1. Inleiding
De matrijs is een belangrijk hulpmiddel bij de extrusie van aluminium profielen. Tijdens het extrusieproces moet de matrijs bestand zijn tegen hoge temperaturen, hoge druk en hoge wrijving. Bij langdurig gebruik zal dit leiden tot slijtage, plastische vervorming en vermoeiingsschade aan de matrijs. In ernstige gevallen kan het zelfs leiden tot breuk van de matrijs.
2. Faalvormen en oorzaken van mallen
2.1 Slijtagefalen
Slijtage is de belangrijkste oorzaak van het falen van de extrusiematrijs, waardoor de afmetingen van de aluminium profielen niet meer kloppen en de oppervlaktekwaliteit afneemt. Tijdens de extrusie komen aluminium profielen in contact met het open deel van de matrijsholte door het extrusiemateriaal onder hoge temperatuur en hoge druk zonder smering. De ene zijde komt direct in contact met het vlak van de remklauwstrip en de andere zijde glijdt, wat resulteert in grote wrijving. Het oppervlak van de holte en het oppervlak van de remklauwriem worden blootgesteld aan slijtage en breuk. Tegelijkertijd hecht zich tijdens het wrijvingsproces van de matrijs een deel van het knuppelmetaal aan het werkoppervlak van de matrijs, waardoor de geometrie van de matrijs verandert en deze niet meer kan worden gebruikt. Dit wordt ook beschouwd als een slijtagefout, die zich uit in de vorm van passivering van de snijkant, afronding van de randen, vlakverzinking, oppervlaktegroeven, afbladdering, enz.
De specifieke vorm van matrijsslijtage is gerelateerd aan vele factoren, zoals de snelheid van het wrijvingsproces, zoals de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen van het matrijsmateriaal en de verwerkte knuppel, de oppervlakteruwheid van de matrijs en de knuppel, en de druk, temperatuur en snelheid tijdens het extrusieproces. De slijtage van aluminium extrusiematrijzen is voornamelijk thermische slijtage, die wordt veroorzaakt door wrijving, verzachting van het metaaloppervlak door stijgende temperatuur en het in elkaar grijpen van het oppervlak van de matrijsholte. Nadat het oppervlak van de matrijsholte bij hoge temperatuur is verzacht, neemt de slijtvastheid sterk af. Bij thermische slijtage is temperatuur de belangrijkste factor die thermische slijtage beïnvloedt. Hoe hoger de temperatuur, hoe ernstiger de thermische slijtage.
2.2 Plastische vervorming
De plastische vervorming van het extrusie-matrijs voor aluminiumprofielen is het vloeiproces van het matrijsmetaalmateriaal.
Omdat de extrusiematrijs tijdens de werking langdurig wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, hoge druk en hoge wrijving met het geëxtrudeerde metaal, neemt de oppervlaktetemperatuur van de matrijs toe en treedt er verzachting op.
Onder zeer hoge belasting treedt een grote plastische vervorming op, waardoor de werkband inzakt of een ellips vormt en de vorm van het geproduceerde product verandert. Zelfs als de matrijs geen scheuren vertoont, zal deze falen omdat de maatnauwkeurigheid van het aluminium profiel niet kan worden gegarandeerd.
Bovendien is het oppervlak van de extrusiematrijs onderhevig aan temperatuurverschillen door herhaaldelijk verwarmen en afkoelen, wat leidt tot wisselende thermische spanningen (trek- en drukspanningen) op het oppervlak. Tegelijkertijd ondergaat de microstructuur ook in verschillende mate transformaties. Door dit gecombineerde effect treedt er matrijsslijtage en plastische vervorming van het oppervlak op.
2.3 Vermoeidheidsschade
Thermische vermoeiingsschade is ook een van de meest voorkomende vormen van matrijsfalen. Wanneer de verhitte aluminium staaf in contact komt met het oppervlak van de extrusiematrijs, stijgt de oppervlaktetemperatuur van de aluminium staaf veel sneller dan de interne temperatuur, en ontstaat er drukspanning op het oppervlak door uitzetting.
Tegelijkertijd neemt de vloeigrens van het matrijsoppervlak af door temperatuurstijging. Wanneer de druktoename de vloeigrens van het oppervlaktemetaal bij de overeenkomstige temperatuur overschrijdt, treedt er plastische drukspanning op het oppervlak op. Wanneer het profiel de matrijs verlaat, daalt de oppervlaktetemperatuur. Maar wanneer de temperatuur binnen het profiel nog steeds hoog is, treedt er trekspanning op.
