунок 1.7 – Доля готовой продукции и технологических отходов
из экструзионного алюминиевого слитка (столба) [4]

Выход готовой продукции из алюминиевого слитка-столба:

• 75 % – готовые профили;
• 4,5 % – лом при изготовлении алюминиевой продукции из алюминиевых профилей;
• 4,5 % – заготовки для разогрева матриц; опрессовка матриц, дефекты прессования;
• 11 % – отходы смятых концов профилей после растяжной машины;
• 4 % – пресс-остатки; 1 % – отходы горячей резки столба на заготовки

Рисунок 1.8 – Технологические отходы экструзии алюминия,
которые сразу идут на переплавку и литье новых экструзионных слитков [4]

Подробнее о технологии экструзии алюминия и алюминиевых сплавов:

Aluminum Extrusion Technology / P. Saha

Extrusion of Aluminium Alloys / T. Sheppard

Элементы и детали конструкций, машин и изделий

Каждый алюминиевый профиль имеет свое назначение, свои свойства и характеристики. Если это просто декоративный элемент, главное назначение которого – быть красивым, радовать глаз, то основная его характеристика – хорошее качество поверхности, однородный цвет его декоративного покрытия, порошкового или анодного.

Если для алюминиевого профиля задано, например – матовое бесцветное анодное покрытие, то оно должно быть действительно матовым. Эта самая «матовость» должна быть совершенно однородной при взгляде с заданного расстояния и под заданным углом, без видимых полос и других визуальных неоднородностей поверхности. Чтобы обеспечить все это, необходимо применить алюминиевый сплав с особым химическим составом, особую технологию его изготовления и особую технологию обработки его поверхности.

Алюминиевые профили, как элементы несущих строительных или других конструкций, требуют особого внимания к их механическим характеристикам:

• пределу прочности,
• пределу пластичности,
• относительному сужению,
• вязким свойствам.

В этом случае важен выбор правильного сплава, его состояния (степени нагартовки или термической обработки), а также необходимой точности размеров при его изготовлении.

В других видов профилей надо принять во внимание такие свойства, как коррозионная стойкость в той среде, в которой будет работать профиль, иногда – электропроводность или теплостойкость.

Рисунок 1.9 – Пространственный каркас автомобиля Ауди А8 из алюминиевых сплавов [1]

Рисунок 1.10 – Проектирование алюминиевых профилей
с повышенной жесткостью [1]

Заготовки для волочения, холодного прессования и ковки

Кроме того, прессованные алюминиевые профили применяют в качестве исходных заготовок для таких технологий обработки алюминия как волочение, холодное прессование и ковка.

Рисунок 1.11 – Назначение алюминиевых профилей,
в том числе для волочения, холодного прессования и ковки [1]

Рисунок 1.12 – Волочение трубы из прессованной алюминиевой полой заготовки [3]

Сплавы для алюминиевых профилей

Прессованные алюминиевые профили могут изготавливаться из большого количества сплавов в различных состояниях с тем, чтобы удовлетворить требованиям различных сфер их применения – от бытовых изделий до космических ракетоносителей.

В принципе, из любого деформируемого алюминиевого сплава (и даже литейного) так или иначе можно отпрессовать алюминиевый профиль. Однако, течение металла через отверстия и полости матрицы при высоких температурах прессования требует особых характеристик течения, чтобы металл:

• наполнял все отверстия на выходе из матрицы с одинаково высокой скоростью,
• обеспечивал нужную микроструктуру,
• достигал заданных прочностных и других свойств,
• формировал оптимальное качество поверхности.

Поэтому разрабатывают специальные алюминиевые сплавы специально для прессования (экструзии). Химический состав этих сплавов оптимизируют таким образом, чтобы они максимально подходили для условий процесса прессования и обеспечивали нужное качество прессованной продукции.

В мировой практике алюминиевые профили из сплавов серии 6ххх дают более 75 % объема всех профилей.

Рисунок 1.13 – Содержание магния и кремния
в алюминиевых сплавах 6060 и 6063,
а также других некоторых сплавах серии 6ххх [1]

Самые популярные алюминиевые сплавы для профилей – это сплавы:

• 6060/6063 (АД31) и
• 6061(АД33).

