Grazie alla leggerezza, all'estetica, alla buona resistenza alla corrosione e all'eccellente conduttività termica e alle ottime prestazioni di lavorazione, le leghe di alluminio sono ampiamente utilizzate come componenti per la dissipazione del calore nei settori IT, elettronico e automobilistico, in particolare nell'industria emergente dei LED. Questi componenti in lega di alluminio per la dissipazione del calore presentano ottime capacità di dissipazione. In fase di produzione, la chiave per un'efficiente estrusione di questi profili per radiatori è lo stampo. Poiché questi profili presentano generalmente le caratteristiche di denti di dissipazione del calore grandi e densi e lunghi tubi di sospensione, le tradizionali strutture a matrice piatta, a matrice divisa e a matrice con profilo semicavo non soddisfano adeguatamente i requisiti di resistenza dello stampo e di estrusione.
Attualmente, le aziende fanno sempre più affidamento sulla qualità dell'acciaio per stampi. Per migliorare la resistenza dello stampo, non esitano a utilizzare costosi acciai importati. Il costo dello stampo è molto elevato e la sua vita media effettiva è inferiore a 3 tonnellate, con conseguente prezzo di mercato del radiatore relativamente elevato, che limita seriamente la promozione e la diffusione delle lampade a LED. Pertanto, le matrici di estrusione per profili di radiatori a forma di girasole hanno attirato grande attenzione da parte di ingegneri e tecnici del settore.
In questo articolo vengono presentate le varie tecnologie della filiera di estrusione del profilo del radiatore a girasole, ottenute attraverso anni di scrupolosa ricerca e ripetute prove di produzione attraverso esempi di produzione reale, a scopo di riferimento per i colleghi.
1. Analisi delle caratteristiche strutturali delle sezioni dei profili in alluminio
La Figura 1 mostra la sezione trasversale di un tipico profilo in alluminio per radiatore a girasole. La sezione trasversale del profilo è di 7773,5 mm², con un totale di 40 denti di dissipazione del calore. La massima apertura di sospensione formata tra i denti è di 4,46 mm. Dopo il calcolo, il rapporto di incastro tra i denti è di 15,7. Allo stesso tempo, al centro del profilo è presente un'ampia area piena, con un'area di 3846,5 mm².
A giudicare dalle caratteristiche di forma del profilo, lo spazio tra i denti può essere considerato un profilo semi-cavo e il profilo del radiatore è composto da più profili semi-cavi. Pertanto, quando si progetta la struttura dello stampo, è fondamentale considerare come garantirne la resistenza. Sebbene per i profili semi-cavi l'industria abbia sviluppato una varietà di strutture di stampo consolidate, come lo "stampo con separatore coperto", lo "stampo con separatore tagliato", lo "stampo con separatore a ponte sospeso", ecc. Tuttavia, queste strutture non sono applicabili a prodotti composti da più profili semi-cavi. La progettazione tradizionale considera solo i materiali, ma nello stampaggio per estrusione, l'impatto maggiore sulla resistenza è la forza di estrusione durante il processo di estrusione, e il processo di formatura del metallo è il fattore principale che genera la forza di estrusione.
A causa dell'ampia area centrale piena del profilo del radiatore solare, è molto facile che la portata complessiva in quest'area sia troppo elevata durante il processo di estrusione, generando ulteriore stress di trazione sulla testa del tubo di sospensione interdentale, con conseguente frattura del tubo stesso. Pertanto, nella progettazione della struttura dello stampo, è necessario concentrarsi sulla regolazione della portata del metallo e della portata per raggiungere l'obiettivo di ridurre la pressione di estrusione e migliorare lo stato di tensione del tubo sospeso tra i denti, in modo da aumentare la resistenza dello stampo.
2. Selezione della struttura dello stampo e della capacità della pressa di estrusione
2.1 Forma della struttura dello stampo
Per il profilo del radiatore a girasole mostrato in Figura 1, sebbene non presenti una parte cava, è necessario adottare la struttura dello stampo diviso, come mostrato in Figura 2. A differenza della tradizionale struttura dello stampo shunt, la camera della stazione di saldatura metallica è posizionata nello stampo superiore e una struttura a inserto viene utilizzata nello stampo inferiore. Lo scopo è ridurre i costi dello stampo e abbreviare il ciclo di produzione dello stampo. Sia lo stampo superiore che quello inferiore sono universali e riutilizzabili. Ancora più importante, i blocchi dei fori dello stampo possono essere lavorati in modo indipendente, il che può garantire una migliore precisione della cinghia di lavoro dei fori dello stampo. Il foro interno dello stampo inferiore è progettato come un gradino. La parte superiore e il blocco dei fori dello stampo adottano un gioco di accoppiamento, con un valore di gioco su entrambi i lati di 0,06~0,1 m; la parte inferiore adotta un accoppiamento con interferenza, con un valore di interferenza su entrambi i lati di 0,02~0,04 m, il che contribuisce a garantire la coassialità e facilita l'assemblaggio, rendendo l'accoppiamento dell'inserto più compatto e, allo stesso tempo, può evitare la deformazione dello stampo causata dall'accoppiamento con interferenza per installazione termica.
