Просмотры: 0 Автор: Редактор сайта Время публикации: 24 марта 2026 г. Происхождение: Сайт
Профили из алюминиевых сплавов неизбежно подвергаются усадочной деформации после экструзии в горячем состоянии и охлаждения до комнатной температуры. Степень усадки S% можно выразить как
α обозначает коэффициент линейного расширения, Te представляет температуру на выходе из экструзии, а Ts обозначает температуру окружающей среды. Уравнение демонстрирует линейную зависимость между усадкой и температурой на выходе: более высокие температуры на выходе приводят к большей усадке после охлаждения, что приводит к образованию профилей с отрицательными допусками на размеры; и наоборот, более низкие температуры на выходе приводят к меньшей усадке и профилю с положительными допусками размеров.
Скорость экструзии напрямую влияет на температуру трансформации (Te) за счет тепловых эффектов деформации. При горячей экструзии более 90% работы пластической деформации и работы трения преобразуются в тепло. Более высокие скорости приводят к большей работе деформации в единицу времени, что приводит к увеличению повышения температуры и последующей большей усадке после охлаждения. Если взять в качестве примера сплав 6061, то когда температура на выходе поддерживается в диапазоне 510–540°C, каждое увеличение скорости экструзии на 1 м/мин повышает температуру на выходе примерно на 5–8°C, что приводит к значительно большей размерной усадке после охлаждения. Формула также показывает, что более высокие температуры экструзии приводят к большей деформации. Поэтому, исходя из предпосылки обеспечения механических свойств продукта, по возможности следует применять более низкие температуры экструзии.
Влияние скорости экструзии на однородность потока металла можно количественно охарактеризовать среднеквадратическим значением скорости потока в поперечном сечении. Чрезмерная скорость экструзии приводит к значительной неоднородности потока. Это происходит потому, что увеличение скорости усиливает тепловые эффекты деформации, вызывая локальное повышение температуры, которое снижает сопротивление деформации в затронутых областях. При одинаковом давлении экструзии повышенная скорость потока еще больше усугубляет это явление, создавая петлю положительной обратной связи. Прямым следствием такой неоднородности скорости потока является:
Для профилей с отверстиями могут возникать отклонения в размере отверстия;
Профили имеют волны, скручивание, зазоры или неровности размеров;
Могут возникнуть такие дефекты, как расширение и слияние, что в тяжелых случаях может привести к списанию.
Влияние скорости экструзии на допуск размеров достигается за счет трехполюсной связи скорость-температура-поток:
Скорость → Температура: Повышенная скорость → Повышенное тепло деформации → Повышение температуры на выходе.
Температура → Поток: Повышенная температура → Снижение сопротивления деформации → Дальнейшее увеличение локальной скорости потока (положительная обратная связь).
Температура → Усадка: Повышенная температура → Большая усадка при охлаждении → Размеры имеют тенденцию к отрицательным допускам.
Поток → Размер: непостоянная скорость потока → Изменения размеров в разных секциях → Чрезмерные допуски по форме и положению.
Этот механизм сцепления усиливает влияние скорости на допуск. Даже если общая скорость остается постоянной, неравномерное распределение температуры все равно может вызвать колебания размеров. Поэтому одного только контроля значений скорости недостаточно, необходимо осуществлять согласованное управление скоростью и температурой.
Для изделий с открытыми концами и сплошных/полых профилей с консольным поперечным сечением колебания скорости экструзии оказывают особенно существенное влияние. Чрезмерная скорость усиливает воздействие металла на консольные секции штампа, вызывая упругую деформацию и приводя к значительным угловым изменениям. Чтобы контролировать изменения размеров отверстий профиля, в конструкцию матрицы можно включить каналы потока для регулирования динамики потока металла.
Для этого типа профиля необходимо также учитывать упругую деформацию матрицы. Чтобы обеспечить жесткость матрицы, ее толщину можно соответствующим образом увеличить или использовать специализированные прокладки аналогичной формы.
Метод экструзии существенно влияет на точность продукта. Прямая экструзия обычно приводит к большей толщине стенки на переднем конце (начальной секции экструзии) по сравнению с задним концом, тогда как обратная экструзия демонстрирует минимальную разницу толщины между передним и задним концами. Это явление возникает потому, что трение между заготовкой и стенкой экструзионного цилиндра во время прямой экструзии вызывает продольные изменения распределения температуры и структуры потока.
Таким образом, обратная экструзия обеспечивает более простой контроль точности размеров продукта. Для изготовления прецизионных профилей обратная экструзия демонстрирует значительные преимущества.
Для прецизионных профилей малого сечения со строгими требованиями допуска ±0,04 мм (например, тонкостенные профили для приборов) мгновенные изменения скорости экструзии напрямую влияют на размеры поперечного сечения. Прецизионные алюминиевые профили, используемые в измерителях разности потенциалов, должны сохранять допуски на размеры поперечного сечения в пределах ±0,07 мм, а для ткацких станков — допуск ±0,04 мм при угловых отклонениях менее 0,5°. Требования к регулированию скорости для этих профилей конкретно проявляются в:
Необходимо использовать изотермическую экструзию, чтобы обеспечить минимальную разницу температур между передней и задней частью;
Амплитуда колебаний скорости должна контролироваться в предельно узком диапазоне;
Требуется усовершенствованная система управления с обратной связью.
