چگونه قالب اکستروژن رادیاتور آفتابگردان را برای پروفیل آلومینیوم طراحی کنیم؟

۱. تحلیل ویژگی‌های ساختاری مقاطع پروفیل آلومینیومی

شکل ۱ سطح مقطع یک پروفیل آلومینیومی رادیاتور آفتابگردان معمولی را نشان می‌دهد. سطح مقطع پروفیل ۷۷۷۳.۵ میلی‌متر مربع است و در مجموع ۴۰ دندانه اتلاف گرما دارد. حداکثر اندازه دهانه آویزان تشکیل شده بین دندانه‌ها ۴.۴۶ میلی‌متر است. پس از محاسبه، نسبت زبانه بین دندانه‌ها ۱۵.۷ است. در عین حال، یک ناحیه جامد بزرگ در مرکز پروفیل با مساحت ۳۸۴۶.۵ میلی‌متر مربع وجود دارد.

با قضاوت بر اساس ویژگی‌های شکل پروفیل، فضای بین دندانه‌ها را می‌توان به عنوان پروفیل‌های نیمه توخالی در نظر گرفت و پروفیل رادیاتور از چندین پروفیل نیمه توخالی تشکیل شده است. بنابراین، هنگام طراحی ساختار قالب، نکته کلیدی در نظر گرفتن چگونگی تضمین استحکام قالب است. اگرچه برای پروفیل‌های نیمه توخالی، صنعت انواع ساختارهای قالب بالغ مانند "قالب شکافنده پوشیده شده"، "قالب شکافنده برش خورده"، "قالب شکافنده پل معلق" و غیره را توسعه داده است. با این حال، این ساختارها برای محصولاتی که از چندین پروفیل نیمه توخالی تشکیل شده‌اند، قابل استفاده نیستند. طراحی سنتی فقط مواد را در نظر می‌گیرد، اما در قالب‌گیری اکستروژن، بیشترین تأثیر بر استحکام، نیروی اکستروژن در طول فرآیند اکستروژن است و فرآیند شکل‌دهی فلز عامل اصلی ایجاد نیروی اکستروژن است.

با توجه به ناحیه جامد مرکزی بزرگ پروفیل رادیاتور خورشیدی، در طول فرآیند اکستروژن، سرعت جریان کلی در این ناحیه بسیار سریع است و تنش کششی اضافی روی سر لوله تعلیق بین دندانه ایجاد می‌شود که منجر به شکستگی لوله تعلیق بین دندانه می‌شود. بنابراین، در طراحی ساختار قالب، باید بر تنظیم سرعت جریان فلز و سرعت جریان تمرکز کنیم تا به هدف کاهش فشار اکستروژن و بهبود وضعیت تنش لوله معلق بین دندانه‌ها دست یابیم و استحکام قالب را بهبود بخشیم.

۲. انتخاب ساختار قالب و ظرفیت پرس اکستروژن

۲.۱ فرم ساختار قالب

برای پروفیل رادیاتور آفتابگردان نشان داده شده در شکل 1، اگرچه قسمت توخالی ندارد، اما باید ساختار قالب شکاف‌دار را مطابق شکل 2 اتخاذ کند. برخلاف ساختار قالب شنت سنتی، محفظه ایستگاه لحیم‌کاری فلزی در قالب بالایی قرار گرفته و یک ساختار درج در قالب پایینی استفاده شده است. هدف، کاهش هزینه‌های قالب و کوتاه کردن چرخه تولید قالب است. هر دو مجموعه قالب بالایی و پایینی جهانی هستند و می‌توانند دوباره استفاده شوند. مهمتر از همه، بلوک‌های سوراخ قالب را می‌توان به طور مستقل پردازش کرد که می‌تواند دقت تسمه کاری سوراخ قالب را بهتر تضمین کند. سوراخ داخلی قالب پایینی به صورت پله‌ای طراحی شده است. قسمت بالایی و بلوک سوراخ قالب، تطابق لقی دارند و مقدار شکاف در هر دو طرف 0.06 ~ 0.1 متر است. قسمت پایینی تطابق تداخلی را اتخاذ می‌کند و مقدار تداخل در هر دو طرف 0.02 ~ 0.04 متر است که به تضمین هم‌محوری و تسهیل مونتاژ کمک می‌کند، تطابق منبت‌کاری را فشرده‌تر می‌کند و در عین حال، می‌تواند از تغییر شکل قالب ناشی از تطابق تداخلی نصب حرارتی جلوگیری کند.

