1. Introduzione
Lo stampo è uno strumento fondamentale per l'estrusione di profili in alluminio. Durante il processo di estrusione, lo stampo deve resistere ad alte temperature, alte pressioni e attrito elevato. Un utilizzo prolungato può causare usura dello stampo, deformazione plastica e danni da fatica. Nei casi più gravi, può causare rotture dello stampo.
2. Forme e cause di rottura delle muffe
2.1 Rottura dovuta all'usura
L'usura è la principale causa di rottura della matrice di estrusione, che causa il mancato rispetto delle dimensioni dei profili in alluminio e il deterioramento della qualità superficiale. Durante l'estrusione, i profili in alluminio incontrano la parte aperta della cavità dello stampo attraverso il materiale di estrusione ad alta temperatura e alta pressione senza lubrificazione. Un lato entra in contatto diretto con il piano della cinghia di serraggio e l'altro lato scivola, generando un forte attrito. La superficie della cavità e la superficie della cinghia di serraggio sono soggette a usura e rottura. Allo stesso tempo, durante il processo di attrito dello stampo, parte del metallo del billet aderisce alla superficie di lavoro dello stampo, modificandone la geometria e rendendolo inutilizzabile. Questo fenomeno è considerato una rottura da usura, che si manifesta sotto forma di passivazione del tagliente, bordi arrotondati, avvallamenti del piano, scanalature superficiali, sfaldamento, ecc.
La forma specifica di usura dello stampo è correlata a molti fattori, come la velocità del processo di attrito, la composizione chimica e le proprietà meccaniche del materiale dello stampo e della billetta lavorata, la rugosità superficiale dello stampo e della billetta, nonché la pressione, la temperatura e la velocità durante il processo di estrusione. L'usura dello stampo per estrusione di alluminio è principalmente dovuta all'usura termica, causata dall'attrito, dall'ammorbidimento della superficie metallica dovuto all'aumento della temperatura e dall'incastro della superficie della cavità dello stampo. Dopo che la superficie della cavità dello stampo si ammorbidisce ad alta temperatura, la sua resistenza all'usura si riduce notevolmente. Nel processo di usura termica, la temperatura è il fattore principale che influenza l'usura termica. Maggiore è la temperatura, maggiore è l'usura termica.
2.2 Deformazione plastica
La deformazione plastica della matrice di estrusione del profilo in alluminio è il processo di snervamento del materiale metallico della matrice.
Poiché la filiera di estrusione si trova per lungo tempo in uno stato di alta temperatura, alta pressione e alto attrito con il metallo estruso durante il funzionamento, la temperatura superficiale della filiera aumenta e ne provoca l'ammorbidimento.
In condizioni di carico molto elevato, si verificherà una notevole deformazione plastica, che causerà il collasso del nastro trasportatore o la creazione di un'ellisse, modificando la forma del prodotto finale. Anche se lo stampo non produce crepe, non funzionerà perché la precisione dimensionale del profilo in alluminio non può essere garantita.
Inoltre, la superficie della matrice di estrusione è soggetta a sbalzi di temperatura causati da ripetuti riscaldamenti e raffreddamenti, che producono sollecitazioni termiche alternate di tensione e compressione sulla superficie. Allo stesso tempo, anche la microstruttura subisce trasformazioni di varia entità. Sotto questo effetto combinato, si verificano usura dello stampo e deformazione plastica superficiale.
2.3 Danni da fatica
Anche il danno da fatica termica è una delle forme più comuni di rottura dello stampo. Quando la barra di alluminio riscaldata entra in contatto con la superficie della matrice di estrusione, la temperatura superficiale della barra di alluminio aumenta molto più rapidamente di quella interna, generando sollecitazioni di compressione sulla superficie a causa dell'espansione.
Allo stesso tempo, il limite di snervamento della superficie dello stampo diminuisce a causa dell'aumento di temperatura. Quando l'aumento di pressione supera il limite di snervamento del metallo superficiale alla corrispondente temperatura, si verifica una deformazione plastica da compressione sulla superficie. Quando il profilo esce dallo stampo, la temperatura superficiale diminuisce. Tuttavia, quando la temperatura interna del profilo è ancora elevata, si formerà una deformazione a trazione.
