Прессование тонких алюминиевых профилей. Прессование алюминиевого профиля
Прессование алюминия: основные принципы
Прессование металлов
Прессованием металлов, в частности, алюминия и его сплавов, называют процесс пластической деформации, при котором холодная или нагретая заготовка, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливается через специальный инструмент с с одним или несколькими отверстиями заданной формы – матрицу (рисунок 1).
Прессование алюминия и алюминиевых сплавов
Для экструзии алюминия применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле), который непосредственно «давит» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.
См. также Прессование алюминия: от заготовки до готового профиля
Прессование = экструзия
Англоязычный термин «extrusion» как раз и обозначает понятие «выталкивание, выдавливание». Прессование может быть холодное или горячее в зависимости от сплава и применяемого метода. При горячем прессовании заготовку предварительно нагревают для облегчения пластической деформации.
Профили, трубы, прутки, полосы
Алюминиевые профили, которые получают прессованием, а не, скажем, прокаткой или гибкой, так и называют — прессованными алюминиевыми профилями. Под профилями часто понимают все виды прессованной продукции, хотя стандарты различают «профили», «трубы», «прутки» и «полосы» и даже прессованные панели, например, для вагоно- и самолетостроения. Профили, в свою очередь, могут быть, сплошные и полые, стандартные и специальные, трубы – общего назначения и бесшовные, а прутки – круглые, квадратные, прямоугольные, шестигранные. А еще бывают прессованная проволока и прессованные полуфабрикаты для дальнейшей обработки: прокатки, волочения, гибки и т.п.
Основными методами прессования алюминия и алюминиевых профилей являются два — прямой и обратный. Большинство промышленных прессов работают прямым методом прессования.
Прямое прессование
Рисунок 1
Принцип прямого прессования хорошо виден из рисунка 1. Нагретую заготовку помещают в контейнер и с помощью так называемого пресс-штемпеля, «проталкивают» через матрицу. Прямое прессование применяют при производстве сплошных профилей (простых прутков и сложных специальных профилей), труб и полых профилей. При прямом прессовании направление течения металла совпадает с направлением движения пресс-штемпеля. В ходе этого процесса заготовка скользит относительно стенок контейнера. На преодоление возникающей при этом силы трения затрачивается значительная часть усилия пресса. График зависимости нагрузки или давления от перемещения пресс-штемпеля имеет обычно вид, который показан на рисунке 2. Выделяют три стадии процесса: 1 – распрессовка (осадка) заготовки и начало прессования, 2 – снижение давления и то, что называют устойчивым состоянием, 3 – давление достигает своего минимума, за которым следует его резкий подъем при формировании пресс-остатка.
Рисунок 2
Обратное прессование
При обратном прессовании алюминия матрица располагается на переднем конце полого пресс-штемпеля и перемещается вместе с ним внутрь контейнера (рисунок 3) . В этом случае отсутствует относительное перемещение между заготовкой и контейнером. Поэтому нет сил трения между поверхностью заготовки и контейнером. Отсутствует также перемещение центра заготовки относительно периферийных участков заготовки. Изменение нагрузки и давления с продвижением пресс-штемпеля для обратного прессования показано на рисунке 2. Обратное прессование применяют обычно для прессования трудно прессуемых сплавов и при жестких требованиях по размерам поперечного сечения и однородности свойства по сечению и длине профиля.
Рисунок 3
Прямое прессование «стык в стык»
Для прессования алюминиевых сплавов, которые легко свариваются при температуре и давлении прессования применяют метод «стык в стык»: каждую последующую заготовку загружают в контейнер в стык предыдущей. Длина прессованного профиля в этом процессе ограничена длиной выходного стола и может достигать 50 и более метров. Окончательная сварка заготовки в контейнере со следующей заготовкой происходит, когда стык проходит через деформационную зону матрицы. Принцип метода прессования «стык в стык» с удалением пресс-остатка показан на рисунке 4: новая заготовка приваривается к оставшемуся в матрице или так называемом питателе металлу, оставшемуся от предыдущей заготовки.
