Прессование алюминия: основные принципы
Прессование металлов
Прессованием металлов, в частности, алюминия и его сплавов, называют процесс пластической деформации, при котором холодная или нагретая заготовка, обычно часть круглого слитка («столба»), продавливается через специальный инструмент с с одним или несколькими отверстиями заданной формы – матрицу (рисунок 1).
Прессование алюминия и алюминиевых сплавов
Для экструзии алюминия применяют специальное оборудование – экструзионные прессы, как правило, гидравлические, которые обеспечивают на штоке (пресс-штемпеле), который непосредственно «давит» заготовку, усилие от 500 до 4000 тонн, а иногда и больше, в зависимости от назначения и производительности пресса.
См. также Прессование алюминия: от заготовки до готового профиля
Прессование = экструзия
Англоязычный термин «extrusion» как раз и обозначает понятие «выталкивание, выдавливание». Прессование может быть холодное или горячее в зависимости от сплава и применяемого метода. При горячем прессовании заготовку предварительно нагревают для облегчения пластической деформации.
Профили, трубы, прутки, полосы
Алюминиевые профили, которые получают прессованием, а не, скажем, прокаткой или гибкой, так и называют – прессованными алюминиевыми профилями. Под профилями часто понимают все виды прессованной продукции, хотя стандарты различают «профили», «трубы», «прутки» и «полосы» и даже прессованные панели, например, для вагоно- и самолетостроения. Профили, в свою очередь, могут быть, сплошные и полые, стандартные и специальные, трубы – общего назначения и бесшовные, а прутки – круглые, квадратные, прямоугольные, шестигранные. А еще бывают прессованная проволока и прессованные полуфабрикаты для дальнейшей обработки: прокатки, волочения, гибки и т.п.
Основными методами прессования алюминия и алюминиевых профилей являются два – прямой и обратный. Большинство промышленных прессов работают прямым методом прессования.
Прямое прессование
Рисунок 1
Принцип прямого прессования хорошо виден из рисунка 1. Нагретую заготовку помещают в контейнер и с помощью так называемого пресс-штемпеля, «проталкивают» через матрицу. Прямое прессование применяют при производстве сплошных профилей (простых прутков и сложных специальных профилей), труб и полых профилей. При прямом прессовании направление течения металла совпадает с направлением движения пресс-штемпеля. В ходе этого процесса заготовка скользит относительно стенок контейнера. На преодоление возникающей при этом силы трения затрачивается значительная часть усилия пресса. График зависимости нагрузки или давления от перемещения пресс-штемпеля имеет обычно вид, который показан на рисунке 2. Выделяют три стадии процесса: 1 – распрессовка (осадка) заготовки и начало прессования, 2 – снижение давления и то, что называют устойчивым состоянием, 3 – давление достигает своего минимума, за которым следует его резкий подъем при формировании пресс-остатка.
Рисунок 2
Обратное прессование
При обратном прессовании алюминия матрица располагается на переднем конце полого пресс-штемпеля и перемещается вместе с ним внутрь контейнера (рисунок 3) . В этом случае отсутствует относительное перемещение между заготовкой и контейнером. Поэтому нет сил трения между поверхностью заготовки и контейнером. Отсутствует также перемещение центра заготовки относительно периферийных участков заготовки. Изменение нагрузки и давления с продвижением пресс-штемпеля для обратного прессования показано на рисунке 2. Обратное прессование применяют обычно для прессования трудно прессуемых сплавов и при жестких требованиях по размерам поперечного сечения и однородности свойства по сечению и длине профиля.
Рисунок 3
Прямое прессование “стык в стык”
Для прессования алюминиевых сплавов, которые легко свариваются при температуре и давлении прессования применяют метод «стык в стык»: каждую последующую заготовку загружают в контейнер в стык предыдущей. Длина прессованного профиля в этом процессе ограничена длиной выходного стола и может достигать 50 и более метров. Окончательная сварка заготовки в контейнере со следующей заготовкой происходит, когда стык проходит через деформационную зону матрицы. Принцип метода прессования «стык в стык» с удалением пресс-остатка показан на рисунке 4: новая заготовка приваривается к оставшемуся в матрице или так называемом питателе металлу, оставшемуся от предыдущей заготовки.
Рисунок 4
Прямое прессование “стык в стык” без удаления пресс-остатка
Намного реже применяют вариант прессования «стык в стык» без удаления пресс-остатка: торец следующей заготовки придвигается в контейнере вплотную к торцу остатка предыдущей заготовке, еще находящегося в контейнере (рисунок 5). Прессование без удаления пресс-остатка требует дополнительных затрат, в том числе, по обеспечению чистой поверхности заготовки и особенно их торцов. Поэтому такое прессование применяется в основном только в специальных случаях, например, при изготовлении изделий-заготовок (подката, полуфабриката) в бухтах для дальнейшей переработки, например, волочения.
Рисунок 5
Легкопрессуемые алюминиевые сплавы
Для прессования «стык в стык» требуется способность алюминиевых сплавов свариваться при температуре и давлении прессования. Такими качествами обладают так называемые легко прессуемые («мягкие») сплавы: все марки алюминия, сплавы Аl-Mn (серия 3ххх) и сплавы Al-Mg-Si (серия 6ххх), в том числе самый популярный сплав АД31, а также «нормально» прессуемые («среднепрочные») сплавы: Al-Mg (серия 5ххх) при содержании магния до 3 %, а также сплавы Al-Zn-Mg (серия 7ххх) без легирования медью, например, 1915 по ГОСТ 4784 (7005 по международной классификации).