2.2 Selezione della capacità dell'estrusore
La selezione della capacità dell'estrusore consiste, da un lato, nel determinare il diametro interno appropriato del cilindro di estrusione e la pressione specifica massima dell'estrusore sulla sezione del cilindro di estrusione per soddisfare la pressione durante la formatura del metallo. Dall'altro, è necessario determinare il rapporto di estrusione appropriato e selezionare le specifiche delle dimensioni dello stampo appropriate in base al costo. Per il profilo in alluminio per radiatori a girasole, il rapporto di estrusione non può essere troppo elevato. Il motivo principale è che la forza di estrusione è proporzionale al rapporto di estrusione. Maggiore è il rapporto di estrusione, maggiore è la forza di estrusione. Questo è estremamente dannoso per lo stampo del profilo in alluminio per radiatori a girasole.
L'esperienza dimostra che il rapporto di estrusione dei profili in alluminio per radiatori a girasole è inferiore a 25. Per il profilo mostrato in Figura 1, è stato selezionato un estrusore da 20,0 MN con un diametro interno del cilindro di estrusione di 208 mm. Dopo i calcoli, la pressione specifica massima dell'estrusore è di 589 MPa, che è un valore più appropriato. Se la pressione specifica è troppo alta, la pressione sullo stampo sarà elevata, il che ne compromette la durata; se la pressione specifica è troppo bassa, non sarà possibile soddisfare i requisiti di estrusione. L'esperienza dimostra che una pressione specifica compresa tra 550 e 750 MPa può soddisfare meglio diversi requisiti di processo. Dopo i calcoli, il coefficiente di estrusione è pari a 4,37. Le dimensioni dello stampo sono state selezionate come 350 mm x 200 mm (diametro esterno x gradi).
3. Determinazione dei parametri strutturali dello stampo
3.1 Parametri strutturali dello stampo superiore
(1) Numero e disposizione dei fori di deviazione. Per lo stampo di derivazione del profilo del radiatore a girasole, maggiore è il numero di fori di deviazione, migliore è il risultato. Per profili con forme circolari simili, vengono generalmente selezionati da 3 a 4 fori di deviazione tradizionali. Il risultato è che la larghezza del ponte di derivazione è maggiore. Generalmente, quando è maggiore di 20 mm, il numero di saldature è inferiore. Tuttavia, quando si seleziona la cinghia di lavoro del foro della matrice, la cinghia di lavoro del foro della matrice nella parte inferiore del ponte di derivazione deve essere più corta. A condizione che non esista un metodo di calcolo preciso per la selezione della cinghia di lavoro, ciò causerà naturalmente che il foro della matrice sotto il ponte e altre parti non raggiungano esattamente la stessa portata durante l'estrusione a causa della differenza nella cinghia di lavoro. Questa differenza di portata produrrà ulteriore sollecitazione di trazione sul cantilever e causerà la flessione dei denti di dissipazione del calore. Pertanto, per la matrice di estrusione del radiatore a girasole con un numero elevato di denti, è molto importante garantire che la portata di ciascun dente sia costante. All'aumentare del numero di fori di derivazione, aumenterà anche il numero di ponti di derivazione, e la portata e la distribuzione del flusso del metallo diventeranno più uniformi. Questo perché, all'aumentare del numero di ponti di derivazione, la loro larghezza può essere ridotta di conseguenza.
I dati pratici mostrano che il numero di fori di derivazione è generalmente 6 o 8, o anche di più. Naturalmente, per alcuni profili di dissipazione del calore a girasole di grandi dimensioni, lo stampo superiore può anche disporre i fori di derivazione secondo il principio della larghezza del ponte di derivazione ≤ 14 mm. La differenza è che è necessario aggiungere una piastra di separazione anteriore per predistribuire e regolare il flusso di metallo. Il numero e la disposizione dei fori di deviazione nella piastra di deviazione anteriore possono essere eseguiti in modo tradizionale.