۲.۲ انتخاب ظرفیت اکسترودر

انتخاب ظرفیت اکسترودر از یک سو برای تعیین قطر داخلی مناسب سیلندر اکستروژن و حداکثر فشار ویژه اکسترودر بر روی بخش سیلندر اکستروژن برای تأمین فشار در حین شکل‌دهی فلز است. از سوی دیگر، برای تعیین نسبت اکستروژن مناسب و انتخاب مشخصات اندازه قالب مناسب بر اساس هزینه است. برای پروفیل آلومینیومی رادیاتور آفتابگردان، نسبت اکستروژن نمی‌تواند خیلی بزرگ باشد. دلیل اصلی این است که نیروی اکستروژن متناسب با نسبت اکستروژن است. هرچه نسبت اکستروژن بیشتر باشد، نیروی اکستروژن بیشتر است. این امر برای قالب پروفیل آلومینیومی رادیاتور آفتابگردان بسیار مضر است.

تجربه نشان می‌دهد که نسبت اکستروژن پروفیل‌های آلومینیومی برای رادیاتورهای آفتابگردان کمتر از ۲۵ است. برای پروفیل نشان داده شده در شکل ۱، یک اکسترودر ۲۰.۰ MN با قطر داخلی سیلندر اکستروژن ۲۰۸ میلی‌متر انتخاب شد. پس از محاسبه، حداکثر فشار ویژه اکسترودر ۵۸۹ مگاپاسکال است که مقدار مناسب‌تری است. اگر فشار ویژه خیلی زیاد باشد، فشار روی قالب زیاد خواهد بود که برای عمر قالب مضر است. اگر فشار ویژه خیلی کم باشد، نمی‌تواند الزامات شکل‌دهی اکستروژن را برآورده کند. تجربه نشان می‌دهد که فشار ویژه در محدوده ۵۵۰ تا ۷۵۰ مگاپاسکال می‌تواند الزامات مختلف فرآیند را بهتر برآورده کند. پس از محاسبه، ضریب اکستروژن ۴.۳۷ است. مشخصات اندازه قالب ۳۵۰ میلی‌متر × ۲۰۰ میلی‌متر (قطر خارجی × درجه) انتخاب شده است.

۳. تعیین پارامترهای ساختاری قالب

۳.۱ پارامترهای ساختاری قالب بالایی

(1) تعداد و چیدمان سوراخ‌های منحرف‌کننده. برای قالب شنت پروفیل رادیاتور آفتابگردان، هرچه تعداد سوراخ‌های شنت بیشتر باشد، بهتر است. برای پروفیل‌هایی با شکل دایره‌ای مشابه، معمولاً 3 تا 4 سوراخ شنت سنتی انتخاب می‌شود. نتیجه این است که عرض پل شنت بزرگتر است. عموماً، وقتی بزرگتر از 20 میلی‌متر باشد، تعداد جوش‌ها کمتر است. با این حال، هنگام انتخاب تسمه کاری سوراخ قالب، تسمه کاری سوراخ قالب در پایین پل شنت باید کوتاه‌تر باشد. در شرایطی که روش محاسبه دقیقی برای انتخاب تسمه کاری وجود ندارد، به طور طبیعی باعث می‌شود که سوراخ قالب زیر پل و سایر قطعات به دلیل تفاوت در تسمه کاری، دقیقاً به همان سرعت جریان در حین اکستروژن دست نیابند. این تفاوت در سرعت جریان، تنش کششی اضافی روی کانتیلور ایجاد می‌کند و باعث انحراف دندانه‌های اتلاف گرما می‌شود. بنابراین، برای قالب اکستروژن رادیاتور آفتابگردان با تعداد متراکم دندانه، اطمینان از ثابت بودن سرعت جریان هر دندانه بسیار مهم است. با افزایش تعداد سوراخ‌های شنت، تعداد پل‌های شنت نیز به همان نسبت افزایش می‌یابد و سرعت جریان و توزیع جریان فلز یکنواخت‌تر می‌شود. دلیل این امر این است که با افزایش تعداد پل‌های شنت، می‌توان عرض پل‌های شنت را نیز به همان نسبت کاهش داد.