Рисунок 4
Прямое прессование «стык в стык» без удаления пресс-остатка
Намного реже применяют вариант прессования «стык в стык» без удаления пресс-остатка: торец следующей заготовки придвигается в контейнере вплотную к торцу остатка предыдущей заготовке, еще находящегося в контейнере (рисунок 5). Прессование без удаления пресс-остатка требует дополнительных затрат, в том числе, по обеспечению чистой поверхности заготовки и особенно их торцов. Поэтому такое прессование применяется в основном только в специальных случаях, например, при изготовлении изделий-заготовок (подката, полуфабриката) в бухтах для дальнейшей переработки, например, волочения.
Рисунок 5
Легкопрессуемые алюминиевые сплавы
Для прессования «стык в стык» требуется способность алюминиевых сплавов свариваться при температуре и давлении прессования. Такими качествами обладают так называемые легко прессуемые («мягкие») сплавы: все марки алюминия, сплавы Аl-Mn (серия 3ххх) и сплавы Al-Mg-Si (серия 6ххх), в том числе самый популярный сплав АД31, а также «нормально» прессуемые («среднепрочные») сплавы: Al-Mg (серия 5ххх) при содержании магния до 3 %, а также сплавы Al-Zn-Mg (серия 7ххх) без легирования медью, например, 1915 по ГОСТ 4784 (7005 по международной классификации).
Труднопрессуемые алюминиевые сплавы
Так называемые трудно прессуемые сплавы, к которым относятся все сплавы Al-Cu—Mg (серия 2xxx), сплавы Al—Mg (серия 5ххх) при содержании магния более 3 % и сплавы Al—Zn—Mg-Сu (серия 7ххх) обычно не прессуют методом «стык в стык». Для них применяют прессование каждой заготовки отдельно.
Источник: Saha К. P.
aluminium-guide.ru
Принципы прессования алюминия | Алюминевый профиль
Принципы прессования алюминия
Прессованием металлов называют процесс пластической деформации, при котором холодная или нагретая заготовка (обычно часть круглого слитка «столба») продавливается через специальный инструмент с одним или несколькими отверстиями заданной формы – матрицу (рисунок №1).
Прессование (с английского языка «extrusion») обозначает «выталкивание» или «выдавливание». С уществует 3 вида прессования: холодная экструзия, теплая экструзия и горячая экструзия. Конкретный вид прессования применяется в зависимости от сплава и применяемого метода. При горячем прессовании заготовку предварительно нагревают для облегчения пластической деформации.
Прессование алюминия и алюминиевых сплавов. Для экструзии алюминия применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, в основном это гидравлические прессы, которые обеспечивают усилие на штоке (пресс-штемпеле, пуансоне) от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса. Шток – это элемент гидравлического пресса который непосредственно «давит, прессует» заготовку.
Профили, трубы, прутки, полосы. Алюминиевые профили изготавливают разными способами: прессованием, прокаткой, гибкой. Алюминиевые профили, которые получают с помощью прессования называют прессованными алюминиевыми профилями. Различают следующие виды прессованной продукции: «профили», «трубы», «прутки», «полосы», а также прессованные панели, например, для вагоностроения или самолетостроения. Профили, в свою очередь, могут быть, сплошные и полые, стандартные и специальные, трубы – общего назначения и бесшовные, а прутки – круглые, квадратные, прямоугольные, шестигранные. Так же производиться прессованная проволока и прессованные полуфабрикаты для дальнейшей обработки: прокатки, волочения, гибки и т.п. Существует два основных метода прессования алюминия и алюминиевых профилей: прямой и обратный. Большинство промышленных прессов работают прямым методом прессования.
Прямое прессование
Рисунок№1. Метод прямого прессования.
Прямой метод прессования интуитивно понятен, его суть проистекает из его названия. Нагретую заготовку цилиндрической формы помещают в контейнер и с помощью пресс-штемпеля, «проталкивают» через матрицу. Матрица представляет собой основной инструмент для прессования металла, она непосредственно формирует форму будущего изделия при выдавливании металла через свои продольные и поперечные каналы. Прямое прессование применяют при производстве сплошных профилей, простых прутков, сложных специальных профилей, труб и полых профилей. При прямом прессовании направление течения металла совпадает с направлением движения пресс-штемпеля. В ходе этого процесса заготовка скользит относительно стенок контейнера. На преодоление возникающей при этом силы трения затрачивается значительная часть усилия пресса.