Inoltre, nella disposizione dei fori di derivazione, si dovrebbe considerare l'utilizzo dello stampo superiore per schermare adeguatamente la testa del cantilever del dente di dissipazione del calore, evitando così che il metallo colpisca direttamente la testa del tubo a sbalzo e migliorando così lo stato di sollecitazione del tubo a sbalzo. La parte bloccata della testa del cantilever tra i denti può essere lunga da 1/5 a 1/4 della lunghezza del tubo a sbalzo. La disposizione dei fori di derivazione è mostrata in Figura 3.
(2) La relazione di area del foro di deviazione. Poiché lo spessore della parete della radice del dente caldo è ridotto, l'altezza è lontana dal centro e l'area fisica è molto diversa dal centro, questa è la parte più difficile da formare in metallo. Pertanto, un punto chiave nella progettazione dello stampo del profilo del radiatore a girasole è quello di ridurre al minimo la portata della parte solida centrale per garantire che il metallo riempia prima la radice del dente. Per ottenere tale effetto, da un lato, è fondamentale la selezione della cinghia di lavoro e, soprattutto, la determinazione dell'area del foro di deviazione, principalmente l'area della parte centrale corrispondente al foro di deviazione. Test e valori empirici dimostrano che l'effetto migliore si ottiene quando l'area del foro di deviazione centrale S1 e l'area del foro di deviazione singolo esterno S2 soddisfano la seguente relazione: S1 = (0,52 ~0,72) S2
Inoltre, il canale di flusso effettivo del metallo nel foro centrale del separatore dovrebbe essere più lungo di 20-25 mm rispetto al canale di flusso effettivo del metallo nel foro esterno del separatore. Questa lunghezza tiene conto anche del margine e della possibilità di riparazione dello stampo.
(3) Profondità della camera di saldatura. La matrice di estrusione del profilo del radiatore Sunflower è diversa dalla tradizionale matrice shunt. L'intera camera di saldatura deve essere posizionata nella matrice superiore. Questo per garantire la precisione della lavorazione del blocco forato della matrice inferiore, in particolare la precisione del nastro di lavoro. Rispetto alla tradizionale matrice shunt, la profondità della camera di saldatura dello stampo shunt per il profilo del radiatore Sunflower deve essere aumentata. Maggiore è la capacità della macchina di estrusione, maggiore è l'aumento della profondità della camera di saldatura, che è di 15~25 mm. Ad esempio, se si utilizza una macchina di estrusione da 20 MN, la profondità della camera di saldatura della tradizionale matrice shunt è di 20~22 mm, mentre la profondità della camera di saldatura della matrice shunt del profilo del radiatore Sunflower dovrebbe essere di 35~40 mm. Il vantaggio è che il metallo è completamente saldato e lo stress sul tubo sospeso è notevolmente ridotto. La struttura della camera di saldatura dello stampo superiore è mostrata in Figura 4.
3.2 Progettazione dell'inserto del foro della matrice
La progettazione del blocco foro matrice comprende principalmente la dimensione del foro matrice, la cinghia di lavoro, il diametro esterno e lo spessore del blocco specchio, ecc.
(1) Determinazione della dimensione del foro dello stampo. La dimensione del foro dello stampo può essere determinata in modo tradizionale, considerando principalmente la scalabilità del trattamento termico della lega.
(2) Selezione del nastro di lavoro. Il principio di selezione del nastro di lavoro consiste innanzitutto nel garantire che l'apporto di metallo alla base della radice del dente sia sufficiente, in modo che la portata alla base della radice del dente sia maggiore rispetto alle altre parti. Pertanto, il nastro di lavoro alla base della radice del dente dovrebbe essere il più corto possibile, con un valore compreso tra 0,3 e 0,6 mm, mentre il nastro di lavoro nelle parti adiacenti dovrebbe essere aumentato di 0,3 mm. Il principio prevede un aumento di 0,4-0,5 mm ogni 10-15 mm verso il centro; in secondo luogo, il nastro di lavoro nella parte solida più grande del centro non dovrebbe superare i 7 mm. In caso contrario, se la differenza di lunghezza del nastro di lavoro è eccessiva, si verificheranno gravi errori nella lavorazione degli elettrodi di rame e nella lavorazione EDM del nastro di lavoro. Questo errore può facilmente causare la rottura della flessione del dente durante il processo di estrusione. Il nastro di lavoro è mostrato in Figura 5.
