اشکال شکست، علل و بهبود عمر قالب اکستروژن

1. مقدمه

قالب یک ابزار کلیدی برای اکستروژن پروفیل آلومینیوم است. در طول فرآیند اکستروژن پروفیل، قالب باید در برابر دمای بالا، فشار بالا و اصطکاک بالا مقاومت کند. در طول استفاده طولانی مدت، باعث سایش قالب، تغییر شکل پلاستیک و آسیب خستگی می شود. در موارد شدید ممکن است باعث شکستگی قالب شود.

2. اشکال شکست و علل کپک ها

2.1 خرابی سایش

سایش شکل اصلی است که منجر به خرابی قالب اکستروژن می شود که باعث از کار افتادن اندازه پروفیل های آلومینیومی و کاهش کیفیت سطح می شود. در طول اکستروژن، پروفیل های آلومینیومی با قسمت باز حفره قالب از طریق مواد اکستروژن تحت دمای بالا و فشار بالا بدون پردازش روانکاری ملاقات می کنند. یک طرف مستقیماً با صفحه نوار کولیس تماس پیدا می کند و طرف دیگر می لغزد و در نتیجه اصطکاک زیادی ایجاد می کند. سطح حفره و سطح تسمه کولیس در معرض سایش و شکست قرار می گیرند. در عین حال، در طی فرآیند اصطکاک قالب، مقداری فلز شمش به سطح کار قالب می‌چسبد که باعث می‌شود هندسه قالب تغییر کند و قابل استفاده نباشد و همچنین به عنوان خرابی سایش تلقی می‌شود که به صورت غیرفعال سازی لبه برش، لبه های گرد، فرورفتگی صفحه، شیارهای سطحی، لایه برداری و غیره بیان می شود.

شکل خاص سایش قالب به عوامل زیادی مانند سرعت فرآیند اصطکاک، مانند ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی مواد قالب و بیلت پردازش شده، زبری سطح قالب و بیلت و فشار مربوط است. دما و سرعت در طول فرآیند اکستروژن. سایش قالب اکستروژن آلومینیوم عمدتاً سایش حرارتی است، سایش حرارتی ناشی از اصطکاک، نرم شدن سطح فلز به دلیل افزایش دما و قفل شدن سطح حفره قالب است. پس از اینکه سطح حفره قالب در دمای بالا نرم شد، مقاومت سایشی آن تا حد زیادی کاهش می یابد. در فرآیند سایش حرارتی، دما عامل اصلی تأثیرگذار بر سایش حرارتی است. هر چه دما بالاتر باشد، سایش حرارتی جدی تر است.

2.2 تغییر شکل پلاستیک

تغییر شکل پلاستیک قالب اکستروژن پروفیل آلومینیومی فرآیند تسلیم مواد فلزی قالب است.

از آنجایی که قالب اکستروژن در حالت دمای بالا، فشار بالا و اصطکاک زیاد با فلز اکسترود شده برای مدت طولانی در هنگام کار قرار دارد، دمای سطح قالب افزایش یافته و باعث نرم شدن آن می شود.

در شرایط بار بسیار زیاد مقدار زیادی تغییر شکل پلاستیکی ایجاد می شود که باعث ریزش تسمه کار یا ایجاد بیضی می شود و شکل محصول تولید شده تغییر می کند. حتی اگر قالب ترک ایجاد نکند، شکست خواهد خورد زیرا دقت ابعادی پروفیل آلومینیومی را نمی توان تضمین کرد.

علاوه بر این، سطح قالب اکستروژن در معرض اختلاف دمایی ناشی از گرمایش و سرمایش مکرر است که تنش‌های حرارتی متناوب تنش و فشار را روی سطح ایجاد می‌کند. در همان زمان، ریزساختار نیز دستخوش دگرگونی هایی به درجات مختلف می شود. تحت این اثر ترکیبی، سایش قالب و تغییر شکل پلاستیک سطح رخ خواهد داد.

2.3 آسیب خستگی

آسیب خستگی حرارتی نیز یکی از رایج ترین اشکال شکست قالب است. هنگامی که میله آلومینیومی گرم شده با سطح قالب اکستروژن تماس پیدا می کند، دمای سطح میله آلومینیومی بسیار سریعتر از دمای داخلی افزایش می یابد و به دلیل انبساط، تنش فشاری روی سطح ایجاد می شود.

