Анализ ключевых аспектов проектирования экструзионных пресс-форм для алюминия: течение металла, линии сварки и чистота поверхности 

ООО Интеллектуальная производственная технология Булайкес (Чжуншань), являясь технологическим пионером в области алюминиевой экструзии, всегда ставит инновации в проектировании и производстве пресс-форм в центр своей стратегии развития. Процесс алюминиевой экструзии по своей сути представляет собой передовую производственную технологию, при которой алюминиевая заготовка подвергается пластической деформации в условиях высоких температур и давления через отверстие матрицы определенной геометрической формы для получения профилей точного сечения. Благодаря превосходному коэффициенту использования материала и гибкой адаптивности конструкции, эта технология стала незаменимым методом обработки в таких передовых областях, как аэрокосмическая промышленность, железнодорожный транспорт, новые энергетические автомобили и высококлассная электронная аппаратура. Во всем процессе экструзионного производства пресс-форма является не только основным носителем, обеспечивающим пластическую деформацию материала, но и связующим звеном между проектированием продукта и окончательным формованием. Уровень ее проектирования напрямую определяет стабильность размеров профиля, механические свойства, качество поверхности и экономическую эффективность серийного производства. В сложной системе проектирования пресс-форм оптимизация системы течения металла, эффективный контроль качества линий сварки и обеспечение высокой чистоты поверхности образуют три наиболее сложные технические вершины. Эти три ключевых элемента, будучи независимыми, тесно взаимосвязаны, формируя «золотой треугольник», определяющий общую производительность пресс-формы. Конструктивный недостаток в любом из этих аспектов может привести к снижению эффективности всей производственной системы. В данной статье подробно рассматриваются внутренние взаимосвязи и стратегии оптимизации этих трех ключевых технических элементов.

Проектирование системы течения металла как основа успеха экструзионной пресс-формы для алюминия выполняет ключевую функцию по направлению нагретой алюминиевой заготовки для обеспечения плавного и равномерного течения в условиях высокого давления с целью формирования профиля заданного сечения через отверстие матрицы. Этот процесс требует не только непрерывности течения металла, но и, что более важно, его равномерности и стабильности. Любые локальные различия в скорости потока или нестабильность течения могут привести к таким дефектам, как коробление, трещины или дефекты поверхности профиля. Тщательно рассчитанная система течения должна строго следовать принципу равной скорости, обеспечивая высокую синхронность времени выхода расплава алюминия во всех точках выходного отверстия матрицы, что является первостепенным условием получения профилей с высокой точностью размеров.

В конкретном проектировании системы течения конфигурация разделительных отверстийявляется первоочередным фактором. Количество, геометрическая форма и пространственное расположение разделительных отверстий должны быть научно спланированы в соответствии со сложностью сечения профиля. Для профилей с простой и симметричной структурой, как правило, достаточно меньшего количества разделительных отверстий для обеспечения хорошего распределения металла. Для профилей со сложными геометрическими характеристиками или асимметричной структурой требуется увеличение количества разделительных отверстий и оптимизация их расположения для обеспечения равномерного заполнения всех областей полости матрицы потоком металла. Проектирование разделительных отверстий должно учитывать не только распределение потока, но и необходимость избегать возникновения чрезмерных напряжений сдвига и застойных зон.

Разделительный мост, являясь ключевой структурой, разделяющей поток металла, требует комплексного подхода к проектированию, учитывающего как механическую прочность, так и управление потоком. Рациональный угол наклона разделительного моста может эффективно направлять поток металла, уменьшая сопротивление течению, а гладкие переходные поверхности позволяют избежать концентрации напряжений и застоя металла. Толщина разделительного моста должна гарантировать отсутствие пластической деформации или разрушения под максимальным усилием прессования, одновременно минимизируя препятствие течению металла. Отличная конструкция разделительного моста позволяет максимально снизить потери энергии потока металла, обеспечивая при этом структурную прочность.

Качество проектирования камеры сварки напрямую влияет на целостность повторного соединения разделенного металла. Камера сварки должна обеспечивать достаточное пространство для полного диффузионного соединения потока металла под высоким давлением. Определение ее глубины и объема требует комплексного учета таких факторов, как коэффициент экструзии, марка сплава и скорость прессования. Слишком малая камера сварки приведет к недостаточному давлению сварки, что может вызвать образование видимых линий сварки в профиле или снижение механических свойств. Слишком большая камера сварки увеличит время металла, что может привести к его перегреву или попаданию оксидных включений. Идеальная конструкция камеры сварки должна обеспечивать равномерное гидростатическое давление, гарантируя завершение процесса сварки в оптимальных условиях.

Современное проектирование экструзионных пресс-форм для алюминия широко использует технологии компьютерного fluid dynamics (CFD) моделирования, создавая точные численные модели для прогнозирования поведения потока расплава алюминия в системе течения. Передовое программное обеспечение для моделирования может имитировать режимы течения металла, распределение температуры, напряженное состояние и качество сварки, помогая инженерам выявлять и устранять потенциальные конструктивные недостатки до изготовления пресс-формы. Этот метод цифрового проектирования не только значительно повышает успешность пробного прессования, но и существенно сокращает цикл разработки пресс-форм и снижает производственные затраты. Посредством итерационной оптимизации инженеры могут найти оптимальное сочетание параметров системы течения, добиваясь оптимального управления потоком металла.