Труднопрессуемые алюминиевые сплавы
Так называемые трудно прессуемые сплавы, к которым относятся все сплавы Al-Cu–Mg (серия 2xxx), сплавы Al–Mg (серия 5ххх) при содержании магния более 3 % и сплавы Al–Zn–Mg-Сu (серия 7ххх) обычно не прессуют методом «стык в стык». Для них применяют прессование каждой заготовки отдельно.
Источник: Saha К. P.
от заготовки до готового профиля
И прессование, и экструзия
Прессование алюминия часто, и вполне обоснованно, называют также экструзией алюминия. Алюминий, действительно, выдавливается из контейнера пресса через отверстия матрицы, на которых формируется сечение алюминиевого профиля. Прямое значение английского слова «extrusion» как раз и означает «выдавливание». Вместе с тем, в русскоязычной технической литературе и нормативных документах пока чаще применяется термин «прессование».
Алюминиевые сплавы для профилей
Подавляющее большинство алюминиевых профилей изготавливают из сплавов серии 6ххх. Основные легирующие элементы этих сплавов – магний и кремний в количестве до 1,2 %. Из всех сплавов серии 6ххх наиболее популярными являются международные сплавы 6060 и 6063, которые являются аналогами отечественного сплава АД31. Эти сплавы являются термически упрочняемыми, то есть обладают способностью повышать свою прочность в результате термической обработки. О профилях из этих сплавов и будет, в основном, идти речь ниже.
Слиток-столб
Исходным материалом для изготовления алюминиевых профилей являются алюминиевые слитки. Чаще всего они имеют вид цилиндрических столбов длиной до 7 м (рисунок 1). Эти столбы могут иметь различные диаметры, как правило, шагом в один дюйм (25,4 мм). Самыми распространенными являются столбы диаметром от 6 дюймов до 9 дюймов (от 152 до 228 мм). О процессе изготовления слитков-столбов (литье и гомогенизации) см. здесь.
Рисунок 1 – Резка слитков столбов на заготовки [1]
Заготовка
В контейнер пресса загружают не весь столб, а его часть – заготовку. Часть производителей профилей заранее нарезают из столбов заготовки нужной длины – обычно от 400 до 1000 мм (см. рисунок 1), другие – загружают в печь весь столб, а затем непосредственно перед загрузкой в пресс отрезают от него нагретую заготовку нужной длины.
Нагрев заготовки
На рисунке 2 показан процесс подачи заранее отрезанной заготовки в печь нагрева заготовок. Заготовки поступает в печь и нагревается до заданной температуры.
Рисунок 2 – Нагрев заготовки перед ее экструзией [1]
Температура плавления чистого алюминия составляет 660 ºС. С увеличением содержания примесей и легирующих элементов температура алюминиевых сплавов, которые применяются для изготовления профилей несколько снижается (см. подробнее здесь). Типичная температура заготовки из сплавов серии 6ххх перед загрузкой в пресс составляет от 400 до 480 ºС. Точная температура нагрева зависит от химического состава сплава, сложности профиля и других параметров.
Отметим, что нагретая заготовка визуально ничем не отличается от холодной, она не имеет красноватого оттенка и не светится.
Нагрев матрицы и установка ее на пресс
Для прессования заданного профиля подготавливается соответствующая матрица – она нагревается в печи нагрева матриц до температуры близкой температуре заготовки.
Рисунок 3 – Установка матричного комплекта в пресс [1]
Нанесение смазки на торец заготовки
Нагретая заготовка извлекается из печи и направляется к прессу для загрузки в контейнер. Перед самой загрузкой в пресс на задний торец заготовки наносят смазочный слой, который предотвращает прилипание пресс-шайбы к заготовке при обратном движении пресс-штемпеля в конце цикла прессования. Обычно для этого на торец заготовки направляют факел горящего ацетилена. Образующаяся от неполного сгорания ацетилена сажа покрывает торец заготовки и играет роль той самой смазки.
Рисунок 4 – Подача заготовки к прессу и нанесение смазки на ее задний торец [1]
Загрузка заготовки в контейнер и прессование
Заготовка свободно «заталкивается» пресс-штемпелем в контейнер, диаметр которого на 3-4 мм больше, чем диаметр заготовки. Затем пресс-штемпель начинает «давить» на торец заготовки с большим усилием, так что материал заготовки заполняет весь объем контейнера. С дальнейшим продвижением пресс-штемпеля давление в контейнере возрастает, и алюминий начинает «выдавливаться» через отверстия матрицы в виде профиля с заданным поперечным сечением (рисунок 5).
Рисунок 5 – Загрузка заготовки в контейнер и прессование (экструзия) профиля [1]
Пресс-остаток
В конце цикла прессования заготовки около 10 % ее объема, включая ее наружную оболочку, остается в задней части контейнера. Контейнер немного отъезжает назад, и эта часть заготовки извлекается из контейнера и отрезается от матрицы специальным острым ножом-гильотиной. Эта отрезанная часть заготовки называется пресс-остатком. Он вместе с другими технологическими отходами направляется на переплавку.