در عین حال، قدرت تسلیم سطح قالب به دلیل افزایش دما کاهش می یابد. هنگامی که افزایش فشار از قدرت تسلیم فلز سطح در دمای مربوطه بیشتر شود، کرنش فشاری پلاستیک روی سطح ظاهر می شود. هنگامی که پروفیل از قالب خارج می شود، دمای سطح کاهش می یابد. اما زمانی که دمای داخل پروفیل همچنان بالا باشد، کرنش کششی ایجاد می شود.

به طور مشابه، زمانی که افزایش تنش کششی از استحکام تسلیم سطح پروفیل بیشتر شود، کرنش کششی پلاستیک رخ خواهد داد. هنگامی که کرنش موضعی قالب از حد الاستیک فراتر می رود و وارد ناحیه کرنش پلاستیک می شود، تجمع تدریجی کرنش های پلاستیکی کوچک ممکن است باعث ایجاد ترک های خستگی شود.

بنابراین به منظور جلوگیری یا کاهش آسیب ناشی از خستگی قالب، باید مواد مناسب انتخاب و سیستم عملیات حرارتی مناسب اتخاذ شود. در عین حال باید به بهبود محیط استفاده از قالب نیز توجه کرد.

2.4 شکستن قالب

در تولید واقعی، ترک ها در قسمت های خاصی از قالب پخش می شوند. پس از یک دوره خدمات معین، ترک های کوچکی ایجاد می شود و به تدریج در عمق گسترش می یابد. پس از گسترش ترک ها به اندازه معین، ظرفیت باربری قالب به شدت ضعیف شده و باعث شکستگی می شود. یا قبلاً در طول عملیات حرارتی و پردازش اولیه قالب، ریزترک‌ها رخ داده است، که باعث می‌شود قالب به راحتی منبسط شود و باعث ایجاد ترک‌های اولیه در حین استفاده شود.

از نظر طراحی، دلایل اصلی شکست، طراحی مقاومت قالب و انتخاب شعاع فیله در مرحله انتقال است. از نظر ساخت، دلایل اصلی بازرسی مواد اولیه و توجه به زبری سطح و آسیب در هنگام پردازش و همچنین تاثیر عملیات حرارتی و کیفیت عملیات سطحی است.

در حین استفاده باید به کنترل پیش گرمایش قالب، نسبت اکستروژن و دمای شمش و همچنین کنترل سرعت اکستروژن و جریان تغییر شکل فلز توجه شود.

3. بهبود عمر قالب

در تولید پروفیل های آلومینیومی، هزینه های قالب بخش بزرگی از هزینه های تولید اکستروژن پروفیل را تشکیل می دهد.

کیفیت قالب نیز مستقیماً بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد. از آنجایی که شرایط کار قالب اکستروژن در تولید اکستروژن پروفیل بسیار سخت است، کنترل دقیق قالب از طراحی و انتخاب مواد تا تولید نهایی قالب و استفاده و نگهداری بعدی ضروری است.

به خصوص در طول فرآیند تولید، قالب باید دارای پایداری حرارتی بالا، خستگی حرارتی، مقاومت در برابر سایش حرارتی و چقرمگی کافی برای افزایش طول عمر قالب و کاهش هزینه های تولید باشد.

3.1 انتخاب مواد قالب

فرآیند اکستروژن پروفیل های آلومینیومی یک فرآیند پردازش با دمای بالا و بار بالا است و قالب اکستروژن آلومینیومی تحت شرایط استفاده بسیار سخت قرار می گیرد.

قالب اکستروژن در معرض دماهای بالا قرار می گیرد و دمای سطح محلی می تواند به 600 درجه سانتیگراد برسد. سطح قالب اکستروژن به طور مکرر گرم و سرد می شود و باعث خستگی حرارتی می شود.

هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، قالب باید در برابر فشار، فشار خمشی و برشی بالا مقاومت کند که باعث سایش چسب و سایش ساینده می شود.

بسته به شرایط کاری قالب اکستروژن، می توان خواص مورد نیاز ماده را تعیین کرد.

اول از همه، مواد باید عملکرد فرآیند خوبی داشته باشند. این مواد باید به راحتی قابل ذوب، جعل، پردازش و عملیات حرارتی باشند. علاوه بر این، این ماده باید دارای استحکام بالا و سختی بالا باشد. قالب های اکستروژن معمولاً در دمای بالا و فشار بالا کار می کنند. هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، استحکام کششی مواد قالب در دمای اتاق باید بیشتر از 1500MPa باشد.