Обратное прессование
Рисунок№2. Метод обратного прессования.
Суть метода обратного прессовании заключается в том, что матрицу располагают на переднем конце полого пресс-штемпеля. При этом матрица перемещается вместе с пресс-штемпелем внутри контейнера (рисунок 2). В данном случае отсутствует относительное перемещение между заготовкой и контейнером, поэтому нет сил трения между поверхностью заготовки и контейнером. Отсутствует также перемещение центра заготовки относительно периферийных участков заготовки. Обратное прессование применяют обычно для прессования трудно прессуемых сплавов и при жестких требованиях по размерам поперечного сечения и однородности свойства по сечению и длине профиля.
Прямое прессование «стык в стык»
Рисунок№3. Метод прямого прессования «стык в стык» с отделением пресс-остатка.
Для прессования алюминиевых сплавов, которые легко свариваются при температуре и давлении применяют метод «стык в стык». Каждую последующую заготовку загружают в контейнер в стык предыдущей. Длина прессованного профиля в этом процессе ограничена длиной выходного стола может достигать 50 и более метров. Окончательная сварка заготовки в контейнере со следующей заготовкой происходит, когда стык проходит через деформационную зону матрицы. Принцип метода прессования «стык в стык» с удалением пресс-остатка показан на рисунке 4: новая заготовка приваривается к оставшемуся в матрице или так называемом питателе металлу, оставшемуся от предыдущей заготовки.
Прямое прессование «стык в стык» без удаления пресс-остатка
Рисунок№4. Метод прямого прессования «стык в стык» без удаления пресс-остатка.
Следует отметить, что метод прессования «стык в стык» без удаления пресс-остатка применяют достаточно редко. Торец следующей заготовки придвигается в контейнере вплотную к торцу остатка предыдущей заготовке, еще находящегося в контейнере (рисунок 4). Прессование без удаления пресс-остатка требует дополнительных затрат, в том числе, по обеспечению чистой поверхности заготовки и особенно их торцов. Поэтому такое прессование применяется в основном только в специальных случаях, например, при изготовлении изделий-заготовок (подката, полуфабриката) в бухтах для дальнейшей переработки.
Легкопрессуемые алюминиевые сплавы
Для прессования «стык в стык» требуется способность алюминиевых сплавов свариваться при температуре и давлении прессования. Такими качествами обладают так называемые легко прессуемые («мягкие») сплавы: сплавы Аl-Mn (серия 3ххх), сплавы Al-Mg-Si (серия 6ххх), самый популярный сплав АД31, «среднепрочные» сплавы: Al-Mg (серия 5ххх) при содержании магния до 3 %, а также сплавы Al-Zn-Mg (серия 7ххх) без легирования медью.
Труднопрессуемые алюминиевые сплавы
Все сплавы Al-Cu-Mg (серия 2xxx), «среднепрочные» сплавы Al-Mg (серия 5ххх) при содержании магния более 3 % и сплавы Al-Zn-Mg-Сu (серия 7ххх) обычно не прессуют методом «стык в стык», а прессуют каждую заготовку отдельно.
aledpro.com
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.
См. подробнее Прессование алюминия: от заготовки до готового профиля
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 течения металла 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. Saha P.2. Extrusion, еd. M.Bauser et al, 2006.
aluminium-guide.ru
от заготовки до готового профиля
Ниже кратко, упрощенно и схематично – для первоначального ознакомления – изложены основы производственного процесса изготовления прессованных алюминиевых профилей.
И прессование, и экструзия
Прессование алюминия часто, и вполне обоснованно, называют также экструзией алюминия. Алюминий, действительно, выдавливается из контейнера пресса через отверстия матрицы, на которых формируется сечение алюминиевого профиля. Прямое значение английского слова «extrusion» как раз и означает «выдавливание». Вместе с тем, в русскоязычной технической литературе и нормативных документах пока чаще применяется термин «прессование».