Скорость прессования
Профиль выходит из матрицы при температуре выше 500 ºС. Скорость движения профиля на выходе из матриц может составлять от 8 до 80 м в минуту в зависимости от сплава и сложности профиля (рисунок 6). В продольной передаче профиля по приемному столу, который может достигать длины 50 м, обычно участвует пуллер. Он захватывает специальными зажимами передний конец профиля и тянет профиль по рольгангу приемного стола. Скорость движения пуллера и осевое усилие, которое он прилагает к профилю, согласованы со скоростью выхода профиля из матрицы.
Рисунок 6 – Выход профиля из матрицы;
охлаждение профилей на выходном столе [1]
Закалка на прессе
Почти сразу после выхода из матрицы профиль обычно подвергают ускоренному охлаждению для того, чтобы алюминиевый сплав профиля достиг закаленного состояния – закалке на прессе.
Для достижения состояния закалки каждый сплав имеет свою минимально допустимую скорость охлаждения до температуры около 250 ºС. Например, профили из сплава 6060 должны достигать этой температуры не более, чем за пять минут. Для тонкостенных профилей для этого может быть достаточно охлаждения вентиляторами на приемном столе. Для профилей из более легированного сплава 6082 обычно требуется усиленное охлаждение сжатым воздухом, водовоздушной смесью или даже водой сразу после выхода из матрицы (см. рисунок 6).
Закалка алюминия и закалка стали
Закалка алюминиевых сплавов отличается от закалки стали. Сталь сразу после охлаждения резко повышает свою прочность. Алюминиевые же сплавы после закалки практически не изменяют своей прочности. Эффект закалки проявляется только в результате последующей операции старения – естественного или искусственного. Естественное старение – это обычное вылеживание при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. Отсюда и термин «старение».
Горячая резка профилей
Длина профиля, который прессуется из одной заготовки, может достигать 50 м. Она зависит от размеров заготовки (диаметра и длины) и площади сечения профиля, а также длины приемного стола пресса. Обычно в конце каждого цикла прессования этот длинный непрерывный профиль отрезают пилой горячей резки от той части профиля, которая еще находится в матрице (рисунок 7). Затем этот профиль передается на стол охлаждения профилей.
Рисунок 7 – Пила горячей резки [1]
Стол охлаждения профилей и растяжная машина
На столе охлаждения профили продолжают свое охлаждение до температуры цеха и затем поступают на растяжную машину (рисунок 8). На растяжной машине профиль подвергается растяжению на заданную величину пластической деформации. Цель этой операции – снижение отклонений формы профиля от прямолинейности и скручиванию, а также, при необходимости, заданной холодной деформации.
Рисунок 8 – Профили на столе охлаждения и в растяжной машине [1]
Пила холодной резки
После растяжной машины профили по рольгангу поступают к пиле мерной резки (рисунок 8). Эту пилу называют также пилой холодной резки в отличие от пилы горячей резки на выходном столе пресса. На ней профили режут на мерные длины в соответствии с требованиями заказчика, обычно от 2 до 6 м. Профили мерной длины укладываются в специальные стальные корзины и направляются в зависимости от назначения (и типа сплава) на участок упаковки или в печь старения.
Рисунок 9 – Пила мерной резки [1]
Печь старения
Профили из термически упрочненных сплавов, таких как сплав 6060, достигают своей максимальной прочности в процессе, которые называют упрочнение старением. В результате старения легирующие элементы сплава, которые в результате закалки были «заморожены» в твердом растворе алюминия, выделяются в виде мелких частиц. Это приводит к повышению прочностных свойств профилей.
Этот процесс старения может происходить при комнатной температуре в течение нескольких недель или даже месяцев. В этом случае он называется естественным старением. Максимальное повышение прочностных свойств достигается при искусственном старении, которое производится путем нагрева в специальной печи – печи старения (рисунок 10). Типичный режим для сплава 6060: температура 180 ºС и длительность 5 часов.
Рисунок 10 – Загрузка профилей в печь старения
Упаковывание, складирование и отгрузка
Готовые алюминиевые профили передаются:
- на порошковое окрашивание или анодирование;
- на упаковку и отгрузку заказчику;
- на склад (рисунок 11).
Рисунок 11 – Упаковка и складирование алюминиевых профилей
Источник рисунков:
http://www.abralco.com/index.php/about-aluminium/aluminum-extrusion
Прессование тонких алюминиевых профилей
Потребители алюминиевых профилей требуют все более легких и в то же время прочных алюминиевых профилей и за более низкую цену.
Алюминиевые профили с тонкой стенкой
Стремление к снижению веса и стоимости алюминиевых профилей диктует применение в них стенок с пониженной толщиной. В первую очередь это относится к тем профилям, которым не испытывают особых нагрузок. Это относится, например, к профилям для светодиодного освещения или, как их чаще называют, алюминиевым светодиодным профилям.
Оконные алюминиевые профили из-за жесткой конкуренции постоянно стремятся имеют минимально возможную толщину. Например, типичная толщина стенки профилей оконных рам составляет 1,6 мм при ширине некоторых профилей до 90 мм. Окна являются ограждающими конструкциями и не относятся к несущим конструкциям здания. Основная нагрузка, которую они испытывают – это ветровая нагрузка. Прессование широких оконных профилей, особенно наружных элементов рамных профилей с терморазрывом – тонких и широких – представляет определенную проблему для прессовщиков алюминия.