باید مقاومت حرارتی بالایی داشته باشد، یعنی توانایی مقاومت در برابر بار مکانیکی در دماهای بالا در هنگام اکستروژن. باید چقرمگی ضربه و چقرمگی شکست در دمای معمولی و دمای بالا داشته باشد تا از شکستگی قالب در شرایط تنش یا بارهای ضربه ای جلوگیری شود.

نیاز به مقاومت در برابر سایش بالایی دارد، یعنی سطح توانایی مقاومت در برابر سایش در دمای بالا، فشار بالا و روانکاری ضعیف طولانی مدت را داشته باشد، به ویژه هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، توانایی مقاومت در برابر چسبندگی و سایش فلز را دارد.

سختی خوبی برای اطمینان از خواص مکانیکی بالا و یکنواخت در کل سطح مقطع ابزار مورد نیاز است.

رسانایی حرارتی بالا برای دفع سریع گرما از سطح کار قالب ابزار برای جلوگیری از سوزاندن بیش از حد موضعی یا از دست دادن بیش از حد مقاومت مکانیکی قطعه کار اکسترود شده و خود قالب مورد نیاز است.

نیاز به مقاومت قوی در برابر تنش های چرخه ای مکرر دارد، یعنی نیاز به استحکام بادوام بالایی دارد تا از آسیب خستگی زودرس جلوگیری کند. همچنین نیاز به مقاومت در برابر خوردگی خاص و خواص نیتریدپذیری خوب دارد.

3.2 طراحی معقول قالب

طراحی معقول قالب بخش مهمی از افزایش عمر مفید آن است. یک ساختار قالب به درستی طراحی شده باید اطمینان حاصل کند که در شرایط استفاده معمولی امکان پارگی ضربه و تمرکز تنش وجود ندارد. بنابراین هنگام طراحی قالب سعی کنید تنش هر قسمت را یکنواخت کنید و توجه داشته باشید که از گوشه های تیز، گوشه های مقعر، اختلاف ضخامت دیواره، سطح صاف دیوار نازک پهن و غیره خودداری کنید تا از تمرکز بیش از حد تنش جلوگیری شود. سپس، باعث تغییر شکل عملیات حرارتی، ترک خوردگی و شکستگی شکننده یا ترک زودرس داغ در حین استفاده می شود، در حالی که طراحی استاندارد نیز برای تبادل ذخیره سازی و نگهداری قالب مفید است.

3.3 بهبود کیفیت عملیات حرارتی و عملیات سطحی

عمر مفید قالب اکستروژن تا حد زیادی به کیفیت عملیات حرارتی بستگی دارد. بنابراین، روش‌های پیشرفته عملیات حرارتی و فرآیندهای عملیات حرارتی و همچنین عملیات سخت‌کنندگی و تقویت سطح برای بهبود عمر مفید قالب اهمیت ویژه‌ای دارند.

در عین حال، فرآیندهای عملیات حرارتی و تقویت سطح برای جلوگیری از نقص عملیات حرارتی به شدت کنترل می شود. تنظیم پارامترهای فرآیند کوئنچ و تمپرینگ، افزایش تعداد پیش تصفیه، عملیات تثبیت و تمپرینگ، توجه به کنترل دما، شدت گرمایش و سرمایش، استفاده از محیط‌های کوئنچ جدید و مطالعه فرآیندهای جدید و تجهیزات جدید مانند عملیات مقاوم‌سازی و سخت‌سازی و انواع مقاوم‌سازی سطوح. درمان، برای بهبود عمر مفید قالب مفید هستند.

3.4 بهبود کیفیت ساخت قالب

در طول پردازش قالب ها، روش های رایج پردازش شامل پردازش مکانیکی، برش سیم، پردازش تخلیه الکتریکی و غیره است. پردازش مکانیکی یک فرآیند ضروری و مهم در فرآیند پردازش قالب است. این نه تنها اندازه ظاهری قالب را تغییر می دهد، بلکه مستقیماً بر کیفیت پروفیل و عمر مفید قالب نیز تأثیر می گذارد.

برش سیم سوراخ های قالب یک روش فرآیندی پرکاربرد در پردازش قالب است. راندمان پردازش و دقت پردازش را بهبود می بخشد، اما مشکلات خاصی را نیز به همراه دارد. به عنوان مثال، اگر قالبی که با سیم برش پردازش می شود، مستقیماً برای تولید استفاده شود، بدون تلطیف، سرباره، پوست کندن و غیره به راحتی رخ می دهد که باعث کاهش طول عمر قالب می شود. بنابراین، تلطیف کافی قالب پس از برش سیم می تواند وضعیت تنش کششی سطحی را بهبود بخشد، تنش پسماند را کاهش دهد و عمر مفید قالب را افزایش دهد.

