1. Einleitung
Die Form ist ein wichtiges Werkzeug für die Extrusion von Aluminiumprofilen. Während des Profilextrusionsprozesses muss die Form hohen Temperaturen, hohem Druck und hoher Reibung standhalten. Bei längerem Gebrauch kommt es zu Formverschleiß, plastischer Verformung und Ermüdungsschäden. In schweren Fällen kann es zu Formbrüchen kommen.
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2.1 Verschleißversagen
Verschleiß ist die Hauptursache für das Versagen von Extrusionswerkzeugen. Dies führt zu ungeeigneten Abmessungen der Aluminiumprofile und einer Verschlechterung der Oberflächenqualität. Beim Extrudieren werden Aluminiumprofile durch das Extrusionsmaterial bei hoher Temperatur und hohem Druck ohne Schmierung in den offenen Teil des Formhohlraums geführt. Eine Seite berührt direkt die Ebene des Bremssattelstreifens, während die andere Seite gleitet, was zu starker Reibung führt. Die Oberfläche des Hohlraums und die Oberfläche des Bremssattelriemens unterliegen Verschleiß und Versagen. Gleichzeitig bleibt während des Reibungsprozesses der Form etwas Knüppelmetall an der Arbeitsfläche der Form haften, wodurch sich die Geometrie der Form verändert und diese unbrauchbar wird. Dies wird ebenfalls als Verschleißfehler angesehen, der sich in Form von Passivierung der Schneidkante, abgerundeten Kanten, Einsinken der Ebene, Oberflächenrillen, Abblättern usw. äußert.
Die genaue Form des Matrizenverschleißes hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise von der Geschwindigkeit des Reibungsprozesses, der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften des Matrizenmaterials und des verarbeiteten Blocks, der Oberflächenrauheit von Matrize und Block sowie von Druck, Temperatur und Geschwindigkeit während des Extrusionsprozesses. Der Verschleiß von Aluminium-Extrusionsformen ist hauptsächlich thermischer Verschleiß. Thermischer Verschleiß wird durch Reibung, Erweichung der Metalloberfläche durch steigende Temperatur und Verzahnung der Oberfläche des Formhohlraums verursacht. Nachdem die Oberfläche des Formhohlraums bei hohen Temperaturen erweicht ist, nimmt ihre Verschleißfestigkeit stark ab. Im Prozess des thermischen Verschleißes ist die Temperatur der Hauptfaktor, der den thermischen Verschleiß beeinflusst. Je höher die Temperatur, desto schwerwiegender der thermische Verschleiß.
2.2 Plastische Verformung
Die plastische Verformung der Aluminiumprofil-Extrusionsform ist der Fließprozess des Matrizenmetallmaterials.
Da sich die Extrusionsdüse während des Betriebs über einen langen Zeitraum hinweg in einem Zustand hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Reibung mit dem extrudierten Metall befindet, steigt die Oberflächentemperatur der Düse an und führt zu einer Erweichung.
Unter sehr hohen Belastungsbedingungen kommt es zu starken plastischen Verformungen, die zum Kollabieren des Arbeitsbandes oder zur Bildung einer Ellipse führen und die Form des hergestellten Produkts verändern. Selbst wenn die Form keine Risse aufweist, versagt sie, da die Maßgenauigkeit des Aluminiumprofils nicht gewährleistet werden kann.
Darüber hinaus ist die Oberfläche der Extrusionsdüse durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen Temperaturunterschieden ausgesetzt, die abwechselnde thermische Zug- und Druckspannungen auf der Oberfläche erzeugen. Gleichzeitig verändert sich auch die Mikrostruktur in unterschiedlichem Ausmaß. Unter dieser kombinierten Wirkung kommt es zu Formverschleiß und plastischer Oberflächenverformung.
2.3 Ermüdungsschäden
Thermische Ermüdungsschäden sind auch eine der häufigsten Formen des Versagens von Formen. Wenn der erhitzte Aluminiumstab mit der Oberfläche der Extrusionsdüse in Kontakt kommt, steigt die Oberflächentemperatur des Aluminiumstabs viel schneller an als die Innentemperatur, und aufgrund der Ausdehnung entsteht auf der Oberfläche eine Druckspannung.
Gleichzeitig sinkt die Streckgrenze der Formoberfläche aufgrund der steigenden Temperatur. Übersteigt der Druckanstieg die Streckgrenze des Oberflächenmetalls bei der entsprechenden Temperatur, tritt an der Oberfläche eine plastische Druckspannung auf. Sobald das Profil die Form verlässt, sinkt die Oberflächentemperatur. Bleibt die Temperatur im Profil jedoch weiterhin hoch, entsteht eine Zugspannung.