Тоньше профиль, жестче контроль
Чтобы контролировать течение материала при прессовании металла – алюминиевого сплава – и размеры поперечного сечения тонкостенных профилей, необходимо уделять особое внимание конструкции прессового инструмента и выходного отверстия матрицы, а также тщательному контролю температуры заготовки и прессового инструмента в ходе процесса прессования.
Номинальные размеры выходного отверстия матрицы редко совпадают с поперечным сечением профиля. И толщина, и форма поперечного сечения могут колебаться и различия между ними могут достигать одной десятой миллиметра.
Это происходит потому, что, во-первых, всегда присутствует такое явление как разница в коэффициентах термического расширения алюминия и матричной инструментальной стали.
Во-вторых, на рабочих поясках матрицы неизбежно происходит налипание алюминия, неметаллических включений и различных загрязнений, которые присутствуют в заготовке. Эти налипания сужают выходное отверстие матрицы. Они редко бывают очень толстыми, но они, тем не менее, могут значительно влиять на условия течения алюминия через матрицу.
Прогиб матрицы
В-третьих, давление на зеркале матрицы – ее входной стороне – может достигать 500 МПа – около 50 килограммов на один квадратный миллиметр. Это может приводить к значительному деформированию – прогибу – прессового инструмента, в первую очередь, матрицы. Эти прогибы матрицы могут серьезно влиять на размеры ее выходного отверстия.
Матричный комплект обычно проектируется таким образом, чтобы обеспечить максимальную поддержку матрицы и свести к минимуму ее прогиб и, следовательно, искажение ее выходного отверстия. Обычно для этого делают подкладки и больстеры с максимально узкими выходными отверстиями.
Матрицы для таких проблемных профилей, как U-образные профили или полые профили, в первую очередь страдают от недостаточной поддержки и испытывают большие прогибы. Более того, мало таких матриц, для которых было бы можно полностью компенсировать их прогибы в ходе прессования.
Неустойчивость течения алюминия
В случае тонких алюминиевых профилей коробление поперечного сечения, а также, в определенной степени, колебание его толщины могут происходить также в результате такого явления, как неустойчивость течения металла. Опытные корректировщики матриц могут настраивать длину рабочих поясков и их углы так, чтобы облегчать течение металла там, где это необходимо. Этим они добиваются того, что скорость металла на выходе из матрицы становится близкой к однородной по всему поперечному сечению профиля. С этой же целью матрицы часто делают с питателями.
Самостабилизация течения алюминия
Если сопротивление течению металла вдоль каких-либо линий течения изменяется, в профиле на выходе из матрицы возникают сдвиговые напряжения, которые противодействуют сдвиговым деформациям. Участок профиля, который движется быстрее, тянет за собой соседние отстающие участки. В результате этого в профиле возникают также сжимающие и растягивающие напряжения (рисунок 1). Поэтому это может вызывать как утонение, так и утолщение профиля.
Рисунок 1 – Для прессования тонких полос применяют ступенчатую длину рабочего пояска матрицы. Течение вблизи краев профиля является слишком быстрыми поэтому профиль коробится на выходе из матрицы. Этот дефект прессования, который можно назвать «морщины», возникает, когда напряжения в профиле достигают некоторого критического уровня.
За счет воздействия этих сдвиговых напряжений течение металла при прессовании является в значительной степени устойчивым и форма профиля искажается незначительно. Этот механизм называют механизмом самостабилизации прессования (self-stabilisation mechanism).
Как возникает неустойчивость течения
Пределы устойчивости течения металла могут быть превышены, если:
- конструкция матрицы и течение металла в контейнере способствуют неустойчивости течения;
- профиль слишком тонкий и широкий,
- металл (алюминий) по какой-то причине является чрезмерно “мягким”.
Эта чрезмерная “мягкость” металла может возникать из-за:
- чрезмерно высокой его температуры на выходе из матрицы,
а также, по-видимому,
- при прессовании нелегированного алюминия или чрезмерно разбавленных – минимально легированных – алюминиевых сплавов.
Дефекты прессования “гармошка” и “морщины”
В таких случаях различие в скорости истечения алюминия их матрицы может приводить таким формам коробления, как показано на рисунке для прессования широкой тонкой полосы.
Рисунок 2 – Дефекты прессования «гармошка» и «морщины». Возникают при недостаточном выравнивании течения алюминия при прессовании тонких полос
В первом случае более высокую скорость имеют центральный участок полосы. Этот дефект прессования по-английски называют «buckles», что по аналогии с дефектами стального проката можно назвать «гармошка».
Во втором случае быстрее двигаются кромки полосы. Этот дефект прессования по-английски называется «wrinkles», а по-русски его логично называть «морщины».
Устойчивое течение с пуллером
При промышленных условиях при прессовании алюминиевых профилей применяют пуллер, который ведет – тянет – профиль от выхода из матрицы и до конца приемного стола, метров на сорок-пятьдесят. Небольшое растягивающее усилие, которое пуллер прилагает к профилю, во многих случаях может предотвращать неустойчивое течение алюминия из матрицы.
