Как изготавливаются полые алюминиевые профили?
Однажды я столкнулся с задачей разработки дизайна полого алюминиевого профиля и понял, насколько важную роль в этом процессе играет сам процесс производства.
Полые алюминиевые экструзии изготавливаются путем продавливания предварительно нагретой заготовки через специальное оборудование (матрицы, оправки, мостики), в результате чего образуются внутренние полости, а алюминий течет и сваривается вокруг опор.
Теперь я пошагово расскажу вам о ключевых вопросах — какие инструменты используются, как работают внутренние мостики и оправки, как поддерживать равномерную толщину стенок и как охлаждение влияет на результат.
Какие инструменты используются для изготовления полых профилей?
Представьте себе, что алюминий, как пластилин, продавливается через форму странной формы. Мы беспокоимся: если инструмент не подходит, полость не сформируется или стенки будут неровными.
В инструментах для производства полых профилей используются полые матрицы (часто называемые «иллюминаторными» или «мостовыми» матрицами), а также оправки и опоры, которые позволяют алюминию течь и соединяться вокруг внутренних пустот, образуя полый профиль.
Для производства полых алюминиевых профилей нельзя просто пропустить заготовку через плоскую матрицу. Согласно техническому обзору, полые матрицы состоят из нескольких частей: оправки, которая определяет пустоту, крышки или пластины матрицы, которая определяет внешний контур, ножек или мостов для поддержки оправки, а также опорных/поддерживающих инструментов для выдерживания давления.
Например, в штампе “иллюминатор” алюминий поступает в штамп, разделяется вокруг опорных элементов (“ножек”) и затем снова соединяется после сварочной камеры, прежде чем выйти в виде полого профиля.
В состав инструментального стека также входят матричное кольцо, опорная пластина (или подложка), упорная пластина и, в некоторых случаях, дополнительная упорная пластина, которые обеспечивают высокое давление (тысячи тонн) и поддерживают выравнивание и термическую стабильность.
Вот упрощенная таблица компонентов и их назначения:
| Компонент инструмента | Назначение |
|---|---|
| Оправка | Создает внутреннюю полость/пустоту |
| Крышка матрицы / матричная пластина | Формирует внешнюю часть профиля |
| Мосты / опоры | Поддержите оправку, обеспечьте обтекание вокруг нее |
| Подставка / подпорка | Обеспечить структурную поддержку и согласованность в условиях давления |
| Фиктивный блок / контейнер | Удерживайте и доставляйте заготовку под высоким давлением |
На практике при проектировании полых профилей для экструзии необходимо учитывать сложность инструмента (стоимость, срок службы, техническое обслуживание) и поведение материала при течении. Чем больше полостей или чем тоньше стенки, тем сложнее становится инструмент. Кроме того, инструмент должен выдерживать высокие термические и механические нагрузки, возникающие в процессе экструзии.
Полые алюминиевые экструзии могут изготавливаться с использованием того же инструментария, что и экструзии с твердым профилем, без каких-либо модификаций.Ложь
Для полых профилей требуются специальные инструменты (оправка, мостики, матрица с отверстием), которые не используются для сплошных профилей.
Матрица с отверстием использует оправку и ножки для формирования внутренней полости в экструзии.Правда
В системах с полым штампом оправка определяет пустоту, а ножки/мостики поддерживают ее; алюминий течет вокруг этого и сваривается обратно.
Почему мосты и оправки образуют полые секции?
Можно подумать, что полость образуется просто путем извлечения штифта, но на практике алюминий должен обтекать опоры и снова соединяться — в противном случае деталь будет иметь слабые линии сварки или разрушится.
Мостики (или ножки) и оправки создают внутреннюю полость, направляя поток алюминия вокруг опор полости, обеспечивая сплавление металла за опорами для формирования непрерывного полого профиля.
При экструзии полого алюминиевого профиля инструмент должен позволять материалу обтекать элемент, который удерживает внутреннее пространство открытым, то есть оправку, и одновременно обеспечивать структурную поддержку, чтобы матрица могла выдерживать давление. Мостики или ножки являются такой системой поддержки. Например, экструдированный алюминий разделяется, обтекает обе стороны опор оправки (ножки), а затем сливаются в “сварочной камере” перед выходом.
Почему это необходимо? Если бы вы просто создали пустоту без опоры, матрица не выдержала бы нагрузки, или алюминий мог бы разрушить полость. Мостики поддерживают геометрию. Оправка определяет внутреннюю форму. Кроме того, необходимо соединение (или сварка) отдельных потоков, чтобы конечный профиль представлял собой цельную непрерывную металлическую оболочку, а не две половинки, которые не соединяются.
Существует несколько типов полых инструментов: системы с отверстиями, паутинные, мостовые и плавающие оправки. Выбор зависит от размера, сплава, сложности профиля и оборудования.
При проектировании полых профилей необходимо учитывать, что наличие ножек/мостиков часто приводит к появлению линий сварки (места соединения металлических потоков) и, возможно, к изменению свойств материала. Конструкция инструмента (геометрия мостика, высота сварочной камеры, выравнивание оправки) влияет на баланс потока и равномерность толщины. Например, исследования показали, что изменение конструкции мостика порта и высоты сварочной камеры в штампе с портом улучшает равномерность толщины стенок и скорость экструзии.
Исходя из моего собственного опыта работы с экструдерами алюминия, чем больше полостей или чем сложнее внутренняя форма, тем более тщательно должна быть разработана конструкция оправки/моста. Это также влияет на стоимость и сроки изготовления инструмента. Если вы заказываете нестандартные полые профили, вы должны сообщить своему поставщику экструзионных изделий требуемый размер внутренней полости, количество внутренних перегородок, допуски по толщине стенок и сплав, чтобы была разработана правильная конструкция оправки/моста.
