Что такое процесс экструзии алюминия?

Что такое экструзия алюминия?

Прессование алюминия — это метод пластической деформации, при котором предварительно нагретая (размягченная до 350–500 °C) заготовка из алюминиевого сплава помещается в контейнер экструзионного пресса. Под действием давления заготовка выдавливается через отверстия (фильеры) пресс-формы, подвергаясь направленной пластической деформации. В результате получаются детали или полуфабрикаты с заданной формой поперечного сечения, размерами и заданными механическими свойствами.

Выдавливание похоже на выдавливание зубной пасты.

В ходе этого процесса алюминиевый сплав подвергается пластическому течению и изменению формы сечения:

• Частицы металла внутри заготовки движутся вдоль направления полости матрицы.
• Зерна вытянуты и перестроены.
• Механические свойства материала можно улучшить путем деформационного упрочнения.

Для сложных полых профилей, таких как автомобильная балка безопасности, показанная на рисунке, алюминиевая заготовка под давлением разделяется на несколько потоков металла. Эти потоки проходят через отверстия и сходятся в сварочной камере. Они свариваются повторно в условиях высокой температуры, высокого давления и высокого вакуума и, наконец, выходят через зазор между оправкой и отверстием матрицы. В результате формируются трубчатые или полые профили, соответствующие требуемым размерам и эксплуатационным характеристикам. При необходимости гибки к оборудованию, установленному на следующем этапе, добавляется гибочный инструмент.

Экструзионный штамп

Как инженеры-проектировщики структуры изделий, мы не занимаемся разработкой экструзионных матриц для алюминия, но понимание базовой конструкции матриц и механизма, с помощью которого они формируют различные экструдированные профили, крайне важно. Эти знания помогают оптимизировать конструкции, снизить стоимость матриц и повысить эффективность производства экструдированных деталей.

Что такое экструзионная головка?

Экструзионная матрица представляет собой толстый круглый стальной диск с одним или несколькими отверстиями для формирования желаемого профиля. Обычно они изготавливаются из инструментальной стали H13 и подвергаются термообработке, чтобы выдерживать давление и нагрев при прохождении горячего алюминия через матрицу. Хотя алюминий — относительно мягкий металл, для продавливания цельного алюминиевого слитка (заготовки) через тонкую пористую алюминиевую матрицу для придания нужной формы требуется значительное давление.

Классификация штампов

В зависимости от формы поперечного сечения экструдированной алюминиевой детали соответствующие матрицы подразделяются на 3 типа:

1. Твердые штампы
2. Полупустотелые штампы
3. Полые штампы

Среди них полый штамп имеет самую сложную конструкцию, подвержен износу и разрушению, а также имеет самую высокую стоимость.

Алюминиевые экструзионные материалы

Алюминиевые сплавы, пригодные для экструзии, включают серии 2XXX, 6XXX и 7XXX. Серия 6XXX получила наибольшее распространение благодаря своей высокой экономической эффективности.

Алюминий серии 5XXX: в основном 5052. Эти марки обладают превосходной коррозионной стойкостью, но меньшей прочностью. Они подходят для применения в условиях низких напряжений и высокой коррозионной стойкости, что часто встречается в строительной отрасли.

Алюминий серии 6XXX: в основном марки 6061, 6063, 6005 и 6082. Содержит Mg и Si. Обладает хорошей экструдируемостью. После термообработки T6 приобретает умеренную прочность и более низкую стоимость. Эта серия — наиболее используемый материал для экструзии в автомобилях на новых источниках энергии (NEV).

Пример 1 : Корпуса двигателей изготавливаются методом экструзии из сплава 6061, что позволяет создавать сложные поперечные сечения со встроенными каналами охлаждения. Сплав 6061 также обеспечивает лучшие характеристики теплоотвода (теплопроводность составляет 201 Вт/м·К).

Алюминиевые сплавы серии 7XXX: в основном 7075. Они обладают чрезвычайно высокой прочностью. Прессование затруднено из-за необходимости использования более высоких давлений и более точных матриц. Они подходят для деталей с высокими требованиями к прочности, например, для прессованных деталей из алюминиевых сплавов, используемых в автомобилях, показанных на рисунке.

Преимущества экструзии алюминия

Высокая точность размеров

Различные процессы производства алюминиевых сплавов обеспечивают разный уровень точности. В случае конструкционных деталей, изготовленных методом вакуумного литья под давлением , отклонения в размерах часто значительны из-за усадки и деформации в результате термообработки, иногда достигая 1-3 мм. В отличие от этого, процесс экструзии алюминия, как правило, обеспечивает более высокую точность размеров поперечного сечения, с более стабильными размерами, которые легче контролировать.

Благодаря высокоточной обработке и модификации штампов, экструдированные алюминиевые профили для автомобильной промышленности могут полностью соответствовать требованиям к точности размеров многих автомобильных изделий . Точность размеров только поперечного сечения экструдированного профиля обычно удовлетворяет требованиям к конструкции изделия, при этом точность размеров контролируется в пределах 1 мм. Таким образом, с точки зрения точности размеров, экструзия алюминия является зрелым, превосходным и конкурентоспособным процессом.

Меньше этапов производства

Благодаря тому, что экструдированные алюминиевые профили могут иметь сложные и разнообразные поперечные сечения, а проектирование толщины стенок обеспечивает высокую степень свободы, заготовки, полученные методом экструзии, могут обладать высокой точностью размеров. Это минимизирует количество проектируемых деталей и этапов производства от экструдированной заготовки до готовой детали. Детали могут поставляться для использования только после таких процессов, как резка, сверление, штамповка, механическая обработка и гибка. При необходимости может быть добавлена ​​термообработка для улучшения механических характеристик.

