Deoarece aliajele de aluminiu sunt ușoare, frumoase, au o bună rezistență la coroziune și au o conductivitate termică și performanțe de procesare excelente, acestea sunt utilizate pe scară largă ca componente de disipare a căldurii în industria IT, electronică și auto, în special în industria LED-urilor, aflată în prezent în plină dezvoltare. Aceste componente de disipare a căldurii din aliaj de aluminiu au funcții bune de disipare a căldurii. În producție, cheia pentru o producție eficientă prin extrudare a acestor profile de radiator este matrița. Deoarece aceste profile au în general caracteristicile unor dinți mari și denși de disipare a căldurii și tuburi lungi de suspensie, structura tradițională a matriței plate, structura matriței divizate și structura matriței cu profil semi-gol nu pot îndeplini bine cerințele de rezistență a matriței și de turnare prin extrudare.
În prezent, întreprinderile se bazează mai mult pe calitatea oțelului pentru matrițe. Pentru a îmbunătăți rezistența matriței, nu ezită să utilizeze oțel importat scump. Costul matriței este foarte ridicat, iar durata medie de viață reală a matriței este mai mică de 3 tone, ceea ce duce la un preț de piață relativ ridicat al radiatorului, restricționând serios promovarea și popularizarea lămpilor LED. Prin urmare, matrițele de extrudare pentru profilele de radiatoare în formă de floarea-soarelui au atras o mare atenție din partea personalului tehnic și ingineresc din industrie.
Acest articol prezintă diversele tehnologii ale matriței de extrudare a profilului de radiator din floarea-soarelui, obținute prin ani de cercetare minuțioasă și producție de probă repetată, prin exemple din producția reală, pentru referință de către colegi.
1. Analiza caracteristicilor structurale ale secțiunilor de profil din aluminiu
Figura 1 prezintă secțiunea transversală a unui profil tipic de aluminiu pentru radiator din floarea-soarelui. Aria secțiunii transversale a profilului este de 7773,5 mm², cu un total de 40 de dinți de disipare a căldurii. Dimensiunea maximă a deschiderii de suspendare formată între dinți este de 4,46 mm. După calcul, raportul limbii dintre dinți este de 15,7. În același timp, există o zonă solidă mare în centrul profilului, cu o suprafață de 3846,5 mm².
Judecând după caracteristicile formei profilului, spațiul dintre dinți poate fi considerat ca fiind un profil semi-goal, iar profilul radiatorului este compus din mai multe profile semi-goale. Prin urmare, la proiectarea structurii matriței, esențial este să se ia în considerare modul de asigurare a rezistenței matriței. Deși pentru profilele semi-goale, industria a dezvoltat o varietate de structuri de matrițe mature, cum ar fi „matriță de tip splitter acoperită”, „matriță de tip splitter tăiată”, „matriță de tip splitter cu punte suspendată” etc. Cu toate acestea, aceste structuri nu sunt aplicabile produselor compuse din mai multe profile semi-goale. Designul tradițional ia în considerare doar materialele, dar în turnarea prin extrudare, cel mai mare impact asupra rezistenței este forța de extrudare în timpul procesului de extrudare, iar procesul de formare a metalului este principalul factor care generează forța de extrudare.
Datorită zonei centrale solide mari a profilului radiatorului solar, este foarte ușor ca debitul total în această zonă să fie prea rapid în timpul procesului de extrudare, iar tensiunea suplimentară de tracțiune va fi generată pe capul tubului de suspensie interdintară, rezultând fracturarea tubului de suspensie interdintară. Prin urmare, în proiectarea structurii matriței, ar trebui să ne concentrăm pe reglarea debitului metalului și a debitului pentru a atinge scopul de a reduce presiunea de extrudare și de a îmbunătăți starea de tensiune a țevii suspendate între dinți, astfel încât să îmbunătățim rezistența matriței.