Если течение металла является неустойчивым с самого выхода из матрицы, то прессование в этом случае может быть вообще невозможным. Бывают такие случаи, что выходное отверстие полностью блокируется металлом.
Необходимо подчеркнуть, что неустойчивость течения металла редко является проблемой при прессовании достаточно толстых профилей. Конструкторы матриц и корректировщики матриц на основе собственного опыта и статистических данных по результатом прессования аналогичных профилей, в целом получают вполне работоспособные матрицы. Эти матрицы требуют относительно небольшое количество опрессовок и корректировок для запуска их производство.
В принципе, технология прессования позволяет изготавливать очень тонкие алюминиевые профили – до 0,5 мм, а то и тоньше, в зависимости от алюминиевого сплава. Однако существует ограничение на отношение толщины стенки к ширине пластины или полки профиля, которое зависит от технологических возможностей определенного экструзионного пресса. Это означает то, что чем больше ширина профиля, тем больше минимальная толщина его стенки.
Неустойчивость течения тонкой полосы
Чем тоньше профиль, тем более он предрасположен к срабатыванию механизма неустойчивости течения металла. Неустойчивое течение алюминия – это такое течение, когда различные участки профиля на выходе из матрицы двигаются с различной скоростью. Если толщина профиля чрезмерно мала, то приложенных сдвиговых напряжений уже не хватает для проявления механизма самостабилизации, чтобы предотвратить коробление. Критическая величина усилий, которые приводят к короблению профиля при выходе его из матрицы, также снижается, так тонкие профили «коробятся» намного легче.
Известны результаты экспериментов по прессованию тонких полос шириной 78 мм и толщиной от 1,1 до 1,8 мм из сплава 6060. При прессовании полос толщиной 1,8 мм явления неустойчивости не возникало. При прессовании полос толщиной 1,1-1,4 мм явление неустойчивости течения уже явно присутствовало. Повышение температуры полосы на выходе из матрицы с 480 до 520 ºС «провоцировало» более явное проявление неустойчивости течения.
Факторы неустойчивого течения алюминия
Проблема неустойчивого течения алюминия из матрицы тесно связана с реологическими свойствами металла и характеристиками трения металла об прессовый инструмент. Процесс экструзии является очень сложным и трудным для математического описания. Зоны деформации и условия трения в матрице находятся в постоянном изменении. Неоднородность течения может возникать еще в контейнере, а на рабочих поясках матрицы она проявляется наиболее отчетливо.
Неустойчивость течения металла связана с таким факторами как:
- неоднородность распределения давления;
- различные условия течения металла;
- условия скольжения на поясках матрицы;
- неоднородное трение на поясках матрицы;
- прогиб матрицы;
- степень износа матрицы;
- характер скольжения-налипания на границе мертвой зоны матрицы;
- резкое изменение напряженного состояния после выхода металла из матрицы.
Рисунок 3 – Течение алюминия через рабочий поясок матрицы
Источник: P. T. Moe, PhD Thesis, 2005
изготовление алюминиевого профиля по чертежам
В производстве профилей из алюминия и его сплавов одной из важнейших операций является прессование. Это процесс выдавливания помещённой в контейнер заготовки через отверстие в матрице усилием пуансона, снабженного пресс-шайбой.
С помощью прессования можно получить такие виды изделий, как профиль, трубы, прутки, панели. Благодаря лёгкости, высокой прочности, коррозиестойкости и податливости, алюминиевые сплавы в большем количестве, чем другие, используются при производстве пресс-изделий. Габариты профиля готового изделия определяются формой матрицы. Вместе с тем, алюминий обладает и рядом «нежелательных» для обработки качеств. Например, способностью к адгезии (прилипанию) к железу. Об этой особенности знают все, кому приходилось вручную резать лист алюминия ножницами: даже в твёрдом состоянии он как бы приклеивается к инструменту. Этим объясняется наличие затемнённого крупнокристаллического ободка по всей длине поверхности готового профиля, образующего вследствие контактного трения разогретого алюминия и стальной стенкой рабочих поверхностей оборудования.
Технология изготовления
Основной способ производства профильных изделий из алюминия и его сплавов – горячее прессование с прямым истечением без смазки. Нагретую до 500 градусов заготовку в форме слитка продавливают через формообразующее отверстие в матричном инструменте (фильере). Длина заготовки может достигать 6500 мм. Далее специальным захватом слиток подаётся на ось контейнера пресса в зазор между пресс-штемпелем и торцом контейнера.
Схема производства прессованных изделий включает следующие операции:
- Отливка слитков
- Отжиг
- Обточка слитков, резка вместе с проточкой отверстий
- Нагревание заготовок в индукционных или газовых печах перед прессованием;
- Прессование
- Закалка изделий в специальных закалочных печах
- Правка на растяжных машинах (чаще всего – путём растяжки изогнутых профилей после прессования и закалки)
- Обрезка концов
- Искусственное старение (для термически упрочняемых сплавов)
Поперечное сечение готового продукта может быть как одинаковым по всей длине, так и переменным. Использование таких, как в последнем случае, профилей даёт возможность упростить его последующую механическую обработку.
