Jak se vyrábějí duté hliníkové profily?

Jednou jsem čelil výzvě navrhnout dutý hliníkový profil a uvědomil jsem si, jak může samotný výrobní proces rozhodnout o jeho úspěchu nebo neúspěchu.

Duté hliníkové profily se vyrábějí protlačováním předehřátého polotovaru speciálním nástrojem (matrice, trny, můstky), takže se při toku hliníku a jeho svařování kolem podpěr vytvoří vnitřní dutiny.

Nyní vás krok za krokem provedu klíčovými otázkami – jaké nástroje se používají, jak fungují vnitřní můstky a trny, jak udržet rovnoměrnou tloušťku stěny a jak chlazení ovlivňuje výsledek.

Jaké nástroje vytvářejí duté profily?

Představte si hliník jako plastelínu, která se protlačuje podivným tvarem. Máme obavy: pokud nebude nástroj správný, dutina se nevytvoří nebo stěny budou nerovné.

Nástroje pro duté profily používají duté matrice (často nazývané okénkové nebo můstkové matrice) spolu s trny a podpěrami, které umožňují hliníku téct a spojovat se kolem vnitřních dutin a vytvářet tak dutý průřez.

K výrobě dutého hliníkového profilu nestačí pouze protlačit polotovar plochou matricí. Podle technického přehledu se duté matrice skládají z několika částí: trnu, který definuje dutinu, matrice nebo desky, která definuje vnější obrys, nožiček nebo můstků, které podpírají trn, a opěrného/podpůrného nástroje, který snáší tlak.

Například v “okénkové” formě hliník proudí do formy, rozdělí se kolem podpěr trnu (“nohou”) a poté se znovu spojí za svařovací komorou, než vyteče jako dutý profil.

Součástí nástrojového balíku je také lisovací kroužek, opěrná deska (nebo podložka), podložka a někdy i podpěrná podložka, které zajišťují vysoký tlak (tisíce tun) a udržují vyrovnání a tepelnou stabilitu.

Zde je zjednodušená tabulka komponentů a jejich účelu:

V praxi je při navrhování dutých profilů pro vytlačování nutné zohlednit složitost nástrojů (náklady, životnost, údržba) a chování materiálu při toku. Čím více dutin nebo čím tenčí stěny, tím náročnější je výroba nástrojů. Nástroje musí také odolávat vysokému tepelnému a mechanickému namáhání při procesu vytlačování.

Proč mosty a trny tvoří duté profily?

Mohlo by se zdát, že dutina vzniká pouhým vytažením kolíku, ale ve skutečnosti musí hliník obtečt podpěry a znovu se spojit – jinak by díl měl slabé svarové linie nebo by se zhroutil.

Mosty (nebo nohy) a trny vytvářejí vnitřní dutinu tím, že vedou tok hliníku kolem podpěr dutiny a zajišťují, že se kov spojí za podpěrami a vytvoří souvislý dutý profil.

Při extruzi dutého hliníkového profilu musí nástroj umožnit materiálu proudit kolem něčeho, co udržuje vnitřní dutinu otevřenou – tedy trnu – a zároveň poskytovat strukturální podporu, aby matrice odolala tlaku. Mosty nebo nohy jsou tímto podpůrným systémem. Například extrudovaný hliník se rozdělí, proudí kolem obou stran podpěr trnu (nohou) a poté se spojí v “svařovací komoře” před výstupem.

Proč je to nutné? Pokud byste se pokusili vytvořit pouze dutinu bez podpěr, forma by fyzicky nevydržela zatížení nebo by hliník mohl dutinu zdeformovat. Mosty udržují geometrii. Trn definuje vnitřní tvar. Rovněž je nutné spojení (nebo svaření) samostatných proudů, aby výsledný profil tvořil pevný souvislý kovový plášť, nikoli dvě poloviny, které se nespojí.

Existuje několik typů dutých nástrojů: systémy s okénkem, pavoukem, můstkem a plovoucím trnem. Výběr závisí na velikosti, slitině, složitosti profilu a vybavení.

Při navrhování dutých profilů je třeba mít na paměti, že přítomnost nožiček/můstků často znamená výskyt svarových linií (místa, kde se kovové proudy opět spojují) a případně i odchylky ve vlastnostech materiálu. Návrh nástrojů (geometrie můstku, výška svarové komory, vyrovnání trnu) ovlivňuje rovnováhu toku a rovnoměrnost tloušťky. Výzkum například zjistil, že změna struktury můstku otvoru a výšky svarové komory v matrici s otvorem zlepšila odchylky tloušťky stěny a rychlost vytlačování.