2. Selectarea structurii matriței și a capacității presei de extrudare
2.1 Forma structurii matriței
Pentru profilul radiatorului de floarea-soarelui prezentat în Figura 1, deși nu are o parte goală, trebuie să adopte structura de matriță divizată, așa cum se arată în Figura 2. Spre deosebire de structura tradițională a matriței shunt, camera stației de lipire metalică este plasată în matrița superioară, iar o structură de inserție este utilizată în matrița inferioară. Scopul este de a reduce costurile matriței și de a scurta ciclul de fabricație a matriței. Atât setul de matrițe superioare, cât și cel inferior sunt universale și pot fi reutilizate. Mai important, blocurile de orificii ale matriței pot fi procesate independent, ceea ce poate asigura mai bine precizia benzii de lucru a orificiilor matriței. Orificiul interior al matriței inferioare este proiectat ca o treaptă. Partea superioară și blocul de orificii ale matriței adoptă o ajustare prin joc, iar valoarea spațiului pe ambele părți este de 0,06~0,1 m; partea inferioară adoptă o ajustare prin interferență, iar valoarea interferenței pe ambele părți este de 0,02~0,04 m, ceea ce ajută la asigurarea coaxialității și facilitează asamblarea, făcând ajustarea incrustației mai compactă și, în același timp, poate evita deformarea matriței cauzată de ajustarea prin interferență la instalarea termică.
2.2 Selectarea capacității extruderului
Selectarea capacității extruderului are ca scop, pe de o parte, determinarea diametrului interior adecvat al cilindrului de extrudare și a presiunii specifice maxime a extruderului asupra secțiunii cilindrului de extrudare pentru a satisface presiunea în timpul formării metalului. Pe de altă parte, se stabilește raportul de extrudare adecvat și se selectează specificațiile corespunzătoare ale dimensiunii matriței în funcție de cost. Pentru profilul de aluminiu al radiatorului de floarea-soarelui, raportul de extrudare nu poate fi prea mare. Motivul principal este că forța de extrudare este proporțională cu raportul de extrudare. Cu cât raportul de extrudare este mai mare, cu atât forța de extrudare este mai mare. Acest lucru este extrem de dăunător pentru matrița profilului de aluminiu al radiatorului de floarea-soarelui.
Experiența arată că raportul de extrudare al profilelor de aluminiu pentru radiatoarele de floarea-soarelui este mai mic de 25. Pentru profilul prezentat în Figura 1, a fost selectat un extruder de 20,0 MN cu un diametru interior al cilindrului de extrudare de 208 mm. După calcul, presiunea specifică maximă a extruderului este de 589 MPa, care este o valoare mai potrivită. Dacă presiunea specifică este prea mare, presiunea asupra matriței va fi mare, ceea ce este în detrimentul duratei de viață a matriței; dacă presiunea specifică este prea mică, aceasta nu poate îndeplini cerințele de formare prin extrudare. Experiența arată că o presiune specifică în intervalul 550~750 MPa poate îndeplini mai bine diverse cerințe de proces. După calcul, coeficientul de extrudare este de 4,37. Specificația dimensiunii matriței este selectată ca fiind 350 mmx200 mm (diametru exterior x grade).
3. Determinarea parametrilor structurali ai matriței
3.1 Parametrii structurali ai matriței superioare
(1) Numărul și aranjamentul găurilor de deviere. Pentru matrița de extrudare cu profil de radiator din floarea-soarelui, cu cât numărul de găuri de extrudare este mai mare, cu atât mai bine. Pentru profile cu forme circulare similare, se selectează în general 3 până la 4 găuri de extrudare tradiționale. Rezultatul este că lățimea punții de extrudare este mai mare. În general, când este mai mare de 20 mm, numărul de suduri este mai mic. Cu toate acestea, atunci când se selectează banda de lucru pentru orificiul matriței, banda de lucru pentru orificiul matriței din partea inferioară a punții de extrudare trebuie să fie mai scurtă. În condițiile în care nu există o metodă de calcul precisă pentru selectarea benzii de lucru, acest lucru va face ca orificiul matriței de sub punte și alte părți să nu atingă exact același debit în timpul extrudării din cauza diferenței de curele de lucru. Această diferență de debit va produce o tensiune de tracțiune suplimentară pe consolă și va provoca deformarea dinților de disipare a căldurii. Prin urmare, pentru matrița de extrudare a radiatorului din floarea-soarelui cu un număr dens de dinți, este foarte important să se asigure că debitul fiecărui dinte este consistent. Pe măsură ce numărul de orificii de șuntare crește, numărul de punți de șuntare va crește în mod corespunzător, iar debitul și distribuția debitului metalului vor deveni mai uniforme. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce numărul de punți de șuntare crește, lățimea punților de șuntare poate fi redusă în mod corespunzător.
Datele practice arată că numărul de găuri de derivație este în general de 6 sau 8, sau chiar mai mult. Desigur, pentru unele profile mari de disipare a căldurii în formă de floarea-soarelui, matrița superioară poate aranja găurile de derivație și conform principiului lățimii punții de derivație ≤ 14 mm. Diferența este că trebuie adăugată o placă de separare frontală pentru a predistribui și regla fluxul de metal. Numărul și aranjamentul găurilor de deviere din placa de deviere frontală pot fi realizate într-un mod tradițional.