Evenzo treedt er plastische trekspanning op wanneer de toename van de trekspanning de vloeigrens van het profieloppervlak overschrijdt. Wanneer de lokale rek van de mal de elasticiteitsgrens overschrijdt en het plastische rekgebied bereikt, kan de geleidelijke ophoping van kleine plastische rekken vermoeiingsscheuren veroorzaken.
Om vermoeiingsschade aan de matrijs te voorkomen of te verminderen, moeten daarom geschikte materialen worden geselecteerd en een geschikt warmtebehandelingssysteem worden toegepast. Tegelijkertijd moet aandacht worden besteed aan het verbeteren van de gebruiksomgeving van de matrijs.
2.4 Schimmelbreuk
Tijdens de daadwerkelijke productie ontstaan er scheuren in bepaalde delen van de matrijs. Na een bepaalde gebruiksduur ontstaan er kleine scheurtjes die geleidelijk in diepte toenemen. Zodra de scheurtjes een bepaalde omvang hebben bereikt, wordt het draagvermogen van de matrijs ernstig verzwakt en kan er breuk optreden. Microscheurtjes kunnen ook al ontstaan tijdens de oorspronkelijke warmtebehandeling en verwerking van de matrijs, waardoor de matrijs gemakkelijk kan uitzetten en tijdens gebruik al vroeg scheuren kan veroorzaken.
De belangrijkste redenen voor falen zijn bij het ontwerp de sterkte van de matrijs en de keuze van de filletradius bij de overgang. Bij de productie zijn de belangrijkste redenen de materiaalinspectie vooraf en aandacht voor oppervlakteruwheid en -beschadigingen tijdens de verwerking, evenals de invloed van warmtebehandeling en de kwaliteit van de oppervlaktebehandeling.
Tijdens het gebruik moet aandacht worden besteed aan de controle van de voorverwarming van de matrijs, de extrusieverhouding en de temperatuur van het blok, evenals aan de controle van de extrusiesnelheid en de vervormingsstroom van het metaal.
3. Verbetering van de levensduur van de mal
Bij de productie van aluminiumprofielen vormen de matrijskosten een groot deel van de productiekosten voor het extruderen van profielen.
De kwaliteit van de matrijs heeft ook direct invloed op de productkwaliteit. Omdat de werkomstandigheden van de extrusiematrijs bij de productie van profielextrusie zeer zwaar zijn, is een strikte controle van de matrijs noodzakelijk, van het ontwerp en de materiaalkeuze tot de uiteindelijke productie en het daaropvolgende gebruik en onderhoud.
Vooral tijdens het productieproces moet de matrijs een hoge thermische stabiliteit, thermische vermoeidheid, thermische slijtvastheid en voldoende taaiheid hebben om de levensduur van de matrijs te verlengen en de productiekosten te verlagen.
3.1 Keuze van matrijsmaterialen
Het extruderen van aluminiumprofielen is een verwerkingsproces met hoge temperaturen en een hoge belasting. De aluminium extrusiematrijs wordt daarbij aan zeer zware gebruiksomstandigheden blootgesteld.
De extrusiematrijs wordt blootgesteld aan hoge temperaturen, waarbij de oppervlaktetemperatuur kan oplopen tot 600 graden Celsius. Het oppervlak van de extrusiematrijs wordt herhaaldelijk verwarmd en afgekoeld, wat thermische vermoeidheid veroorzaakt.
Bij het extruderen van aluminiumlegeringen moet de mal bestand zijn tegen hoge druk-, buig- en schuifspanningen, waardoor er adhesieve en schurende slijtage kan ontstaan.
Afhankelijk van de werkomstandigheden van het extrusie-matrijs kunnen de gewenste eigenschappen van het materiaal worden bepaald.
Allereerst moet het materiaal goede procesprestaties leveren. Het materiaal moet gemakkelijk te smelten, te smeden, te verwerken en te warmtebehandelen zijn. Daarnaast moet het materiaal een hoge sterkte en hardheid hebben. Extrusiematrijzen werken over het algemeen onder hoge temperaturen en druk. Bij het extruderen van aluminiumlegeringen moet de treksterkte van het matrijsmateriaal bij kamertemperatuur hoger zijn dan 1500 MPa.