Алюминиевые сплавы для профилей
Подавляющее большинство алюминиевых профилей изготавливают из сплавов серии 6ххх. Основные легирующие элементы этих сплавов – магний и кремний в количестве до 1,2 %. Из всех сплавов серии 6ххх наиболее популярными являются международные сплавы 6060 и 6063, которые являются аналогами отечественного сплава АД31. Эти сплавы являются термически упрочняемыми, то есть обладают способностью повышать свою прочность в результате термической обработки. О профилях из этих сплавов и будет, в основном, идти речь ниже.
Слиток-столб
Исходным материалом для изготовления алюминиевых профилей являются алюминиевые слитки. Чаще всего они имеют вид цилиндрических столбов длиной до 7 м (рисунок 1). Эти столбы могут иметь различные диаметры, как правило, шагом в один дюйм (25,4 мм). Самыми распространенными являются столбы диаметром от 6 дюймов до 9 дюймов (от 152 до 228 мм). О процессе изготовления слитков-столбов (литье и гомогенизации) см. здесь.
Рисунок 1 – Резка слитков столбов на заготовки [1]
Заготовка
В контейнер пресса загружают не весь столб, а его часть – заготовку. Часть производителей профилей заранее нарезают из столбов заготовки нужной длины – обычно от 400 до 1000 мм (см. рисунок 1), другие – загружают в печь весь столб, а затем непосредственно перед загрузкой в пресс отрезают от него нагретую заготовку нужной длины.
Нагрев заготовки
На рисунке 2 показан процесс подачи заранее отрезанной заготовки в печь нагрева заготовок. Заготовки поступает в печь и нагревается до заданной температуры.
Рисунок 2 – Нагрев заготовки перед ее экструзией [1]
Температура плавления чистого алюминия составляет 660 ºС. С увеличением содержания примесей и легирующих элементов температура алюминиевых сплавов, которые применяются для изготовления профилей несколько снижается (см. подробнее здесь). Типичная температура заготовки из сплавов серии 6ххх перед загрузкой в пресс составляет от 400 до 480 ºС. Точная температура нагрева зависит от химического состава сплава, сложности профиля и других параметров.
Отметим, что нагретая заготовка визуально ничем не отличается от холодной, она не имеет красноватого оттенка и не светится.
Нагрев матрицы и установка ее на пресс
Для прессования заданного профиля подготавливается соответствующая матрица – она нагревается в печи нагрева матриц до температуры близкой температуре заготовки.
Рисунок 3 – Установка матричного комплекта в пресс [1]
Нанесение смазки на торец заготовки
Нагретая заготовка извлекается из печи и направляется к прессу для загрузки в контейнер. Перед самой загрузкой в пресс на задний торец заготовки наносят смазочный слой, который предотвращает прилипание пресс-шайбы к заготовке при обратном движении пресс-штемпеля в конце цикла прессования. Обычно для этого на торец заготовки направляют факел горящего ацетилена. Образующаяся от неполного сгорания ацетилена сажа покрывает торец заготовки и играет роль той самой смазки.
Рисунок 4 – Подача заготовки к прессу и нанесение смазки на ее задний торец [1]
Загрузка заготовки в контейнер и прессование
Заготовка свободно «заталкивается» пресс-штемпелем в контейнер, диаметр которого на 3-4 мм больше, чем диаметр заготовки. Затем пресс-штемпель начинает «давить» на торец заготовки с большим усилием, так что материал заготовки заполняет весь объем. С дальнейшим продвижением пресс-штемпеля давление в контейнере возрастает, и алюминий начинает «выдавливаться» через отверстия матрицы в виде профиля с заданным поперечным сечением (рисунок 5).
Рисунок 5 – Загрузка заготовки в контейнер и прессование (экструзия) профиля [1]
Пресс-остаток
В конце цикла прессования заготовки около 10 % ее объема, включая ее наружную оболочку, остается в задней части контейнера. Контейнер немного отъезжает назад, и эта часть заготовки извлекается из контейнера и отрезается от матрицы специальным острым ножом-гильотиной. Эта отрезанная часть заготовки называется пресс-остатком. Он вместе с другими технологическими отходами направляется на переплавку.