În plus, la amplasarea orificiilor de șuntare, trebuie luată în considerare utilizarea matriței superioare pentru a proteja în mod corespunzător capul consolei dintelui de disipare a căldurii, pentru a preveni lovirea directă a metalului de capul tubului consolei și, astfel, pentru a îmbunătăți starea de solicitare a tubului consolei. Partea blocată a capului consolei dintre dinți poate fi de 1/5~1/4 din lungimea tubului consolei. Dispunerea orificiilor de șuntare este prezentată în Figura 3.
(2) Relația dintre aria orificiului de șunt. Deoarece grosimea peretelui rădăcinii dintelui fierbinte este mică, înălțimea este departe de centru și aria fizică este foarte diferită de centru, este cea mai dificil de format din metal. Prin urmare, un punct cheie în proiectarea matriței de profil a radiatorului de floarea-soarelui este de a face debitul părții solide centrale cât mai lent posibil pentru a se asigura că metalul umple mai întâi rădăcina dintelui. Pentru a obține un astfel de efect, pe de o parte, este necesară selectarea curelei de lucru și, mai important, determinarea ariei orificiului de deviere, în principal a ariei părții centrale corespunzătoare orificiului de deviere. Testele și valorile empirice arată că cel mai bun efect se obține atunci când aria orificiului de deviere central S1 și aria orificiului de deviere extern unic S2 îndeplinesc următoarea relație: S1 = (0,52 ~0,72) S2
În plus, canalul de curgere a metalului efectiv al orificiului divizor central ar trebui să fie cu 20~25 mm mai lung decât canalul de curgere a metalului efectiv al orificiului divizor exterior. Această lungime ia în considerare și marginea și posibilitatea reparării matriței.
(3) Adâncimea camerei de sudare. Matrița de extrudare a profilului radiatorului Floarea-soarelui este diferită de matrița shunt tradițională. Întreaga cameră de sudare trebuie să fie amplasată în matrița superioară. Acest lucru asigură precizia prelucrării blocului de găuri al matriței inferioare, în special precizia benzii de lucru. Comparativ cu matrița shunt tradițională, adâncimea camerei de sudare a matriței shunt cu profil de radiator Floarea-soarelui trebuie crescută. Cu cât capacitatea mașinii de extrudare este mai mare, cu atât creșterea adâncimii camerei de sudare este mai mare, care este de 15~25 mm. De exemplu, dacă se utilizează o mașină de extrudare de 20 MN, adâncimea camerei de sudare a matriței shunt tradiționale este de 20~22 mm, în timp ce adâncimea camerei de sudare a matriței shunt a profilului radiatorului floarea-soarelui ar trebui să fie de 35~40 mm. Avantajul acestui lucru este că metalul este complet sudat, iar tensiunea asupra țevii suspendate este redusă considerabil. Structura camerei de sudare a matriței superioare este prezentată în Figura 4.
3.2 Proiectarea inserției pentru orificiul matriței
Proiectarea blocului de orificii pentru matriță include în principal dimensiunea orificiului pentru matriță, banda de lucru, diametrul exterior și grosimea blocului oglinzii etc.
(1) Determinarea dimensiunii orificiului matriței. Dimensiunea orificiului matriței poate fi determinată în mod tradițional, luând în considerare în principal scalarea prelucrării termice a aliajelor.
(2) Selectarea benzii de lucru. Principiul selecției benzii de lucru este de a asigura în primul rând o alimentare suficientă cu tot metalul la baza rădăcinii dintelui, astfel încât debitul la baza rădăcinii dintelui să fie mai rapid decât la alte părți. Prin urmare, banda de lucru de la baza rădăcinii dintelui ar trebui să fie cea mai scurtă, cu o valoare de 0,3~0,6 mm, iar banda de lucru de la părțile adiacente ar trebui să fie mărită cu 0,3 mm. Principiul este de a crește cu 0,4~0,5 la fiecare 10~15 mm spre centru; în al doilea rând, banda de lucru de la cea mai mare parte solidă a centrului nu ar trebui să depășească 7 mm. În caz contrar, dacă diferența de lungime a benzii de lucru este prea mare, vor apărea erori mari la prelucrarea electrozilor de cupru și la prelucrarea EDM a benzii de lucru. Această eroare poate provoca cu ușurință ruperea deformării dintelui în timpul procesului de extrudare. Banda de lucru este prezentată în Figura 5.