Analogamente, quando l'aumento della sollecitazione di trazione supera il limite di snervamento della superficie del profilo, si verifica una deformazione plastica a trazione. Quando la deformazione locale dello stampo supera il limite elastico ed entra nella regione di deformazione plastica, il graduale accumulo di piccole deformazioni plastiche può dare origine a cricche da fatica.
Pertanto, al fine di prevenire o ridurre i danni da fatica dello stampo, è necessario selezionare materiali appropriati e adottare un sistema di trattamento termico adeguato. Allo stesso tempo, è necessario prestare attenzione al miglioramento dell'ambiente di utilizzo dello stampo.
2.4 Rottura dello stampo
Nella produzione effettiva, le crepe sono distribuite in determinate parti dello stampo. Dopo un certo periodo di utilizzo, si formano piccole crepe che si espandono gradualmente in profondità. Una volta che le crepe raggiungono una certa dimensione, la capacità portante dello stampo si indebolisce notevolmente e causa fratture. Oppure, durante il trattamento termico e la lavorazione originali dello stampo, si sono già formate delle microfessure, facilitando l'espansione dello stampo e la formazione precoce di crepe durante l'uso.
In termini di progettazione, le principali cause di insuccesso sono la resistenza dello stampo e la scelta del raggio di raccordo in corrispondenza della transizione. In termini di produzione, le cause principali sono l'ispezione preliminare del materiale e l'attenzione alla rugosità superficiale e ai danni durante la lavorazione, nonché l'impatto del trattamento termico e della qualità del trattamento superficiale.
Durante l'uso, occorre prestare attenzione al controllo del preriscaldamento dello stampo, del rapporto di estrusione e della temperatura del lingotto, nonché al controllo della velocità di estrusione e del flusso di deformazione del metallo.
3. Miglioramento della durata dello stampo
Nella produzione di profili in alluminio, i costi degli stampi rappresentano una quota considerevole dei costi di produzione dell'estrusione del profilo.
Anche la qualità dello stampo influisce direttamente sulla qualità del prodotto. Poiché le condizioni di lavoro dello stampo per estrusione nella produzione di profili sono molto severe, è necessario controllarlo rigorosamente, dalla progettazione e selezione dei materiali fino alla produzione finale e al successivo utilizzo e manutenzione.
In particolare durante il processo di produzione, lo stampo deve avere elevata stabilità termica, resistenza alla fatica termica, resistenza all'usura termica e sufficiente tenacità per prolungare la durata utile dello stampo e ridurre i costi di produzione.
3.1 Selezione dei materiali dello stampo
Il processo di estrusione dei profili in alluminio è un processo di lavorazione ad alta temperatura e ad alto carico, e la matrice di estrusione in alluminio è sottoposta a condizioni di utilizzo molto difficili.
La matrice di estrusione è esposta ad alte temperature e la temperatura superficiale locale può raggiungere i 600 gradi Celsius. La superficie della matrice di estrusione viene ripetutamente riscaldata e raffreddata, causando fatica termica.
Durante l'estrusione di leghe di alluminio, lo stampo deve resistere a elevate sollecitazioni di compressione, flessione e taglio, che causano usura adesiva e usura abrasiva.
A seconda delle condizioni di lavoro della filiera di estrusione è possibile determinare le proprietà richieste del materiale.
Innanzitutto, il materiale deve avere buone prestazioni di processo. Deve essere facile da fondere, forgiare, lavorare e trattare termicamente. Inoltre, deve possedere elevata resistenza e durezza. Le matrici di estrusione generalmente operano ad alta temperatura e alta pressione. Quando si estrudono leghe di alluminio, la resistenza alla trazione del materiale della matrice a temperatura ambiente deve essere superiore a 1500 MPa.