Виды прессования:
Различают следующие способы прессования алюминия:
- Прямое. Направление движения металла совпадает с направлением движения пресс-шайбы.
- Обратное. В этом случае материал перемещается навстречу движению матрицы, выполняющей также функции пресс-шайбы.
Прессование обратным методом более сложно технологически, но имеет и ряд преимуществ. Так, на том же прессе можно использовать заготовку большего объёма за счёт увеличения её длины и диаметра, а также уменьшить размер пресс-остатка (обрезков), увеличив тем самым выход годного продукта. При должном уровне квалификации рабочих и точном соответствии технологических параметров прессования с требуемыми, что позволило бы полностью перейти с прямого прессования на обратное, съём готовой продукции может быть увеличен вдвое.
С нами выгодно
Производственная компания «Вертикаль» готова предложить изделия из алюминия и сплавов, полученные прессованием – как стандартные, так и по индивидуальным эскизам заказчика. Со своей стороны мы гарантируем:
- Создание и согласование чертежа будущего алюминиевого профиля;
- Изготовление фильеры;
- Тестирование фильеры на прессовом оборудовании с получением опытного образца;
- Согласование опытного образца с заказчиком;
- Доставку к клиенту по указанному им адресу.
А ещё мы гарантируем достойное качество продукции при приемлемых расценках и скидки оптовым и постоянным клиентам.
Компания «Вертикаль»: с нами выгодно сотрудничать
Производство алюминиевого профиля: оборудование, технология изготовления
В современном мире все в большем количестве различных производственных отраслей, а также в строительстве и машиностроении используется алюминиевый профиль. Такая высокая популярность этого материала обусловлена его высокой степенью универсальности.
Здесь мы поговорим про производство алюминиевого профиля, оборудование для него, технологию изготовления. Считаем эту очень актуальной, т.к. алюминиевый профиль очень активно используется в реализации различных архитектурных решений, при обработке фасадов зданий, при производстве транспортных средств, эксклюзивных декораций, ПВХ-конструкций, торгового и рекламного оборудования, а также очень широко применяется в сфере изготовления мебели.
Оборудование для производства
Все оборудование, используемое для производства алюминиевого профиля, разделяется на оборудование литейного цикла и оборудование прессового цикла.
Для литейного цикла необходимы: специальная газовая печь (стоимость 13000€), разливочный стол (цена 9000€) и поворотный отражательный миксер (11500€).
Для прессового цикла необходимы: печь для нагревания заготовок (цена 5500 €), печь для отжига (4000€), пресс (14500€), пила для разрезания горячим методом (3600€), линия для подачи материала в пресс (4000€) и линия послепрессовой выделки (6000€).
Также для изготовления алюминиевого профиля необходимо измерительное оборудование и инструменты для полноценного контроля каждого этапа производства.
Технология производства
Для широкого круга потребителей алюминиевый профиль изготавливается двумя основными способами. К стандартному исполнению алюминиевых профилей относятся: уголки, швеллера, полосы, различные трубы. По чертежу изготавливается профиль из алюминия необходимой конфигурации, которая необходима заказчику, но при этом обязательно будет соответствовать технологическим возможностям производственного оборудования. Такая работа под силу только квалифицированным специалистам высокого уровня.
Видео процесса изготовления:
Алюминиевый профиль производится под действием продавливания материала (болванки) через определенное отверстие, эта технология называется экструзией. Весь процесс производства разделяется на несколько этапов. На первом этапе происходит прогревание оборудования производящее прессование и прогрев заготовок в специальной газовой печи. На втором этапе происходит прессование профиля. А на третьем этапе происходит резка материала и процесс старения готового материала. Очень важно на каждом из этих этапов очень тщательно контролировать работу и не отходить от положений и норм производства. При нарушении одного из этапов производства возникают дефекты и брак готовой продукции.
Нюансы данного бизнеса
Производство алюминиевого профиля очень сложное, трудоемкое и включает в себя достаточно высокие материальные затраты. Для приобретения необходимого оборудования и сырья, а также на покрытие прочих непредвиденных расходов необходимы вложения в размере 100 тыс. евро.
Производственное помещение необходимо оборудовать специальными подъемно-транспортными механизмами, предназначенными для сложных производственных процессов. Персонал, работающий на производстве алюминиевого профиля должен быть специально обученным и квалифицированным. Для начала производства необходимо не менее пяти человек: технолог, мастера, оператор и начальник производства.
Такой вид бизнеса как производство профиля из алюминия считается очень сложным с технической стороны и достаточно затратным с материальной стороны. Но в этой сфере бизнеса существует большие преимущества по сравнению с другими. Во-первых, стабильный спрос на изготавливаемые изделия. Во-вторых, низкий уровень конкуренции дает отличные гарантии на быструю окупаемость. В случае 50% загрузки производства, сроки окупаемости составляют от года до полутора лет.
Достоинства прессованного алюминиевого профиля
Алюминиевый профиль, изготовленный путем прессования, делится на три основных категории:
- изделия общего назначения;
- конструкционный профиль;
- специализированный (специального назначения).