(3) Diametrul exterior și grosimea inserției. Pentru matrițele tradiționale de șuntare, grosimea inserției orificiului matriței este grosimea matriței inferioare. Cu toate acestea, pentru matrița radiatorului de floarea-soarelui, dacă grosimea efectivă a orificiului matriței este prea mare, profilul se va ciocni ușor cu matrița în timpul extrudării și descărcării, rezultând dinți neuniformi, zgârieturi sau chiar blocarea dinților. Acestea vor cauza ruperea dinților.
În plus, dacă grosimea orificiului matriței este prea mare, pe de o parte, timpul de procesare este lung în timpul procesului EDM, iar pe de altă parte, este ușor să se provoace o deviere a coroziunii electrice și, de asemenea, este ușor să se provoace o deviere a dinților în timpul extrudării. Desigur, dacă grosimea orificiului matriței este prea mică, rezistența dinților nu poate fi garantată. Prin urmare, luând în considerare acești doi factori, experiența arată că gradul de înclinare al inserției orificiului matriței inferioare este în general de 40 până la 50; iar diametrul exterior al inserției orificiului matriței ar trebui să fie de 25 până la 30 mm de la marginea cea mai mare a orificiului matriței până la cercul exterior al inserției.
Pentru profilul prezentat în Figura 1, diametrul exterior și grosimea blocului orificiului matriței sunt de 225 mm, respectiv 50 mm. Inserția orificiului matriței este prezentată în Figura 6. D în figură reprezintă dimensiunea reală, iar dimensiunea nominală este de 225 mm. Abaterea limită a dimensiunilor sale exterioare este adaptată la orificiul interior al matriței inferioare pentru a se asigura că spațiul unilateral se încadrează în intervalul 0,01~0,02 mm. Blocul orificiului matriței este prezentat în Figura 6. Dimensiunea nominală a orificiului interior al blocului orificiului matriței plasat pe matrița inferioară este de 225 mm. Pe baza dimensiunii reale măsurate, blocul orificiului matriței este adaptat conform principiului 0,01~0,02 mm pe latură. Diametrul exterior al blocului orificiului matriței poate fi obținut ca D, dar pentru confortul instalării, diametrul exterior al blocului oglinzii orificiului matriței poate fi redus corespunzător în intervalul de 0,1 m la capătul de alimentare, așa cum se arată în figură.
4. Tehnologii cheie de fabricație a matrițelor
Prelucrarea matriței profilului de radiator Floarea-soarelui nu este mult diferită de cea a matrițelor obișnuite din profil de aluminiu. Diferența evidentă se reflectă în principal în prelucrarea electrică.
(1) În ceea ce privește tăierea cu sârmă, este necesar să se prevină deformarea electrodului de cupru. Deoarece electrodul de cupru utilizat pentru EDM este greu, dinții sunt prea mici, electrodul în sine este moale, are o rigiditate slabă, iar temperatura locală ridicată generată de tăierea cu sârmă face ca electrodul să se deformeze ușor în timpul procesului de tăiere cu sârmă. Atunci când se utilizează electrozi de cupru deformați pentru a prelucra benzi de lucru și cuțite goale, vor apărea dinți înclinați, ceea ce poate duce cu ușurință la resturile matriței în timpul procesării. Prin urmare, este necesar să se prevină deformarea electrozilor de cupru în timpul procesului de fabricație online. Principalele măsuri preventive sunt: înainte de tăierea cu sârmă, nivelați blocul de cupru cu un pat; utilizați un comparator cu cadran pentru a regla verticalitatea la început; când tăiați cu sârmă, începeți mai întâi de la partea dințată și în final tăiați piesa cu perete gros; Din când în când, folosiți resturi de sârmă de argint pentru a umple părțile tăiate; după ce sârma este realizată, utilizați o mașină de tăiat sârmă pentru a tăia o secțiune scurtă de aproximativ 4 mm de-a lungul lungimii electrodului de cupru tăiat.