داده‌های عملی نشان می‌دهد که تعداد سوراخ‌های شنت عموماً ۶ یا ۸ یا حتی بیشتر است. البته، برای برخی از پروفیل‌های بزرگ اتلاف حرارت آفتابگردان، قالب بالایی می‌تواند سوراخ‌های شنت را نیز طبق اصل عرض پل شنت ≤ ۱۴ میلی‌متر مرتب کند. تفاوت در این است که یک صفحه تقسیم‌کننده جلو باید برای پیش‌توزیع و تنظیم جریان فلز اضافه شود. تعداد و چیدمان سوراخ‌های منحرف‌کننده در صفحه منحرف‌کننده جلو می‌تواند به روش سنتی انجام شود.

علاوه بر این، هنگام تنظیم سوراخ‌های شنت، باید به استفاده از قالب بالایی برای محافظت مناسب از سر کنسول دندانه اتلاف گرما توجه شود تا از برخورد مستقیم فلز به سر لوله کنسول جلوگیری شود و در نتیجه وضعیت تنش لوله کنسول بهبود یابد. قسمت مسدود شده سر کنسول بین دندانه‌ها می‌تواند 1/5 تا 1/4 طول لوله کنسول باشد. طرح سوراخ‌های شنت در شکل 3 نشان داده شده است.

(2) رابطه مساحت سوراخ شنت. از آنجا که ضخامت دیواره ریشه دندانه داغ کوچک است و ارتفاع آن از مرکز فاصله دارد و مساحت فیزیکی آن با مرکز بسیار متفاوت است، شکل‌دهی فلز در این قسمت دشوارترین بخش است. بنابراین، نکته کلیدی در طراحی قالب پروفیل رادیاتور آفتابگردان این است که سرعت جریان قسمت جامد مرکزی تا حد امکان آهسته باشد تا اطمینان حاصل شود که فلز ابتدا ریشه دندانه را پر می‌کند. برای دستیابی به چنین اثری، از یک طرف، انتخاب تسمه کاری و از طرف دیگر، تعیین مساحت سوراخ دایورتر، عمدتاً مساحت قسمت مرکزی مربوط به سوراخ دایورتر، اهمیت دارد. آزمایش‌ها و مقادیر تجربی نشان می‌دهند که بهترین اثر زمانی حاصل می‌شود که مساحت سوراخ دایورتر مرکزی S1 و مساحت سوراخ دایورتر تکی خارجی S2 رابطه زیر را برآورده کنند: S1= (0.52 ~0.72) S2

علاوه بر این، کانال جریان فلز مؤثر سوراخ شکافنده مرکزی باید 20 تا 25 میلی‌متر طولانی‌تر از کانال جریان فلز مؤثر سوراخ شکافنده بیرونی باشد. این طول همچنین حاشیه و امکان تعمیر قالب را در نظر می‌گیرد.

(3) عمق محفظه جوشکاری. قالب اکستروژن پروفیل رادیاتور آفتابگردان با قالب شنت سنتی متفاوت است. کل محفظه جوشکاری آن باید در قالب بالایی قرار گیرد. این کار برای اطمینان از دقت پردازش بلوک سوراخ قالب پایینی، به ویژه دقت تسمه کاری است. در مقایسه با قالب شنت سنتی، عمق محفظه جوشکاری قالب شنت پروفیل رادیاتور آفتابگردان باید افزایش یابد. هرچه ظرفیت دستگاه اکستروژن بیشتر باشد، عمق محفظه جوشکاری که 15 تا 25 میلی‌متر است، بیشتر می‌شود. به عنوان مثال، اگر از دستگاه اکستروژن 20 MN استفاده شود، عمق محفظه جوشکاری قالب شنت سنتی 20 تا 22 میلی‌متر است، در حالی که عمق محفظه جوشکاری قالب شنت پروفیل رادیاتور آفتابگردان باید 35 تا 40 میلی‌متر باشد. مزیت این امر این است که فلز به طور کامل جوش داده می‌شود و تنش روی لوله معلق بسیار کاهش می‌یابد. ساختار محفظه جوشکاری قالب بالایی در شکل 4 نشان داده شده است.

