צורות כשל, גורמים ושיפור אורך החיים של תבנית שחול

1. מבוא

התבנית היא כלי מפתח לייצור פרופילי אלומיניום. במהלך תהליך ייצור הפרופיל, התבנית צריכה לעמוד בטמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה וחיכוך גבוה. שימוש ממושך יגרום לבלאי התבנית, עיוות פלסטי ונזק עייפות. במקרים חמורים, הדבר עלול לגרום לשברים בתבנית.

2. צורות כשל וגורמים לעובש

2.1 כשל בלאי

בלאי הוא הצורה העיקרית המובילה לכשל של תבנית השיחול, מה שיגרום לגודל פרופילי האלומיניום להיות לא תקינים ולירידה באיכות פני השטח. במהלך השיחול, פרופילי האלומיניום פוגשים את החלק הפתוח של חלל התבנית דרך חומר השיחול תחת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה ללא תהליך שימון. צד אחד נוגע ישירות במישור רצועת הקליפר, והצד השני מחליק, וכתוצאה מכך נוצר חיכוך גדול. פני השטח של החלל ומשטח רצועת הקליפר נתונים לבלאי ולכשל. במקביל, במהלך תהליך החיכוך של התבנית, חלק ממתכת הבילט נדבקת למשטח העבודה של התבנית, מה שגורם לגיאומטריה של התבנית להשתנות ולא ניתן להשתמש בה, וזה נחשב גם לכשל בלאי, המתבטא בצורת פסיבציה של קצה החיתוך, קצוות מעוגלים, שקיעת מישור, חריצים על פני השטח, קילוף וכו'.

הצורה הספציפית של בלאי התבנית קשורה לגורמים רבים כגון מהירות תהליך החיכוך, כגון ההרכב הכימי והתכונות המכניות של חומר התבנית והבילט המעובד, חספוס פני השטח של התבנית והבילט, והלחץ, הטמפרטורה והמהירות במהלך תהליך השיחול. הבלאי של תבנית שיחול אלומיניום הוא בעיקר בלאי תרמי, בלאי תרמי נגרם על ידי חיכוך, ריכוך פני המתכת עקב עליית הטמפרטורה ושילוב פני השטח של חלל התבנית. לאחר ריכוך פני השטח של חלל התבנית בטמפרטורה גבוהה, עמידות הבלאי שלו מצטמצמת במידה ניכרת. בתהליך הבלאי התרמי, הטמפרטורה היא הגורם העיקרי המשפיע על הבלאי התרמי. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך הבלאי התרמי חמור יותר.

2.2 דפורמציה פלסטית

העיוות הפלסטי של תבנית שחול של פרופיל אלומיניום הוא תהליך הניבוי של חומר המתכת של התבנית.

מכיוון שתבנית האקסטרוזיה נמצאת במצב של טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה וחיכוך גבוה עם המתכת האקסטרודית במשך זמן רב בזמן שהיא פועלת, טמפרטורת פני השטח של התבנית עולה וגורמת לריכוך.

בתנאי עומס גבוהים מאוד, תתרחש כמות גדולה של דפורמציה פלסטית, שתגרום לחגורת העבודה לקרוס או ליצור אליפסה, וצורת המוצר המיוצר תשתנה. גם אם התבנית לא תייצר סדקים, היא תיכשל מכיוון שלא ניתן להבטיח את דיוק הממדים של פרופיל האלומיניום.

בנוסף, פני השטח של תבנית האקסטרוזיה נתונים להפרשי טמפרטורה הנגרמים מחימום וקירור חוזרים ונשנים, מה שיוצר מתחים תרמיים מתחלפים של מתח ודחיסה על פני השטח. במקביל, המיקרו-מבנה עובר גם הוא טרנספורמציות בדרגות שונות. תחת השפעה משולבת זו, יתרחשו שחיקה של התבנית ועיוות פלסטי של פני השטח.

2.3 נזקי עייפות

נזק מעייפות תרמית הוא גם אחת הצורות הנפוצות ביותר של כשל בתבנית. כאשר מוט האלומיניום המחומם בא במגע עם פני השטח של תבנית האקסטרוזיה, טמפרטורת פני השטח של מוט האלומיניום עולה הרבה יותר מהר מהטמפרטורה הפנימית, ונוצר מאמץ דחיסה על פני השטח עקב התפשטות.