Управление линиями сварки в проектировании пресс-форм для полых алюминиевых профилей действительно представляет особую техническую проблему, и уровень ее решения напрямую отражает комплексные возможности проектирования пресс-форм. По своей физической сути, линия сварки – это микроскопическая область интерфейса, образующаяся при повторном соединении потока металла, разделенного разделительным мостом, в камере сварки. С точки зрения металлургического механизма, этот процесс представляет собой твердотельную связь, осуществляемую за счет взаимной диффузии атомов металла в условиях высоких температур и давления. Хотя образование линий сварки является неизбежным физическим явлением в процессе экструзии полых профилей, их качество интерфейса и макроскопическая видимость могут быть эффективно контролируемы с помощью научного проектирования пресс-форм.

Некачественные линии сварки значительно ухудшают общие механические свойства профиля, особенно усталостную прочность и ударную вязкость, делая их потенциально слабым местом в конструкции. Что касается обработки поверхности, в области линии сварки после анодирования часто появляются заметные различия в цвете или полосы, серьезно влияющие на эстетическое качество и потребительскую ценность продукта. Поэтому контроль качества линии сварки касается не только механических свойств продукта, но и напрямую влияет на его коммерческую ценность.

Ключ к повышению качества сварки заключается в обеспечении достаточного давления сварки, что требует точного расчета проекционной площади камеры сварки и рационального установления коэффициента экструзии. Конструкция камеры сварки должна обеспечивать достаточное пространство и соответствующую геометрию для создания необходимого «срезающего» эффекта и условий высокого давления, способствующих полному диффузионному соединению между атомами металла. Исследования показывают, что существует определенное соотношение между оптимальной глубиной камеры сварки и толщиной стенки профиля; обычно его диапазоне 1,5-2,5 для достижения идеального эффекта сварки.

Кроме того, crucialны угол входа в камеру сварки и дизайн переходной кривой. Подходящий угол входа обеспечивает плавный переход потока металла, предотвращая возникновение турбулентности и захвата воздуха. Обтекаемая конструкция канала может эффектив предотвращать образование застойных зон, сокращая время металла и, тем самым, избегая попадания оксидных примесей в зону сварного шва. Современное проектирование пресс-форм также уделяет особое внимание чистоте поверхности обработки камеры сварки, обычно требуя зеркального уровня, чтобы снизить сопротивление потоку и улучшить качество соединения металлического потока.

В реальном производстве также необходимо учитывать влияние химического состава сплава на качество сварки. Различные серии алюминиевых сплавов демонстрируют различные характеристики сварки из-за различий в содержании легирующих элементов и особенностях микроструктуры. Сплавы серии 6xxx, как правило, обладают хорошей свариваемостью благодаря своей хорошей пластичности и характеристикам оксидной пленки, в то время как некоторые высоколегированные сплавы серии 7xxx требуют специальных технологических параметров и проектных решений для пресс-форм.

Передовые технологии численного моделирования предоставляют мощный инструмент для контроля качества линий сварки. С помощью CFD-моделирования можно точно предсказать распределение давления, режимы течения и характеристики температурного поля в камере сварки, предоставляя научную основу для оптимизации ее конструкции. В то же время, использование неразрушающих методов контроля, таких как ультразвуковой контроль, позволяет количественно оценивать качество сварки, устанавливая соответствие между параметрами процесса сварки и качеством продукции.

Обеспечение чистоты поверхности является комплексным отражением проектирования экструзионной пресс-формы для алюминия и напрямую определяет эстетические качества и функциональные характеристики продукта. Среди множества факторов, влияющих на качество поверхности, проектирование рабочей зоны (выходного пояска) матрицы занимает положение. Точное проектирование длины рабочей зоны является основным техническим средством регулирования скорости потока металла и обеспечения качества поверхности, и оно должно быть дифференцировано в соответствии с распределением скорости потока по сечениям профиля. Обычно требуется провести гидродинамический анализ сечения профиля: в областях с более высокой скоростью потока металла увеличить длину рабочей зоны для повышения сопротивления потоку, а в областях с более медленной скоростью – соответственно укоротить длину рабочей зоны для уменьшения сопротивления. Такая точная регулировка длин позволяет достичь сбалансированного течения металла.

Требования к качеству обработки поверхности рабочей зоны extremely строгие, необходимо достичь зеркальной чистоты (обычно требуется Ra ≤ 0,1 мкм), поскольку любые микроскопические дефекты поверхности пресс-формы копируются на поверхность профиля. Это требует не только использования передовых технологий точного шлифования, но и применения специальных методов обработки, таких как алмазное хонингование и электролитическая полировка. Кроме того, погрешность прямолинейности рабочей зоны должна контролироваться на уровне микрон; любая кривизна или рябь вызовут появление видимых полос на поверхности профиля.

