Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 24.03.2026 Herkunft: Website
Profile aus Aluminiumlegierung unterliegen zwangsläufig einer Schrumpfverformung, nachdem sie in heißem Zustand extrudiert und auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Die Schrumpfungsrate S % kann ausgedrückt werden als:
α bezeichnet den linearen Ausdehnungskoeffizienten, Te stellt die Extrusionsaustrittstemperatur dar und Ts gibt die Umgebungstemperatur an. Die Gleichung zeigt einen linearen Zusammenhang zwischen Schrumpfung und Austrittstemperatur: Höhere Austrittstemperaturen führen zu einer stärkeren Schrumpfung nach dem Abkühlen, was zu Profilen mit negativen Maßtoleranzen führt; Umgekehrt ergeben niedrigere Austrittstemperaturen geringere Schwindungen und Profile mit positiven Maßtoleranzen.
Die Extrusionsgeschwindigkeit wirkt sich durch thermische Verformungseffekte direkt auf die Transformationstemperatur (Te) aus. Beim Warmfließpressen werden über 90 % der plastischen Verformungsarbeit und Reibungsarbeit in Wärme umgewandelt. Höhere Geschwindigkeiten führen zu einer größeren Verformungsarbeit pro Zeiteinheit, was zu einem stärkeren Temperaturanstieg und einer daraus resultierenden größeren Schrumpfung nach dem Abkühlen führt. Wenn man zum Beispiel die Legierung 6061 verwendet und die Austrittstemperatur im Bereich von 510–540 °C gehalten wird, erhöht jede Erhöhung der Extrusionsgeschwindigkeit um 1 m/min die Austrittstemperatur um etwa 5–8 °C, was zu einer deutlich größeren Dimensionsschrumpfung nach dem Abkühlen führt. Die Formel zeigt auch, dass höhere Extrusionstemperaturen zu einer stärkeren Verformung führen. Unter der Prämisse, die mechanischen Eigenschaften des Produkts sicherzustellen, sollten daher nach Möglichkeit niedrigere Extrusionstemperaturen gewählt werden.
Der Einfluss der Extrusionsgeschwindigkeit auf die Gleichmäßigkeit des Metallflusses kann quantitativ durch den quadratischen Mittelwert der Querschnittsflussgeschwindigkeit charakterisiert werden. Eine zu hohe Extrusionsgeschwindigkeit führt zu erheblichen Fließinhomogenitäten. Dies liegt daran, dass eine erhöhte Geschwindigkeit die thermischen Verformungseffekte verstärkt und örtliche Temperaturanstiege verursacht, die den Verformungswiderstand in den betroffenen Bereichen verringern. Bei identischem Extrusionsdruck verstärkt die erhöhte Fließgeschwindigkeit dieses Phänomen noch weiter und erzeugt eine positive Rückkopplungsschleife. Die direkte Folge einer solchen Inhomogenität der Strömungsgeschwindigkeit ist:
Bei Profilen mit Öffnungen kann es zu Maßabweichungen in der Öffnungsgröße kommen;
Die Profile weisen Wellen, Verdrehungen, Lücken oder Maßunregelmäßigkeiten auf;
Es kann zu Mängeln wie Dehnung und Verschmelzung kommen, die im schlimmsten Fall zur Verschrottung führen können.
Der Einfluss der Extrusionsgeschwindigkeit auf die Maßtoleranz wird durch die Dreifeldkopplung Geschwindigkeit-Temperatur-Fluss erreicht:
Geschwindigkeit → Temperatur: Erhöhte Geschwindigkeit → Erhöhte Verformungswärme → Steigende Auslasstemperatur
Temperatur → Strömung: Erhöhte Temperatur → Reduzierter Verformungswiderstand → Weitere Beschleunigung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit (positive Rückkopplung)
Temperatur → Schrumpfung: Erhöhte Temperatur → Stärkere Kühlschrumpfung → Maße tendieren zu negativen Toleranzen
Strömung → Abmessung: Inkonsistente Strömungsgeschwindigkeit → Abmessungsschwankungen in verschiedenen Abschnitten → Übermäßige Form- und Positionstoleranzen
Dieser Kopplungsmechanismus verstärkt den Einfluss der Geschwindigkeit auf die Toleranz. Selbst wenn die Gesamtgeschwindigkeit konstant bleibt, kann eine ungleichmäßige Temperaturverteilung immer noch zu Dimensionsschwankungen führen. Daher reicht die alleinige Steuerung der Geschwindigkeitswerte nicht aus, es muss eine koordinierte Steuerung von Geschwindigkeit und Temperatur implementiert werden.
Bei Endprodukten und Voll-/Hohlprofilen mit auskragenden Querschnitten haben Schwankungen in der Extrusionsgeschwindigkeit einen besonders großen Einfluss. Eine zu hohe Geschwindigkeit verstärkt den Aufprall des Metalls auf die auskragenden Abschnitte der Matrize, führt zu einer elastischen Verformung und führt zu erheblichen Winkelschwankungen. Um Maßschwankungen in Profilöffnungen zu kontrollieren, können Strömungskanäle in die Formstruktur integriert werden, um die Metallflussdynamik zu regulieren.
