1. Sissejuhatus
Vorm on alumiiniumprofiili ekstrusiooni peamine tööriist. Profiili ekstrusiooniprotsessi käigus peab vorm vastu pidama kõrgele temperatuurile, kõrgele rõhule ja suurele hõõrdumisele. Pikaajalisel kasutamisel põhjustab see vormi kulumist, plastilist deformatsiooni ja väsimuskahjustusi. Rasketel juhtudel võib see põhjustada vormi purunemist.
2. Hallituse purunemise vormid ja põhjused
2.1 Kulumisrike
Kulumine on peamine ekstrusioonivormi purunemise vorm, mis põhjustab alumiiniumprofiilide mõõtmete moonutusi ja pinnakvaliteedi langust. Ekstrusiooni ajal puutuvad alumiiniumprofiilid kõrge temperatuuri ja rõhu all ilma määrimisprotseduurita läbi ekstrusioonimaterjali vormiõõnsuse avatud osaga kokku. Üks külg puutub otse kokku pidurisadula riba tasapinnaga ja teine külg libiseb, mille tulemuseks on suur hõõrdumine. Õõnsuse pind ja pidurisadula riba pind kuluvad ja purunevad. Samal ajal kleepub vormi hõõrdumisprotsessi käigus vormi tööpinnale osa toorikust, mis muudab vormi geomeetriat ja muudab selle kasutuskõlbmatuks. Seda peetakse ka kulumisveaks, mis avaldub lõikeserva passiivsuse, ümarate servade, tasapinna vajumise, pinna soonte, koorumise jms kujul.
Vormi kulumise spetsiifiline vorm on seotud paljude teguritega, näiteks hõõrdumisprotsessi kiirusega, vormimaterjali ja töödeldud tooriku keemilise koostise ja mehaaniliste omadustega, vormi ja tooriku pinna karedusega ning rõhu, temperatuuri ja kiirusega ekstrusiooniprotsessi ajal. Alumiiniumist ekstrusioonvormi kulumine on peamiselt termiline kulumine, termiline kulumine on põhjustatud hõõrdumisest, metalli pinna pehmenemisest temperatuuri tõusu tõttu ja vormiõõnsuse pinna omavahelisest haardumisest. Pärast vormiõõnsuse pinna pehmenemist kõrgel temperatuuril väheneb selle kulumiskindlus oluliselt. Termilise kulumise käigus on temperatuur peamine termilist kulumist mõjutav tegur. Mida kõrgem on temperatuur, seda tõsisem on termiline kulumine.
2.2 Plastiline deformatsioon
Alumiiniumprofiili ekstrusioonivormi plastiline deformatsioon on vormi metallmaterjali saagikuse protsess.
Kuna ekstrusioonivorm on töötamise ajal pikka aega kõrge temperatuuri, kõrge rõhu ja ekstrudeeritud metalliga suure hõõrdumise all, tõuseb vormi pinnatemperatuur ja see pehmeneb.
Väga suure koormuse korral tekib suur plastiline deformatsioon, mis põhjustab töörihma kokkuvarisemise või ellipsi tekkimise ning valmistatud toote kuju muutub. Isegi kui vorm ei tekita pragusid, see puruneb, kuna alumiiniumprofiili mõõtmete täpsust ei saa garanteerida.
Lisaks sellele mõjutab ekstrusioonivormi pind korduva kuumutamise ja jahutamise tõttu temperatuurierinevusi, mis tekitavad pinnale vahelduvaid pingeid ja survet. Samal ajal toimub ka mikrostruktuuris erineval määral muutusi. Selle koosmõjul tekib vormi kulumine ja pinna plastiline deformatsioon.
2.3 Väsimuskahjustused
Termiline väsimuskahjustus on ka üks levinumaid vormipurunemise vorme. Kui kuumutatud alumiiniumvarras puutub kokku ekstrusioonivormi pinnaga, tõuseb alumiiniumvarda pinnatemperatuur palju kiiremini kui sisetemperatuur ja paisumise tõttu tekib pinnale survepinge.
