۱. مقدمه
قالب یک ابزار کلیدی برای اکستروژن پروفیل آلومینیوم است. در طول فرآیند اکستروژن پروفیل، قالب باید در برابر دما، فشار و اصطکاک بالا مقاومت کند. در طول استفاده طولانی مدت، باعث سایش قالب، تغییر شکل پلاستیکی و آسیب خستگی می‌شود. در موارد شدید، ممکن است باعث شکستگی قالب شود.
۲. اشکال و علل خرابی قالب‌ها
۲.۱ خرابی ناشی از سایش
سایش، شکل اصلی خرابی قالب اکستروژن است که باعث می‌شود اندازه پروفیل‌های آلومینیومی از حالت عادی خارج شده و کیفیت سطح کاهش یابد. در حین اکستروژن، پروفیل‌های آلومینیومی از طریق مواد اکستروژن تحت دما و فشار بالا و بدون فرآیند روانکاری، به قسمت باز حفره قالب می‌رسند. یک طرف مستقیماً با صفحه نوار کولیس تماس پیدا می‌کند و طرف دیگر می‌لغزد که منجر به اصطکاک زیاد می‌شود. سطح حفره و سطح تسمه کولیس در معرض سایش و خرابی قرار می‌گیرند. در عین حال، در حین فرآیند اصطکاک قالب، مقداری از فلز بیلت به سطح کاری قالب چسبیده می‌شود که باعث تغییر هندسه قالب و عدم امکان استفاده از آن می‌شود و همچنین به عنوان خرابی ناشی از سایش در نظر گرفته می‌شود که به صورت غیرفعال شدن لبه برش، لبه‌های گرد، فرورفتگی صفحه، شیارهای سطحی، لایه برداری و غیره بیان می‌شود.
شکل خاص سایش قالب به عوامل زیادی مانند سرعت فرآیند اصطکاک، مانند ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی ماده قالب و بیلت فرآوری شده، زبری سطح قالب و بیلت و فشار، دما و سرعت در طول فرآیند اکستروژن مربوط می‌شود. سایش قالب اکستروژن آلومینیوم عمدتاً سایش حرارتی است، سایش حرارتی در اثر اصطکاک، نرم شدن سطح فلز به دلیل افزایش دما و قفل شدن سطح حفره قالب ایجاد می‌شود. پس از نرم شدن سطح حفره قالب در دمای بالا، مقاومت آن در برابر سایش به شدت کاهش می‌یابد. در فرآیند سایش حرارتی، دما عامل اصلی مؤثر بر سایش حرارتی است. هرچه دما بالاتر باشد، سایش حرارتی جدی‌تر است.
۲.۲ تغییر شکل پلاستیک
تغییر شکل پلاستیک قالب اکستروژن پروفیل آلومینیوم، فرآیند تسلیم ماده فلزی قالب است.
از آنجایی که قالب اکستروژن هنگام کار، مدت زیادی در حالت دمای بالا، فشار بالا و اصطکاک زیاد با فلز اکسترود شده قرار دارد، دمای سطح قالب افزایش یافته و باعث نرم شدن آن می‌شود.
در شرایط بار بسیار بالا، مقدار زیادی تغییر شکل پلاستیکی رخ خواهد داد که باعث جمع شدن تسمه کار یا ایجاد بیضی می شود و شکل محصول تولید شده تغییر خواهد کرد. حتی اگر قالب ترک ایجاد نکند، به دلیل اینکه دقت ابعادی پروفیل آلومینیومی را نمی توان تضمین کرد، دچار شکست خواهد شد.
علاوه بر این، سطح قالب اکستروژن در معرض اختلاف دما ناشی از گرم و سرد شدن مکرر قرار دارد که باعث ایجاد تنش‌های حرارتی متناوب کششی و فشاری روی سطح می‌شود. در عین حال، ریزساختار نیز دچار دگرگونی‌هایی با درجات مختلف می‌شود. تحت این اثر ترکیبی، سایش قالب و تغییر شکل پلاستیک سطح رخ خواهد داد.
۲.۳ آسیب ناشی از خستگی
آسیب خستگی حرارتی نیز یکی از رایج‌ترین اشکال شکست قالب است. هنگامی که میله آلومینیومی گرم شده با سطح قالب اکستروژن تماس پیدا می‌کند، دمای سطح میله آلومینیومی بسیار سریع‌تر از دمای داخلی افزایش می‌یابد و به دلیل انبساط، تنش فشاری روی سطح ایجاد می‌شود.
