Jak navrhnout vytlačovací matrice pro hliníkový profil pro slunečnicový radiátor?

1. Analýza strukturálních charakteristik hliníkových profilů

Obrázek 1 znázorňuje průřez typického hliníkového profilu pro radiátor ve tvaru slunečnice. Plocha průřezu profilu je 7773,5 mm² s celkem 40 zuby pro odvod tepla. Maximální velikost závěsného otvoru mezi zuby je 4,46 mm. Po výpočtu je poměr pera mezi zuby 15,7. Zároveň je uprostřed profilu velká pevná plocha o ploše 3846,5 mm².

Soudě podle tvarových charakteristik profilu lze prostor mezi zuby považovat za polodutý profil a profil chladiče se skládá z více polodutých profilů. Proto je při navrhování struktury formy klíčové zvážit, jak zajistit pevnost formy. Přestože pro poloduté profily průmysl vyvinul řadu vyspělých struktur forem, jako například „krytá dělicí forma“, „řezaná dělicí forma“, „dělicí forma závěsného mostu“ atd. Tyto struktury však nejsou použitelné pro výrobky složené z více polodutých profilů. Tradiční konstrukce zohledňuje pouze materiály, ale při extruzi má největší vliv na pevnost extruzní síla během procesu extruze a proces tváření kovu je hlavním faktorem generujícím extruzní sílu.

Vzhledem k velké centrální pevné ploše profilu solárního radiátoru je velmi snadné způsobit, že celkový průtok v této oblasti bude během procesu extruze příliš vysoký, a na hlavě mezizubové závěsné trubky bude generováno dodatečné tahové napětí, což povede k jejímu zlomení. Proto bychom se při návrhu formy měli zaměřit na úpravu průtoku kovu a rychlosti proudění, abychom dosáhli cíle snížení extruzního tlaku a zlepšení napjatosti zavěšené trubky mezi zuby, a tím i zvýšení pevnosti formy.

2. Výběr struktury formy a kapacity extruzního lisu

2.1 Forma formy

U profilu slunečnicového radiátoru zobrazeného na obrázku 1, ačkoliv nemá dutou část, musí být použita dělená forma, jak je znázorněno na obrázku 2. Na rozdíl od tradiční struktury směšovací formy je kovová komora pájecí stanice umístěna v horní formě a v dolní formě je použita vložka. Účelem je snížit náklady na formu a zkrátit výrobní cyklus formy. Horní i dolní sady forem jsou univerzální a lze je znovu použít. A co je důležitější, bloky otvorů pro formu lze zpracovávat nezávisle, což může lépe zajistit přesnost pracovního pásu otvoru pro formu. Vnitřní otvor dolní formy je navržen jako stupeň. Horní část a blok otvoru pro formu mají vůli a hodnota mezery na obou stranách je 0,06~0,1 m; spodní část má přesah a velikost přesahu na obou stranách je 0,02~0,04 m, což pomáhá zajistit souosost a usnadňuje montáž, čímž se vložka stává kompaktnější a zároveň se zabraňuje deformaci formy způsobené přesahem při tepelné instalaci.

2.2 Výběr kapacity extruderu

Volba kapacity extruderu spočívá jednak v určení vhodného vnitřního průměru extruzního válce a maximálního specifického tlaku extruderu na sekci extruzního válce, aby se splnil tlak během tváření kovu. Na druhé straně v určení vhodného extruzního poměru a výběru vhodných specifikací velikosti formy na základě nákladů. U hliníkového profilu slunečnicového radiátoru nesmí být extruzní poměr příliš velký. Hlavním důvodem je, že extruzní síla je úměrná extruznímu poměru. Čím větší je extruzní poměr, tím větší je extruzní síla. To je pro formu hliníkového profilu slunečnicového radiátoru extrémně škodlivé.

Zkušenosti ukazují, že poměr extruze hliníkových profilů pro slunečnicové radiátory je menší než 25. Pro profil znázorněný na obrázku 1 byl zvolen extruder 20,0 MN s vnitřním průměrem extruzního válce 208 mm. Po výpočtu je maximální specifický tlak extruderu 589 MPa, což je vhodnější hodnota. Pokud je specifický tlak příliš vysoký, bude tlak na formu velký, což má negativní vliv na životnost formy; pokud je specifický tlak příliš nízký, nemůže splňovat požadavky na extruzní tváření. Zkušenosti ukazují, že specifický tlak v rozmezí 550~750 MPa může lépe splňovat různé procesní požadavky. Po výpočtu je koeficient extruze 4,37. Specifikace velikosti formy je zvolena na 350 mm x 200 mm (vnější průměr x stupně).