(3) Diametro esterno e spessore dell'inserto. Per gli stampi shunt tradizionali, lo spessore dell'inserto del foro della matrice è lo spessore dello stampo inferiore. Tuttavia, per lo stampo del radiatore a girasole, se lo spessore effettivo del foro della matrice è troppo grande, il profilo entrerà facilmente in collisione con lo stampo durante l'estrusione e lo scarico, causando dentature irregolari, graffi o persino inceppamenti dei denti. Ciò causerà la rottura dei denti.
Inoltre, se lo spessore del foro della matrice è troppo lungo, da un lato, i tempi di lavorazione durante l'elettroerosione sono lunghi e, dall'altro, è facile che si verifichino deviazioni dovute a corrosione elettrica e che si verifichino deviazioni dei denti durante l'estrusione. Naturalmente, se lo spessore del foro della matrice è troppo piccolo, la resistenza dei denti non può essere garantita. Pertanto, tenendo conto di questi due fattori, l'esperienza dimostra che il grado di inserimento del foro della matrice dello stampo inferiore è generalmente compreso tra 40 e 50; e il diametro esterno dell'inserto del foro della matrice dovrebbe essere compreso tra 25 e 30 mm dal bordo più largo del foro della matrice al cerchio esterno dell'inserto.
Per il profilo mostrato in Figura 1, il diametro esterno e lo spessore del blocco del foro della matrice sono rispettivamente di 225 mm e 50 mm. L'inserto del foro della matrice è mostrato in Figura 6. D in figura è la dimensione effettiva e la dimensione nominale è 225 mm. La deviazione limite delle sue dimensioni esterne è adattata in base al foro interno dello stampo inferiore per garantire che lo spazio unilaterale sia compreso tra 0,01 e 0,02 mm. Il blocco del foro della matrice è mostrato in Figura 6. La dimensione nominale del foro interno del blocco del foro della matrice posizionato sullo stampo inferiore è di 225 mm. In base alla dimensione effettiva misurata, il blocco del foro della matrice è adattato secondo il principio di 0,01 e 0,02 mm per lato. Il diametro esterno del blocco del foro della matrice può essere ottenuto come D, ma per comodità di installazione, il diametro esterno del blocco specchio del foro della matrice può essere opportunamente ridotto entro un intervallo di 0,1 mm all'estremità di alimentazione, come mostrato in figura.
4. Tecnologie chiave per la produzione di stampi
La lavorazione dello stampo per il profilo del radiatore Sunflower non è molto diversa da quella dei normali stampi per profili in alluminio. La differenza più evidente si riflette principalmente nella lavorazione elettrica.
(1) Per quanto riguarda il taglio a filo, è necessario prevenire la deformazione dell'elettrodo di rame. Poiché l'elettrodo di rame utilizzato per l'elettroerosione a filo è pesante, i denti sono troppo piccoli, l'elettrodo stesso è morbido, ha scarsa rigidità e l'elevata temperatura locale generata dal taglio a filo ne causa la facile deformazione durante il processo di taglio. Quando si utilizzano elettrodi di rame deformati per la lavorazione di nastri trasportatori e coltelli vuoti, si verificheranno denti obliqui, che possono facilmente causare la rottura dello stampo durante la lavorazione. Pertanto, è necessario prevenire la deformazione degli elettrodi di rame durante il processo di produzione in linea. Le principali misure preventive sono: prima del taglio a filo, livellare il blocco di rame con un letto; utilizzare un comparatore per regolare la verticalità all'inizio; durante il taglio a filo, iniziare prima dalla parte del dente e infine tagliare la parte con parete spessa; di tanto in tanto, utilizzare filo d'argento di scarto per riempire le parti tagliate; dopo aver realizzato il filo, utilizzare una macchina a filo per tagliare una breve sezione di circa 4 mm lungo la lunghezza dell'elettrodo di rame tagliato.