همزمان، استحکام تسلیم سطح قالب به دلیل افزایش دما کاهش می‌یابد. هنگامی که افزایش فشار از استحکام تسلیم فلز سطح در دمای مربوطه بیشتر شود، کرنش فشاری پلاستیک روی سطح ظاهر می‌شود. هنگامی که پروفیل از قالب خارج می‌شود، دمای سطح کاهش می‌یابد. اما هنگامی که دمای داخل پروفیل هنوز بالا باشد، کرنش کششی ایجاد خواهد شد.
به طور مشابه، هنگامی 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 بیشتر شود و وارد ناحیه کرنش پلاستیک شود، تجمع تدریجی کرنش‌های کوچک پلاستیک ممکن است ترک‌های خستگی را تشکیل دهد.
بنابراین، برای جلوگیری یا کاهش آسیب خستگی قالب، باید مواد مناسب انتخاب شده و سیستم عملیات حرارتی مناسبی اتخاذ شود. در عین حال، باید به بهبود محیط استفاده از قالب نیز توجه شود.
۲.۴ شکستگی قالب
در تولید واقعی، ترک‌ها در قسمت‌های خاصی از قالب توزیع می‌شوند. پس از یک دوره سرویس مشخص، ترک‌های کوچکی ایجاد می‌شوند و به تدریج در عمق گسترش می‌یابند. پس از گسترش ترک‌ها به اندازه مشخصی، ظرفیت تحمل بار قالب به شدت تضعیف شده و باعث شکستگی می‌شود. یا ترک‌های ریز در طول عملیات حرارتی اولیه و پردازش قالب ایجاد شده‌اند که باعث می‌شود قالب به راحتی منبسط شود و در حین استفاده باعث ترک‌های اولیه شود.
از نظر طراحی، دلایل اصلی شکست، طراحی استحکام قالب و انتخاب شعاع فیله در نقطه گذار است. از نظر تولید، دلایل اصلی، بازرسی اولیه مواد و توجه به زبری سطح و آسیب در حین پردازش و همچنین تأثیر 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.
۳. بهبود عمر قالب
در تولید پروفیل‌های آلومینیومی، هزینه‌های قالب‌سازی بخش بزرگی از هزینه‌های تولید اکستروژن پروفیل را تشکیل می‌دهد.
کیفیت قالب نیز مستقیماً بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که شرایط کاری قالب اکستروژن در تولید اکستروژن پروفیل بسیار سخت است، لازم است از طراحی و انتخاب مواد تا تولید نهایی قالب و استفاده و نگهداری بعدی، کنترل دقیقی بر قالب انجام شود.
به خصوص در طول فرآیند تولید، قالب باید از پایداری حرارتی بالا، خستگی حرارتی، مقاومت در برابر سایش حرارتی و چقرمگی کافی برخوردار باشد تا عمر مفید قالب را افزایش داده و هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
۳.۱ انتخاب مواد قالب
فرآیند اکستروژن پروفیل‌های آلومینیومی یک فرآیند پردازش با دمای بالا و بار زیاد است و قالب اکستروژن آلومینیوم در شرایط استفاده بسیار سختی قرار دارد.
قالب اکستروژن در معرض دمای بالا قرار می‌گیرد و دمای سطح محلی آن می‌تواند به ۶۰۰ درجه سانتیگراد برسد. سطح قالب اکستروژن بارها و بارها گرم و سرد می‌شود و باعث خستگی حرارتی می‌شود.
هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، قالب باید در برابر تنش‌های فشاری، خمشی و برشی بالا مقاومت کند که باعث سایش چسبنده و سایش سایشی می‌شود.
بسته به شرایط کاری قالب اکستروژن، می‌توان خواص مورد نیاز ماده را تعیین کرد.
اول از همه، ماده باید عملکرد فرآیندی خوبی داشته باشد. ماده باید به راحتی ذوب، آهنگری، فرآوری و عملیات حرارتی شود. علاوه بر این، ماده باید استحکام و سختی بالایی داشته باشد. قالب‌های اکستروژن معمولاً تحت دما و فشار بالا کار می‌کنند. هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، استحکام کششی ماده قالب در دمای اتاق باید بیشتر از 1500 مگاپاسکال باشد.