במקביל, חוזק הכניעה של פני התבנית יורד עקב עליית הטמפרטורה. כאשר עליית הלחץ עולה על חוזק הכניעה של המתכת שעל פני התבנית בטמפרטורה המתאימה, מופיע מאמץ דחיסה פלסטי על פני השטח. כאשר הפרופיל עוזב את התבנית, טמפרטורת פני השטח יורדת. אך כאשר הטמפרטורה בתוך הפרופיל עדיין גבוהה, ייווצר מאמץ מתיחה.

באופן דומה, כאשר העלייה במאמץ המתיחה עולה על חוזק הכניעה של פני הפרופיל, יתרחש מאמץ מתיחה פלסטי. כאשר המאמץ המקומי של התבנית עולה על גבול האלסטיות ונכנס לאזור המאמץ הפלסטי, הצטברות הדרגתית של מתיחות פלסטיות קטנות עלולה ליצור סדקי עייפות.

לכן, על מנת למנוע או להפחית נזקי עייפות של התבנית, יש לבחור חומרים מתאימים ולאמץ מערכת טיפול בחום מתאימה. במקביל, יש לשים לב לשיפור סביבת השימוש של התבנית.

2.4 שבירת עובש

בייצור בפועל, סדקים מפוזרים בחלקים מסוימים של התבנית. לאחר תקופת שירות מסוימת, נוצרים סדקים קטנים המתרחבים בהדרגה לעומק. לאחר שהסדקים מתרחבים לגודל מסוים, כושר נשיאת העומס של התבנית ייחלש קשות ויגרום לשבר. או שכבר נוצרו סדקים זעירים במהלך הטיפול בחום ועיבוד התבנית המקוריים, מה שמקל על התבנית להתרחב ולגרום לסדקים מוקדמים במהלך השימוש.

מבחינת תכנון, הסיבות העיקריות לכישלון הן תכנון חוזק התבנית ובחירת רדיוס הפילטה במעבר. מבחינת ייצור, הסיבות העיקריות הן בדיקה מקדימה של החומר ותשומת לב לחספוס פני השטח ונזקים במהלך העיבוד, כמו גם השפעת טיפול בחום ואיכות טיפול פני השטח.

במהלך השימוש, יש לשים לב לשליטה על חימום מוקדם של התבנית, יחס הבליטה וטמפרטורת המטיל, כמו גם לשליטה על מהירות הבליטה וזרימת דפורמציה המתכתית.

3. שיפור חיי העובש

בייצור פרופילי אלומיניום, עלויות התבנית מהוות חלק גדול מעלויות ייצור שיחול הפרופילים.

איכות התבנית משפיעה ישירות גם על איכות המוצר. מכיוון שתנאי העבודה של תבנית האקסטרוזיה בייצור פרופילי אקסטרוזיה קשים מאוד, יש צורך לשלוט בקפדנות בתבנית החל מהתכנון ובחירת החומרים ועד לייצור הסופי של התבנית, השימוש והתחזוקה שלאחר מכן.

במיוחד במהלך תהליך הייצור, על התבנית להיות בעלת יציבות תרמית גבוהה, עייפות תרמית, עמידות בפני שחיקה תרמית וקשיחות מספקת כדי להאריך את חיי השירות של התבנית ולהפחית את עלויות הייצור.

3.1 בחירת חומרי עובש

תהליך האקסטרוזיה של פרופילי אלומיניום הוא תהליך עיבוד בטמפרטורה גבוהה ובעומס גבוה, ותבנית האקסטרוזיה של האלומיניום נתונה לתנאי שימוש קשים מאוד.

תבנית האקסטרוזיה נתונה לטמפרטורות גבוהות, וטמפרטורת פני השטח המקומית יכולה להגיע ל-600 מעלות צלזיוס. פני השטח של תבנית האקסטרוזיה מחוממים ומקוררים שוב ושוב, מה שגורם לעייפות תרמית.

בעת ייצור סגסוגות אלומיניום, התבנית חייבת לעמוד במאמצי דחיסה, כיפוף וגזירה גבוהים, אשר יגרמו לבלאי דבק ובלאי שוחקים.

בהתאם לתנאי העבודה של תבנית האקסטרוזיה, ניתן לקבוע את התכונות הנדרשות של החומר.

ראשית, החומר צריך להיות בעל ביצועי תהליך טובים. החומר צריך להיות קל להתכה, חישול, עיבוד וטיפול בחום. בנוסף, החומר צריך להיות בעל חוזק גבוה וקשיחות גבוהה. תבניות שחול פועלות בדרך כלל תחת טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה. בעת שחול סגסוגות אלומיניום, חוזק המתיחה של חומר התבניות בטמפרטורת החדר נדרש להיות גדול מ-1500MPa.

