Wie gestaltet man die Sunflower Radiator-Extrusionsdüse für Aluminiumprofile?

1. Analyse der strukturellen Eigenschaften von Aluminiumprofilen

Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines typischen Aluminiumprofils für Sonnenblumenheizkörper. Die Querschnittsfläche des Profils beträgt 7773,5 mm² und verfügt über insgesamt 40 Wärmeableitungszähne. Die maximale Öffnungsgröße zwischen den Zähnen beträgt 4,46 mm. Nach der Berechnung beträgt das Zungenverhältnis zwischen den Zähnen 15,7. Gleichzeitig befindet sich in der Mitte des Profils ein großer fester Bereich mit einer Fläche von 3846,5 mm².

Gemessen an den Formmerkmalen des Profils kann der Raum zwischen den Zähnen als Halbhohlprofil betrachtet werden, und das Kühlerprofil besteht aus mehreren Halbhohlprofilen. Daher ist es beim Entwurf der Formstruktur entscheidend, zu überlegen, wie die Festigkeit der Form sichergestellt werden kann. Zwar hat die Industrie für Halbhohlprofile eine Vielzahl ausgereifter Formstrukturen entwickelt, wie z. B. „abgedeckte Teilerformen“, „geschnittene Teilerformen“, „Hängebrücken-Teilerformen“ usw. Diese Strukturen sind jedoch nicht auf Produkte anwendbar, die aus mehreren Halbhohlprofilen bestehen. Beim traditionellen Design werden nur Materialien berücksichtigt, aber beim Extrusionsformen hat die Extrusionskraft während des Extrusionsprozesses den größten Einfluss auf die Festigkeit, und der Metallumformungsprozess ist der Hauptfaktor, der die Extrusionskraft erzeugt.

Aufgrund der großen zentralen Festkörperfläche des Solarstrahlerprofils kann es während des Extrusionsprozesses leicht zu einer zu hohen Gesamtdurchflussrate in diesem Bereich kommen. Dadurch entsteht zusätzliche Zugspannung am Kopf des Zahnzwischenrohrs, was zu dessen Bruch führt. Daher sollten wir uns bei der Gestaltung der Formstruktur auf die Anpassung von Metalldurchflussrate und Durchflussrate konzentrieren, um den Extrusionsdruck zu reduzieren und den Spannungszustand des zwischen den Zähnen aufgehängten Rohrs zu verbessern und so die Festigkeit der Form zu erhöhen.

2. Auswahl der Formstruktur und der Extrusionspressenkapazität

2.1 Formstrukturform

Für das in Abbildung 1 dargestellte Sonnenblumenheizkörperprofil ist, obwohl es keinen Hohlraum aufweist, die geteilte Formstruktur (siehe Abbildung 2) erforderlich. Im Unterschied zur herkömmlichen Shunt-Formstruktur befindet sich die Metalllötkammer in der oberen Form, während in der unteren Form eine Einlegestruktur verwendet wird. Dies reduziert die Formkosten und verkürzt den Herstellungszyklus. Sowohl die obere als auch die untere Form sind universell einsetzbar und wiederverwendbar. Besonders wichtig ist, dass die Matrizenlochblöcke unabhängig voneinander bearbeitet werden können, was die Genauigkeit des Matrizenloch-Arbeitsbandes verbessert. Die Innenbohrung der unteren Form ist als Stufe ausgeführt. Oberteil und Formlochblock sind mit Spielpassung versehen, wobei der Spaltwert auf beiden Seiten 0,06–0,1 m beträgt; der untere Teil ist mit Presspassung versehen, wobei der Übermaßwert auf beiden Seiten 0,02–0,04 m beträgt. Dies gewährleistet die Koaxialität und erleichtert die Montage, macht die Einlegepassung kompakter und verhindert gleichzeitig Formverformungen durch thermische Presspassung.

2.2 Auswahl der Extruderkapazität

Die Wahl der Extruderkapazität dient zum einen der Bestimmung des geeigneten Innendurchmessers des Extrusionszylinders und des maximalen spezifischen Drucks des Extruders auf den Extrusionszylinderabschnitt, um den Druck während der Metallumformung zu gewährleisten. Zum anderen geht es darum, das geeignete Extrusionsverhältnis zu bestimmen und die passenden Formgrößenspezifikationen basierend auf den Kosten auszuwählen. Für das Aluminiumprofil des Sonnenblumenheizkörpers darf das Extrusionsverhältnis nicht zu groß sein. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Extrusionskraft proportional zum Extrusionsverhältnis ist. Je größer das Extrusionsverhältnis, desto größer die Extrusionskraft. Dies wirkt sich äußerst nachteilig auf die Aluminiumprofilform des Sonnenblumenheizkörpers aus.

Erfahrungsgemäß liegt das Extrusionsverhältnis von Aluminiumprofilen für Sonnenblumenheizkörper unter 25. Für das in Abbildung 1 dargestellte Profil wurde ein 20,0-MN-Extruder mit einem Innendurchmesser des Extrusionszylinders von 208 mm ausgewählt. Der berechnete maximale spezifische Druck des Extruders beträgt 589 MPa, was ein geeigneterer Wert ist. Ein zu hoher spezifischer Druck führt zu einem hohen Druck auf die Form, was sich nachteilig auf deren Lebensdauer auswirkt. Ein zu niedriger spezifischer Druck kann die Anforderungen der Extrusionsumformung nicht erfüllen. Erfahrungsgemäß kann ein spezifischer Druck im Bereich von 550 bis 750 MPa verschiedene Prozessanforderungen besser erfüllen. Der berechnete Extrusionskoeffizient beträgt 4,37. Die Formgröße beträgt 350 mm x 200 mm (Außendurchmesser x Grad).

3. Bestimmung der Formstrukturparameter

3.1 Strukturparameter der oberen Form

(1) Anzahl und Anordnung der Umlenklöcher. Bei der Nebenschlussform für Sonnenblumenheizkörperprofile gilt: Je mehr Nebenschlusslöcher, desto besser. Bei Profilen mit ähnlicher Kreisform werden üblicherweise 3 bis 4 herkömmliche Nebenschlusslöcher gewählt. Dadurch vergrößert sich die Breite der Nebenschlussbrücke. Über 20 mm verringert sich in der Regel die Anzahl der Schweißnähte. Bei der Wahl des Arbeitsbandes für die Matrizenbohrung muss jedoch das Arbeitsband der Matrizenbohrung am unteren Rand der Nebenschlussbrücke kürzer sein. Da es keine präzise Berechnungsmethode für die Wahl des Arbeitsbandes gibt, führt dies dazu, dass die Matrizenbohrung unter der Brücke und andere Teile während der Extrusion aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsbänder nicht exakt die gleiche Durchflussrate erreichen. Diese unterschiedliche Durchflussrate erzeugt zusätzliche Zugspannungen am Ausleger und führt zu einer Verformung der Wärmeableitungszähne. Daher ist es bei Sonnenblumenheizkörper-Extrusionswerkzeugen mit hoher Zahnanzahl äußerst wichtig, sicherzustellen, dass die Durchflussrate jedes Zahns konstant ist. Mit zunehmender Anzahl der Shunt-Löcher steigt auch die Anzahl der Shunt-Brücken, wodurch die Fließgeschwindigkeit und die Fließverteilung des Metalls gleichmäßiger werden. Denn mit zunehmender Anzahl der Shunt-Brücken kann die Breite der Shunt-Brücken entsprechend reduziert werden.

Praktische Daten zeigen, dass die Anzahl der Shunt-Löcher in der Regel 6 oder 8 oder sogar mehr beträgt. Bei einigen großen Sonnenblumen-Wärmeableitungsprofilen kann die obere Form die Shunt-Löcher natürlich auch nach dem Prinzip der Shunt-Brückenbreite ≤ 14 mm anordnen. Der Unterschied besteht darin, dass eine vordere Verteilerplatte hinzugefügt werden muss, um den Metallfluss vorzuverteilen und anzupassen. Die Anzahl und Anordnung der Umlenklöcher in der vorderen Umlenkplatte kann auf herkömmliche Weise erfolgen.

Darüber hinaus sollte bei der Anordnung der Shunt-Löcher darauf geachtet werden, den Kopf des Auslegers des Wärmeableitungszahns durch die obere Form abzuschirmen, um zu verhindern, dass das Metall direkt auf den Kopf des Auslegerrohrs trifft und so den Spannungszustand des Auslegerrohrs verbessert. Der blockierte Teil des Auslegerkopfs zwischen den Zähnen kann 1/5 bis 1/4 der Länge des Auslegerrohrs betragen. Die Anordnung der Shunt-Löcher ist in Abbildung 3 dargestellt.

(2) Die Flächenverhältnisse der Umlenkbohrung. Da die Wandstärke des Zahnfußes gering und die Höhe weit vom Zentrum entfernt ist und die physikalische Fläche stark vom Zentrum abweicht, ist dies der schwierigste Teil der Metallformung. Daher ist es bei der Konstruktion der Sonnenblumenkühler-Profilform wichtig, die Fließgeschwindigkeit des zentralen festen Teils so gering wie möglich zu halten, damit das Metall zuerst den Zahnfuß füllt. Um diesen Effekt zu erzielen, ist zum einen die Wahl des Arbeitsbandes und vor allem die Bestimmung der Fläche der Umlenkbohrung, insbesondere der Fläche des zentralen Teils, die der Umlenkbohrung entspricht, entscheidend. Tests und Erfahrungswerte zeigen, dass die beste Wirkung erzielt wird, wenn die Fläche der zentralen Umlenkbohrung S1 und die Fläche der äußeren Umlenkbohrung S2 die folgende Beziehung erfüllen: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2

Darüber hinaus sollte der effektive Metallflusskanal des zentralen Teilerlochs 20 bis 25 mm länger sein als der effektive Metallflusskanal des äußeren Teilerlochs. Diese Länge berücksichtigt auch den Spielraum und die Möglichkeit einer Formreparatur.

(3) Tiefe der Schweißkammer. Die Extrusionsform für Sonnenblumen-Heizkörperprofile unterscheidet sich von herkömmlichen Nebenformen. Die gesamte Schweißkammer muss sich im oberen Werkzeug befinden. Dies gewährleistet die Präzision der Lochblockbearbeitung im unteren Werkzeug, insbesondere die Genauigkeit des Arbeitsbandes. Im Vergleich zur herkömmlichen Nebenform muss die Schweißkammertiefe der Nebenform für Sonnenblumen-Heizkörperprofile vergrößert werden. Je größer die Kapazität der Extrusionsmaschine, desto größer muss die Schweißkammertiefe sein, die 15–25 mm beträgt. Beispielsweise beträgt bei einer 20-MN-Extrusionsmaschine die Schweißkammertiefe einer herkömmlichen Nebenform 20–22 mm, während die Schweißkammertiefe der Nebenform für Sonnenblumen-Heizkörperprofile 35–40 mm betragen sollte. Dies hat den Vorteil, dass das Metall vollständig verschweißt und die Belastung des aufgehängten Rohrs deutlich reduziert wird. Der Aufbau der Schweißkammer der oberen Form ist in Abbildung 4 dargestellt.

3.2 Gestaltung des Matrizenlocheinsatzes

Das Design des Matrizenlochblocks umfasst hauptsächlich die Matrizenlochgröße, das Arbeitsband, den Außendurchmesser und die Dicke des Spiegelblocks usw.

(1) Bestimmung der Matrizenlochgröße. Die Matrizenlochgröße kann auf herkömmliche Weise bestimmt werden, wobei hauptsächlich die Skalierung der thermischen Legierungsverarbeitung berücksichtigt wird.

(2) Auswahl des Arbeitsbandes. Bei der Auswahl des Arbeitsbandes ist zunächst sicherzustellen, dass die Metallzufuhr am Zahnfuß ausreichend ist, damit der Materialfluss dort schneller ist als an anderen Stellen. Daher sollte das Arbeitsband am Zahnfuß mit 0,3–0,6 mm am kürzesten sein, während die Breite des Arbeitsbandes an den angrenzenden Stellen um 0,3 mm zunimmt. Zur Mitte hin sollte die Breite alle 10–15 mm um 0,4–0,5 mm erhöht werden. Zweitens sollte die Breite des Arbeitsbandes am größten festen Teil in der Mitte 7 mm nicht überschreiten. Andernfalls treten bei zu großen Längenunterschieden des Arbeitsbandes erhebliche Fehler bei der Bearbeitung der Kupferelektroden und der elektroerosiven Bearbeitung des Arbeitsbandes auf. Diese Fehler können beim Extrusionsprozess leicht zu Zahnbrüchen führen. Das Arbeitsband ist in Abbildung 5 dargestellt.

 

(3) Außendurchmesser und Dicke des Einsatzes. Bei herkömmlichen Shunt-Formen entspricht die Dicke des Matrizenlocheinsatzes der Dicke der unteren Form. Bei Sonnenblumenkühlerformen hingegen kollidiert das Profil beim Extrudieren und Entladen leicht mit der Form, wenn die effektive Dicke des Matrizenlochs zu groß ist. Dies kann zu ungleichmäßigen Zähnen, Kratzern oder sogar Zahnverklemmungen führen. Dies führt zum Bruch der Zähne.