Samal ajal väheneb vormi pinna voolavuspiir temperatuuri tõusu tõttu. Kui rõhu tõus ületab pinnametalli voolavuspiiri vastaval temperatuuril, tekib pinnale plastiline survepinge. Kui profiil vormist lahkub, langeb pinnatemperatuur. Kuid kui profiili sees on temperatuur endiselt kõrge, tekib tõmbepinge.
Samamoodi, kui tõmbepinge suurenemine ületab profiili pinna voolavuspiiri, tekib plastne tõmbepinge. Kui vormi lokaalne pinge ületab elastsuspiiri ja siseneb plastse pinge piirkonda, võib väikeste plastsete pingete järkjärguline kogunemine põhjustada väsimuspragusid.
Seetõttu tuleks vormi väsimuskahjustuste vältimiseks või vähendamiseks valida sobivad materjalid ja kasutusele võtta sobiv kuumtöötlussüsteem. Samal ajal tuleks tähelepanu pöörata vormi kasutuskeskkonna parandamisele.
2.4 Vormi purunemine
Tegelikus tootmises tekivad praod vormi teatud osades. Pärast teatud kasutusaega tekivad väikesed praod, mis järk-järgult süvenevad. Kui praod on teatud suuruseni laienenud, nõrgeneb vormi kandevõime oluliselt ja põhjustab purunemist. Või on vormi esialgse kuumtöötluse ja töötlemise käigus juba tekkinud mikropraod, mis hõlbustavad vormi laienemist ja põhjustavad kasutamise ajal varajast pragunemist.
Projekteerimise seisukohast on peamised ebaõnnestumise põhjused vormi tugevusprojekt ja ülemineku raadiuse valik. Tootmise seisukohast on peamised põhjused materjali eelkontroll ja töötlemise ajal pinna karedusele ja kahjustustele tähelepanu pööramine, samuti kuumtöötluse ja pinnatöötluse kvaliteedi mõju.
Kasutamise ajal tuleks tähelepanu pöörata vormi eelsoojenduse, ekstrusioonisuhte ja valuploki temperatuuri kontrollimisele, samuti ekstrusioonikiiruse ja metalli deformatsioonivoo kontrollimisele.
3. Hallituse eluea parandamine
Alumiiniumprofiilide tootmisel moodustavad vormikulud suure osa profiili ekstrusiooni tootmiskuludest.
Vormi kvaliteet mõjutab otseselt ka toote kvaliteeti. Kuna profiili ekstrusioonitootmises on ekstrusioonvormi töötingimused väga karmid, on vaja vormi rangelt kontrollida alates projekteerimisest ja materjalivalikust kuni vormi lõpptootmiseni ning järgneva kasutamise ja hoolduseni.
Eriti tootmisprotsessi ajal peab vormil olema kõrge termiline stabiilsus, termiline väsimus, termiline kulumiskindlus ja piisav sitkus, et pikendada vormi kasutusiga ja vähendada tootmiskulusid.
3.1 Vormimaterjalide valik
Alumiiniumprofiilide ekstrusiooniprotsess on kõrge temperatuuriga ja suure koormusega töötlemisprotsess ning alumiiniumist ekstrusioonivorm on väga karmides kasutustingimustes.
Ekstrusioonivorm allutatakse kõrgetele temperatuuridele ja lokaalne pinnatemperatuur võib ulatuda 600 kraadini Celsiuse järgi. Ekstrusioonivormi pinda kuumutatakse ja jahutatakse korduvalt, põhjustades termilist väsimust.
Alumiiniumsulamite ekstrudeerimisel peab vorm vastu pidama suurele surve-, painutus- ja nihkepingele, mis põhjustab liimkulumist ja abrasiivset kulumist.
Sõltuvalt ekstrusioonivormi töötingimustest saab määrata materjali vajalikud omadused.
Esiteks peab materjalil olema head töötlemisomadused. Materjali peab olema lihtne sulatada, sepistada, töödelda ja kuumtöödelda. Lisaks peab materjalil olema kõrge tugevus ja kõvadus. Ekstrusioonivormid töötavad üldiselt kõrgel temperatuuril ja kõrgel rõhul. Alumiiniumsulamite ekstrudeerimisel peab vormimaterjali tõmbetugevus toatemperatuuril olema suurem kui 1500 MPa.