עליו להיות בעל עמידות גבוהה בחום, כלומר, יכולת לעמוד בעומס מכני בטמפרטורות גבוהות במהלך האקסטרוזיה. עליו להיות בעל ערכי קשיחות פגיעות וקשיחות שבר גבוהים בטמפרטורה רגילה ובטמפרטורה גבוהה, כדי למנוע שבר שביר של התבנית בתנאי לחץ או עומסי פגיעות.

זה צריך להיות בעל עמידות גבוהה בפני שחיקה, כלומר, למשטח יש את היכולת לעמוד בפני שחיקה תחת טמפרטורה גבוהה לטווח ארוך, לחץ גבוה ושימון לקוי, במיוחד בעת עיבוד סגסוגות אלומיניום, יש לו את היכולת לעמוד בפני הידבקות ובלאי של מתכת.

נדרשת יכולת הקשייה טובה כדי להבטיח תכונות מכניות גבוהות ואחידות על פני כל חתך הרוחב של הכלי.

נדרשת מוליכות תרמית גבוהה כדי לפזר במהירות חום ממשטח העבודה של תבנית הכלי כדי למנוע שריפה מקומית או אובדן מופרז של חוזק מכני של חומר העבודה המודפס והתבנית עצמה.

הוא צריך להיות בעל עמידות חזקה למאמץ מחזורי חוזר, כלומר, הוא דורש חוזק מתמשך גבוה כדי למנוע נזק עייפות מוקדם. הוא גם צריך להיות בעל עמידות מסוימת בפני קורוזיה ותכונות ניטרידיות טובות.

3.2 עיצוב סביר של עובש

תכנון סביר של התבנית הוא חלק חשוב בהארכת חיי השירות שלה. מבנה תבנית שתוכנן נכון צריך להבטיח שלא תהיה אפשרות לקרע כתוצאה מפגיעה וריכוז מאמץ בתנאי שימוש רגילים. לכן, בעת תכנון התבנית, יש לנסות ליצור מאמץ אחיד על כל חלק, ולשים לב להימנע מפינות חדות, פינות קעורות, הפרשי עובי דופן, קטעי דופן שטוחים ודקים וכו', כדי למנוע ריכוז מאמץ מוגזם. זה עלול לגרום לעיוות, סדקים ושברים שבירים או סדקים מוקדמים בטיפול בחום במהלך השימוש, בעוד שתכנון סטנדרטי תורם גם לחילופי אחסון ותחזוקה של התבנית.

3.3 שיפור איכות הטיפול בחום וטיפול פני השטח

אורך חיי התבנית האקסטרוזציה תלוי במידה רבה באיכות הטיפול בחום. לכן, שיטות טיפול בחום מתקדמות ותהליכי טיפול בחום, כמו גם טיפולי הקשחה וחיזוק פני השטח, חשובים במיוחד לשיפור אורך חיי התבנית.

במקביל, תהליכי טיפול בחום וחיזוק פני השטח מבוקרים בקפדנות כדי למנוע פגמים בטיפול בחום. התאמת פרמטרי תהליך הרוויה והחיסום, הגדלת מספר הטיפולים המקדימים, טיפולי הייצוב והחיסום, תשומת לב לבקרת טמפרטורה, עוצמת החימום והקירור, שימוש במדיות מרווה חדשות ולימוד תהליכים וציוד חדשים כגון טיפולי חיזוק והקשחה וטיפולי חיזוק פני השטח השונים, תורמים לשיפור חיי השירות של התבנית.

3.4 שיפור איכות ייצור התבניות

במהלך עיבוד תבניות, שיטות עיבוד נפוצות כוללות עיבוד מכני, חיתוך חוטים, עיבוד פריקה חשמלית וכו'. עיבוד מכני הוא תהליך הכרחי וחשוב בתהליך עיבוד התבניות. הוא לא רק משנה את גודל המראה של התבנית, אלא גם משפיע ישירות על איכות הפרופיל ועל חיי השירות של התבנית.

חיתוך חוטי של חורי תבניות הוא שיטת תהליך נפוצה בעיבוד תבניות. היא משפרת את יעילות העיבוד ואת דיוק העיבוד, אך היא גם מביאה כמה בעיות מיוחדות. לדוגמה, אם תבנית שעובדה באמצעות חיתוך חוט משמשת ישירות לייצור ללא הרפיה, סיגים, קילוף וכו' יתרחשו בקלות, מה שיקצר את חיי השירות של התבנית. לכן, הרפיה מספקת של התבנית לאחר חיתוך חוט יכולה לשפר את מצב מאמץ המתיחה של פני השטח, להפחית את המאמץ השיורי ולהגדיל את חיי השירות של התבנית.