Deve avere un'elevata resistenza al calore, ovvero la capacità di resistere al carico meccanico ad alte temperature durante l'estrusione. Deve inoltre presentare elevati valori di tenacità all'impatto e alla frattura a temperatura normale e ad alta temperatura, per evitare che lo stampo si fratturi in condizioni di stress o carichi d'impatto.
Deve avere un'elevata resistenza all'usura, ovvero la superficie deve essere in grado di resistere all'usura a lungo termine in condizioni di alte temperature, alte pressioni e scarsa lubrificazione, in particolare quando si estrudono leghe di alluminio, deve essere in grado di resistere all'adesione del metallo e all'usura.
Una buona temprabilità è necessaria per garantire proprietà meccaniche elevate e uniformi su tutta la sezione trasversale dell'utensile.
È necessaria un'elevata conduttività termica per dissipare rapidamente il calore dalla superficie di lavoro dello stampo dell'utensile, evitando così sovrascottature locali o perdite eccessive di resistenza meccanica del pezzo estruso e dello stampo stesso.
Deve possedere una forte resistenza a sollecitazioni cicliche ripetute, ovvero un'elevata resistenza a lungo termine per prevenire danni prematuri da fatica. Deve inoltre possedere una certa resistenza alla corrosione e buone proprietà di nitrurabilità.
3.2 Progettazione ragionevole dello stampo
Una progettazione razionale dello stampo è fondamentale per prolungarne la durata. Una struttura dello stampo correttamente progettata dovrebbe garantire l'assenza di possibilità di rottura da impatto e di concentrazione di stress in normali condizioni d'uso. Pertanto, durante la progettazione dello stampo, è importante cercare di uniformare lo stress su ogni componente e prestare attenzione a evitare spigoli vivi, angoli concavi, differenze di spessore delle pareti, sezioni di parete piatte, larghe e sottili, ecc., per evitare un'eccessiva concentrazione di stress. In tal caso, si potrebbero verificare deformazioni dovute al trattamento termico, cricche e fratture fragili o cricche a caldo precoci durante l'uso, mentre una progettazione standardizzata favorisce anche la conservazione e la manutenzione dello stampo.
3.3 Migliorare la qualità del trattamento termico e del trattamento superficiale
La durata utile della matrice di estrusione dipende in larga misura dalla qualità del trattamento termico. Pertanto, metodi e processi di trattamento termico avanzati, nonché trattamenti di tempra e rinforzo superficiale, sono particolarmente importanti per migliorare la durata utile dello stampo.
Allo stesso tempo, i processi di trattamento termico e di rinforzo superficiale sono rigorosamente controllati per prevenire difetti di trattamento termico. La regolazione dei parametri di processo di tempra e rinvenimento, l'aumento del numero di pretrattamenti, trattamenti di stabilizzazione e rinvenimento, l'attenzione al controllo della temperatura, l'intensità di riscaldamento e raffreddamento, l'utilizzo di nuovi mezzi di tempra e lo studio di nuovi processi e nuove attrezzature, come i trattamenti di rinforzo e tenacità e vari trattamenti di rinforzo superficiale, contribuiscono a migliorare la durata dello stampo.
3.4 Migliorare la qualità della produzione degli stampi
Durante la lavorazione degli stampi, i metodi di lavorazione più comuni includono la lavorazione meccanica, il taglio a filo, l'elettroerosione, ecc. La lavorazione meccanica è un processo indispensabile e importante nel processo di lavorazione degli stampi. Non solo modifica l'aspetto e le dimensioni dello stampo, ma influisce anche direttamente sulla qualità del profilo e sulla durata dello stampo.
Il taglio a filo dei fori delle matrici è un metodo di processo ampiamente utilizzato nella lavorazione degli stampi. Migliora l'efficienza e la precisione di lavorazione, ma comporta anche alcuni problemi specifici. Ad esempio, se uno stampo lavorato a filo viene utilizzato direttamente per la produzione senza rinvenimento, si formeranno facilmente scorie, sfaldature, ecc., che ne ridurranno la durata utile. Pertanto, un adeguato rinvenimento dello stampo dopo il taglio a filo può migliorare lo stato di sollecitazione a trazione superficiale, ridurre le sollecitazioni residue e aumentarne la durata utile.