۳.۲ طراحی سوراخ قالب

طراحی بلوک سوراخ قالب عمدتاً شامل اندازه سوراخ قالب، تسمه کاری، قطر بیرونی و ضخامت بلوک آینه و غیره است.

(1) تعیین اندازه سوراخ قالب. اندازه سوراخ قالب را می‌توان به روش سنتی تعیین کرد، که عمدتاً با توجه به مقیاس‌بندی فرآیند حرارتی آلیاژ انجام می‌شود.

(2) انتخاب تسمه کار. اصل انتخاب تسمه کار این است که ابتدا اطمینان حاصل شود که تمام فلز در پایین ریشه دندانه به اندازه کافی تامین می‌شود، به طوری که سرعت جریان در پایین ریشه دندانه سریع‌تر از سایر قسمت‌ها باشد. بنابراین، تسمه کار در پایین ریشه دندانه باید کوتاه‌ترین باشد، با مقدار 0.3 تا 0.6 میلی‌متر، و تسمه کار در قسمت‌های مجاور باید 0.3 میلی‌متر افزایش یابد. اصل این است که هر 10 تا 15 میلی‌متر به سمت مرکز، 0.4 تا 0.5 میلی‌متر افزایش یابد. ثانیاً، تسمه کار در بزرگترین قسمت جامد مرکز نباید از 7 میلی‌متر تجاوز کند. در غیر این صورت، اگر اختلاف طول تسمه کار خیلی زیاد باشد، خطاهای بزرگی در پردازش الکترودهای مسی و پردازش EDM تسمه کار رخ خواهد داد. این خطا می‌تواند به راحتی باعث شکستن انحراف دندانه در طول فرآیند اکستروژن شود. تسمه کار در شکل 5 نشان داده شده است.

 

(3) قطر بیرونی و ضخامت قطعه کار. برای قالب‌های شنت سنتی، ضخامت قطعه کار سوراخ قالب، ضخامت قالب پایینی است. با این حال، برای قالب رادیاتور آفتابگردان، اگر ضخامت مؤثر سوراخ قالب خیلی بزرگ باشد، پروفیل به راحتی در حین اکستروژن و تخلیه با قالب برخورد می‌کند و منجر به دندانه‌های ناهموار، خراش یا حتی گیر کردن دندانه می‌شود. این موارد باعث شکستن دندانه‌ها می‌شود.

علاوه بر این، اگر ضخامت سوراخ قالب خیلی زیاد باشد، از یک طرف، زمان پردازش در طول فرآیند EDM طولانی می‌شود و از طرف دیگر، به راحتی باعث انحراف خوردگی الکتریکی می‌شود و همچنین به راحتی باعث انحراف دندانه در طول اکستروژن می‌شود. البته، اگر ضخامت سوراخ قالب خیلی کوچک باشد، استحکام دندانه‌ها را نمی‌توان تضمین کرد. بنابراین، با در نظر گرفتن این دو عامل، تجربه نشان می‌دهد که درجه فرورفتگی سوراخ قالب پایینی عموماً 40 تا 50 است و قطر بیرونی فرورفتگی سوراخ قالب باید 25 تا 30 میلی‌متر از بزرگترین لبه سوراخ قالب تا دایره بیرونی فرورفتگی باشد.