ריכוז מתח הוא הגורם העיקרי לשבר עובש. במסגרת התכנון, ככל שקוטר חוט החיתוך גדול יותר, כך ייטב. זה לא רק מסייע בשיפור יעילות העיבוד, אלא גם משפר מאוד את פיזור המתח כדי למנוע התרחשות של ריכוז מתח.

עיבוד שבבי באמצעות פריקה חשמלית הוא סוג של עיבוד שבבי באמצעות קורוזיה חשמלית המבוצע על ידי סופרפוזיציה של אידוי חומר, התכה ואידוי נוזל עיבוד שבבי הנוצר במהלך הפריקה. הבעיה היא שבשל חום החימום והקירור הפועלים על נוזל העיבוד והפעולה האלקטרוכימית של נוזל העיבוד, נוצרת שכבה שונה בחלק העיבוד ויוצרת מאמץ ומאמץ. במקרה של שמן, אטומי הפחמן מתפרקים עקב שריפת השמן מתפזרים ומתקרבים לחומר העבודה. כאשר המאמץ התרמי עולה, השכבה המתפוררת הופכת לשבירה וקשה ונוטה לסדקים. במקביל, נוצר מאמץ שיורי שנקשר לחומר העבודה. זה יגרום לחוזק עייפות מופחת, שבר מואץ, קורוזיית מאמץ ותופעות אחרות. לכן, במהלך תהליך העיבוד, עלינו לנסות להימנע מהבעיות הנ"ל ולשפר את איכות העיבוד.

3.5 שיפור תנאי העבודה ותנאי תהליך ההבלטה

תנאי העבודה של תבנית השיחול גרועים מאוד, וגם סביבת העבודה גרועה מאוד. לכן, שיפור שיטת תהליך השיחול ופרמטרי התהליך, ושיפור תנאי העבודה וסביבת העבודה מועילים לשיפור חיי התבנית. לכן, לפני השיחול, יש צורך לגבש בקפידה את תוכנית השיחול, לבחור את מערכת הציוד הטובה ביותר ואת מפרטי החומרים, לגבש את פרמטרי תהליך השיחול הטובים ביותר (כגון טמפרטורת שיחול, מהירות, מקדם שיחול ולחץ שיחול וכו') ולשפר את סביבת העבודה במהלך השיחול (כגון קירור מים או קירור חנקן, שימון מספיק וכו'), ובכך להפחית את עומס העבודה של התבנית (כגון הפחתת לחץ שיחול, הפחתת חום קירור ועומס מתחלף וכו'), לקבוע ולשפר את נהלי הפעלת התהליך ונהלי השימוש הבטוח.

4 סיכום

עם התפתחות המגמות בתעשיית האלומיניום, בשנים האחרונות כולם מחפשים מודלים טובים יותר לפיתוח כדי לשפר את היעילות, לחסוך בעלויות ולהגדיל את התועלת. תבנית האקסטרוזיה היא ללא ספק צומת בקרה חשובה לייצור פרופילי אלומיניום.

ישנם גורמים רבים המשפיעים על חייו של תבנית שחול מאלומיניום. בנוסף לגורמים פנימיים כגון התכנון המבני וחוזק התבנית, חומרי התבנית, עיבוד קר ותרמי וטכנולוגיית עיבוד חשמלי, טיפול בחום וטכנולוגיית טיפול פני השטח, ישנם גם תהליך השחול ותנאי השימוש, תחזוקה ותיקון התבנית, מאפייני חומר וצורת מוצר השחול, מפרטים וניהול מדעי של התבנית.

יחד עם זאת, הגורמים המשפיעים אינם בעיה אחת, אלא בעיה מורכבת מרובת גורמים מקיפה. כדי לשפר את חיי התבנית, כמובן, זוהי גם בעיה מערכתית. בתהליך הייצור והשימוש בפועל, יש צורך לייעל את התכנון, עיבוד התבנית, תחזוקת השימוש והיבטים עיקריים אחרים של בקרה, ולאחר מכן לשפר את חיי השירות של התבנית, להפחית את עלויות הייצור ולשפר את יעילות הייצור.

נערך על ידי מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminum