Limites du rapport d'extrusion de l'aluminium extrudé ?
L'extrusion d'aluminium échoue souvent lorsque le rapport est poussé trop loin. Les profilés se fissurent, les outils se cassent et les coûts augmentent rapidement. De nombreux acheteurs sont confrontés à ce problème une fois que les dessins sont déjà finalisés.
Le rapport d'extrusion des profilés en aluminium est limité par la contrainte d'écoulement du métal, l'état de la billette, la résistance de la matrice, le type d'alliage et la capacité de la presse. Lorsqu'un facteur atteint sa limite, une extrusion stable n'est plus possible.
De nombreux ingénieurs demandent des rapports plus élevés afin de réduire le poids ou l'usinage. Cela semble logique. Mais l'extrusion n'est pas illimitée. Connaître les limites réelles permet d'éviter les modifications de conception, les retards et les risques liés à la qualité.
Qu'est-ce qui limite le taux d'extrusion dans les profilés en aluminium ?
Le rapport d'extrusion de l'aluminium correspond au rapport entre la section transversale de la billette et la section transversale du profilé final. En théorie, plus ce rapport est élevé, mieux c'est. En pratique, plusieurs limites physiques apparaissent très tôt.
La première limite stricte provient de la contrainte d'écoulement du métal. L'aluminium doit se déformer et passer à travers l'ouverture de la matrice. À mesure que le rapport augmente, la résistance augmente rapidement. La presse doit générer une force beaucoup plus élevée. Une fois que la force requise dépasse la capacité de la presse, l'extrusion n'est plus possible.
La deuxième limite est la résistance du moule. Un rapport élevé signifie des ouvertures de moule minces et des longueurs de roulement longues. La contrainte à l'intérieur du moule augmente. Si la contrainte dépasse la résistance de l'acier du moule, des fissures ou des ruptures se produisent. La durée de vie de l'outil diminue fortement avant même la défaillance.
La troisième limite est liée à la température. Des rapports plus élevés génèrent davantage de frottements et de chaleur de déformation. Si la température du métal augmente trop, des déchirures superficielles et une fragilité à chaud apparaissent. Si la température baisse trop, l'écoulement s'arrête et la pression augmente brusquement.
Limites de la force mécanique
La force d'extrusion augmente de manière quasi linéaire avec le rapport d'extrusion pour un même alliage et une même taille de billette. La capacité de la presse fixe donc une limite maximale.
| Facteur | Effet sur le rapport d'extrusion |
|---|---|
| Tonnage de presse | Limite directe |
| Diamètre de la billette | Des billettes plus grandes permettent des ratios plus élevés |
| État du conteneur | Les conteneurs usés réduisent le ratio maximal |
Si la force est trop élevée, les composants du presse se fatiguent plus rapidement. Les dommages à long terme coûtent souvent plus cher qu'une refonte.
Limites de contrainte
La contrainte ne varie pas progressivement. Elle augmente fortement dès que les ouvertures se rétrécissent.
- Les côtes fines augmentent le stress
- Les roulements longs augmentent la contrainte
- Les profils asymétriques augmentent les contraintes
Lorsque la contrainte est trop élevée, la rupture est soudaine. Il y a peu de signes avant-coureurs.
Stabilité du flux métallique
Des ratios élevés augmentent le déséquilibre du débit. Certaines zones accélèrent tandis que d'autres prennent du retard. Cela entraîne :
- Torsion
- Salut
- Lignes de surface
- Vides internes
Le débit stable devient plus difficile à mesure que le rapport augmente.
Le rapport d'extrusion est principalement limité par la force de pression et la résistance de la filière.Vrai
Des taux d'extrusion plus élevés augmentent la force requise et la contrainte interne de la filière jusqu'à atteindre les limites de l'équipement ou de l'outillage.
Le rapport d'extrusion de l'aluminium n'a pas de limite supérieure réelle si la vitesse est suffisamment réduite.Faux
Même à très faible vitesse, la capacité de compression, la résistance des matrices et la physique de l'écoulement des métaux imposent des limites strictes.