Скорость прессования
Профиль выходит из матрицы при температуре выше 500 ºС. Скорость движения профиля на выходе из матриц может составлять от 8 до 80 м в минуту в зависимости от сплава и сложности профиля (рисунок 6). В продольной передаче профиля по приемному столу, который может достигать длины 50 м, обычно участвует пуллер. Он захватывает специальными зажимами передний конец профиля и тянет профиль по рольгангу приемного стола. Скорость движения пуллера и осевое усилие, которое он прилагает к профилю, согласованы со скоростью выхода профиля из матрицы.
Рисунок 6 – Выход профиля из матрицы;охлаждение профилей на выходном столе [1]
Закалка на прессе
Почти сразу после выхода из матрицы профиль обычно подвергают ускоренному охлаждению для того, чтобы алюминиевый сплав профиля достиг закаленного состояния — закалке на прессе.
Для достижения состояния закалки каждый сплав имеет свою минимально допустимую скорость охлаждения до температуры около 250 ºС. Например, профили из сплава 6060 должны достигать этой температуры не более, чем за пять минут. Для тонкостенных профилей для этого может быть достаточно охлаждения вентиляторами на приемном столе. Для профилей из более легированного сплава 6082 обычно требуется усиленное охлаждение сжатым воздухом, водовоздушной смесью или даже водой сразу после выхода из матрицы (см. рисунок 6).
Закалка алюминия и закалка стали
Закалка алюминиевых сплавов отличается от закалки стали. Сталь сразу после охлаждения резко повышает свою прочность. Алюминиевые же сплавы после закалки практически не изменяют своей прочности. Эффект закалки проявляется только в результате последующей операции старения – естественного или искусственного. Естественное старение – это обычное вылеживание при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. Отсюда и термин «старение».
Горячая резка профилей
Длина профиля, который прессуется из одной заготовки, может достигать 50 м. Она зависит от размеров заготовки (диаметра и длины) и площади сечения профиля, а также длины приемного стола пресса. Обычно в конце каждого цикла прессования этот длинный непрерывный профиль отрезают пилой горячей резки от той части профиля, которая еще находится в матрице (рисунок 7). Затем этот профиль передается на стол охлаждения профилей.
Рисунок 7 – Пила горячей резки [1]
Стол охлаждения профилей и растяжная машина
На столе охлаждения профили продолжают свое охлаждение до температуры цеха и затем поступают на растяжную машину (рисунок 8). На растяжной машине профиль подвергается растяжению на заданную величину пластической деформации. Цель этой операции – снижение отклонений формы профиля от прямолинейности и скручиванию, а также, при необходимости, заданной холодной деформации.
Рисунок 8 – Профили на столе охлаждения и в растяжной машине [1]
Пила холодной резки
После растяжной машины профили по рольгангу поступают к пиле мерной резки (рисунок 8). Эту пилу называют также пилой холодной резки в отличие от пилы горячей резки на выходном столе пресса. На ней профили режут на мерные длины в соответствии с требованиями заказчика, обычно от 2 до 6 м. Профили мерной длины укладываются в специальные стальные корзины и направляются в зависимости от назначения (и типа сплава) на участок упаковки или в печь старения.
Рисунок 9 – Пила мерной резки [1]
Печь старения
Профили из термически упрочненных сплавов, таких как сплав 6060, достигают своей максимальной прочности в процессе, которые называют упрочнение старением. В результате старения легирующие элементы сплава, которые в результате закалки были «заморожены» в твердом растворе алюминия, выделяются в виде мелких частиц. Это приводит к повышению прочностных свойств профилей.
Этот процесс старения может происходить при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. В этом случае он называется естественным старением. Максимальное повышение прочностных свойств достигается при искусственном старении, которое производится путем нагрева в специальной печи — печи старения (рисунок 10). Типичный режим для сплава 6060: температура 180 ºС и длительность 5 часов.
Рисунок 10 – Загрузка профилей в печь старения
Упаковывание, складирование и отгрузка
Готовые алюминиевые профили передаются:
- на порошковое окрашивание или анодирование;
- на упаковку и отгрузку заказчику;
- на склад (рисунок 11).