Набирают популярности “более конструкционные” сплавы

• 6005 и
• 6082 (АД35).

Марки алюминия серии 1ххх, например, 1100, применяют для деталей и изделий, к которым не предъявляются требования по прочности. Они лучше всего прессуются – имеют самую высокую прессуемость.

Из сплавов серии 3ххх, например, сплава 3103 прессуют трубы для жидкостных трубопроводов.

Другие сплавы, которые чаще других применяют для изготовления профилей – это “дюрали”:

• 2017(Д1),
• 2014(АК8),
• 2024(Д16),

а также

• 5083(АМг4,5),
• 6101,
• 7005(1915) и
• 7075.

Рисунок 1.14 – Химический состав некоторых алюминиевых сплавов,
которые производят в виде прессованных изделий [1]

Рисунок 1.15  – Механические свойства некоторых алюминиевых сплавов,
которые производят  в виде прессованных изделий [1]

Подробнее об алюминиевых сплавах:
Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis – ASM International, 1993

Прессуемость сплавов: способность к прессованию

Рисунок 2.1 – Относительная прессуемость алюминиевых сплавов [1]

Рисунок 2.2 – Прессуемость различных алюминиевых сплавов [1]

Минимальная толщина стенки профиля

Влияние сложности поперечного сечения профиля из сплава 6063 на нормальную минимальную толщину стенки/

Рисунок 2.3 – Рекомендации по минимальной толщине стенки
профилей различной сложности из сплава 6063 [1]

Рисунок 2.4 – Минимальная толщина стенки алюминиевых профилей
(сплошных, труб, полых)
для экструзионных прессов усилием 10-80 МН [2]

Диаметр описанной окружности профиля

Обобщенным размером алюминиевого профиля является  диаметр окружности, описывающий его поперечное сечение (рисунки 3.1 и 3.2). Этот параметр называют «диаметр описанной окружности».

 

 Рисунок 3.1 – Диаметр описанной окружности профиля

Диаметр описанной окружности (ДОО) действительно связан со сложностью прессования алюминиевого профиля. При прессовании металл стремится течь через различные участки матрицы с различной скоростью: чем дальше от оси заготовки, тем медленнее. Поэтому, чем больше ДОО, тем сложнее контролировать размеры алюминиевого профиля.

При прессовании больших и тонких профилей, особенно, если эти тонкие стенки профилей находятся на периферии матрицы, необходимо предпринимать специальные меры, чтобы течение металла было равномерным по всему сечению профиля. Поэтому с увеличением ДОО все стандарты на алюминиевые профили снижают требования по предельным отклонениям геометрических размеров.

Рисунок 3.2 – Круглая заготовка

Рисунок 3.3 – Прямоугольная заготовка для прямоугольного контейнера[1]

Рисунок 3.4 – Полые прессованные алюминиевые профили,
которые производят с применением прямоугольного контейнера [1]

Виды алюминиевых профилей

Действующие стандарты на алюминиевые профили – например, российские ГОСТ 22233-2018 и ГОСТ 8617-91, европейские ЕN 755-9 и EN 12020-2 – подразделяют весь сортамент алюминиевых профилей на различные виды:

• профили полые и
• профили сплошные, а также
• С- и П-образные или профили «с открытым концом».

Полый профиль

По определению этих стандартов полые алюминиевые профили – это те, которые имеют в поперечном сечении хотя бы одну замкнутую полость.

Рисунок 4.1 – Полый профиль

Сплошной профиль

Сплошные алюминиевые профили не имеют замкнутых полостей.

Рисунок 4.2 – Сплошной профиль [1]

Сплошные матрицы имеют одно или более отверстий и предназначены для изготовления прессованных профилей без полостей. Отверстие в сплошной матрице в точности повторяет поперечное сечение прессуемого алюминиевого изделия.

Рисунок 5.1 – Матрица для прессования сплошных профилей методом прямого прессования [1]

Рисунок 5.2 – Течение металла при прямом прессовании [1]

Профиль с открытым концом

«Открытый конец» может быть как у полого, так и у сплошного профиля. Для этих трех видов профилей задаются различные требования по предельным отклонениям геометрических размеров.