Sellel peab olema kõrge kuumakindlus, st võime taluda mehaanilist koormust ekstrusiooni ajal kõrgetel temperatuuridel. Sellel peab olema kõrge löögitugevus ja purunemiskindlus nii normaal- kui ka kõrgel temperatuuril, et vältida vormi haprust pingetingimustes või löögikoormuste all.
Sellel peab olema kõrge kulumiskindlus, see tähendab, et pinnal peab olema võime taluda kulumist pikaajalisel kõrgel temperatuuril, kõrgel rõhul ja halva määrimise korral, eriti alumiiniumisulamite ekstrudeerimisel, millel on võime taluda metalli adhesiooni ja kulumist.
Tööriista kogu ristlõike ulatuses kõrgete ja ühtlaste mehaaniliste omaduste tagamiseks on vaja head karastatavust.
Tööriistavormi tööpinnalt soojuse kiireks hajutamiseks on vaja suurt soojusjuhtivust, et vältida ekstrudeeritud tooriku ja vormi enda lokaalset ülepõlemist või mehaanilise tugevuse liigset kadu.
Sellel peab olema tugev vastupidavus korduvale tsüklilisele pingele, st see vajab suurt püsivat tugevust, et vältida enneaegset väsimuskahjustust. Samuti peab sellel olema teatud korrosioonikindlus ja head nitrideeritavusomadused.
3.2 Hallituse mõistlik disain
Vormi mõistlik disain on selle kasutusea pikendamise oluline osa. Õigesti projekteeritud vormi struktuur peaks tagama, et tavapärastes kasutustingimustes ei tekiks löögipurunemist ega pingete koondumist. Seetõttu tuleks vormi projekteerimisel püüda iga detaili pingeid ühtlaselt jagada ning pöörata tähelepanu teravate nurkade, nõgusate nurkade, seina paksuse erinevuste, lamedate ja õhukeste seinte jms vältimisele, et vältida liigset pingete koondumist. See võib kasutamise ajal põhjustada kuumtöötlusdeformatsiooni, pragunemist ja haprust või enneaegset kuumpragunemist. Standardne disain soodustab ka vormi vahetamist, ladustamist ja hooldust.
3.3 Parandada kuumtöötluse ja pinnatöötluse kvaliteeti
Ekstrusioonivormi kasutusiga sõltub suuresti kuumtöötluse kvaliteedist. Seetõttu on vormi kasutusea parandamiseks eriti olulised täiustatud kuumtöötlusmeetodid ja -protsessid, samuti karastamine ja pinna tugevdamine.
Samal ajal kontrollitakse kuumtöötluse ja pinna tugevdamise protsesse rangelt, et vältida kuumtöötlusdefekte. Karastus- ja noolutusprotsessi parameetrite reguleerimine, eeltöötluse, stabiliseerimis- ja noolutusprotseduuride arvu suurendamine, temperatuuri reguleerimine, kuumutamise ja jahutamise intensiivsus, uute karastuskeskkondade kasutamine ning uute protsesside ja seadmete, näiteks tugevdava ja karastava töötluse ning mitmesuguste pinna tugevdavate töötluste uurimine aitavad kaasa vormi kasutusea parandamisele.
3.4 Parandada vormide tootmise kvaliteeti
Vormide töötlemisel on levinud töötlemismeetodid mehaaniline töötlemine, traadi lõikamine, elektrilahendustöötlus jne. Mehaaniline töötlemine on vormide töötlemise protsessis hädavajalik ja oluline protsess. See mitte ainult ei muuda vormi välimust, vaid mõjutab otseselt ka profiili kvaliteeti ja vormi kasutusiga.
Traatlõikamine vormiavade jaoks on vormide töötlemisel laialdaselt kasutatav protsessimeetod. See parandab töötlemise efektiivsust ja töötlemise täpsust, kuid toob kaasa ka mõningaid eriprobleeme. Näiteks kui traatlõikamisega töödeldud vormi kasutatakse otse tootmiseks ilma karastamiseta, tekivad kergesti räbu, koorumine jne, mis lühendab vormi kasutusiga. Seetõttu võib vormi piisav karastamine pärast traatlõikamist parandada pinna tõmbepinget, vähendada jääkpinget ja pikendada vormi kasutusiga.