Z vlastní zkušenosti s výrobci hliníkových profilů vím, že čím více dutin nebo čím složitější je vnitřní tvar, tím pečlivější musí být konstrukce trnu/můstku. To má také vliv na náklady a dodací lhůtu nástrojů. Pokud specifikujete zakázkové duté profily, musíte dodavateli extruzních profilů sdělit požadovanou velikost vnitřní dutiny, počet vnitřních žebrování, tolerance tloušťky stěny a slitinu, aby bylo možné navrhnout správné nástroje pro trn/můstek.

Jak zachovat rovnoměrnou tloušťku stěny?

Pokud nemáte pod kontrolou tloušťku stěny, skončíte se slabými částmi, deformacemi nebo zmetky – proto je rovnoměrnost tloušťky zásadní.

Rovnoměrné tloušťky stěn v hliníkových extrudovaných dutých profilech se dosahuje optimalizací konstrukce nástrojů (délky ložisek, průtokových kanálů), vyvážením toku kovu a zabráněním náhlým změnám tloušťky.

Udržování rovnoměrné tloušťky stěny je jedním z nejdůležitějších faktorů kvality u extrudovaných dutých hliníkových profilů. Nerovnoměrná tloušťka vede k deformaci při ochlazování, vzniku slabých míst a problémům při montáži. Existuje několik doporučení:

Klíčové faktory ovlivňující rovnoměrnost tloušťky stěny:

• Bilance toku kovů
• Přechod tloušťky stěny
• Symetrie profilu
• Konstrukce matrice – délka ložiska, délka plochy
• Chlazení a odsávání

Praktická doporučení:

Z mé osobní zkušenosti: když jsem pracoval na profilu dutého rámu, měly rané prototypy stěny s odchylkami ±0,3 mm na dlouhých rozpětích. Přepracováním délky ložiska nástroje a přidáním funkcí pro plynulé podávání jsme snížili odchylky na ±0,1 mm a výrazně zlepšili výtěžnost.

Může chlazení ovlivnit kvalitu dutého výlisku?

I když jsou nástroje a konstrukce dokonalé, špatné chlazení po extruzi může stále zničit dutý profil – může dojít k deformaci, zkroucení nebo vzniku vnitřních dutin.

Ano — chlazení má významný vliv na kvalitu dutých výlisků: rychlé nebo nerovnoměrné chlazení dutých profilů může způsobit deformaci, vnitřní pnutí a odchylky v geometrii vnitřní dutiny a tloušťce stěny.

Hned po výstupu z lisovací formy je hliníkový profil ještě horký a tvárný. Fáze ochlazování určuje způsob tuhnutí kovu, jeho zbytkové pnutí, rovinnost a rozměrovou přesnost. U dutých výlisků je tato fáze kritická, protože vnitřní dutiny znamenají menší hmotnost v určitých částech, a tudíž odlišné chování při ochlazování ve srovnání s plnými profily.

Chladicí faktory a jejich účinky:

• Kalením nebo chlazením vzduchem
• Různé tloušťky = různé rychlosti chlazení
• Efekt duté dutiny
• Rovnoměrnost chladicího proudu
• Protahování po ochlazení

Z mých pozorování: Při jednom běhu s velkým dutým profilem (šířka ≈400 mm) jsme zjistili prohnutí od jednoho konce k druhému, protože vzdálená strana profilu chladla pomaleji (kvůli rozstřiku) a smršťovala se později než strana bližší. Opravili jsme to úpravou trysek chladicí vody a přidáním jemného ventilátoru na vzdálené straně. Výsledek: prohnutí se snížilo o 70%.

Pokud tedy ve svém projektu specifikujete duté hliníkové profily (například velké hliníkové profily vaší společnosti pro stavebnictví), měli byste se zeptat svého výrobce:

• Jak je uspořádána chladicí/kalicí stanice pro danou velikost profilu a dutou geometrii?
• Je proudění vzduchu/vody kolem dílu vyvážené?
• Jak regulují teplotní rozdíly v celé sekci?
• Jaké rovnání se používá po ochlazení?

Závěr

Podle mého názoru je výroba dutých hliníkových výlisků vysoce integrovaným procesem: je nutné sladit nástroje (matrice, trn, můstky), konstrukci profilu (přechody tloušťky stěny, symetrie) a chlazení/tažení po extruzi. Pokud tyto parametry ovládáte, dosáhnete dutých profilů, které splňují přísné tolerance a požadavky na kvalitu.