La concentrazione di stress è la causa principale della frattura dello stampo. Nell'ambito consentito dal disegno, maggiore è il diametro del filo di taglio, meglio è. Questo non solo contribuisce a migliorare l'efficienza di lavorazione, ma migliora anche notevolmente la distribuzione dello stress, prevenendone la concentrazione.
L'elettroerosione è un tipo di lavorazione con corrosione elettrica eseguita mediante la sovrapposizione di vaporizzazione del materiale, fusione ed evaporazione del fluido di lavorazione prodotti durante la scarica. Il problema è che, a causa del calore di riscaldamento e raffreddamento che agisce sul fluido di lavorazione e dell'azione elettrochimica del fluido di lavorazione, si forma uno strato modificato nel pezzo in lavorazione che genera deformazione e stress. Nel caso dell'olio, gli atomi di carbonio decomposti a causa della combustione dell'olio si diffondono e si carburano sul pezzo. Quando lo stress termico aumenta, lo strato deteriorato diventa fragile e duro ed è soggetto a cricche. Allo stesso tempo, si formano tensioni residue che si fissano sul pezzo. Ciò si traduce in una riduzione della resistenza a fatica, una frattura accelerata, corrosione sotto sforzo e altri fenomeni. Pertanto, durante il processo di lavorazione, è necessario cercare di evitare i problemi sopra descritti e di migliorarne la qualità.
3.5 Migliorare le condizioni di lavoro e le condizioni del processo di estrusione
Le condizioni di lavoro della matrice di estrusione sono pessime e anche l'ambiente di lavoro è pessimo. Pertanto, il miglioramento del metodo e dei parametri di processo dell'estrusione, nonché delle condizioni e dell'ambiente di lavoro, è vantaggioso per prolungare la durata della matrice. Pertanto, prima dell'estrusione, è necessario formulare attentamente il piano di estrusione, selezionare il sistema di attrezzature e le specifiche dei materiali più adatti, formulare i migliori parametri di processo (come temperatura di estrusione, velocità, coefficiente di estrusione e pressione di estrusione, ecc.) e migliorare l'ambiente di lavoro durante l'estrusione (ad esempio, raffreddamento ad acqua o azoto, lubrificazione adeguata, ecc.), riducendo così il carico di lavoro dello stampo (ad esempio, riducendo la pressione di estrusione, il calore di raffreddamento e il carico alternato, ecc.), stabilire e migliorare le procedure operative di processo e le procedure di utilizzo sicuro.
4 Conclusion
Con l'evoluzione delle tendenze nel settore dell'alluminio, negli ultimi anni tutti sono alla ricerca di modelli di sviluppo più efficaci per migliorare l'efficienza, ridurre i costi e aumentare i benefici. La matrice di estrusione è senza dubbio un nodo di controllo importante per la produzione di profili in alluminio.
Molti fattori influenzano la durata di una matrice per estrusione di alluminio. Oltre a fattori interni come la progettazione strutturale e la resistenza della matrice, i materiali utilizzati, la tecnologia di lavorazione a freddo e termica e la tecnologia di lavorazione elettrica, il trattamento termico e la tecnologia di trattamento superficiale, vi sono il processo di estrusione e le condizioni d'uso, la manutenzione e la riparazione della matrice, le caratteristiche e la forma del materiale del prodotto estruso, le specifiche e la gestione scientifica della matrice.
Allo stesso tempo, i fattori influenti non sono un singolo, ma un problema globale complesso multifattoriale, per migliorarne la durata ovviamente è anche un problema sistemico, nella produzione effettiva e nell'uso del processo, è necessario ottimizzare la progettazione, la lavorazione dello stampo, l'uso della manutenzione e altri aspetti principali del controllo, e quindi migliorare la durata dello stampo, ridurre i costi di produzione, migliorare l'efficienza della produzione.
A cura di May Jiang di MAT Aluminum
Data di pubblicazione: 14-08-2024