Comment le choix de l'alliage influe-t-il sur le rapport réalisable ?
Tous les alliages d'aluminium ne s'extrudent pas de la même manière. Le choix de l'alliage est souvent plus important que la taille de la presse.
Les alliages mous s'écoulent facilement. Les alliages durs résistent à la déformation. Cela influe directement sur le rapport d'extrusion réalisable.
Les alliages 6xxx sont les plus adaptés à l'extrusion. Le 6063 permet des ratios beaucoup plus élevés que le 6061. Le 6082 permet des ratios plus faibles que les deux autres. Les alliages 7xxx sont beaucoup plus limités.
Différences de contrainte d'écoulement selon l'alliage
Chaque alliage présente une contrainte d'écoulement différente à la température d'extrusion. Une contrainte d'écoulement plus élevée signifie plus de force et un rapport maximal plus faible.
| Famille d'alliages | Capacité relative du rapport d'extrusion |
|---|---|
| 1xxx | Très élevé |
| 3xxx | Haut |
| 5xxx | Moyen |
| 6xxx | Élevé à moyen |
| 7xxx | Faible |
Le 6063-T5 peut souvent atteindre des ratios supérieurs à 80:1 dans de bonnes conditions. Le 6061-T6 peut avoir des difficultés à dépasser 50:1. Certains alliages 7xxx sont limités à moins de 20:1.
Effets chimiques des alliages
Les petits changements chimiques ont leur importance.
- Une teneur plus élevée en magnésium augmente la résistance mais réduit la fluidité.
- Le silicium améliore l'extrudabilité
- Le cuivre réduit l'extrudabilité
Le contenu recyclé peut également augmenter les niveaux d'impuretés, ce qui réduit la cohérence du flux à des ratios élevés.
Impact du traitement thermique
L'extrusion est réalisée à chaud, mais la réponse de l'alliage reste importante.
- Les billettes homogénéisées s'écoulent mieux
- Une mauvaise homogénéisation augmente les pics de pression.
- Une composition chimique inégale des billettes entraîne un déséquilibre du flux.
Le choix d'un alliage inadapté pour un profil mince entraîne souvent un dépassement des limites de sécurité.
L'aluminium 6063 peut généralement atteindre des taux d'extrusion plus élevés que le 6061.Vrai
Le 6063 présente une contrainte d'écoulement plus faible et une meilleure extrudabilité, ce qui permet d'obtenir des ratios plus élevés dans des conditions similaires.
Tous les alliages 6xxx ont des limites de rapport d'extrusion presque identiques.Faux
Même au sein d'une même famille, les différences de chimie et de force entraînent d'importantes variations dans les ratios réalisables.
Les sections à parois minces peuvent-elles atteindre des taux d'extrusion élevés ?
Les parois minces sont la raison la plus courante pour laquelle les taux d'extrusion sont trop élevés.
Dans de nombreux dessins, l'épaisseur des parois est réduite afin de gagner en poids. Cependant, des parois minces augmentent à la fois le taux d'extrusion et la contrainte exercée sur la matrice. Il s'agit là d'une combinaison dangereuse.
Épaisseur de paroi par rapport au rapport
Lorsque l'épaisseur de la paroi diminue, la surface du profilé diminue. Le rapport augmente rapidement.
| Epaisseur de la paroi | Plage typique du ratio de sécurité |
|---|---|
| Au-dessus de 3,0 mm | 30:1 à 60:1 |
| 2,0 à 3,0 mm | 40:1 à 80:1 |
| 1,0 à 2,0 mm | 50:1 à 100:1 |
| Inférieur à 1,0 mm | Très risqué |
Les parois minces inférieures à 1,2 mm nécessitent souvent des alliages spéciaux, des vitesses lentes et une durée de vie réduite des matrices.
Les défis liés à l'équilibre des flux
Les sections minces refroidissent plus rapidement. Les sections épaisses restent chaudes plus longtemps. Cela provoque un écoulement irrégulier.