Darüber hinaus verlängert eine zu große Matrizenlochdicke einerseits die Bearbeitungszeit beim Erodieren, andererseits kann es leicht zu Elektrokorrosion und Zahnabweichungen beim Extrudieren kommen. Ist die Matrizenlochdicke zu gering, kann die Zahnfestigkeit natürlich nicht gewährleistet werden. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren zeigt die Erfahrung, dass der Matrizenlocheinsatzgrad der unteren Form im Allgemeinen 40 bis 50 mm beträgt; der Außendurchmesser des Matrizenlocheinsatzes sollte vom größten Rand des Matrizenlochs bis zum äußeren Kreis des Einsatzes 25 bis 30 mm betragen.

Für das in Abbildung 1 gezeigte Profil betragen Außendurchmesser und Dicke des Matrizenlochblocks 225 mm bzw. 50 mm. Der Matrizenlocheinsatz ist in Abbildung 6 dargestellt. D in der Abbildung ist die tatsächliche Größe, die Nenngröße beträgt 225 mm. Die Grenzabweichung seiner Außenmaße ist an die Innenöffnung der unteren Form angepasst, um sicherzustellen, dass der einseitige Spalt im Bereich von 0,01–0,02 mm liegt. Der Matrizenlochblock ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Nenngröße der Innenöffnung des auf der unteren Form platzierten Matrizenlochblocks beträgt 225 mm. Basierend auf der tatsächlich gemessenen Größe wird der Matrizenlochblock nach dem Prinzip von 0,01–0,02 mm pro Seite angepasst. Der Außendurchmesser des Matrizenlochblocks kann als D ermittelt werden. Zur Vereinfachung der Installation kann der Außendurchmesser des Matrizenlochspiegelblocks am Einführende jedoch entsprechend im Bereich von 0,1 m reduziert werden, wie in der Abbildung gezeigt.

4. Schlüsseltechnologien des Formenbaus

Die Bearbeitung der Sonnenblumen-Heizkörperprofilform unterscheidet sich nicht wesentlich von der herkömmlicher Aluminiumprofilformen. Der offensichtliche Unterschied spiegelt sich hauptsächlich in der elektrischen Verarbeitung wider.

(1) Beim Drahtschneiden ist es wichtig, die Verformung der Kupferelektrode zu vermeiden. Die für das Erodieren verwendete Kupferelektrode ist schwer, hat zu kleine Zähne, ist weich und weist eine geringe Steifigkeit auf. Die beim Drahtschneiden entstehenden lokal hohen Temperaturen führen dazu, dass sich die Elektrode während des Drahtschneidens leicht verformt. Bei der Verwendung verformter Kupferelektroden zur Bearbeitung von Arbeitsbändern und leeren Messern entstehen schiefe Zähne, die leicht zum Ausschuss der Form während der Bearbeitung führen können. Daher ist es wichtig, die Verformung der Kupferelektroden während des Online-Herstellungsprozesses zu verhindern. Die wichtigsten vorbeugenden Maßnahmen sind: Vor dem Drahtschneiden den Kupferblock mit einem Bett nivellieren; die Vertikalität zu Beginn mit einer Messuhr einstellen; beim Drahtschneiden zuerst mit den Zähnen beginnen und schließlich den dickwandigen Teil abschneiden; gelegentlich die geschnittenen Teile mit Silberdrahtresten füllen; nach der Drahtherstellung mit einer Drahtmaschine einen kurzen Abschnitt von ca. 4 mm entlang der abgeschnittenen Kupferelektrode abschneiden.

(2) Die Funkenerosion unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Formen. Die Funkenerosion ist bei der Bearbeitung von Sonnenblumenkühlerprofilformen sehr wichtig. Selbst bei perfekter Konstruktion führt ein kleiner Fehler in der Funkenerosion zum Verschrotten der gesamten Form. Die Funkenerosion ist nicht so stark von der Ausrüstung abhängig wie das Drahtschneiden. Sie hängt maßgeblich von den Fähigkeiten und Fertigkeiten des Bedieners ab. Bei der Funkenerosion werden vor allem die folgenden fünf Punkte berücksichtigt:

①Stromstärke bei der Funkenerosion. 7–10 A Stromstärke können für die erste Funkenerosion verwendet werden, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen; 5–7 A Stromstärke eignen sich für die Endbearbeitung. Der Zweck der Verwendung geringer Stromstärke besteht darin, eine gute Oberfläche zu erzielen.