برای پروفیل نشان داده شده در شکل 1، قطر خارجی و ضخامت بلوک سوراخ قالب به ترتیب 225 میلی‌متر و 50 میلی‌متر است. قطعه سوراخ قالب در شکل 6 نشان داده شده است. D در شکل، اندازه واقعی و اندازه اسمی 225 میلی‌متر است. انحراف حد ابعاد خارجی آن مطابق با سوراخ داخلی قالب پایینی تطبیق داده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که شکاف یک طرفه در محدوده 0.01 تا 0.02 میلی‌متر قرار دارد. بلوک سوراخ قالب در شکل 6 نشان داده شده است. اندازه اسمی سوراخ داخلی بلوک سوراخ قالب که روی قالب پایینی قرار گرفته است، 225 میلی‌متر است. بر اساس اندازه واقعی اندازه‌گیری شده، بلوک سوراخ قالب مطابق با اصل 0.01 تا 0.02 میلی‌متر در هر طرف تطبیق داده می‌شود. قطر خارجی بلوک سوراخ قالب را می‌توان به صورت D بدست آورد، اما برای راحتی نصب، قطر خارجی بلوک آینه سوراخ قالب را می‌توان به طور مناسب در محدوده 0.1 متر در انتهای تغذیه، همانطور که در شکل نشان داده شده است، کاهش داد.

۴. فناوری‌های کلیدی تولید قالب

ماشینکاری قالب پروفیل رادیاتور آفتابگردان تفاوت چندانی با قالب‌های پروفیل آلومینیومی معمولی ندارد. تفاوت آشکار عمدتاً در پردازش الکتریکی منعکس می‌شود.

(1) در مورد برش سیم، لازم است از تغییر شکل الکترود مسی جلوگیری شود. از آنجا که الکترود مسی مورد استفاده برای EDM سنگین است، دندانه‌ها خیلی کوچک هستند، خود الکترود نرم است، استحکام کمی دارد و دمای بالای موضعی ایجاد شده توسط برش سیم باعث می‌شود که الکترود در طول فرآیند برش سیم به راحتی تغییر شکل دهد. هنگام استفاده از الکترودهای مسی تغییر شکل یافته برای پردازش تسمه‌های کاری و چاقوهای خالی، دندانه‌های کج ایجاد می‌شود که می‌تواند به راحتی باعث خرد شدن قالب در طول فرآیند شود. بنابراین، لازم است از تغییر شکل الکترودهای مسی در طول فرآیند تولید آنلاین جلوگیری شود. اقدامات پیشگیرانه اصلی عبارتند از: قبل از برش سیم، بلوک مسی را با یک تخت تراز کنید. در ابتدا از یک شاخص عقربه‌ای برای تنظیم عمودی بودن استفاده کنید. هنگام برش سیم، ابتدا از قسمت دندانه شروع کنید و در نهایت قطعه را با دیواره ضخیم برش دهید. هر از گاهی، از سیم نقره ضایعاتی برای پر کردن قطعات برش داده شده استفاده کنید. پس از ساخت سیم، از یک دستگاه سیم برای برش یک بخش کوتاه حدود 4 میلی‌متر در امتداد طول الکترود مسی برش داده شده استفاده کنید.

(2) ماشینکاری تخلیه الکتریکی آشکارا با قالب‌های معمولی متفاوت است. EDM در پردازش قالب‌های پروفیل رادیاتور آفتابگردان بسیار مهم است. حتی اگر طراحی بی‌نقص باشد، یک نقص جزئی در EDM باعث می‌شود کل قالب از بین برود. ماشینکاری تخلیه الکتریکی به اندازه برش سیمی به تجهیزات وابسته نیست. این امر تا حد زیادی به مهارت و تخصص اپراتور بستگی دارد. ماشینکاری تخلیه الکتریکی عمدتاً به پنج نکته زیر توجه می‌کند:

① جریان ماشینکاری تخلیه الکتریکی. جریان 7 تا 10 آمپر را می‌توان برای ماشینکاری اولیه EDM به منظور کاهش زمان پردازش استفاده کرد؛ جریان 5 تا 7 آمپر را می‌توان برای ماشینکاری نهایی استفاده کرد. هدف از استفاده از جریان کم، دستیابی به سطح مناسب است.

② از صاف بودن سطح انتهایی قالب و عمودی بودن الکترود مسی اطمینان حاصل کنید. صاف بودن ضعیف سطح انتهایی قالب یا عمودی بودن ناکافی الکترود مسی، اطمینان از اینکه طول تسمه کاری پس از پردازش EDM با طول تسمه کاری طراحی شده مطابقت دارد را دشوار می‌کند. فرآیند EDM به راحتی می‌تواند دچار شکست یا حتی نفوذ به تسمه کاری دندانه‌دار شود. بنابراین، قبل از پردازش، باید از یک سنگ فرز برای صاف کردن هر دو انتهای قالب برای برآورده کردن الزامات دقت استفاده شود و باید از یک نشانگر عقربه‌ای برای اصلاح عمودی بودن الکترود مسی استفاده شود.