تمرکز استرس عامل اصلی شکستگی قالب است. در محدوده مجاز طراحی نقشه، هرچه قطر سیم برش سیم بزرگتر باشد، بهتر است. این نه تنها به بهبود راندمان پردازش کمک می کند، بلکه توزیع استرس را نیز برای جلوگیری از وقوع تمرکز استرس بسیار بهبود می بخشد.

ماشینکاری تخلیه الکتریکی نوعی ماشینکاری خوردگی الکتریکی است که با برهم نهی تبخیر مواد، ذوب و تبخیر سیال ماشینکاری تولید شده در حین تخلیه انجام می شود. مشکل اینجاست که به دلیل گرمای گرمایش و سرمایش بر روی سیال ماشینکاری و اثر الکتروشیمیایی سیال ماشینکاری، یک لایه اصلاح شده در قسمت ماشینکاری برای ایجاد کرنش و تنش ایجاد می شود. در مورد روغن، اتم های کربن در اثر احتراق روغن تجزیه شده و به قطعه کار کربوره می شوند. هنگامی که تنش حرارتی افزایش می یابد، لایه تخریب شده شکننده و سخت می شود و مستعد ترک می شود. در همان زمان، تنش پسماند تشکیل شده و به قطعه کار متصل می شود. این امر منجر به کاهش استحکام خستگی، تسریع شکست، خوردگی استرس و سایر پدیده ها می شود. بنابراین در طول فرآیند پردازش باید سعی کنیم از مشکلات فوق جلوگیری کنیم و کیفیت پردازش را ارتقا دهیم.

3.5 بهبود شرایط کاری و شرایط فرآیند اکستروژن

شرایط کار قالب اکستروژن بسیار بد است و محیط کار نیز بسیار بد است. بنابراین، بهبود روش فرآیند اکستروژن و پارامترهای فرآیند، و بهبود شرایط کاری و محیط کار برای بهبود عمر قالب مفید است. بنابراین لازم است قبل از اکستروژن، طرح اکستروژن به دقت تدوین شود، بهترین سیستم تجهیزات و مشخصات مواد انتخاب شود، بهترین پارامترهای فرآیند اکستروژن (مانند دمای اکستروژن، سرعت، ضریب اکستروژن و فشار اکستروژن و غیره) تدوین شود. محیط کار در حین اکستروژن (مانند خنک کننده با آب یا خنک کننده نیتروژن، روانکاری کافی و غیره)، در نتیجه کاهش بار کاری قالب (مانند کاهش فشار اکستروژن، کاهش گرمای سرد و بار متناوب و غیره)، ایجاد و بهبود رویه های عملیاتی فرآیند و روش های استفاده ایمن

4 نتیجه گیری

با توسعه روند صنعت آلومینیوم، در سال های اخیر همه به دنبال مدل های توسعه بهتر برای بهبود کارایی، صرفه جویی در هزینه ها و افزایش مزایا هستند. قالب اکستروژن بدون شک یک گره کنترلی مهم برای تولید پروفیل های آلومینیومی است.

عوامل زیادی بر عمر قالب اکستروژن آلومینیومی تأثیر می گذارد. علاوه بر عوامل داخلی مانند طراحی ساختاری و استحکام قالب، مواد قالب، پردازش سرد و حرارتی و فناوری پردازش الکتریکی، عملیات حرارتی و فناوری عملیات سطحی، فرآیند اکسترود و شرایط استفاده، نگهداری و تعمیر قالب، اکستروژن وجود دارد. مشخصات مواد محصول و شکل، مشخصات و مدیریت علمی قالب.

در عین حال، عوامل تأثیرگذار یک مشکل منفرد نیستند، بلکه یک مشکل جامع چند عاملی پیچیده هستند، البته برای بهبود عمر آن نیز یک مشکل سیستمی است، در تولید و استفاده واقعی از فرآیند، نیاز به بهینه سازی طراحی، پردازش قالب، استفاده از نگهداری و سایر جنبه های اصلی کنترل، و سپس بهبود عمر قالب، کاهش هزینه های تولید، بهبود بهره وری تولید.

ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT آلومینیوم