Het moet een hoge hittebestendigheid hebben, dat wil zeggen bestand zijn tegen mechanische belasting bij hoge temperaturen tijdens extrusie. Het moet een hoge slagvastheid en breukvastheid hebben bij zowel normale als hoge temperaturen, om te voorkomen dat de matrijs bros breekt onder spanning of stootbelasting.
Het moet een hoge slijtvastheid hebben, dat wil zeggen dat het oppervlak bestand moet zijn tegen slijtage bij langdurige hoge temperaturen, hoge druk en slechte smering, vooral bij het extruderen van aluminiumlegeringen. Het moet bestand zijn tegen metaalhechting en slijtage.
Een goede hardbaarheid is vereist om hoge en uniforme mechanische eigenschappen over de gehele doorsnede van het gereedschap te garanderen.
Een hoge thermische geleidbaarheid is vereist om de warmte snel van het werkoppervlak van de gereedschapsmal af te voeren en zo plaatselijke oververbranding of overmatig verlies van mechanische sterkte van het geëxtrudeerde werkstuk en de mal zelf te voorkomen.
Het moet een hoge weerstand hebben tegen herhaalde cyclische belasting, dat wil zeggen een hoge duurzaamheid om vroegtijdige vermoeiingsschade te voorkomen. Het moet ook een zekere corrosiebestendigheid en goede nitreerbaarheidseigenschappen hebben.
3.2 Redelijk ontwerp van de mal
Een goed ontwerp van de matrijs is essentieel voor het verlengen van de levensduur. Een correct ontworpen matrijsconstructie moet ervoor zorgen dat er onder normale gebruiksomstandigheden geen kans is op breuk door impact en spanningsconcentratie. Probeer daarom bij het ontwerpen van de matrijs de spanning op elk onderdeel gelijkmatig te verdelen en let op het vermijden van scherpe hoeken, holle hoeken, wanddikteverschillen, vlakke, brede, dunne wanddelen, enz. om overmatige spanningsconcentratie te voorkomen. Dit kan leiden tot vervorming door warmtebehandeling, scheuren en brosse breuk of vroegtijdige scheurvorming tijdens gebruik. Een gestandaardiseerd ontwerp is tevens bevorderlijk voor de uitwisseling van opslag en onderhoud van de matrijs.
3.3 Verbeter de kwaliteit van de warmtebehandeling en oppervlaktebehandeling
De levensduur van de extrusiematrijs hangt grotendeels af van de kwaliteit van de warmtebehandeling. Geavanceerde warmtebehandelingsmethoden en -processen, evenals hardings- en oppervlakteversterkende behandelingen, zijn daarom bijzonder belangrijk om de levensduur van de matrijs te verbeteren.
Tegelijkertijd worden warmtebehandelings- en oppervlakteversterkingsprocessen strikt gecontroleerd om warmtebehandelingsfouten te voorkomen. Het aanpassen van de parameters van het afschrik- en ontlaatproces, het verhogen van het aantal voorbehandelingen, stabilisatiebehandelingen en ontlaten, het letten op temperatuurregeling en de verwarmings- en koelintensiteit, het gebruik van nieuwe afschrikmedia en het bestuderen van nieuwe processen en nieuwe apparatuur, zoals verstevigings- en taaiheidsbehandelingen en diverse oppervlakteversterkende behandelingen, dragen bij aan een langere levensduur van de matrijs.
3.4 Verbeter de kwaliteit van de matrijzenbouw
Bij de verwerking van mallen zijn mechanische bewerking, draadsnijden, elektrische ontlading, enz. gangbare verwerkingsmethoden. Mechanische bewerking is een onmisbaar en belangrijk proces in het proces van het verwerken van mallen. Het verandert niet alleen de uiterlijke afmetingen van de mal, maar heeft ook direct invloed op de kwaliteit van het profiel en de levensduur ervan.
Het draadsnijden van matrijsgaten is een veelgebruikte procesmethode bij het vervaardigen van matrijzen. Het verbetert de efficiëntie en nauwkeurigheid van het proces, maar brengt ook enkele specifieke problemen met zich mee. Als een matrijs die met draadsnijden is bewerkt bijvoorbeeld direct in de productie wordt gebruikt zonder te ontlaten, zal er gemakkelijk slakvorming, afbladdering, enz. optreden, wat de levensduur van de matrijs verkort. Voldoende ontlaten van de matrijs na het draadsnijden kan daarom de oppervlaktetrekspanning verbeteren, de restspanning verminderen en de levensduur van de matrijs verlengen.