باید مقاومت حرارتی بالایی داشته باشد، یعنی بتواند در دماهای بالا در حین اکستروژن در برابر بار مکانیکی مقاومت کند. باید در دمای معمولی و دمای بالا، چقرمگی ضربه و چقرمگی شکست بالایی داشته باشد تا از شکستگی ترد قالب در شرایط تنش یا بارهای ضربه‌ای جلوگیری شود.
باید مقاومت سایشی بالایی داشته باشد، یعنی سطح آن توانایی مقاومت در برابر سایش در دمای بالا، فشار بالا و روانکاری ضعیف در درازمدت را داشته باشد، به خصوص هنگام اکسترود کردن آلیاژهای آلومینیوم، توانایی مقاومت در برابر چسبندگی فلز و سایش را دارد.
برای اطمینان از خواص مکانیکی بالا و یکنواخت در کل سطح مقطع ابزار، سختی‌پذیری خوب مورد نیاز است.
رسانایی حرارتی بالا برای دفع سریع گرما از سطح کاری قالب ابزار مورد نیاز است تا از سوختن موضعی یا از دست رفتن بیش از حد استحکام مکانیکی قطعه کار اکسترود شده و خود قالب جلوگیری شود.
این ماده باید مقاومت بالایی در برابر تنش‌های چرخه‌ای مکرر داشته باشد، یعنی برای جلوگیری از آسیب خستگی زودرس به استحکام پایدار بالایی نیاز داشته باشد. همچنین باید مقاومت در برابر خوردگی خاص و خواص نیتریدپذیری خوبی داشته باشد.
۳.۲ طراحی معقول قالب
طراحی معقول قالب بخش مهمی از افزایش عمر مفید آن است. یک ساختار قالب با طراحی صحیح باید تضمین کند که در شرایط استفاده عادی، امکان پارگی ناشی از ضربه و تمرکز تنش وجود ندارد. بنابراین، هنگام طراحی قالب، سعی کنید تنش را روی هر قسمت یکنواخت کنید و توجه داشته باشید که از گوشه‌های تیز، گوشه‌های مقعر، اختلاف ضخامت دیواره، مقطع دیواره نازک و صاف و غیره جلوگیری کنید تا از تمرکز تنش بیش از حد جلوگیری شود. در غیر این صورت، باعث تغییر شکل عملیات حرارتی، ترک خوردگی و شکستگی ترد یا ترک خوردگی داغ اولیه در حین استفاده می‌شود، در حالی که طراحی استاندارد نیز برای تبادل ذخیره‌سازی و نگهداری قالب مفید است.
۳.۳ 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 سخت‌کاری و تقویت سطح، برای بهبود عمر مفید قالب از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند.
در عین حال، فرآیندهای عملیات حرارتی و تقویت سطح به شدت کنترل می‌شوند تا از نقص‌های عملیات حرارتی جلوگیری شود. تنظیم پارامترهای فرآیند کوئنچ و تمپر، افزایش تعداد پیش عملیات، عملیات تثبیت و تمپر، توجه به کنترل دما، شدت گرمایش و سرمایش، استفاده از محیط‌های کوئنچ جدید و مطالعه فرآیندهای جدید و تجهیزات جدید مانند عملیات تقویت و چقرمگی و عملیات مختلف تقویت سطح، در بهبود عمر مفید قالب مؤثر هستند.
۳.۴ بهبود کیفیت ساخت قالب
در طول پردازش قالب‌ها، روش‌های پردازش رایج شامل پردازش مکانیکی، برش سیمی، پردازش تخلیه الکتریکی و غیره است. پردازش مکانیکی یک فرآیند ضروری و مهم در فرآیند پردازش قالب است. این فرآیند نه تنها ظاهر قالب را تغییر می‌دهد، بلکه مستقیماً بر کیفیت پروفیل و عمر مفید قالب نیز تأثیر می‌گذارد.