Bei diesem Profiltyp muss zusätzlich die elastische Verformung der Matrize berücksichtigt werden. Um die Steifigkeit des Stempels sicherzustellen, kann die Dicke des Stempels entsprechend erhöht werden oder es können spezielle Pads mit ähnlichen Formen verwendet werden.
Die Extrusionsmethode hat erheblichen Einfluss auf die Produktgenauigkeit. Die Vorwärtsextrusion führt typischerweise zu einer größeren Wandstärke am vorderen Ende (dem anfänglichen Extrusionsabschnitt) im Vergleich zum hinteren Ende, während die umgekehrte Extrusion nur minimale Dickenunterschiede zwischen dem vorderen und hinteren Ende aufweist. Dieses Phänomen tritt auf, weil die Reibung zwischen dem Barren und der Wand des Extrusionszylinders beim Vorwärtsextrudieren zu Längsschwankungen in der Temperaturverteilung und den Strömungsmustern führt.
Daher bietet die Umkehrextrusion eine einfachere Kontrolle über die Maßhaltigkeit des Produkts. Für die Präzisionsprofilfertigung weist die Umkehrfließpressung erhebliche Vorteile auf.
Bei Präzisionsprofilen mit kleinem Querschnitt und strengen Toleranzanforderungen von ±0,04 mm (z. B. dünnwandige Profile für die Instrumentierung) wirken sich unmittelbare Schwankungen der Extrusionsgeschwindigkeit direkt auf die Querschnittsabmessungen aus. Präzisionsaluminiumprofile, die in Potenzialdifferenzmessgeräten verwendet werden, müssen Querschnittstoleranzen innerhalb von ±0,07 mm einhalten, während Profile für Webmaschinen eine Toleranz von ±0,04 mm bei Winkelabweichungen unter 0,5° erfordern. Die Anforderungen an die Geschwindigkeitsregelung für diese Profile manifestieren sich insbesondere in:
Es muss eine isotherme Extrusion eingesetzt werden, um einen minimalen Temperaturunterschied zwischen dem vorderen und hinteren Ende sicherzustellen;
Die Amplitude der Geschwindigkeitsschwankungen sollte in einem äußerst engen Bereich kontrolliert werden;
Es ist ein fortschrittliches Regelsystem erforderlich.
Aluminiumprofile für Hochgeschwindigkeitszüge zeichnen sich durch große Abmessungen, komplexe Querschnitte und ein hohes Breiten-Dicken-Verhältnis aus, mit maximalen Breiten von 938 mm und minimalen Wandstärken von nur 1,5 mm. Das maximale Wandstärkenverhältnis für ein einzelnes Profil kann 5 erreichen. Diese Profile reagieren extrem empfindlich auf die Extrusionsgeschwindigkeit und erfordern Lösungen für Herausforderungen wie Gradienteninduktionserwärmung von Barren, Stickstoffkühlung in Formen, Steuerung der Extrusionsgeschwindigkeit und Echtzeit-Temperaturüberwachung, um eine isotherme Extrusion zu erreichen.
Unter isothermer Extrusion versteht man ein Verarbeitungsverfahren, das während des Extrusionsprozesses eine konstante Düsenaustrittstemperatur (mit minimalem Temperaturunterschied) aufrechterhält. Die theoretische Grundlage besteht darin, dass Temperaturschwankungen zu Dimensionsänderungen im Produkt führen können, wobei größere Temperaturschwankungen zu stärkeren Verformungen führen. Um die Maßgenauigkeit des Produkts sicherzustellen, muss daher isotherme Extrusion eingesetzt werden.
Zu den technischen Ansätzen zur Erzielung einer isothermen Extrusion gehören:
4.1.1 Temperatur-Geschwindigkeits-Regelung (Tips-Kontrollsystem)
Moderne moderne Extruder sind mit einem Spitzen-Kontrollsystem (isothermes Extrusionssystem) ausgestattet, das die Temperatur der düsenextrudierten Profile in Echtzeit mithilfe eines Infrarot-Thermometers überwacht. Die Temperatursignale werden an das SPS-Steuerungssystem zurückgeführt, wo sie mit der eingestellten Temperatur verglichen werden, um die Extrusionsgeschwindigkeit in Echtzeit anzupassen. Diese geschlossene Regelung sorgt für gleichmäßige oder minimale Temperaturunterschiede zwischen dem vorderen und hinteren Ende des Produkts.
4.1.2 Gradientenerwärmung von Gussstangen
Wenn der Extruder über keine isotherme Extrusionsvorrichtung verfügt, kann eine Gradientenerwärmung auf Aluminiumstangen angewendet werden, um eine annähernd isotherme Extrusion zu erreichen. Durch die Aufrechterhaltung höherer Temperaturen am vorderen Ende und niedrigerer Temperaturen am hinteren Ende des Gussbarrens kann die allmähliche Ansammlung von Verformungswärme während der Extrusion ausgeglichen werden, was zu einer konstanten Auslasstemperatur führt.