Spanningsconcentratie is de belangrijkste oorzaak van matrijsbreuk. Binnen de grenzen van het ontwerp geldt: hoe groter de diameter van de snijdraad, hoe beter. Dit verbetert niet alleen de verwerkingsefficiëntie, maar verbetert ook de spanningsverdeling aanzienlijk om spanningsconcentratie te voorkomen.
Elektrisch ontladingsverspanen is een vorm van elektrische corrosiebewerking die wordt uitgevoerd door de superpositie van materiaalverdamping, smelten en verdamping van de bewerkingsvloeistof die tijdens het ontladen ontstaat. Het probleem is dat door de warmte van verwarming en koeling die inwerkt op de bewerkingsvloeistof en de elektrochemische werking van de bewerkingsvloeistof, een gemodificeerde laag in het bewerkingsonderdeel wordt gevormd die spanning en rek veroorzaakt. In het geval van olie ontbinden de koolstofatomen door de verbranding van de olie en diffunderen en carbureren naar het werkstuk. Wanneer de thermische spanning toeneemt, wordt de aangetaste laag bros en hard en is deze gevoelig voor scheuren. Tegelijkertijd worden restspanningen gevormd en aan het werkstuk gehecht. Dit resulteert in een verminderde vermoeiingssterkte, versnelde breuk, spanningscorrosie en andere verschijnselen. Daarom moeten we tijdens het bewerkingsproces proberen bovenstaande problemen te voorkomen en de bewerkingskwaliteit te verbeteren.
3.5 Verbeter de werkomstandigheden en de omstandigheden van het extrusieproces
De werkomstandigheden van de extrusiematrijs zijn zeer slecht en de werkomgeving is ook zeer slecht. Daarom is het verbeteren van de extrusieprocesmethode en procesparameters, evenals het verbeteren van de werkomstandigheden en werkomgeving, gunstig voor het verlengen van de levensduur van de matrijs. Daarom is het noodzakelijk om vóór extrusie het extrusieplan zorgvuldig te formuleren, het beste apparatuursysteem en de beste materiaalspecificaties te selecteren, de beste extrusieprocesparameters te formuleren (zoals extrusietemperatuur, snelheid, extrusiecoëfficiënt en extrusiedruk, enz.) en de werkomgeving tijdens extrusie te verbeteren (zoals waterkoeling of stikstofkoeling, voldoende smering, enz.), waardoor de werklast van de matrijs wordt verminderd (zoals het verlagen van de extrusiedruk, het verminderen van koude warmte en wisselende belasting, enz.), en de procesprocedures en veilige gebruiksprocedures vast te stellen en te verbeteren.
4 Conclusie
Met de ontwikkeling van trends in de aluminiumindustrie is iedereen de afgelopen jaren op zoek gegaan naar betere ontwikkelingsmodellen om de efficiëntie te verbeteren, kosten te besparen en de voordelen te vergroten. De extrusiematrijs is ongetwijfeld een belangrijk besturingsknooppunt voor de productie van aluminiumprofielen.
Er zijn veel factoren die de levensduur van aluminium extrusiematrijzen beïnvloeden. Naast interne factoren zoals het structurele ontwerp en de sterkte van de matrijs, de matrijsmaterialen, de koude en thermische verwerking en elektrische verwerkingstechnologie, warmtebehandeling en oppervlaktebehandeling, zijn er ook extrusieproces- en gebruiksomstandigheden, onderhoud en reparatie van de matrijs, de materiaaleigenschappen en vorm van het extrusieproduct, specificaties en het wetenschappelijk beheer van de matrijs.
Tegelijkertijd zijn de beïnvloedende factoren niet één enkel probleem, maar een complex, multifactorieel, allesomvattend probleem. Om de levensduur ervan te verbeteren is er natuurlijk ook een systemisch probleem. In de daadwerkelijke productie en het gebruik van het proces moeten het ontwerp, de matrijsverwerking, het gebruik, het onderhoud en andere belangrijke aspecten van de controle worden geoptimaliseerd en vervolgens de levensduur van de matrijs worden verbeterd, de productiekosten worden verlaagd en de productie-efficiëntie wordt verbeterd.
Bewerkt door May Jiang van MAT Aluminum
Plaatsingstijd: 14-08-2024