Отличная теплопроводность

Алюминий широко используется в автомобилях для теплопередачи в системах охлаждения и отопления. Алюминиевые сплавы обладают превосходной теплопроводностью на единицу веса по сравнению с большинством других металлов. Примерами являются радиаторы в контроллерах электроприводных осей, модули охлаждения в передней части автомобилей и трубы с охлажденной водой для систем кондиционирования воздуха.

Алюминиевые экструдированные профили могут быть сформированы в полые формы (трубы), чтобы предотвратить или снизить риск утечки жидкости. Каналы охлаждающей воды для корпусов двигателей, соединительные элементы водопроводных труб и линии водяного охлаждения аккумуляторных батарей — все они изготовлены из алюминиевых экструдированных профилей. Кроме того, в зонах с требованиями к электромагнитной совместимости (ЭМС) бесшовные алюминиевые профили могут обеспечить превосходное экранирование.

Простое подключение и сборка

Детали из алюминиевых сплавов можно соединять различными способами, такими как сварка, сварка трением с перемешиванием (FSW), механическое соединение (включая FDS и SPR), склеивание, запрессовка и защёлкивание. Все эти методы подходят для соединения алюминиевых профилей с другими материалами. Крепление болтами к другим деталям обеспечивает широкие и гибкие возможности.

Короткий производственный цикл

Детали из экструдированного алюминия обеспечивают значительное преимущество при коротких циклах разработки, как для мелкосерийного производства транспортных средств типа «мул» и деталей с мягкой оснасткой, так и для крупносерийного производства деталей с жесткой оснасткой.

• Цикл от открытия формы до изготовления детали для простых алюминиевых экструдированных профилей составляет всего 1–2 недели.
• Даже для некоторых крупных автомобильных алюминиевых экструдированных профилей со сложными поперечными сечениями, таких как корпуса двигателей и пороги, цикл открытия формы составляет всего около 4 недель.
• Напротив, циклы открытия форм для литья и штамповки деталей обычно составляют от 4 до 16 недель.
• Хотя быстрое прототипирование через 3D печать Спекание металлических порошков имеет более короткие циклы для производства отдельных деталей, но и более дорого. Иногда оно не может удовлетворить требованиям по количеству деталей или производительности.

Низкая стоимость штампа

Стоимость комплекта экструзионных матриц для алюминиевых профилей варьируется от нескольких тысяч до десятков тысяч долларов. Это значительно дешевле, чем сотни тысяч или даже миллионы долларов, необходимых для литьевых и штамповочных матриц. Для производителей оригинального оборудования (OEM) внедрение экструдированных деталей позволяет существенно сэкономить на единовременных инвестициях, снизить стоимость последующих изменений в конструкции и повысить гибкость проектирования.

Проблемы экструзии алюминия

Проектирование и изготовление штампов

Для штампов со сложным поперечным сечением необходимо точно рассчитать скорость течения металла, чтобы избежать локального течения, которое может быть либо слишком быстрым (приводящим к образованию трещин, например, в тонких стенках), либо слишком медленным (приводящим к недостаточному заполнению). Точность обработки штампа должна достигать 0.01 мм, что приводит к высоким затратам.

Размерная точность

Из-за термического расширения и сжатия материала, а также колебаний скорости экструзии, детали подвержены отклонениям размеров (например, отклонениям от прямолинейности, превышающим 0.5 мм/м). Это требует корректировки путём вытяжки и правки, а также последующей механической обработки.

Качество поверхности

Допускаются такие дефекты, как царапины, остаточная окалина и воздушные пузыри. Необходим строгий контроль качества поверхности заготовки и чистоты (шероховатости) штампа (Ra менее 0.8 мкм).

Экструзия крупногабаритных деталей

Такие детали, как корпуса аккумуляторных батарей NEV (длиной более 2 м), требуют использования крупнотоннажных экструзионных прессов (более 5000 тонн) и подвержены деформации из-за неравномерного течения металла.

Конструктивные особенности экструдированных алюминиевых деталей

Размеры выдавленной детали

Размер выдавленной детали оценивается диаметром описанной окружности (ДОК). Как показано на рисунке, целью является минимизация ДОК.

Избегайте асимметричных структур

Поперечное сечение должно быть симметричным и простым. Асимметричные и несбалансированные формы поперечного сечения усложняют экструзионное производство и приводят к проблемам с качеством:

• Сложность обеспечения точности размеров.
• Трудность обеспечения плоскостности.
• Детали деформируются в центре.
• Низкая эффективность производства.
• В процессе массового производства штампы подвержены износу.

Толщина стенки

Толщина стенки экструдированной детали зависит от материала, формы и диаметра описанной окружности (ДОК). Форма экструдированной детали также влияет на толщину стенки. Как показано на рисунке (красный – для трубчатых конструкций, синий – для нетрубчатых): [Изображение, показывающее взаимосвязь между ДОК и оптимальной толщиной стенки, наиболее подходящая толщина стенки увеличивается с увеличением ДОК].

Согласование

Допуски на сборку с другими деталями (например, аккумуляторными модулями) должны составлять 0.1 мм. Это предотвращает трудности сборки, вызванные колебаниями размеров экструдированных деталей. В то же время допуски на толщину детали должны учитывать эксплуатационные требования, сохраняя при этом запас прочности конструкции.