Wenn der Anstieg der Zugspannung die Streckgrenze der Profiloberfläche überschreitet, tritt eine plastische Zugspannung auf. Wenn die lokale Dehnung der Form die Elastizitätsgrenze überschreitet und in den Bereich der plastischen Dehnung eintritt, kann die allmähliche Ansammlung kleiner plastischer Dehnungen zu Ermüdungsrissen führen.
Um Ermüdungsschäden an der Form zu vermeiden oder zu reduzieren, sollten daher geeignete Materialien ausgewählt und ein geeignetes Wärmebehandlungssystem eingesetzt werden. Gleichzeitig sollte auf die Verbesserung der Einsatzumgebung der Form geachtet werden.
2.4 Formbruch
Bei der tatsächlichen Produktion treten Risse in bestimmten Teilen der Form auf. Nach einer gewissen Betriebsdauer bilden sich kleine Risse, die sich allmählich in die Tiefe ausdehnen. Sobald sich die Risse auf eine bestimmte Größe ausgedehnt haben, wird die Tragfähigkeit der Form stark geschwächt und es kommt zu Brüchen. Oder es sind bereits während der ursprünglichen Wärmebehandlung und -verarbeitung der Form Mikrorisse entstanden, die es der Form leicht machen, sich auszudehnen und während des Gebrauchs frühzeitig Risse zu verursachen.
Konstruktiv liegen die Hauptgründe für ein Versagen in der Auslegung der Formfestigkeit und der Wahl des Verrundungsradius am Übergang. Fertigungstechnisch liegen die Hauptgründe in der Materialvorprüfung, der Beachtung von Oberflächenrauheit und -schäden während der Verarbeitung sowie in den Auswirkungen der Wärmebehandlung und der Qualität der Oberflächenbehandlung.
Während des Gebrauchs sollte auf die Kontrolle der Formvorwärmung, des Extrusionsverhältnisses und der Barrentemperatur sowie auf die Kontrolle der Extrusionsgeschwindigkeit und des Metallverformungsflusses geachtet werden.
3. Verbesserung der Formlebensdauer
Bei der Herstellung von Aluminiumprofilen machen die Formkosten einen großen Teil der Produktionskosten der Profilextrusion aus.
Die Qualität der Form wirkt sich auch direkt auf die Produktqualität aus. Da die Arbeitsbedingungen der Extrusionsform bei der Profilextrusionsproduktion sehr hart sind, ist eine strenge Kontrolle der Form erforderlich – von der Konstruktion und Materialauswahl über die endgültige Herstellung der Form bis hin zur anschließenden Verwendung und Wartung.
Insbesondere während des Produktionsprozesses muss die Form eine hohe thermische Stabilität, thermische Ermüdung, thermischen Verschleißwiderstand und ausreichende Zähigkeit aufweisen, um die Lebensdauer der Form zu verlängern und die Produktionskosten zu senken.
3.1 Auswahl der Formmaterialien
Der Extrusionsprozess von Aluminiumprofilen ist ein Hochtemperatur- und Hochbelastungsprozess, und die Aluminium-Extrusionsdüse ist sehr harten Einsatzbedingungen ausgesetzt.
Die Extrusionsdüse ist hohen Temperaturen ausgesetzt, wobei die lokale Oberflächentemperatur bis zu 600 Grad Celsius erreichen kann. Die Oberfläche der Extrusionsdüse wird wiederholt erhitzt und abgekühlt, was zu thermischer Ermüdung führt.
Beim Extrudieren von Aluminiumlegierungen muss die Form hohen Druck-, Biege- und Scherspannungen standhalten, die zu adhäsivem Verschleiß und abrasivem Verschleiß führen.
Abhängig von den Arbeitsbedingungen der Extrusionsdüse können die erforderlichen Eigenschaften des Materials bestimmt werden.
Zunächst muss das Material eine gute Prozessleistung aufweisen. Es muss leicht zu schmelzen, zu schmieden, zu verarbeiten und wärmezubehandeln sein. Darüber hinaus muss es eine hohe Festigkeit und Härte aufweisen. Extrusionswerkzeuge arbeiten in der Regel bei hohen Temperaturen und hohem Druck. Beim Extrudieren von Aluminiumlegierungen muss die Zugfestigkeit des Werkzeugmaterials bei Raumtemperatur über 1500 MPa liegen.
