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.
2. Ausfallformen und Ursachen von Schimmelpilzen
2.1 Verschleißfehler
Verschleiß ist die Hauptursache für das Versagen von Extrusionswerkzeugen. Dies führt zu ungenauen Abmessungen der Aluminiumprofile und einer Verschlechterung der Oberflächenqualität. Beim Extrudieren werden die Aluminiumprofile durch das Extrusionsmaterial bei hoher Temperatur und hohem Druck ohne Schmierung in den offenen Teil des Formhohlraums gepresst. Eine Seite berührt direkt die Ebene des Bremssattelbandes, während die andere Seite gleitet, was zu starker Reibung führt. Die Oberfläche des Hohlraums und die Oberfläche des Bremssattelbandes 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 spezifische Form des Matrizenverschleißes hängt von vielen Faktoren ab, wie der Geschwindigkeit des Reibungsprozesses, der chemischen Zusammensetzung und den mechanischen Eigenschaften des Matrizenmaterials und des verarbeiteten Blocks, der Oberflächenrauheit von Matrize und Block sowie Druck, Temperatur und Geschwindigkeit während des Extrusionsprozesses. Der Verschleiß von Aluminium-Extrusionsformen ist hauptsächlich thermischer Verschleiß. Thermischer Verschleiß wird durch Reibung, Erweichung der Metalloberfläche aufgrund steigender 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-Extrusionsdüse ist der Fließprozess des Düsenmetallmaterials.
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 erzeugt, 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 Formversagens. 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 Temperaturerhöhung. Übersteigt der Druckanstieg die Streckgrenze des Oberflächenmetalls bei der entsprechenden Temperatur, tritt an der Oberfläche eine plastische Druckspannung auf. Wenn 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.
Die Hauptgründe für ein Versagen liegen in der Auslegung der Formfestigkeit und der Wahl des Verrundungsradius am Übergang. In der Fertigung sind die Hauptgründe die Materialvorprüfung und die Beachtung von Oberflächenrauheit und -schäden während der Verarbeitung sowie die Auswirkungen der Wärmebehandlung und der Qualität der Oberflächenbehandlung.
Bei der Verwendung 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 Qualität des Produkts aus. Da die Arbeitsbedingungen der Extrusionsform bei der Profilextrusionsproduktion sehr hart sind, ist es notwendig, die Form von der Konstruktion und Materialauswahl bis zur endgültigen Herstellung der Form und der anschließenden Verwendung und Wartung streng zu kontrollieren.
Insbesondere während des Produktionsprozesses muss die Form eine hohe thermische Stabilität, thermische Ermüdung, thermische Verschleißfestigkeit 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 Hochlastverarbeitungsprozess, und die Aluminium-Extrusionsdüse ist sehr harten Einsatzbedingungen ausgesetzt.
Die Extrusionsdüse ist hohen Temperaturen ausgesetzt und die lokale Oberflächentemperatur kann 600 Grad Celsius erreichen. 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 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 sich leicht schmelzen, schmieden, verarbeiten und wärmebehandeln lassen. 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, dem Verschleiß bei langfristig hohen Temperaturen, hohem Druck und schlechter Schmierung zu widerstehen. Insbesondere beim Extrudieren von Aluminiumlegierungen muss sie in der Lage sein, der Metallhaftung und dem 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 Gestaltung der Form trägt wesentlich zur Verlängerung ihrer Lebensdauer bei. Eine korrekt gestaltete Formstruktur sollte sicherstellen, dass unter normalen Einsatzbedingungen keine Stoßbrüche und Spannungskonzentrationen auftreten. Achten Sie daher bei der Gestaltung der Form 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. Dies kann zu Verformungen durch Wärmebehandlung, Rissen und Sprödbrüchen oder frühzeitiger Heißrissbildung während des Gebrauchs führen. 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 Temperaturkontrolle, der Heiz- und Kühlintensität, die Verwendung neuer Abschreckmedien und die Untersuchung 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 zählen die mechanische Bearbeitung, Drahtschneiden, Funkenerosion usw. Die mechanische Bearbeitung ist ein unverzichtbarer und wichtiger Prozess im Formenbearbeitungsprozess. Sie verändert nicht nur die Erscheinungsgröße 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 ohne Tempern direkt in der Produktion verwendet, kann es leicht zu Schlackebildung, Abblättern usw. kommen, was die Lebensdauer der Form verkürzt. Daher kann ein ausreichendes Tempern der Form nach dem Drahtschneiden den Oberflächenspannungszustand verbessern, die Eigenspannung 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, um das Auftreten von Spannungskonzentrationen zu verhindern.
Funkenerosion ist eine Form der Elektrokorrosion, die durch die Überlagerung von Materialverdampfung, Schmelzen und Verdampfung der Bearbeitungsflüssigkeit während der Entladung erfolgt. Das Problem besteht darin, dass sich aufgrund der auf die Bearbeitungsflüssigkeit einwirkenden Wärme beim Erhitzen und Abkühlen sowie der elektrochemischen Wirkung der Bearbeitungsflüssigkeit eine modifizierte Schicht im zu bearbeitenden Teil bildet, die Spannungen und Dehnungen erzeugt. Im Fall von Öl diffundieren die durch die Verbrennung des Öls zersetzten Kohlenstoffatome und karburieren im Werkstück. Wenn die thermische Spannung zunimmt, wird die beschädigte Schicht spröde und hart und neigt zur Rissbildung. Gleichzeitig bildet sich Eigenspannung, die sich am Werkstück festsetzt. 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 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 Gerätesystem 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 Prozessbetriebsabläufe und Sicherheitsverfahren festzulegen und zu verbessern.
4 Fazit
Mit der Entwicklung der Trends in der Aluminiumindustrie sind in den letzten Jahren alle auf der Suche 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.
Die Lebensdauer einer Aluminium-Extrusionsdüse wird von vielen Faktoren beeinflusst. Neben internen Faktoren wie der Struktur und Festigkeit der Düse, den Düsenmaterialien, der Kalt- und Wärmeverarbeitung sowie der elektrischen Verarbeitungstechnologie, der Wärmebehandlungs- und Oberflächenbehandlungstechnologie gibt es auch Extrusionsprozess- und Verwendungsbedingungen, Wartung und Reparatur der Düse, Materialeigenschaften und Form des Extrusionsprodukts, Spezifikationen und wissenschaftliches Management der Düse.
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