برش سیمی سوراخ‌های قالب، روشی پرکاربرد در پردازش قالب است. این روش، راندمان پردازش و دقت پردازش را بهبود می‌بخشد، اما مشکلات خاصی را نیز به همراه دارد. به عنوان مثال، اگر قالبی که با برش سیمی پردازش می‌شود، مستقیماً برای تولید بدون عملیات تمپر کردن استفاده شود، به راحتی سرباره، پوسته پوسته شدن و غیره رخ می‌دهد که باعث کاهش عمر مفید قالب می‌شود. بنابراین، تمپر کردن کافی قالب پس از برش سیمی می‌تواند وضعیت تنش کششی سطح را بهبود بخشد، تنش پسماند را کاهش دهد و عمر مفید قالب را افزایش دهد.
تمرکز تنش علت اصلی شکستگی قالب است. در محدوده مجاز طراحی، هرچه قطر سیم برش بزرگتر باشد، بهتر است. این امر نه تنها به بهبود راندمان پردازش کمک می‌کند، بلکه توزیع تنش را نیز تا حد زیادی بهبود می‌بخشد تا از وقوع تمرکز تنش جلوگیری شود.
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 می‌شود. مشکل این است که به دلیل گرمای گرمایش و سرمایش اعمال شده بر سیال ماشینکاری و عمل الکتروشیمیایی سیال ماشینکاری، یک لایه اصلاح شده در قطعه ماشینکاری تشکیل می‌شود که باعث ایجاد کرنش و تنش می‌شود. در مورد روغن، اتم‌های کربن تجزیه شده به دلیل احتراق روغن پخش شده و به قطعه کار کربنیزه می‌شوند. هنگامی که تنش حرارتی افزایش می‌یابد، لایه فرسوده شکننده و سخت شده و مستعد ترک خوردن می‌شود. در عین حال، تنش پسماند تشکیل شده و به قطعه کار متصل می‌شود. این امر منجر به کاهش استحکام خستگی، شکستگی تسریع شده، خوردگی تنشی و سایر پدیده‌ها می‌شود. بنابراین، در طول فرآیند پردازش، باید سعی کنیم از مشکلات فوق جلوگیری کرده و کیفیت پردازش را بهبود بخشیم.
۳.۵ بهبود شرایط کاری و شرایط فرآیند اکستروژن
شرایط کاری قالب اکستروژن بسیار نامناسب 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، قبل از اکستروژن، لازم است 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 و محیط کار در حین اکستروژن (مانند خنک‌کننده آب یا خنک‌کننده نیتروژن، روانکاری کافی و غیره) بهبود یابد، در نتیجه بار کاری قالب کاهش یابد (مانند کاهش فشار اکستروژن، کاهش حرارت خنک‌کننده و بار متناوب و غیره)، رویه‌های عملیاتی فرآیند و رویه‌های استفاده ایمن ایجاد و بهبود یابد.
۴ نتیجه‌گیری
با توسعه روندهای صنعت آلومینیوم، در سال‌های اخیر همه به دنبال مدل‌های توسعه بهتری برای بهبود بهره‌وری، صرفه‌جویی در هزینه‌ها و افزایش مزایا هستند. قالب اکستروژن بدون شک یک گره کنترلی مهم برای تولید پروفیل‌های آلومینیومی است.
عوامل زیادی بر عمر قالب اکستروژن آلومینیوم تأثیر می‌گذارند. علاوه بر عوامل داخلی مانند طراحی ساختاری و استحکام قالب، مواد قالب، فناوری پردازش سرد و حرارتی و پردازش الکتریکی، فناوری عملیات حرارتی و عملیات سطحی، فرآیند اکسترود و شرایط استفاده، نگهداری و تعمیر قالب، ویژگی‌ها و شکل مواد محصول اکستروژن، مشخصات و مدیریت علمی قالب نیز وجود دارند.
در عین حال، عوامل مؤثر یک مسئله واحد نیستند، بلکه یک مسئله جامع و پیچیده چند عاملی هستند. بهبود عمر مفید آن البته یک مسئله سیستمی نیز هست. در تولید و استفاده واقعی از فرآیند، باید طراحی، پردازش قالب، نگهداری و سایر جنبه‌های اصلی کنترل بهینه شوند و سپس عمر مفید قالب بهبود یابد، هزینه‌های تولید کاهش یابد و راندمان تولید بهبود یابد.
ویرایش شده توسط می جیانگ از MAT Aluminum
زمان ارسال: ۱۴ آگوست ۲۰۲۴