3. Stanovení strukturálních parametrů formy

3.1 Konstrukční parametry horní formy

(1) Počet a uspořádání odbočovacích otvorů. U profilové formy pro slunečnicový radiátor platí, že čím více odbočovacích otvorů, tím lépe. U profilů s podobným kruhovým tvarem se obvykle volí 3 až 4 tradiční odbočovací otvory. Výsledkem je větší šířka odbočovacího můstku. Obecně platí, že pokud je větší než 20 mm, počet svarů je menší. Při výběru pracovního pásu otvoru matrice však musí být pracovní pás otvoru matrice ve spodní části odbočovacího můstku kratší. Za podmínky, že neexistuje přesná metoda výpočtu pro výběr pracovního pásu, přirozeně to způsobí, že otvor matrice pod můstkem a další části nedosáhnou během extruze přesně stejného průtoku kvůli rozdílu v pracovním pásu. Tento rozdíl v průtoku vytvoří dodatečné tahové napětí na konzole a způsobí vychýlení zubů pro odvod tepla. Proto je u extruzní formy pro slunečnicový radiátor s hustým počtem zubů velmi důležité zajistit, aby byl průtok každého zubu konzistentní. S rostoucím počtem shuntovacích otvorů se odpovídajícím způsobem zvýší i počet shuntovacích můstků a průtok a rozložení proudění kovu se stanou rovnoměrnějšími. Je to proto, že s rostoucím počtem shuntovacích můstků se může odpovídajícím způsobem zmenšit jejich šířka.

Praktická data ukazují, že počet odbočných otvorů je obecně 6 nebo 8, nebo i více. Samozřejmě u některých velkých profilů odvodu tepla slunečnice může horní forma také uspořádat odbočné otvory podle principu šířky odbočného můstku ≤ 14 mm. Rozdíl spočívá v tom, že pro předběžné rozdělení a nastavení toku kovu je nutné přidat přední dělicí desku. Počet a uspořádání odbočných otvorů v přední odbočné desce lze provést tradičním způsobem.

Kromě toho je třeba při uspořádání zkratovacích otvorů zvážit použití horní formy k vhodnému stínění hlavy konzoly zubu pro odvod tepla, aby se zabránilo přímému nárazu kovu na hlavu konzolové trubky a tím se zlepšil stav napětí konzolové trubky. Blokovaná část hlavy konzoly mezi zuby může být 1/5~1/4 délky konzolové trubky. Rozložení zkratovacích otvorů je znázorněno na obrázku 3.

(2) Plošný vztah odbočovacího otvoru. Protože tloušťka stěny kořene horkého zubu je malá a výška je daleko od středu a fyzická plocha se od středu velmi liší, je to nejobtížnější část pro tváření kovu. Proto je klíčovým bodem při návrhu formy na profil slunečnicového radiátoru co nejpomalejší průtok centrální pevné části, aby se zajistilo, že kov nejprve vyplní kořen zubu. Aby se dosáhlo takového efektu, je třeba jednak vybrat pracovní pás a především stanovit plochu odbočovacího otvoru, zejména plochu centrální části odpovídající odbočovacímu otvoru. Testy a empirické hodnoty ukazují, že nejlepšího efektu je dosaženo, když plocha centrálního odbočovacího otvoru S1 a plocha vnějšího jednotlivého odbočovacího otvoru S2 splňují následující vztah: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2

Kromě toho by efektivní kanál pro proudění kovu centrálního dělicího otvoru měl být o 20~25 mm delší než efektivní kanál pro proudění kovu vnějšího dělicího otvoru. Tato délka také zohledňuje rezervu a možnost opravy formy.

(3) Hloubka svařovací komory. Vytlačovací lis na profil radiátoru Sunflower se liší od tradičního bočního lisovacího nástroje. Celá jeho svařovací komora musí být umístěna v horním lisovacím nástroji. Tím je zajištěna přesnost zpracování bloku otvorů ve spodním lisovacím nástroji, zejména přesnost pracovního pásu. Ve srovnání s tradičním bočním lisovacím nástrojem je třeba zvětšit hloubku svařovací komory bočního lisovacího nástroje na profil radiátoru Sunflower. Čím větší je kapacita extruzního stroje, tím větší je zvětšení hloubky svařovací komory, která je 15~25 mm. Například pokud se použije extruzní stroj s 20 MN, hloubka svařovací komory tradičního bočního lisovacího nástroje je 20~22 mm, zatímco hloubka svařovací komory bočního lisovacího nástroje profilu radiátoru Sunflower by měla být 35~40 mm. Výhodou je, že kov je plně svařen a namáhání zavěšené trubky je výrazně sníženo. Struktura svařovací komory horní formy je znázorněna na obrázku 4.