Es muss eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen, d. h. die Fähigkeit, mechanischen Belastungen bei hohen Temperaturen während der Extrusion standzuhalten. Es muss eine hohe Schlagzähigkeit und Bruchzähigkeit bei Normaltemperatur und hoher Temperatur aufweisen, um einen Sprödbruch der Form unter Spannungszuständen oder Stoßbelastungen zu verhindern.
Es muss eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, d. h. die Oberfläche muss in der Lage sein, Verschleiß bei langfristig hohen Temperaturen, hohem Druck und schlechter Schmierung zu widerstehen. Insbesondere beim Extrudieren von Aluminiumlegierungen muss sie in der Lage sein, Metallhaftung und Verschleiß zu widerstehen.
Um hohe und gleichmäßige mechanische Eigenschaften über den gesamten Werkzeugquerschnitt sicherzustellen, ist eine gute Härtbarkeit erforderlich.
Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist erforderlich, um die Wärme schnell von der Arbeitsfläche der Werkzeugform abzuleiten und so ein lokales Überbrennen oder einen übermäßigen Verlust der mechanischen Festigkeit des extrudierten Werkstücks und der Form selbst zu verhindern.
Es muss eine hohe Beständigkeit gegen wiederholte zyklische Belastungen aufweisen, d. h. es benötigt eine hohe Dauerfestigkeit, um vorzeitige Ermüdungsschäden zu vermeiden. Darüber hinaus muss es eine gewisse Korrosionsbeständigkeit und gute Nitrierbarkeitseigenschaften aufweisen.
3.2 Sinnvolles Design der Form
Eine sinnvolle Formgestaltung trägt wesentlich zur Verlängerung ihrer Lebensdauer bei. Eine korrekt gestaltete Formstruktur sollte sicherstellen, dass unter normalen Einsatzbedingungen kein Aufprallbruch und keine Spannungskonzentrationen auftreten. Achten Sie daher bei der Formgestaltung auf eine gleichmäßige Belastung der einzelnen Teile und vermeiden Sie scharfe Ecken, konkave Ecken, Wandstärkenunterschiede, flache, breite und dünne Wandabschnitte usw., um übermäßige Spannungskonzentrationen zu vermeiden. Andernfalls können während des Gebrauchs Verformungen durch Wärmebehandlung, Risse und Sprödbrüche oder frühzeitige Heißrisse auftreten. Eine standardisierte Konstruktion erleichtert zudem den Austausch, die Lagerung und die Wartung der Form.
3.3 Verbesserung der Qualität der Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung
Die Lebensdauer der Extrusionsdüse hängt maßgeblich von der Qualität der Wärmebehandlung ab. Daher sind fortschrittliche Wärmebehandlungsmethoden und -prozesse sowie Härtungs- und Oberflächenverfestigungsbehandlungen besonders wichtig, um die Lebensdauer der Form zu verbessern.
Gleichzeitig werden Wärmebehandlungs- und Oberflächenhärtungsprozesse streng kontrolliert, um Wärmebehandlungsfehler zu vermeiden. Die Anpassung der Abschreck- und Anlassprozessparameter, die Erhöhung der Anzahl der Vorbehandlungen, Stabilisierungsbehandlungen und Anlassvorgänge, die Beachtung der Temperaturregelung, der Heiz- und Kühlintensität, der Einsatz neuer Abschreckmedien und die Erforschung neuer Prozesse und neuer Geräte wie Verstärkungs- und Härtungsbehandlungen sowie verschiedener Oberflächenhärtungsbehandlungen tragen zur Verbesserung der Lebensdauer der Form bei.
3.4 Verbesserung der Qualität der Formenherstellung
Zu den gängigen Bearbeitungsmethoden bei der Formenbearbeitung gehören mechanische Bearbeitung, Drahtschneiden, Funkenerosion usw. Die mechanische Bearbeitung ist ein unverzichtbarer und wichtiger Prozess im Formenbearbeitungsprozess. Sie verändert nicht nur die Größe der Form, sondern wirkt sich auch direkt auf die Qualität des Profils und die Lebensdauer der Form aus.
Das Drahtschneiden von Matrizenlöchern ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Formenbearbeitung. Es verbessert die Bearbeitungseffizienz und -genauigkeit, bringt aber auch einige besondere Probleme mit sich. Wird beispielsweise eine durch Drahtschneiden bearbeitete Form direkt in der Produktion ohne Temperierung verwendet, kann es leicht zu Schlackebildung, Abblättern usw. kommen, was die Lebensdauer der Form verkürzt. Daher kann ausreichendes Temperieren der Form nach dem Drahtschneiden den Oberflächenspannungszustand verbessern, Eigenspannungen reduzieren und die Lebensdauer der Form erhöhen.