К изделиям общего назначения относят все виды стандартного алюминиевого профиля – алюминиевые трубы, Г-образные профили, швеллеры, полосы, балки, прутки, тавры, Ш-профили и т.д. разных размеров. Конструкционные прессованные профили, как правило, применяются при производстве оконных и дверных конструкций, фасадов, витражей. Специализированный профиль создается по индивидуальному заказу клиента и имеет специфическую цель использования. Компания «Фурником» предлагает услуги по изготовлению алюминиевой продукции по Вашим чертежам. Работаем быстро и качественно. Обращайтесь, будем рады помочь!
Применение прессованных материалов
Прессованный алюминиевый профиль – хорошая базовая заготовка для дальнейшей обработки и создания различных деталей, применимых в авто-, авиа, вагоно- и машиностроении. Изготавливаемый из разнообразных алюминиевых сплавов профиль обладает такими характеристиками, которые позволяют успешно создавать изделия самой разной конфигурации, длины, толщины. В мире насчитывается более 20 тысяч наименований прессованного профиля из алюминия.
О преимуществах
Первое и самое главное преимущество прессованных алюминиевых изделий – это возможность объединить в одно целое сразу несколько деталей, выполняющих разные задачи. Во-вторых, благодаря прессованию можно производить профиль со сложными конфигурациями, которые другими методами (обработкой давлением или резкой) создать практически невозможно. Таким образом, не нужно производить дополнительных действий для создания необходимой конструкции.
В-третьих, прессований профиль можно создавать с более тонкими стенками, чем, например, у катанных изделий. Благодаря этому возможно снизить общую массу конструкции, где профиль будет применяться. Также следует отметить, что размеры у прессованного профиля более точны (если сравнивать с катанным).
И, конечно же, алюминиевый профиль прессованный – это набор положительных технико-эксплуатационных свойств: например, это долговечность, надежность, прочность при небольшом весе, простота монтажа, устойчивость к возникновению коррозии, внешняя привлекательность.
полосы от следов матрицы, сварочных швов и утяжин
К рабочим инструкциям при прессовании алюминия
Это – продолжение обзора нарушений технологии, которые могут происходить при прессовании алюминия. Первые четыре «плохо» см. здесь.
№5 — Заготовка плохо отрезана и имеет загрязненную поверхность
Чтобы избежать захвата воздуха в контейнер и образования на профилях пузырей, заготовку от столба нужно отрезать как можно ровнее, особенно, когда применяется составная заготовка из двух частей. Заготовки должны быть всегда чистыми, так их поверхностные слои могут попадать в прессуемое изделие. Тогда брак в производстве профилей неизбежен.
№6 — Нагрев заготовки без градиента температуры
Трение, в том числе, на поясках матрицы приводит к тому, что в заготовке постоянно генерируется тепло, пока она «проталкивается» через матрицу. Идеальным является так называемое изотермическое прессование, то есть прессование, при котором сплав проходит через матрицу с одной и той же оптимальной температурой и максимальной скоростью. Для этого заготовку нагревают до температуры, которая снижается от переднего ее конца к заднему, с тем, чтобы компенсировать это повышение температуры заготовки от трения. Такой нагрев называют градиентным. Это требует специального оборудования, например, индукционного нагрева. Если такой нагрев производится неправильно или вообще не производится, то достижение максимальной скорости прессования невозможно.
№7 — Пресс-шайба не сжимается
Когда пресс-шайба работает нормально, то между ней и стенкой контейнера всегда остается тонкий слой алюминия. Его толщина должная быть одинаковой. Для мягкого сплава, например, сплава 6060, зазор, которые создает этот слой, составляет около 0,15 мм. Если этот зазор будет больше, сплав будет вытекать из под пресс шайбы в первоначальном продавливании заготовки через матрицу. Если этот зазор будет меньше, то этот слой алюминия будет «соскабливаться» со стенки контейнера и попадать в прессуемое изделие. Это может приводить к образованию пузырей, а также попаданию загрязнений из этого слоя в профили, вместо пресс-остатка.
Хорошая пресс-шайба должна с готовностью расширяться под нагрузкой пресс-штемпеля, легко отделяться от заготовки в конце цикла прессования, мгновенно сжиматься при обратном движении пресс-штемпеля без какого-либо «соскабливания» алюминия со стенки контейнера. Она должна обладать способностью продолжать полностью сжиматься даже после большого количества циклов прессования.
№8 — Контейнер перегревается
Если температурные датчики и нагревательные элементы расположены не рядом с втулкой контейнера, то может происходить перегрев контейнера. Никель-хромовые нагреватели могут достигать температуры 700-760 °С. Корпус контейнера обычно изготавливают из стали 4340, которая может начать отпускаться и умягчаться при температуре 540 °С. Если корпус контейнера потеряет часть своей прочности, то может привести к образованию внутри втулки контейнера уширения – «пуза». Это даст возможность загрязнениям из наружных слоев заготовки попадать в прессованные изделия. Результатом будет повышенная отбраковка профилей.
№9 — Температура контейнера вверху выше, чем внизу
На том торце контейнера, который примыкает к матрице, температура втулки вверху обычно значительно выше, чем внизу. Это происходит в основном из-за тепла, которое поднимается изнутри контейнера. В результате сплав, который входит в матрицу сверху является более «текучим», чем тот, который входит снизу. Обычно считают, что каждые 5-6 °С разницы между верхом и низом контейнера дают 1 % разницы по длине профилей. На длинном столе, если верхнее «очко» матрицы не приглушено, эта проблема весьма заметна, особенно при применении пуллера.
№10 — Много смазки на торце заготовки
Последняя операция перед подачей заготовки в контейнер – это ее смазка. В идеале пресс-шайба должна свободно проходить через втулку контейнера и в конце цикла прессования пресс-остаток должен выпасть из пресса. К сожалению, не всегда все так гладко происходит.
Слишком много смазки – это всегда было проклятьем прессовщиков. Была даже, говорят, такая поговорка «Никакой смазки, а лишнее вытри». С тех пор прошло много времени и сейчас есть полная ясность о необходимости и эффективном применении смазки.
В конце каждого цикла прессования пресс-шайба, которая уже давно стационарно закрепляется на пресс-штемпеле, должна мгновенно и чисто отделиться от пресс-остатка, без вытягивания прессованного профиля из матрицы. А также, без поломки самой пресс-шайбы. Прилипание может тут быть серьезной проблемой. Поэтому очень важно, чтобы и пресс-шайба, и заготовка были должным образом смазаны, чтобы обеспечить немедленное и без усилий их разделение.
Эффективная смазка обеспечивает мгновенное и чистое отделение пресс-шайбы от пресс-остатка. Она также обеспечивает чистое отделение пресс-остатка от ножа механизма отделения пресс-остатка. Это, в свою очередь, дает чистую поверхность торца втулки контейнера, что важно для его плотного примыкания к матрице в ходе прессования.
Типичная смазка торца пресс-шайбы — это нанесение слоя сажи в результате сгорания ацетилена. В настоящее время многие прессовщики за рубежом все чаще применяют порошковую или жидкую смазку из нитрида бора, которая была специально разработана для прессования цветных металлов.
Источник: http://www.castool.com/sites/default/files/publications/top_10_worst_extrusion_practices_and_how_they_can_%20be_avoided.pdf
aluminium-guide.ru
Прессование алюминиевых сплавов: легко и трудно
Прессуемость
Одним из наиболее важных свойства алюминиевого сплава при изготовлении алюминиевых профилей является его так называемая прессуемость. Ее определяют по максимальной допустимой скорости прессования профилей. Именно прессуемость сплава является одним из самых важных факторов, которые определяют стоимость и эффективность всего процесса производства алюминиевых профилей. Известно, что температура и скоростные параметры вместе с напряженным состоянием в зоне деформации, в основном в матрице, играют значительную роль в повышении прессуемости конкретного алюминиевого сплава.
Мера прессуемости
Мерой прессуемости является максимальная скорость прессования без образования трещин, разрывов или других дефектов поверхности. На величину прессуемости алюминиевого сплава, кроме его химического состава, оказывают влияние различные технологические параметры, например, режимы гомогенизации слитков (столбов), способ нагрева заготовок, конструкция и состояние матрицы и т.д.
Твердые и мягкие алюминиевые сплавы
По трудности прессования все алюминиевые сплавы для изготовления алюминиевых профилей делят на три группы (таблица 1): легко и трудно прессуемые («мягкие» и «твердые»), а также промежуточная группа сплавов, прессуемых со средней трудностью («полутвердые»).
Таблица 1
Мягкие сплавы алюминиевые сплавы
Мягкие и полутвердые алюминиевые сплавы объединяет то, что они изготавливаются по схожей технологии и на одном и том же оборудовании: прямое прессование «стык в стык», закалка (охлаждение) на прессе, применение аналогичного прессового инструмента. Рейтинг прессуемости — относительная прессуемость — некоторых мягких и полутвердых алюминиевых сплавов представлена в таблице 2.
Таблица 2
Твердые алюминиевые сплавы
Твердые алюминиевые сплавы прессуют как прямым, так и обратным прессованием: за каждое прессование по одной заготовке, закалку алюминиевых профилей производят с отдельного нагрева. Относительная прессуемость некоторых твердых алюминиевых сплавов представлена в таблице 3. См.еще Прессуемость алюминиевых сплавов.
Таблица 3
Источник: Saha P.
aluminium-guide.ru
Пресс-остаток при прессовании алюминия
В конце каждого цикла прессования на прессе для экструзии алюминия – экструзионном прессе – обычно всегда образуется пресс-остаток – остаток заготовки, который удаляют из пресса в отходы. См. подробнее Прессование алюминия с пресс-остатком.
Толщина пресс-остатка
Толщину пресс-остатка обычно назначают из тех соображений, чтобы он отделялся от металла в матрице как можно легче, не повреждал оставшийся в матрице металл и удалялся из пресса. Однако известно, что поверхностный слой заготовки – поверхности алюминиевого слитка — содержит значительное количество загрязнений, в том числе, различных оксидов легирующих элементов сплава. В конце цикла прессования эти поверхностные загрязнения скапливаются в конце заготовки и начинают течь внутрь прессуемого профиля.
Этот процесс начинается уже при длине пресс-остатка около 15 % от первоначальной длины заготовки – намного больше того пресс-остатка, который удаляют на большинстве экструзионных прессов. Однако, считается, что эти включения обычно полностью попадают внутрь алюминиевого профиля и поэтому практически не влияют на качество его поверхности. За исключением тех случаев, когда профили подвергают травлению, например, при их анодировании. Схема расчета толщины прес