③ مطمئن شوید که فاصله بین چاقوهای خالی مساوی است. در طول ماشینکاری اولیه، بررسی کنید که آیا ابزار خالی هر 0.2 میلی‌متر در هر 3 تا 4 میلی‌متر پردازش جابجا شده است یا خیر. اگر جابجایی زیاد باشد، اصلاح آن با تنظیمات بعدی دشوار خواهد بود.

④ باقیمانده‌های تولید شده در طول فرآیند EDM را به موقع پاک کنید. خوردگی ناشی از تخلیه جرقه‌ای مقدار زیادی باقیمانده تولید می‌کند که باید به موقع تمیز شود، در غیر این صورت طول تسمه کاری به دلیل ارتفاع‌های مختلف باقیمانده متفاوت خواهد بود.

⑤ قالب باید قبل از EDM مغناطیس‌زدایی شود.

۵. مقایسه نتایج اکستروژن

پروفیل نشان داده شده در شکل 1 با استفاده از قالب دو تکه سنتی و طرح طراحی جدید ارائه شده در این مقاله آزمایش شد. مقایسه نتایج در جدول 1 نشان داده شده است.

از نتایج مقایسه می‌توان دریافت که ساختار قالب تأثیر زیادی بر عمر قالب دارد. قالب طراحی شده با استفاده از طرح جدید مزایای آشکاری دارد و عمر قالب را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

۶. نتیجه‌گیری

قالب اکستروژن پروفیل رادیاتور آفتابگردان نوعی قالب است که طراحی و ساخت آن بسیار دشوار است و طراحی و ساخت آن نسبتاً پیچیده است. بنابراین، برای اطمینان از میزان موفقیت اکستروژن و طول عمر مفید قالب، باید نکات زیر محقق شود:

(1) شکل ساختاری قالب باید به طور معقول انتخاب شود. ساختار قالب باید به گونه‌ای باشد که نیروی اکستروژن را کاهش دهد تا تنش روی تیرک قالب که توسط دندانه‌های اتلاف گرما تشکیل شده است، کاهش یابد و در نتیجه استحکام قالب بهبود یابد. نکته کلیدی این است که تعداد و چیدمان سوراخ‌های شنت و مساحت سوراخ‌های شنت و سایر پارامترها به طور معقول تعیین شود: اولاً، عرض پل شنت تشکیل شده بین سوراخ‌های شنت نباید از 16 میلی‌متر تجاوز کند. ثانیاً، مساحت سوراخ شکافته شده باید به گونه‌ای تعیین شود که نسبت شکافته شدن تا حد امکان به بیش از 30٪ نسبت اکستروژن برسد و در عین حال استحکام قالب را تضمین کند.

(2) تسمه کار را به طور معقول انتخاب کنید و در طول ماشینکاری الکتریکی، از جمله فناوری پردازش الکترودهای مسی و پارامترهای استاندارد الکتریکی ماشینکاری الکتریکی، اقدامات معقولی را اتخاذ کنید. اولین نکته کلیدی این است که الکترود مسی قبل از برش سیم باید به صورت سطحی سنگ زنی شود و در طول برش سیم باید از روش درج استفاده شود تا از شل یا تغییر شکل الکترودها اطمینان حاصل شود.

(3) در طول فرآیند ماشینکاری الکتریکی، الکترود باید به طور دقیق تراز شود تا از انحراف دندانه جلوگیری شود. البته، بر اساس طراحی و تولید معقول، استفاده از فولاد قالب کار گرم با کیفیت بالا و فرآیند عملیات حرارتی خلاء سه یا چند مرحله‌ای می‌تواند پتانسیل قالب را به حداکثر برساند و به نتایج بهتری دست یابد. از طراحی، ساخت تا تولید اکستروژن، تنها در صورتی که هر پیوند دقیق باشد، می‌توانیم از اکسترود شدن قالب پروفیل رادیاتور آفتابگردان اطمینان حاصل کنیم.