Spannungskonzentration ist die Hauptursache für Formbrüche. Innerhalb des durch die Zeichnungskonstruktion vorgegebenen Rahmens gilt: Je größer der Durchmesser des Drahtschneidedrahts, desto besser. Dies trägt nicht nur zur Verbesserung der Verarbeitungseffizienz bei, sondern verbessert auch die Spannungsverteilung erheblich und beugt so Spannungskonzentrationen vor.
Funkenerosion ist eine Form der Elektrokorrosion. Sie entsteht durch die Überlagerung von Materialverdampfung, Schmelzen und Verdampfung der Bearbeitungsflüssigkeit. Das Problem besteht darin, dass sich durch die auf die Bearbeitungsflüssigkeit einwirkende Wärme und Abkühlung sowie die elektrochemische Reaktion der Bearbeitungsflüssigkeit eine modifizierte Schicht im zu bearbeitenden Werkstück bildet, die Spannungen und Dehnungen erzeugt. Im Falle von Öl diffundieren die durch die Verbrennung des Öls zersetzten Kohlenstoffatome und karburieren im Werkstück. Steigende thermische Spannungen machen die beschädigte Schicht spröde und hart und neigen zur Rissbildung. Gleichzeitig entstehen Eigenspannungen, die sich im Werkstück festsetzen. Dies führt zu verringerter Dauerfestigkeit, beschleunigtem Bruch, Spannungskorrosion und anderen Phänomenen. Daher sollten wir während des Bearbeitungsprozesses versuchen, die oben genannten Probleme zu vermeiden und die Bearbeitungsqualität zu verbessern.
3.5 Verbesserung der Arbeitsbedingungen und der Extrusionsprozessbedingungen
Die Arbeitsbedingungen der Extrusionsdüse sind sehr schlecht, und auch die Arbeitsumgebung ist sehr schlecht. Daher trägt die Verbesserung des Extrusionsverfahrens und der Prozessparameter sowie der Arbeitsbedingungen und der Arbeitsumgebung zur Verlängerung der Lebensdauer der Düse bei. Daher ist es vor der Extrusion notwendig, den Extrusionsplan sorgfältig zu formulieren, das beste Anlagensystem und die besten Materialspezifikationen auszuwählen, die besten Extrusionsprozessparameter (wie Extrusionstemperatur, Geschwindigkeit, Extrusionskoeffizient und Extrusionsdruck usw.) zu formulieren und die Arbeitsumgebung während der Extrusion zu verbessern (wie Wasserkühlung oder Stickstoffkühlung, ausreichende Schmierung usw.), um so die Arbeitsbelastung der Form zu reduzieren (wie z. B. Reduzierung des Extrusionsdrucks, Reduzierung der Kühlwärme und der Wechsellast usw.), und die Prozessabläufe und Sicherheitsverfahren festzulegen und zu verbessern.
4 Fazit
Mit der Entwicklung der Trends in der Aluminiumindustrie suchen in den letzten Jahren alle nach besseren Entwicklungsmodellen, um die Effizienz zu verbessern, Kosten zu sparen und den Nutzen zu steigern. Die Extrusionsdüse ist zweifellos ein wichtiger Kontrollknoten für die Herstellung von Aluminiumprofilen.
Viele Faktoren beeinflussen die Lebensdauer einer Aluminium-Extrusionsdüse. Neben internen Faktoren wie der Struktur und Festigkeit der Düse, den Düsenmaterialien, der Kalt- und Wärmebehandlung sowie der elektrischen Verarbeitungstechnologie, der Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungstechnologie spielen Extrusionsprozess und Einsatzbedingungen, Wartung und Reparatur der Düse, Materialeigenschaften und Form des Extrusionsprodukts, Spezifikationen und wissenschaftliches Management der Düse eine Rolle.
Gleichzeitig handelt es sich bei den Einflussfaktoren nicht um ein einzelnes, sondern um ein komplexes, aus mehreren Faktoren bestehendes Problem. Die Verbesserung der Lebensdauer ist daher natürlich auch ein systemisches Problem. Bei der tatsächlichen Produktion und Nutzung des Prozesses müssen Design, Formverarbeitung, Nutzungswartung und andere wichtige Kontrollaspekte optimiert werden, um die Lebensdauer der Form zu verlängern, die Produktionskosten zu senken und die Produktionseffizienz zu verbessern.
Herausgegeben von May Jiang von MAT Aluminum
Veröffentlichungszeit: 14. August 2024