Рисунок 11 – Упаковка и складирование алюминиевых профилей
Источник рисунков:http://www.abralco.com/index.php/about-aluminium/aluminum-extrusion
aluminium-guide.ru
Прессование тонких алюминиевых профилей
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 имеют минимально возможную толщину. 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 профиль, жестче контроль
Чтобы контролировать течение материала – 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, который можно назвать «морщины», 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
aluminium-guide.ru
Алюминиевые профили: виды и типы
Алюминиевый профиль — это почти всегда прессованный алюминиевый профиль. Значительно реже применяются другие виды алюминиевых профилей, например, гнутые и катаные.
Функции алюминиевого профиля
Каждый алюминиевый профиль имеет свое назначение, свои свойства и характеристики. Если это просто декоративный профиль, главное назначение которого – быть красивым, радовать глаз, то главная 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.
Назначение алюминиевого профиля
Такой вид алюминиевого профиля, как элемент несущей строительной конструкции, требует особого внимания к его 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.
Алюминиевые сплавы для прессования
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. Практически все виды алюминиевых профилей получают прессованием и только очень немногие — прокаткой или гибкой. Поэтому обычно прессованные алюминиевые профили называют просто алюминиевыми профилями.
В принципе, из любого деформируемого алюминиевого сплава (и даже литейного) 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, а также
- формировал оптимальное качество поверхности.
Поэтому алюминиевые сплавы для прессования специально разрабатывают и оптимизируют, 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. 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 марку алюминия 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), 5083(АМг4,5), 6101, 7005(1915) и 7075.
Диаметр описанной окружности профиля
Обобщенным размером алюминиевого профиля является диаметр окружности, описывающий его поперечное сечение (рисунок 1). Этот параметр называют «диаметр описанной окружности».
Рисунок 1
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.
Виды алюминиевых профилей
Действующие стандарты на алюминиевые профили — например, российские ГОСТ 22233-2001 и ГОСТ 8617-91, европейские ЕN 755-9 и EN 12020-2 — подразделяют весь сортамент алюминиевых профилей на различные виды (рисунок 2):
- профили полые и
- профили сплошные, а также
- С- и П-образные или профили «с открытым концом».
Полые профили
По определению этих стандартов полые алюминиевые профили – это вид профилей, которые имеют в поперечном сечении хотя бы одну замкнутую полость.
Сплошные профили
Сплошные алюминиевые профили – это профили, которые не имеют замкнутых полостей.
Профили 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 2
Полузамкнутые и полуоткрытые профили
Полые алюминевые профили, как вид, 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. Не каждая частично замкнутая полость превращает профиль из сплошного полузамкнутый: ее площадь А должна быть существенно больше квадрата ширины ее входа b (А > b2), в зависимости от ширины входа – в 2,0-4,5 раза (см. рисунок 2).
Полые матрицы
Полые и полузамкнутые алюминиевые профили объединяются в один вид, потому что они изготавливают на так называемых «полых» матрицах. Полые матрицы бывают трех видов: мостиковые (bridge), портхол (porthole) и крестообразные (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.
Коэффициент формы алюминиевого профиля
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.
Категории сложности алюминиевых профилей
Классификация прессованных алюминиевых профилей по степени сложности их изготовления представлена в таблице ниже. Категории от A до N расположены в порядке повышения сложности. Каждая категория иллюстрируется несколькими примерами.
Таблица
Сложность прессования возрастает в следующем порядке:
- 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.
Цена алюминиевых профилей
Цена алюминиевых профилей 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.
aluminium-guide.ru
Выбор оборудования для производства алюминиевых профилей
Экструзионный пресс является самым важным — и дорогим — из всего оборудования для производства алюминиевых профилей.
Семь шагов по выбору нового пресса
Новый экструзионный пресс для алюминия может прослужить 50 и более лет. Поэтому его выбор – это очень ответственное решение. В своей статье в материалах Aluminium Extrusion Seminar 2008 известный американский специалист Al Kennedy подробно расписал процесс принятия такого решения и разбил его на семь последовательных шагов.
Выбор типа пресса — шаг №1
Это первый шаг в выборе пресса. Решение по нему принимают на основе рыночной ситуации и намерениях занять на рынке определенную нишу. Большинство новых прессов имеют прямое прессование без прошивки и без оправки.