 

 
Рисунок 6 – Контролируемые размеры алюминиевых профилей по ГОСТ 22233-2018 [5]
(EN 12020-2 [6]: h1 – расстояние между открытыми концами) 

Полузамкнутые и полуоткрытые профили

Полые алюминиевые профили включают, в том числе, и профили с так называемыми полузамкнутыми (полуоткрытыми) полостями. Часто профили такого вида называют полузамкнутыми (полуоткрытыми). Они имеют частично замкнутую полость, например, круг или прямоугольник, с входом в нее с одной стороны (рисунок 6).

Рисунок 7 – Полузамкнутый (полуоткрытый) профиль [1]

Не каждая частично замкнутая полость превращает профиль из сплошного полузамкнутый: ее площадь А должна быть существенно больше квадрата ширины ее входа b (А > b), в зависимости от ширины входа – в 2,0-4,5 раза (см. рисунок 6).

“Полые” матрицы

Полые и полузамкнутые алюминиевые профили объединяются в один вид, потому что они изготавливают на так называемых «полых» матрицах (рисунки 7 и 8). Полые матрицы бывают трех видов:

• мостиковые
• портхол
• “пауковые”(spider).

Профили, изготавливаемые на таких матрицах, имеют один или несколько продольных сварочных швов из-за течения металла вокруг мостиков, которые поддерживают оправку. Оправка задает внутренний контур профиля. После прохождения этих мостиков, металл перед выходом из матрицы снова сваривается в сварочной камере. Сварка происходить за счет большого давления и высокой температуры. Сплошные профили прессуют на сплошных матрицах – стальных дисках с одним или больше отверстиями с таким же поперечным сечением, что и прессуемый профиль.

Рисунок 7 – Комбинированная матрица для прессования полузамкнутых (полуоткрытых) профилей

Рисунок 8- Комбинированная матрица для прессования полых профилей

Категории сложности алюминиевых профилей

Каждый вид профилей – сплошных, полузамкнутых и полых – различаются на типы по сложности их поперечного сечения. Эту сложность оценивают по коэффициенту формы алюминиевого профиля.

Коэффициент формы

Коэффициент формы алюминиевого профиля вычисляется как площадь всех поверхностей, образующихся при прессовании единицы массы металла. Очевидно, что этот коэффициент прямо пропорционален длине периметра поперечного сечения. Коэффициент формы влияет на производительность прессования профиля, а также на стоимость производства и технического обслуживания матриц. Поэтому он нередко применяется производителями-прессовщиками в качестве основы для установки цены профиля и дает разработчикам профилей определенный инструмент для сравнения альтернативных вариантов разрабатываемых алюминиевых профилей.

Рисунок 9.1 – Коэффициенты формы различных типов профилей [1]

Классификация сложности алюминиевых профилей

Классификация типов прессованных алюминиевых профилей по степени сложности их изготовления представлена в таблице ниже. Типы сложности от A до N расположены в порядке повышения сложности. Каждый тип иллюстрируется несколькими примерами.

Рисунок 9.2 – Типы сложности алюминиевых профилей

Сложность прессования возрастает в следующем порядке типов профилей:

• Прутки – простые или профильные.
• Стандартные алюминиевые профили и простые сплошные профили,
• Полузамкнутые профили,
• Профили со сложными язычками матриц,
• Трубы,
• Простые полые профили,
• Сложные полые профили.
• Широкие полые профили.

Оптимизация алюминиевых профилей

Рисунок 10 – Оптимизация поперечного сечения алюминиевых профилей [2]

Цена алюминиевых профилей

Цена алюминиевых профилей обычно напрямую связана с его категорией сложности. Однако, вместе с тем, сложные многофункциональные алюминиевые профили открывают более эффективные технические возможности, и их более высокая цена часто бывает вполне оправданной.

Источники:

1. TALAT 1302
2. TALAT 2202
3. Drawing Types – University of Liverpool
4. Презентация компании SAPA
5. ГОСТ 22233-2018
6. EN 12020-2