Прессование алюминия: немного теории

Прессование алюминия

В производстве алюминиевых профилей важнейшей операцией является прессование. Прессование алюминия и его сплавов представляет собой процесс пластического деформирования, в котором заготовку под воздействием давления заставляют течь через одно или несколько очков матрицы с площадью поперечного сечения намного меньшей, чем у исходной заготовки. Интервал температуры прессования, величина напряжения течения и условия трения металла об инструмент определяют особенности прессования алюминиевых сплавов. Интервал температуры прессования алюминиевых профилей составляет от 350 до 550 °С и зависит от типа сплава, требований к качеству поверхности профиля и его механическим свойствам.

Алюминий и алюминиевые сплавы профили почти всегда прессуют в прямом контакте с контейнером и матрицей, которые изготавливают из жаропрочных сталей. Алюминий отличается значительной химическим сродством и адгезией к железу: даже в твердом состоянии он стремится «прилипнуть» к поверхности стального инструмента. Особенность прессования алюминия заключается в том, что при увеличении давления в контейнере силы трения между стальной стенкой контейнера и алюминием настолько велики, что сдвиговая пластическая деформация алюминия во внутренних слоях заготовки начинается раньше, чем его проскальзывание по стенке контейнера.

Теория пластичности

Для понимания закономерностей прессования металла – его течения – применяют теорию пластичности. При простом одноосном сжатии или растяжении металл начинает течь пластически при превышении напряжения величины предела текучести. Пластическое течение алюминия при прессовании является сложным трехмерным сдвиговым течением. Особенность сдвигового течения алюминия и его сплавов от других металлов заключается в том, что внутренние слои алюминиевой заготовки начинают пластически деформироваться первыми, а ее периферийные слои – позже. Течение металла в ходе прессования зависит от многих факторов, таких как:

свойства материала заготовки;
условий трения между контейнером и заготовкой, металлом и матрицей;
отношение прессования.

Классические типы течения при прессовании гомогенного материала с различными условиями трения в контейнере и матрице представлены на рисунке 1.

Рисунок 1

Типы течения алюминия

Течение без трения

Тип течения S происходит при отсутствии трения в контейнере и матрице. Такое течение обеспечивало бы однородные свойства алюминиевых профилей. Этот тип течения можно рассматривать как чисто теоретический, поскольку алюминий почти никогда не прессуют со смазкой. В этом случае мертвые зоны течения металла не возникают.

Течение с трением на матрице

Тип течения А возникает при прессовании с трением на зеркале матрицы и при отсутствии трения в контейнере. Это характерно для обратного прессования. В центре заготовки металл движется быстрее, чем на периферии. В углах переднего конца заготовки между зеркалом матрицы и стенкой контейнера формируются мертвые зоны «неподвижного» металла. Эта мертвая зона формируется сразу после распрессовки. Материал заготовки течет вдоль конусообразной границы этой зоны в результате сдвиговой пластической деформации и движется «по диагонали» к отверстию матрицы для формирования наружных слоев алюминиевого профиля.

Течение с “рубашкой”

При течении по типу В трение металла происходит как об контейнер, так и об матрицу. Это происходит при прямом прессовании. Для этого случая характерна более интенсивная сдвиговая деформация, чем при течении по типу А. Поверхность заготовки является неподвижной относительно стенки контейнера, а сдвиговая деформация достигает максимума сразу под поверхностным слоем. Перед зеркалом матрицы формируется мертвая зона. Поверхность алюминиевого профиля формируется не из поверхностного слоя заготовки, а внутренних слоев заготовки, которые сдвиговым течением двигаются вдоль границы мертвой зоны. Конечный профиль имеет значительно более неоднородные свойства по сравнению с профилем, полученным при течении по типу А. Поверхностный слой заготовки, который сначала «прилипает» к стенке контейнера, а затем «сбривается» подошедшей пресс-шайбой. Материал, который собирается и сжимается перед пресс-шайбой, содержит материал из так называемого инверсного слоя слитка с повышенным содержание оксидов, легирующих элементов и примесей. Эту поверхностную оболочку называют иногда “рубашкой”, а сам метод прессования – прессование с рубашкой.

Факторы течения алюминия

Таким образом, свойства прессованных алюминиевых профилей в значительной степени зависят от особенностей течения металла в ходе прессования. На течение металла оказывают влияние многие факторы:

Cпособ прессования, прямой или обратный.
Максимальное усилие пресса, размеры и форма контейнера.
Процессы трения на матрице и контейнере.
Тип, размеры и конструкция матрицы.
Длина заготовки и тип сплава.
Отношение прессования (коэффициент вытяжки).
Температура матрицы и прессового инструмента.
Скорость прессования.

Проработка металла

Степень деформационной проработки металла в значительной степени зависит от типа, размеров и конструкции матрицы. Например, в полых матрицах на деформирование материала затрачивается значительно больше энергии, чем в сплошных. Как уже упоминалось, в углах между контейнером и матрицей образуется конусообразная «мертвая зона». Материал в своем движении по контейнеру к матрице деформируется сдвигом вдоль границы этой зоны. Эта мертвая зона играет роль конической поверхности матрицы. Размеры этой мертвой зоны определяются углом α этой конической поверхности по отношению к оси контейнера (рисунок 2). Этот угол зависит от отношения прессования, напряжения течения материала, коэффициента трения между заготовкой и контейнером, а также между текущим металлом и зеркалом матрицы. При одном и том же коэффициенте трения между контейнером и заготовкой конусный полуугол мертвой зоны зависит от отношения прессования: с увеличением отношения прессования этот угол увеличивается и уменьшается длина линии сдвига.

Рисунок 2

Пресс-остаток

В конце цикла прессования каждой заготовки оставляют остаток заготовки – пресс-остаток – толщиной больше чем длина мертвой зоны прессования. Это предотвращает образование в алюминиевом профиле поверхностных и подповерхностных дефекты из-за попадания в него материла из поверхностного слоя заготовки. В промышленности обычно «держат» пресс-остаток в пределах от 5 до 15 % от исходной длины заготовки. Поскольку толщина пресс-остатка связана с мертвой зоной прессования, она также зависит от отношения прессования, типа матрицы, температуры заготовки, условий трения между контейнером и заготовкой, а также напряжения течения материала заготовки. На рисунке 2 показана связь толщины пресс-остатка с конической поверхностью мертвой зоны прессования. Остановка прессования на безопасном расстоянии от мертвой зоны предотвращает попадание в прессуемое изделие нежелательных металлических и неметаллических включений, которые скапливаются в ней.

Обычно на каждом прессовом производстве вырабатывается свой опыт по допустимой минимальной толщине пресс-остатка при различных условиях прессования, который подтверждают результатами травления сечений пресс-остатков на макроструктуру. В результате возникает понимание изменения конического угла мертвой зоны (и допустимой толщины пресс-остатка) с изменением параметров прессования, формы и размеров очка матрицы (количества очков) и типа матрицы (сплошная или полая).

Источники:
1. Aluminum Extrusion Technology / Saha P.
2. Extrusion, еd. M.Bauser et al, 2006.