Пресс с обратным прессованием
При обратном прессовании матрица размещается на переднем конце полого пресс-штемпеля, который перемещается относительно контейнера, но относительное перемещение между заготовкой и контейнером отсутствует. Поскольку в этом случае нет трения между поверхностью заготовки и контейнером, то усилие прессования на 20-30 % ниже. Это пониженное усилие дает возможность прессовать более мелкие профили, а также снизить температуру заготовки и, следовательно, повысить скорость прессования. Температура профиля более однородная на протяжении цикла прессования. Загрязнения с поверхности заготовки не идут внутрь профиля, однако необходимо «скальпировать» заготовки – механически обрабатывать их поверхность, чтобы поверхностные дефекты заготовки не создавали поверхностные дефекты профиля. Существенным недостатком обратных прессов является ограничение размеров профиля размерами полости пресс-штемпеля.
Пресс с прошивкой и оправкой
Изготовление действительно бесшовных труб требует или прошивной оправки для выполнения отверстия в сплошной заготовке, или полой заготовки и оправки. В обоих вариантах бесшовный полый профиль будет иметь более качественную микроструктуру структуру и более однородные механические свойства, чем аналогичный профиль, которые получен на обычном прессе. Инвестиции в такой пресс являются очень высокими, а производительность его ниже, чем у обычных прессов. Более высокое качество продукции могут оценить и, что важно, заплатить за него, только весьма ограниченное количество заказчиков, производящих очень ответственные изделия.
Пресс с прямым прессованием
Поэтому для большинства производителей прессованного алюминия однозначным выбором является обычный пресс с прямым течением металла.
Диаметр контейнера и усилие пресса — шаг №2
Выбор диаметра контейнера
Первый и самый трудный вопрос. Какова максимальная описанная окружность и погонная масса профилей, которые будут прессоваться на этом прессе? Можно бы учесть историю заказов профилей, но надо понимать, что в будущем рынок может пойти совсем по-другому. Вообще, прессы, которые ставят в последние годы, имеют тенденцию к увеличению диаметра контейнера.
Диаметр заготовки обычно выбирают, по крайней мере, на 25 мм больше, чем диаметр самого большого профиля или группы профилей. Конечно, всегда есть возможность прессовать профили даже большие чем диаметр заготовки с применением специальных матриц с расширителем. Однако эта технология более сложная, требует более дорогих матриц и есть ограничения для ее применения.
Выбор усилия пресса
После того, как определились с диаметром заготовки, надо выбрать удельное давление в интервале от 60 до 80 кГ/мм2. Удельное давление вычисляется путем деления усилия пресса на площадь полости контейнера (обычно больше диаметра заготовки на 3 %). Много прессов в США работают при удельных давлениях от 50 до 60 кГ/мм2, в основном с более простыми сечениями профилей. Однако в этом случае есть риск потери в производительности из-за более медленной осадки заготовки и начального заполнения матрицы металлом.
Выбор максимальной длины заготовки
Максимальная длина заготовки диаметром 152 мм для пресса с усилием от 1200 до 1600 тонн составляет от 750 до 850 мм, а заготовки диаметром 178 мм для прессов с усилиями от 1600 до 2000 тонн – от 850 до 1000 мм.
Размеры матричного комплекта — шаг №3
От длины (толщины) матричного комплекта зависит прогиб матрицы под нагрузкой и, следовательно, возможность контролировать размеры профиля и отклонения от них. Прогибы матрицы снижаются пропорционально третьей степени длины матричного комплекта. С другой стороны, чем больше матричный комплект, тем больше он стоит. Надо плотно обсудить этот вопрос со специалистами по прессовому инструменту и поставщиками прессов, чтобы определить комплект прессового инструмента, который бы совмещал достаточную жесткость с приемлемой ценой.
По мнению экспертов для пресса усилием 1600 тонн типичная толщина матричного комплекта составляет 400 мм, а для пресса 2000 тонн – 450 мм.
См. Выбор экструзионного пресса — продолжение
Источник: Al Kennedy, ET 2008
aluminium-guide.ru
© 2005-2018, Национальный Экспертный Совет по Качеству.