Unter isostatischer Extrusion versteht man die Aufrechterhaltung einer konstanten linearen Geschwindigkeit des Metallflusses aus der Düsenöffnung. Moderne Extruder sind in der Regel mit Fi-Steuerungssystemen (isostatischen Extrusionskontrollsystemen) ausgestattet, die die Vorschubgeschwindigkeit der Extrusionswelle in Echtzeit überwachen und anpassen, um Druckschwankungen auszugleichen, die durch Änderungen der Knüppellänge während der Extrusion verursacht werden, und so eine konstante Metallflussrate sicherzustellen.
Die Bedeutung der isostatischen Extrusion für die Toleranzkontrolle liegt in:
Vermeiden Sie Schwankungen der Öffnungsgröße, die durch Geschwindigkeitsschwankungen verursacht werden.
Verhindern Sie, dass das Profil Wellen, Verdrehungen, Lücken oder Maßunregelmäßigkeiten entwickelt;
Schaffen Sie Grundbedingungen für die isotherme Extrusion.
4.3.1 Der angemessene Bereich der Extrusionsgeschwindigkeit
Die geeignete Extrusionsgeschwindigkeit variiert je nach Legierungstyp und Strukturprofildesign:
Architekturprofile aus Aluminiumlegierung 6063: im Allgemeinen auf 30–60 m/min geregelt
Industrieprofile aus 6061-Legierung: im Allgemeinen auf 5–15 m/min geregelt
Großformatige Profile für Hochgeschwindigkeitszüge: Erzielen Sie isotherme Extrusion durch präzise Steuerung
Die Obergrenze der Extrusionsgeschwindigkeit sollte auf der Grundlage der Abwesenheit von Extrusionsrissen bestimmt werden. Eine zu hohe Geschwindigkeit erhöht den thermischen Verformungseffekt, was zu Metallanhaftungen in der Arbeitszone der Matrize führen kann, was zu Lochfraß auf der Oberfläche und einer verringerten Maßgenauigkeit führt.
4.3.2 Kontrolle der Kühlgleichmäßigkeit
Die Kühlung des Produkts nach dem Austritt aus dem Extrusionsdüsenhohlraum ist von entscheidender Bedeutung. Es ist wichtig, gleichmäßige und konstante Abkühlraten aufrechtzuerhalten, um eine gleichmäßige Schrumpfung des Produkts sicherzustellen. Eine unzureichende Kühlung kann zu Folgendem führen:
Lokale Kontraktionsunterschiede führen zu einer Biegeverformung;
Die Restspannung führt zu einer späteren Verarbeitungsverformung;
Ungleichmäßige Gewebeeigenschaften beeinträchtigen die Dimensionsstabilität;
Die moderne Extrusionsproduktionslinie nutzt eine kombinierte Luftnebel-Präzisions-Online-Abschrecktechnologie, um eine präzise Steuerung der Kühlintensität zu erreichen.
4.3.3 Orthogonale Designoptimierung
Durch die orthogonale Designmethode wird der Einfluss von Extrusionstemperatur, Extrusionsgeschwindigkeit, extrudiertem Knüppel und Düsenstruktur auf die Gleichmäßigkeit des Metallflusses umfassend berücksichtigt. Anhand der durchschnittlichen Standardgeschwindigkeitsabweichung am Profilaustritt, der durchschnittlichen auf den Knüppel ausgeübten Presskraft und der durchschnittlichen maximalen Vergleichsspannung als Bewertungskriterien kann das optimale Prozessschema ausgewählt werden.
4.4.1 Qualität Gussbarrens des
Eine inhomogene Zusammensetzung und Struktur gegossener Barren sowie Fehler wie Einschlüsse, Segregationen und grobe Körner können den Metallfluss und die Verformung beeinträchtigen und zu Maßabweichungen im Endprodukt führen. Für Präzisionsextrusionsprozesse muss der Gussblock einer Homogenisierungsbehandlung unterzogen werden, wobei die Korngröße innerhalb der ersten Ordnung kontrolliert wird.
4.4.2 Die Qualität
Die Form ist der direkteste Faktor, der die Maßhaltigkeit extrudierter Produkte beeinflusst. Für die Präzisionsextrusion muss die Matrize bei Betriebstemperaturen (ca. 500 °C) die folgenden Anforderungen erfüllen: Streckgrenze von mindestens 1200 N/mm², Nitrierschichthärte über 1150 HV, Nitrierschichttiefe im Bereich von 0,25 bis 0,45 mm und Maßabweichung der Matrize innerhalb von 0,02 mm nach dem Nitrieren.
4.4.3 Gerätegenauigkeit
Die Qualität des Extruders hat direkten Einfluss auf die Präzision der extrudierten Produkte. Im Allgemeinen sollte die Spannungssäule des Extruders eine vorgespannte integrale Struktur mit ausgezeichneter Steifigkeit und Ausrichtung der Ausrüstung sein. Für die Präzisionsextrusion müssen die Mittenabweichungen von Düse, Extrusionszylinder und Extrusionsstange weniger als 0,2 mm betragen.