Pingete kontsentratsioon on vormi purunemise peamine põhjus. Joonise konstruktsiooni lubatud ulatuses on parem, kui traadi läbimõõt on suurem. See mitte ainult ei paranda töötlemise efektiivsust, vaid parandab ka pingete jaotumist, et vältida pingete kontsentratsiooni teket.
Elektrierosioonitöötlus on elektrilise korrosioonitöötluse liik, mis teostatakse materjali aurustumise, sulamise ja töötlemisvedeliku aurustumise superpositsiooni teel, mis tekib tühjenemise ajal. Probleem seisneb selles, et töötlemisvedelikule mõjuva kuumenemis- ja jahutussoojuse ning töötlemisvedeliku elektrokeemilise toime tõttu moodustub töötlemisdetailis modifitseeritud kiht, mis tekitab deformatsiooni ja pinget. Õli puhul hajuvad õli põlemise tõttu lagunevad süsinikuaatomid ja süsinikustuvad töödeldava detaili külge. Termilise pinge suurenemisel muutub kulunud kiht hapraks ja kõvaks ning kaldub pragunema. Samal ajal tekivad jääkpinged, mis kinnituvad töödeldava detaili külge. See vähendab väsimustugevust, kiirendab purunemist, pingekorrosiooni ja muid nähtusi. Seetõttu peaksime töötlemisprotsessi käigus püüdma vältida ülaltoodud probleeme ja parandada töötlemise kvaliteeti.
3.5 Töötingimuste ja ekstrusiooniprotsessi tingimuste parandamine
Ekstrusioonivormi töötingimused on väga halvad ja töökeskkond on samuti väga halb. Seetõttu on ekstrusiooniprotsessi meetodi ja protsessi parameetrite parandamine ning töötingimuste ja töökeskkonna parandamine kasulik vormi eluea pikendamiseks. Seetõttu on enne ekstrusiooni vaja hoolikalt koostada ekstrusiooniplaan, valida parim seadmete süsteem ja materjali spetsifikatsioonid, sõnastada parimad ekstrusiooniprotsessi parameetrid (nt ekstrusioonitemperatuur, kiirus, ekstrusioonitegur ja ekstrusioonirõhk jne) ning parandada ekstrusiooni ajal töökeskkonda (nt vesijahutus või lämmastikjahutus, piisav määrimine jne), vähendades seeläbi vormi töökoormust (nt ekstrusioonirõhu vähendamine, külmakuumuse ja vahelduva koormuse vähendamine jne), kehtestada ja täiustada protsessi tööprotseduure ja ohutu kasutamise protseduure.
4 Kokkuvõte
Alumiiniumitööstuse suundumuste arenguga seoses on viimastel aastatel otsitud paremaid arendusmudeleid, et parandada efektiivsust, säästa kulusid ja suurendada kasu. Ekstrusioonivorm on kahtlemata oluline juhtimissõlm alumiiniumprofiilide tootmisel.
Alumiiniumist ekstrusioonivormi eluiga mõjutavad paljud tegurid. Lisaks sisemistele teguritele, nagu vormi konstruktsioon ja tugevus, vormi materjalid, külm- ja termiline töötlemine ning elektrooniline töötlemise tehnoloogia, kuumtöötlus ja pinnatöötlustehnoloogia, on ka ekstrusiooniprotsess ja kasutustingimused, vormi hooldus ja remont, ekstrusioonitoodete materjali omadused ja kuju, spetsifikatsioonid ja vormi teaduslik haldamine.
Samal ajal ei ole mõjutavad tegurid ühekordne, vaid keerukas mitmeteguriline terviklik probleem. Selle eluea parandamiseks on muidugi ka süsteemne probleem. Tegeliku tootmise ja protsessi kasutamise käigus tuleb optimeerida disaini, vormi töötlemist, hooldust ja muid peamisi kontrolli aspekte ning seejärel parandada vormi kasutusiga, vähendada tootmiskulusid ja parandada tootmise efektiivsust.
Toimetanud May Jiang MAT Aluminiumist
Postituse aeg: 14. august 2024