Дизайн перехода у выходного отверстия матрицы также. Рациональный радиус закругления входа рабочей зоны (обычно 0,5-1,5 мм) может эффективно направлять поток металла, предотвращая концентрацию напряжений при контакте. Проектирование этой переходной зоны должно в полной мере учитывать характеристики потока и распределение температуры алюминиевой заготовки, обеспечивая как непрерывность течения, так и избегая образования застойных зон или вихрей. Оптимизированный дизайн закругления также может уменьшить явление прилипания алюминия и продлить срок службы пресс-формы.

Равномерность течения металла является еще одним ключевым фактором, влияющим на качество поверхности. Неравномерный поток может привести к появлению на поверхности профиля продольных полос, различий в цвете или даже коробления. Это требует комплексного учета при проектировании пресс-формы согласованности расположения разделительных отверстий, структуры камеры сварки и конфигурации рабочей зоны, а также использования CFD-моделирования для прогнозирования и оптимизации режимов течения. Особенно для профилей со сложным сечением часто требуется использование многоступенчатого подвода и ограничения потока для регулирования распределения металла.

Для профилей с различными требованиями к поверхности необходимы дифференцированные проектные стратегии. Для обычных строительных профилей основное внимание уделяется рациональной конфигурации длины рабочей зоны и базовой полировке поверхности. В то время как для профилей для электронных продуктов с высокими требованиями к поверхности требуются технологии ультра-тонкой полировки, даже необходимость достижения нано-level чистоты поверхности рабочей зоны. Для профилей, подвергающихся анодированию, требования к проектированию пресс-форм являются наиболее строгими, поскольку процесс анодирования усиливает любые малейшие дефекты поверхности, что требует использования специальных марок сталей для пресс-форм и более тонких технологий обработки.

Эти три ключевых аспекта не существуют изолированно, а представляют собой взаимосвязанное и взаимозависимое органическое целое. Изменения в проектировании системы течения влияют на состояние потока металла, направляющегося в камеру сварки, что, в свою очередь, влияет на качество сварки; размер и форма камеры сварки влияют на равномерность поступления металла к рабочей зоне, что в конечном итоге сказывается на чистоте поверхности; регулировка длины рабочей зоны изменяет сопротивление потоку металла, что, в свою очередь, влияет на распределение давления в системе течения. Эта сложная взаимосвязь требует от конструктора пресс-форм системного мышления; нельзя рассматривать любой проектный параметр изолированно. В реальном процессе проектирования часто требуется несколько итераций и оптимизаций с использованием передовых технологий моделирования и анализа для нахождения оптимального баланса между этими тремя аспектами. Успешный проект пресс-формы – это тот, который при соблюдении технических требований к продукту обеспечивает оптимальное сочетание эффективности течения, качества сварки и чистоты поверхности.

С развитием технологий проектирование экструзионных пресс-форм для алюминия движется в направлении цифровизации и интеллектуализации. Компьютерные технологии моделирования уже не ограничиваются анализом течения металла, а распространяются на такие области, как прогнозирование микроструктуры и оценка механических свойств. Внедрение технологий искусственного интеллекта и инженерии знаний начало переход проектирования пресс-форм от опытно-зависимого к научно-обоснованному. Интеллектуальные системы проектирования на основе больших данных и алгоритмов машинного обучения могут автоматически оптимизировать структуру пресс-формы, значительно повышая эффективность и успешность проектирования. Прогресс в технологиях новых материалов предоставляет больше возможностей для изготовления пресс-форм: появляются новые марки сталей с высокой вязкостью и теплопроводностью, что эффективно повышает срок службы и производительность пресс-форм. Применение аддитивных технологий привносит революционные изменения в проектирование пресс-форм: с помощью 3D-печати можно изготовить conformal cooling channels (конформные каналы охлаждения) и сложные фасонные runners, которые трудно обработать традиционными методами, further повышая эффективность охлаждения и эксплуатационные характеристики пресс-форм.

ООО Интеллектуальная производственная технология Булайкес (Чжуншань) благодаря многолетнему накоплению опыта и практическим исследованиям создало комплексную систему проектирования и производства экструзионных пресс-форм для алюминия, рассматривая оптимизацию течения, контроль сварки и обеспечение качества поверхности в качестве ключевых направлений технологических инноваций. Мы считаем, что проект пресс-формы – это продукт сочетания теоретических расчетов и практического опыта, требующий полного использования современных инструментов проектирования при одновременном внимании к сбору и анализу данных в процессе пробного прессования и производства. В будущем мы продолжим углублять исследования в области проектирования пресс-форм, способствуя развитию технологии алюминиевой экструзии в направлении большей эффективности, точности и интеллектуальности, предоставляя промышленности более качественные решения. Мы всегда стремимся предоставлять нашим клиентам качественные решения для экструзионных пресс-форм для алюминия и профессиональные технические услуги. Мы с нетерпением ждем возможности установить с Вами сотрудничество и совместно обсудить потребности Вашего проекта. Ждем Ваших запросов; давайте совместно создавать прекрасное будущее!