3.2 Návrh vložky pro otvor

Konstrukce bloku otvoru pro zápustku zahrnuje především velikost otvoru pro zápustku, pracovní pás, vnější průměr a tloušťku bloku zrcadla atd.

(1) Stanovení velikosti otvoru matrice. Velikost otvoru matrice lze určit tradičním způsobem, zejména s ohledem na rozsah tepelného zpracování slitiny.

(2) Výběr pracovního pásu. Principem výběru pracovního pásu je nejprve zajistit dostatečný přívod veškerého kovu ke spodní části kořene zubu, aby průtok ve spodní části kořene zubu byl rychlejší než u ostatních částí. Proto by pracovní pás ve spodní části kořene zubu měl být co nejkratší, s hodnotou 0,3~0,6 mm, a pracovní pás u sousedních částí by měl být zvětšen o 0,3 mm. Principem je zvětšovat o 0,4~0,5 každých 10~15 mm směrem ke středu; za druhé, pracovní pás v největší pevné části středu by neměl překročit 7 mm. V opačném případě, pokud je rozdíl délek pracovního pásu příliš velký, dojde k velkým chybám při zpracování měděných elektrod a EDM obrábění pracovního pásu. Tato chyba může snadno způsobit zlomení zubu během procesu extruze. Pracovní pás je znázorněn na obrázku 5.

 

(3) Vnější průměr a tloušťka vložky. U tradičních bočních forem je tloušťka vložky otvoru matrice stejná jako tloušťka spodní formy. U formy na slunečnicový radiátor však platí, že pokud je efektivní tloušťka otvoru matrice příliš velká, profil se během vytlačování a vypouštění snadno srazí s formou, což má za následek nerovnoměrné zuby, škrábance nebo dokonce zaseknutí zubů. To způsobí jejich zlomení.

Kromě toho, pokud je tloušťka otvoru matrice příliš velká, je na jedné straně dlouhá doba zpracování během procesu EDM a na druhé straně je snadné způsobit odchylku elektrické koroze a také je snadné způsobit odchylku zubu během extruze. Pokud je tloušťka otvoru matrice příliš malá, samozřejmě nelze zaručit pevnost zubů. Proto s ohledem na tyto dva faktory zkušenosti ukazují, že stupeň vložky otvoru matrice spodní formy je obecně 40 až 50 a vnější průměr vložky otvoru matrice by měl být 25 až 30 mm od největšího okraje otvoru matrice k vnějšímu kruhu vložky.

Pro profil znázorněný na obrázku 1 je vnější průměr a tloušťka bloku otvoru pro raznici 225 mm a 50 mm. Vložka otvoru pro raznici je znázorněna na obrázku 6. D na obrázku představuje skutečnou velikost a jmenovitou velikost je 225 mm. Mezní odchylka vnějších rozměrů je přizpůsobena vnitřnímu otvoru spodní formy, aby se zajistilo, že jednostranná mezera je v rozsahu 0,01~0,02 mm. Blok otvoru pro raznici je znázorněn na obrázku 6. Jmenovitá velikost vnitřního otvoru bloku otvoru pro raznici umístěného na spodní formě je 225 mm. Na základě skutečně naměřené velikosti je blok otvoru pro raznici přizpůsoben podle principu 0,01~0,02 mm na stranu. Vnější průměr bloku otvoru pro raznici lze získat jako D, ale pro usnadnění instalace lze vnější průměr bloku zrcadla otvoru pro raznici vhodně zmenšit v rozsahu 0,1 m na vstupním konci, jak je znázorněno na obrázku.

4. Klíčové technologie výroby forem

Obrábění formy na profil radiátoru Sunflower se příliš neliší od obrábění běžných forem na hliníkové profily. Zřejmý rozdíl se projevuje především v elektrickém zpracování.

(1) Při řezání drátem je nutné zabránit deformaci měděné elektrody. Protože měděná elektroda používaná pro EDM je těžká, zuby jsou příliš malé, samotná elektroda je měkká, má nízkou tuhost a lokální vysoká teplota generovaná řezáním drátem způsobuje snadnou deformaci elektrody během procesu řezání drátem. Při použití deformovaných měděných elektrod k opracování pracovních pásů a prázdných nožů dochází k zkosení zubů, což může snadno způsobit poškození formy během zpracování. Proto je nutné zabránit deformaci měděných elektrod během online výrobního procesu. Hlavní preventivní opatření jsou: před řezáním drátem vyrovnejte měděný blok pomocí lože; použijte úchylkoměr k nastavení svislosti na začátku; při řezání drátem začněte nejprve od části se zubem a nakonec řežte díl se silnou stěnou; čas od času použijte odpadní stříbrný drát k vyplnění řezaných dílů; po výrobě drátu použijte drátový stroj k odříznutí krátkého úseku o délce asi 4 mm podél délky řezané měděné elektrody.