- Les murs minces gèlent tôt
- Les murs épais continuent de couler
- Le profil se déforme à la sortie
Un rapport élevé aggrave la situation car les différences de vitesse d'écoulement augmentent.
Limites structurelles des matrices
Les parois très fines nécessitent des languettes très fines. Ces languettes se plient ou se cassent sous une charge élevée.
Même si l'extrusion est possible, le taux de rebut peut être élevé.
Les murs minces peuvent atteindre des ratios élevés uniquement lorsque :
- L'alliage est mou.
- La presse est grande
- La vitesse est très lente.
- La conception des matrices est optimisée.
Cela augmente considérablement les coûts.
Les profilés en aluminium à paroi mince ne peuvent atteindre des taux d'extrusion élevés que dans des conditions contrôlées.Vrai
Les parois minces augmentent la contrainte sur la matrice et le déséquilibre du flux, ce qui nécessite une optimisation de l'alliage, de la vitesse et de l'outillage.
L'épaisseur de la paroi a peu d'effet sur les limites du rapport d'extrusion.Faux
L'épaisseur de la paroi influe directement sur la surface du profilé, la contrainte exercée sur la matrice et la stabilité de l'écoulement du métal.
Quels paramètres de production définissent les taux d'extrusion maximaux ?
Même avec l'alliage et la conception adéquats, ce sont les paramètres de production qui déterminent la limite finale.
Ces paramètres sont souvent réglables, mais uniquement dans une plage de sécurité étroite.
Température du billette
La température de la billette contrôle la contrainte d'écoulement.
- Trop faible : pics de pression, dommages au moule
- Trop élevé : déchirure de la surface, croissance du grain
Des rapports plus élevés nécessitent une température de billette plus élevée, mais seulement jusqu'à un certain point.
Vitesse d'extrusion
Une vitesse plus lente réduit légèrement la pression et améliore la stabilité du débit.
- Un rapport élevé nécessite souvent une vitesse lente.
- Une lenteur excessive réduit la productivité
- Une vitesse trop élevée provoque des défauts de surface.
Le réglage de la vitesse ne peut pas dépasser les limites de la presse ou de la matrice.
Lubrification et état du conteneur
La friction ajoute une charge.
- Les conteneurs usés augmentent la friction
- Une mauvaise lubrification augmente la pression.
- Les surfaces sales des billettes augmentent la résistance.
Un bon entretien peut prolonger les limites de rapport de 5 à 10 %.
Paramètres de conception des matrices
La conception des matrices est le facteur le plus important après le choix de l'alliage.
- La longueur du roulement contrôle le débit
- La conception de la poche équilibre la vitesse
- La qualité de l'acier de la matrice influe sur la résistance
Une conception médiocre des matrices peut réduire de moitié le rapport réalisable.
| Paramètres | Effet sur le rapport maximal |
|---|---|
| Température du billet | Moyen |
| Vitesse | Moyen |
| Conception de la matrice | Haut |
| Maintenance | Moyen |
Rigidité et alignement de la presse
Les presses plus anciennes fléchissent davantage sous la charge. Cela provoque un flux irrégulier et une concentration des contraintes au niveau de la matrice. Les presses modernes gèrent mieux les rapports élevés, même à un tonnage similaire.
La conception de la matrice a un impact plus important sur le rapport d'extrusion maximal que la vitesse d'extrusion.Vrai
La géométrie optimisée des matrices améliore le débit et réduit les contraintes bien plus que les seuls changements de vitesse.
L'augmentation de la température de la billette permet toujours d'augmenter le taux d'extrusion en toute sécurité.Faux
Une température trop élevée provoque des défauts de surface et une instabilité du matériau.
Conclusion
Le taux d'extrusion de l'aluminium est limité par la physique, l'outillage, l'alliage et le contrôle du processus. Dépasser ces limites augmente les coûts et les risques. Comprendre rapidement les limites réelles permet d'obtenir de meilleures conceptions et une production stable.