Алюминиевые профили для высокоскоростных поездов характеризуются большими размерами, сложным поперечным сечением и высоким соотношением ширины к толщине: максимальная ширина достигает 938 мм, а минимальная толщина стенок - всего 1,5 мм. Максимальное соотношение толщины стенок для одного профиля может достигать 5. Эти профили проявляют чрезвычайную чувствительность к скорости экструзии, что требует решения таких задач, как градиентный индукционный нагрев слитков, охлаждение азотом в формах, контроль скорости экструзии и мониторинг температуры в реальном времени для достижения изотермической экструзии.
Изотермическая экструзия относится к методу обработки, при котором поддерживается постоянная температура на выходе из головки (с минимальной разницей температур) во время процесса экструзии. Его теоретическая основа заключается в том, что изменения температуры могут вызвать изменения размеров продукта, причем более сильные колебания температуры приводят к более значительной деформации. Поэтому для обеспечения точности размеров изделия необходимо использовать изотермическую экструзию.
Технические подходы к достижению изотермической экструзии включают:
4.1.1 Замкнутый контур регулирования температуры и скорости (система управления наконечниками)
Современные усовершенствованные экструдеры оснащены системой управления наконечниками (системой изотермической экструзии), которая контролирует температуру экструдированных профилей в режиме реального времени с помощью инфракрасного термометра. Сигналы температуры передаются обратно в систему управления ПЛК, где они сравниваются с заданной температурой для регулировки скорости экструзии в реальном времени. Такое управление с обратной связью обеспечивает постоянную или минимальную разницу температур между передней и задней частью продукта.
4.1.2 Градиентный нагрев литых прутков
Если в экструдере нет устройства изотермической экструзии, к алюминиевым пруткам можно применить градиентный нагрев для достижения приблизительной изотермической экструзии. Поддерживая более высокие температуры на переднем конце и более низкие температуры на заднем конце отлитого стержня, можно компенсировать постепенное накопление тепла деформации во время экструзии, что приводит к поддержанию постоянной температуры на выходе.
Изостатическая экструзия подразумевает поддержание постоянной линейной скорости потока металла из отверстия матрицы. Современные экструдеры обычно оснащены системами управления Fi (изостатическими системами управления экструзией), которые контролируют и регулируют скорость подачи экструзионного вала в режиме реального времени, чтобы компенсировать колебания давления, вызванные изменениями длины заготовки во время экструзии, обеспечивая постоянную скорость потока металла.
Значение изостатической экструзии для контроля толерантности заключается в:
Избегайте изменений размера отверстия, вызванных колебаниями скорости;
Предотвращать возникновение в профиле волн, скручиваний, зазоров или неровностей размеров;
Обеспечить основные условия для изотермической экструзии.
4.3.1 Разумный диапазон скорости экструзии
Соответствующая скорость экструзии варьируется в зависимости от типа сплава и конструкции структурного профиля:
Архитектурные профили из алюминиевого сплава 6063: обычно контролируются при скорости 30–60 м/мин.
Промышленные профили из сплава 6061: обычно контролируются при скорости 5–15 м/мин.
Крупногабаритные профили для высокоскоростных поездов: достижение изотермической экструзии за счет точного контроля
Верхний предел скорости экструзии следует определять исходя из отсутствия экструзионных трещин. Чрезмерная скорость увеличивает эффект термической деформации, что может вызвать налипание металла в рабочей зоне штампа, что приводит к питтингу поверхности и снижению точности размеров.
4.3.2 Контроль равномерности охлаждения
Охлаждение продукта после выхода из полости экструзионной головки имеет решающее значение. Очень важно поддерживать равномерную и постоянную скорость охлаждения, чтобы обеспечить постоянную усадку продукта. Недостаточное охлаждение может привести к:
Локальные различия в сжатии вызывают деформацию изгиба;
Остаточные напряжения вызывают последующую деформацию обработки;
Неравномерные свойства ткани влияют на стабильность размеров;
Современная экструзионная производственная линия использует комбинированную технологию точной онлайн-закалки воздушно-туманным туманом для достижения точного контроля интенсивности охлаждения.
4.3.3 Оптимизация ортогонального дизайна
С помощью метода ортогонального проектирования всесторонне учитывается влияние температуры экструзии, скорости экструзии, структуры экструдированной заготовки и матрицы на однородность потока металла. Используя среднее стандартное отклонение скорости на выходе из профиля, среднюю силу экструзии, приложенную к заготовке, и среднее максимальное эквивалентное напряжение в качестве критериев оценки, можно выбрать оптимальную схему процесса.
4.4.1 . Качество литья
Неоднородный состав и структура литых слитков, а также такие дефекты, как включения, сегрегация и крупные зерна, могут ухудшать текучесть и деформацию металла, что приводит к изменениям размеров конечного продукта. Для процессов прецизионной экструзии отлитый слиток должен пройти гомогенизационную обработку с контролем размера зерна в пределах первого порядка.
4.4.2 Качество штампа
Матрица является наиболее прямым фактором, влияющим на точность размеров экструдированных изделий. Для прецизионной экструзии матрица при рабочих температурах (около 500°С) должна отвечать следующим требованиям: предел текучести не менее 1200 Н/мм⊃2; твердость слоя азотирования более 1150 HV, глубина слоя азотирования от 0,25 до 0,45 мм и разброс размеров матрицы в пределах 0,02 мм после азотирования.
4.4.3 АТочность устройства
Качество экструдера напрямую влияет на точность экструдируемой продукции. Как правило, натяжная колонна экструдера должна представлять собой предварительно напряженную цельную конструкцию с превосходной жесткостью и выравниванием оборудования. Для прецизионной экструзии отклонения центров матрицы, экструзионного цилиндра и экструзионного стержня должны быть менее 0,2 мм.