(2) L'elettroerosione è ovviamente diversa dagli stampi tradizionali. L'elettroerosione è molto importante nella lavorazione degli stampi per profili di radiatori a girasole. Anche se il design è perfetto, un piccolo difetto nell'elettroerosione causerà lo scarto dell'intero stampo. L'elettroerosione non dipende dall'attrezzatura come il taglio a filo. Dipende in gran parte dalle capacità operative e dalla competenza dell'operatore. L'elettroerosione presta attenzione principalmente ai seguenti cinque punti:
1. Corrente di lavorazione a scarica elettrica. Per la lavorazione EDM iniziale è possibile utilizzare una corrente di 7~10 A per ridurre i tempi di lavorazione; per la lavorazione di finitura è possibile utilizzare una corrente di 5~7 A. Lo scopo dell'utilizzo di una corrente bassa è ottenere una buona superficie;
② Assicurarsi che la superficie terminale dello stampo sia piana e che l'elettrodo di rame sia in posizione verticale. Una scarsa planarità della superficie terminale dello stampo o un'insufficiente verticalità dell'elettrodo di rame rendono difficile garantire che la lunghezza della cinghia di lavoro dopo la lavorazione EDM sia coerente con la lunghezza della cinghia di lavoro progettata. È facile che il processo EDM fallisca o addirittura penetri la cinghia di lavoro dentata. Pertanto, prima della lavorazione, è necessario utilizzare una rettificatrice per appiattire entrambe le estremità dello stampo per soddisfare i requisiti di precisione e un comparatore a quadrante per correggere la verticalità dell'elettrodo di rame.
3. Assicurarsi che la distanza tra i coltelli vuoti sia uniforme. Durante la lavorazione iniziale, verificare che l'utensile vuoto sia sfalsato di 0,2 mm ogni 3-4 mm di lavorazione. Se lo sfalsamento è elevato, sarà difficile correggerlo con regolazioni successive;
4. Rimuovere tempestivamente i residui generati durante il processo di elettroerosione a filo. La corrosione da scarica di scintille produrrà una grande quantità di residui, che devono essere rimossi tempestivamente, altrimenti la lunghezza del nastro di lavoro sarà diversa a causa delle diverse altezze dei residui;
⑤Lo stampo deve essere smagnetizzato prima dell'EDM.
5. Confronto dei risultati dell'estrusione
Il profilo mostrato in Figura 1 è stato testato utilizzando lo stampo tradizionale a spacco e il nuovo schema di progettazione proposto in questo articolo. Il confronto dei risultati è riportato nella Tabella 1.
Dai risultati del confronto si evince che la struttura dello stampo ha una notevole influenza sulla sua durata. Lo stampo progettato con il nuovo schema presenta evidenti vantaggi e ne migliora notevolmente la durata.
6. Conclusion
Lo stampo per estrusione del profilo del radiatore a girasole è un tipo di stampo molto difficile da progettare e realizzare, e la sua progettazione e produzione sono relativamente complesse. Pertanto, per garantire il successo dell'estrusione e la durata utile dello stampo, è necessario rispettare i seguenti punti:
(1) La forma strutturale dello stampo deve essere selezionata in modo ragionevole. La struttura dello stampo deve favorire la riduzione della forza di estrusione e dello stress sulla mensola dello stampo formato dai denti di dissipazione del calore, migliorando così la resistenza dello stampo. È fondamentale determinare in modo ragionevole il numero e la disposizione dei fori di derivazione, la loro area e altri parametri: in primo luogo, la larghezza del ponte di derivazione formato tra i fori di derivazione non deve superare i 16 mm; in secondo luogo, l'area del foro di divisione deve essere determinata in modo che il rapporto di divisione raggiunga il più possibile oltre il 30% del rapporto di estrusione, garantendo al contempo la resistenza dello stampo.
(2) Selezionare con cura la cinghia di lavoro e adottare misure ragionevoli durante la lavorazione elettrica, tenendo conto della tecnologia di lavorazione degli elettrodi di rame e dei parametri elettrici standard della lavorazione elettrica. Il primo punto chiave è che l'elettrodo di rame deve essere rettificato superficialmente prima del taglio del filo e che il metodo di inserimento deve essere utilizzato durante il taglio del filo per garantire che gli elettrodi non siano allentati o deformati.
(3) Durante il processo di lavorazione elettrica, l'elettrodo deve essere allineato con precisione per evitare deviazioni dei denti. Naturalmente, sulla base di una progettazione e di una produzione ragionevoli, l'utilizzo di acciaio per stampi a caldo di alta qualità e il processo di trattamento termico sotto vuoto con tre o più temprazioni possono massimizzare il potenziale dello stampo e ottenere risultati migliori. Dalla progettazione alla produzione fino all'estrusione, solo la precisione di ogni passaggio può garantire l'estrusione dello stampo per profilo radiatore a girasole.
Data di pubblicazione: 01-08-2024