(2) Elektroerozivní obrábění se samozřejmě liší od běžných forem. EDM je velmi důležité při zpracování forem na profily slunečnicových radiátorů. I když je konstrukce perfektní, i malá vada v EDM způsobí sešrotování celé formy. Elektroerozivní obrábění není tak závislé na vybavení jako řezání drátem. Záleží do značné míry na obsluhovacích dovednostech a zdatnosti obsluhy. Elektroerozivní obrábění se zaměřuje především na následujících pět bodů:

①Proud pro elektroerozivní obrábění. Pro počáteční EDM obrábění lze použít proud 7~10 A pro zkrácení doby zpracování; pro dokončovací obrábění lze použít proud 5~7 A. Účelem použití malého proudu je dosáhnout dobrého povrchu;

② Zajistěte rovinnost čelní plochy formy a svislost měděné elektrody. Špatná rovinnost čelní plochy formy nebo nedostatečná svislost měděné elektrody ztěžuje zajištění souladu délky pracovního pásu po EDM obrábění s navrženou délkou pracovního pásu. Proces EDM může snadno selhat nebo dokonce proniknout do ozubeného pracovního pásu. Proto je nutné před obráběním použít brusku ke zploštění obou konců formy, aby byly splněny požadavky na přesnost, a k úpravě svislosti měděné elektrody je nutné použít úchylkoměr.

③ Zajistěte, aby mezera mezi prázdnými noži byla rovnoměrná. Během počátečního obrábění zkontrolujte, zda je prázdný nástroj posunutý o 0,2 mm na každé 3 až 4 mm obrábění. Pokud je posunutí velké, bude obtížné jej následnými úpravami korigovat;

④Včas odstraňte zbytky vzniklé během procesu EDM. Koroze způsobená jiskrovým výbojem bude produkovat velké množství zbytků, které je nutné včas odstranit, jinak se délka pracovního pásu bude lišit v důsledku rozdílné výšky zbytků;

⑤Před elektroerozivním obráběním musí být forma demagnetizována.

5. Porovnání výsledků extruze

Profil znázorněný na obrázku 1 byl testován s použitím tradiční dělené formy a nového konstrukčního schématu navrženého v tomto článku. Porovnání výsledků je uvedeno v tabulce 1.

Z výsledků srovnání je patrné, že konstrukce formy má velký vliv na životnost formy. Forma navržená s použitím nového schématu má zjevné výhody a výrazně prodlužuje životnost formy.

6. Závěr

Extruzní forma na profil slunečnicového radiátoru je typ formy, kterou je velmi obtížné navrhnout a vyrobit a její konstrukce a výroba jsou relativně složité. Proto je pro zajištění úspěšnosti extruze a životnosti formy nutné splnit následující body:

(1) Konstrukční tvar formy musí být zvolen rozumně. Struktura formy musí být přispívající ke snížení extruzní síly, aby se snížilo namáhání konzoly formy tvořené zuby pro odvod tepla, a tím se zlepšila pevnost formy. Klíčem je rozumné určení počtu a uspořádání bočníkových otvorů a jejich plochy a dalších parametrů: za prvé, šířka boční můstku vytvořeného mezi bočními otvory by neměla překročit 16 mm; za druhé, plocha děleného otvoru by měla být stanovena tak, aby dělící poměr dosáhl co nejvíce více než 30 % extruzního poměru a zároveň byla zajištěna pevnost formy.

(2) Při elektrickém obrábění je třeba rozumně zvolit pracovní pás a přijmout přiměřená opatření, včetně technologie zpracování měděných elektrod a standardních elektrických parametrů elektrického obrábění. Prvním klíčovým bodem je, že měděná elektroda by měla být před řezáním drátem povrchově obroušena a během řezání drátem by měla být použita metoda vkládání, aby se zajistilo, že elektrody nejsou uvolněné ani deformované.

(3) Během procesu elektrického obrábění musí být elektroda přesně zarovnána, aby se zabránilo odchylce zubů. Samozřejmě, na základě rozumného návrhu a výroby, použití vysoce kvalitní oceli pro tepelné zpracování za tepla a proces vakuového tepelného zpracování ve třech nebo více stupních tvrzení může maximalizovat potenciál formy a dosáhnout lepších výsledků. Od návrhu, výroby až po extruzi, pouze pokud je každý článek přesný, můžeme zajistit, že profilová forma slunečnicového radiátoru bude extrudována.