② Stellen Sie sicher, dass die Formstirnfläche eben ist und die Kupferelektrode senkrecht steht. Eine unzureichende Ebenheit der Formstirnfläche oder eine unzureichende senkrechte Ausrichtung der Kupferelektrode erschwert die Übereinstimmung der Bandlänge nach der EDM-Bearbeitung mit der vorgesehenen Bandlänge. Der EDM-Prozess kann leicht fehlschlagen oder sogar das gezahnte Band durchdringen. Daher müssen vor der Bearbeitung beide Enden der Form mit einer Schleifmaschine abgeflacht werden, um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen. Außerdem muss die senkrechte Ausrichtung der Kupferelektrode mit einer Messuhr korrigiert werden.

③ Stellen Sie sicher, dass der Abstand zwischen den leeren Messern gleichmäßig ist. Überprüfen Sie bei der Erstbearbeitung, ob das leere Werkzeug alle 3 bis 4 mm der Bearbeitung alle 0,2 mm versetzt ist. Wenn der Versatz groß ist, ist es schwierig, ihn mit nachfolgenden Anpassungen zu korrigieren.

④Entfernen Sie die während des EDM-Prozesses entstehenden Rückstände rechtzeitig. Durch Funkenentladungskorrosion entstehen große Mengen an Rückständen, die rechtzeitig entfernt werden müssen, da sonst die Länge des Arbeitsbandes aufgrund der unterschiedlichen Höhe der Rückstände unterschiedlich ist.

⑤Die Form muss vor dem EDM entmagnetisiert werden.

5. Vergleich der Extrusionsergebnisse

Das in Abbildung 1 dargestellte Profil wurde mit der herkömmlichen geteilten Form und dem in diesem Artikel vorgeschlagenen neuen Designschema getestet. Der Vergleich der Ergebnisse ist in Tabelle 1 dargestellt.

Aus den Vergleichsergebnissen geht hervor, dass die Formstruktur einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Form hat. Die nach dem neuen Schema konstruierte Form hat offensichtliche Vorteile und verbessert die Lebensdauer der Form erheblich.

6. Fazit

Die Extrusionsform für Sonnenblumenheizkörperprofile ist eine Form, deren Konstruktion und Herstellung sehr schwierig ist und deren Konstruktion und Herstellung relativ komplex sind. Um die Extrusionserfolgsrate und die Lebensdauer der Form sicherzustellen, müssen daher folgende Punkte erfüllt sein:

(1) Die Formstruktur muss sinnvoll gewählt werden. Die Formstruktur muss die Extrusionskraft reduzieren, um die Belastung des durch die Wärmeableitungszähne gebildeten Formauslegers zu verringern und so die Festigkeit der Form zu verbessern. Der Schlüssel liegt darin, die Anzahl und Anordnung der Shunt-Löcher sowie deren Fläche und weitere Parameter sinnvoll zu bestimmen: Erstens sollte die Breite der zwischen den Shunt-Löchern gebildeten Shunt-Brücke 16 mm nicht überschreiten; Zweitens sollte die Fläche der geteilten Löcher so gewählt werden, dass das Teilungsverhältnis möglichst mehr als 30 % des Extrusionsverhältnisses erreicht und gleichzeitig die Festigkeit der Form gewährleistet bleibt.

(2) Wählen Sie das Werkstückband mit Bedacht aus und ergreifen Sie bei der elektrischen Bearbeitung angemessene Maßnahmen, einschließlich der Verarbeitungstechnologie der Kupferelektroden und der elektrischen Standardparameter der elektrischen Bearbeitung. Der erste wichtige Punkt ist, dass die Kupferelektrode vor dem Drahtschneiden oberflächlich geschliffen werden sollte. Beim Drahtschneiden sollte die Einführmethode verwendet werden, um dies sicherzustellen. Die Elektroden dürfen nicht locker oder verformt sein.

(3) Während der elektrischen Bearbeitung muss die Elektrode präzise ausgerichtet sein, um Zahnabweichungen zu vermeiden. Natürlich kann durch eine sinnvolle Konstruktion und Fertigung, die Verwendung von hochwertigem Warmarbeitsformstahl und die Vakuum-Wärmebehandlung mit drei oder mehr Temperstufen das Potenzial der Form maximiert und bessere Ergebnisse erzielt werden. Von der Konstruktion über die Fertigung bis hin zur Extrusionsproduktion – nur wenn jedes Glied präzise ist, können wir die Extrusion der Sonnenblumen-Heizkörperprofilform gewährleisten.