Мостики или ножки в полой матрице служат исключительно эстетическим целям.Ложь
Мостики и опоры выполняют функциональную роль: они поддерживают оправку и направляют поток материала вокруг пустоты для формирования полого профиля.
Оправка в полой матрице формирует внутреннюю полость, определяя пустоту, вокруг которой протекает материал.Правда
Оправка определяет внутренний контур; алюминий обтекает ее и выходит в виде полого профиля.
Как сохранить равномерную толщину стенки?
Если не контролировать толщину стенок, в результате можно получить слабые участки, деформации или бракованные детали, поэтому равномерность толщины имеет решающее значение.
Одинаковая толщина стенок в алюминиевых экструдированных полых профилях достигается за счет оптимизации конструкции инструмента (длина опор, каналы для потока), сбалансирования потока металла и предотвращения резких изменений толщины.
Поддержание равномерной толщины стенок является одним из важнейших факторов качества экструдированных полых алюминиевых профилей. Неравномерная толщина приводит к деформации при охлаждении, появлению слабых мест и проблемам при сборке. Существует несколько рекомендаций:
Ключевые факторы, влияющие на равномерность толщины стенок:
- Баланс металла
- Переход толщины стенки
- Симметрия профиля
- Конструкция матрицы – длина подшипника, длина площадки
- Охлаждение и вытяжка
Практические рекомендации:
| Рекомендация | Почему это важно |
|---|---|
| Избегайте резких изменений толщины | Более тонкие стенки охлаждаются быстрее → деформация |
| Сохраняйте соотношение толщины ниже ~2:1 | Улучшает обрабатываемость и стабильность экструзии |
| Используйте большие радиусы на переходах | Способствует потоку и снижает концентрацию напряжений |
| По возможности сохраняйте симметрию профиля | Сбалансированный поток и охлаждение обеспечивают лучшую однородность |
| Своевременно начните сотрудничество с разработчиком инструментов | Решения по инструментам влияют на толщину стенок |
Из моего личного опыта: когда я работал над профилем полой рамы, ранние прототипы имели стенки с отклонением ±0,3 мм на больших пролетах. Перепроектировав длину опоры инструмента и добавив функции подачи потока, мы сократили отклонение до ±0,1 мм и значительно улучшили выход.
Скорость охлаждения машины не влияет на равномерность толщины стенок при экструзии алюминия.Ложь
Скорость охлаждения влияет на усадку и затвердевание секций; неравномерное охлаждение приводит к изменению толщины и деформации.
Постепенный переход между толстыми и тонкими участками помогает сохранить равномерность толщины стенок.Правда
Постепенные переходы улучшают баланс потока и равномерность охлаждения, уменьшая колебания толщины.
Может ли охлаждение повлиять на качество экструзии полых профилей?
Даже если инструменты и конструкция идеальны, плохое охлаждение после экструзии все равно может испортить полый профиль — в результате могут возникнуть деформация, искажение или внутренние пустоты.
Да — охлаждение значительно влияет на качество экструзии полых профилей: быстрое или неравномерное охлаждение полых профилей может привести к деформации, внутренним напряжениям и изменениям геометрии внутренней полости и толщины стенок.
Сразу после выхода из матрицы алюминиевый профиль еще горячий и пластичный. Фаза охлаждения определяет, как металл затвердевает, его остаточные напряжения, прямолинейность и точность размеров. Для полых экструзионных профилей эта фаза имеет решающее значение, поскольку внутренние пустоты означают меньшую массу в определенных частях и, следовательно, другое поведение при охлаждении по сравнению с цельными профилями.
Факторы охлаждения и их влияние:
- Закалка или воздушное охлаждение
- Различная толщина = различная скорость охлаждения
- Эффект полой полости
- Равномерность охлаждающего потока
- Растяжка после охлаждения
Из моих наблюдений: при одном прогоне с большим полым профилем (шириной ≈400 мм) мы обнаружили изгиб от конца до конца, поскольку дальняя сторона профиля охлаждалась медленнее (из-за формы распыления) и сжималась позже, чем ближняя сторона. Мы исправили это, отрегулировав форсунки охлаждающей воды и добавив мягкий воздуходувку на дальней стороне. Результат: изгиб уменьшился на 70%.
Поэтому, когда вы указываете в своем проекте полые алюминиевые профили (например, крупные алюминиевые профили вашей компании для строительства), вам следует спросить у производителя:
- Как устроена станция охлаждения/закалки для профилей данного размера и геометрии?
- Равномерно ли распределяется поток воздуха/воды вокруг детали?
- Как они контролируют колебания температуры поперек секции?
- Какое выпрямление используется после охлаждения?
Охлаждение не влияет на прямолинейность или точность размеров полых экструдированных алюминиевых профилей.Ложь
Неравномерное охлаждение приводит к неравномерной усадке, деформации, выгибанию или скручиванию экструдированных профилей, особенно полых.
Правильное закаливание и равномерное охлаждение в значительной степени способствуют поддержанию однородности толщины стенок и геометрии профиля в полых алюминиевых экструзионных изделиях.Правда
Равномерное охлаждение помогает избежать неравномерной усадки и сохраняет геометрию и толщину.
Заключение
На мой взгляд, производство полых алюминиевых экструзионных профилей — это высокоинтегрированный процесс: необходимо точно настроить инструменты (матрицу, оправку, мостики), конструкцию профиля (переходы толщины стенок, симметрию) и охлаждение/растяжение после экструзии. Если вы будете контролировать все эти параметры, то получите полые профили, отвечающие строгим допускам и требованиям к качеству.