(2) Prelucrarea prin electroeroziune este evident diferită de matrițele obișnuite. EDM este foarte importantă în prelucrarea matrițelor cu profil de radiator din floarea-soarelui. Chiar dacă designul este perfect, un mic defect al EDM va duce la casarea întregii matrițe. Prelucrarea prin electroeroziune nu depinde la fel de mult de echipament ca tăierea cu fir. Depinde în mare măsură de abilitățile operaționale și de competența operatorului. Prelucrarea prin electroeroziune acordă atenție în principal următoarelor cinci puncte:
①Curent de prelucrare prin descărcare electrică. Pentru prelucrarea EDM inițială se poate utiliza un curent de 7~10 A pentru a scurta timpul de prelucrare; pentru prelucrarea de finisare se poate utiliza un curent de 5~7 A. Scopul utilizării unui curent mic este de a obține o suprafață bună;
② Asigurați planeitatea feței terminale a matriței și verticalitatea electrodului de cupru. Planeitatea slabă a feței terminale a matriței sau verticalitatea insuficientă a electrodului de cupru face dificilă asigurarea faptului că lungimea benzii de lucru după prelucrarea prin electroeroziune este în concordanță cu lungimea proiectată a benzii de lucru. Este ușor ca procesul de electroeroziune să eșueze sau chiar să penetreze banda de lucru dințată. Prin urmare, înainte de prelucrare, trebuie utilizată o polizor pentru a aplatiza ambele capete ale matriței pentru a îndeplini cerințele de precizie și trebuie utilizat un comparator cu cadran pentru a corecta verticalitatea electrodului de cupru;
③ Asigurați-vă că spațiul dintre cuțitele goale este uniform. În timpul prelucrării inițiale, verificați dacă scula goală este decalata la fiecare 0,2 mm la fiecare 3 până la 4 mm de prelucrare. Dacă decalajul este mare, va fi dificil de corectat cu ajustările ulterioare;
④Îndepărtați reziduurile generate în timpul procesului EDM în timp util. Coroziunea prin descărcare prin scânteie va produce o cantitate mare de reziduuri, care trebuie curățată la timp, altfel lungimea benzii de lucru va fi diferită din cauza înălțimilor diferite ale reziduurilor;
⑤Matrița trebuie demagnetizată înainte de EDM.
5. Compararea rezultatelor extrudării
Profilul prezentat în Figura 1 a fost testat utilizând matrița tradițională divizată și noua schemă de proiectare propusă în acest articol. Compararea rezultatelor este prezentată în Tabelul 1.
Din rezultatele comparației se poate observa că structura matriței are o influență semnificativă asupra duratei de viață a acesteia. Matrița proiectată folosind noua schemă are avantaje evidente și îmbunătățește considerabil durata de viață a matriței.
6. Concluzie
Matrița de extrudare cu profil de radiator din floarea-soarelui este un tip de matriță foarte dificil de proiectat și fabricat, iar proiectarea și fabricarea acesteia sunt relativ complexe. Prin urmare, pentru a asigura rata de succes a extrudării și durata de viață a matriței, trebuie îndeplinite următoarele aspecte:
(1) Forma structurală a matriței trebuie aleasă în mod rezonabil. Structura matriței trebuie să permită reducerea forței de extrudare pentru a diminua tensiunea asupra consolei matriței formate de dinții de disipare a căldurii, îmbunătățind astfel rezistența matriței. Cheia este de a determina în mod rezonabil numărul și dispunerea găurilor de șunt, precum și aria găurilor de șunt și alți parametri: în primul rând, lățimea punții de șunt formate între găurile de șunt nu trebuie să depășească 16 mm; în al doilea rând, aria găurii de divizare trebuie determinată astfel încât raportul de divizare să depășească cât mai mult posibil 30% din raportul de extrudare, asigurând în același timp rezistența matriței.
(2) Selectați în mod rezonabil banda de lucru și adoptați măsuri rezonabile în timpul prelucrării electrice, inclusiv tehnologia de procesare a electrozilor de cupru și parametrii standard electrici ai prelucrării electrice. Primul punct cheie este ca electrodul de cupru să fie șlefuit superficial înainte de tăierea sârmei și să se utilizeze metoda de inserție în timpul tăierii sârmei pentru a asigura acest lucru. Electrozii nu sunt slăbiți sau deformați.
(3) În timpul procesului de prelucrare electrică, electrodul trebuie aliniat cu precizie pentru a evita devierea dinților. Desigur, pe baza unei proiectări și a unei fabricații rezonabile, utilizarea oțelului de matriță de înaltă calitate pentru prelucrare la cald și procesul de tratament termic în vid cu trei sau mai multe reveniri pot maximiza potențialul matriței și pot obține rezultate mai bune. De la proiectare, fabricație până la producția prin extrudare, numai dacă fiecare verigă este precisă putem asigura extrudarea matriței cu profil de radiator de floarea-soarelui.
Data publicării: 01 august 2024
