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一、模具关系对壁厚偏差的影响
模具在铝型材生产中起着至关重要的作用,对壁厚的影响更是决定性的因素。对于壁厚超差严重的型材,模具因素占比高达 100%;而对于控制壁厚精度偏差,模具本身的因素相对较小,但可通过一些特征利用其他方法加以引导适当提高精度。
模具工作带高度、角度、摩擦力及长度
工作带高度限制是影响壁厚的重要因素,可称为机械限制或硬限制。在挤压速度均匀的情况下,模腔挤出模孔的铝流量单位时间内是固定的。工作带短则摩擦阻力小、流速快,流速越快壁厚越薄且向下限偏移;若增加温度(挤压末端的摩擦升温),情况会更严重。因此,控制挤压压力与挤压温度在整个过程的均匀稳定,是控制壁厚偏差大小以及型材壁厚前后一致的关键。反之,工作带长则流速慢,型材壁厚会变厚。
在实际生产中,有时型材壁厚会大于模具工作带限制尺寸,主要有两个原因。一是棒温度过低,铝缺少流动性,从而粘满工作带上下面,形成强大阻力,被挤压力墩粗墩实充满整个工作带而 “剪切” 出工作带,等同于工作带受热扩张尺寸。二是工作带上下面不平行有阻流角度(线切割或修模问题),呈倒喇叭口,里大外小。如果温度低、挤压力大且面模强度不够,造成面模受应力后向外凸起,工作带趋于平行,再加上热扩张,型材壁厚大于工作带也就正常了。
模具强度
一般来说,在模具总厚度不变的情况下,型材壁厚越薄,挤压所需挤压力就更大,平模之型模和分流组合模之面(下)模强度要求就越高。在硬度、材质一定的情况下,通常采用加厚型模和面模的方法来应对,但这会造成型模成本增加,分流模焊合室高度降低,焊合缺陷不易控制,影响型材表面质量。如果增面模减公(上)模,也会影响公模强度,容易裂桥。有些模具厂通过液氮淬火提高模具强度并不可取,因为强度提高了但塑性下降了,模具发脆,一旦挤压闷车、堵模,有炸裂模具造成安全事故和设备事故的危险,模具多次挤压或泡煮后也易裂桥、碎裂。
面模和型模强度低会形成里小外大的正向喇叭口,并形成促流角度。一般情况下,挤压材壁厚因面模和型模强度低而变薄,且由于出口铝同工作带摩擦由面变成点,型材挤压前中段一般会起小波浪,而头部不明显,中尾段逐步消失,这就是由模具弹变引起的波浪现象。
上模强度不够对壁厚的影响更为显著。挤压中如果上模受力后桥位内凹,则上模公头部分会较前突出面模工作带,等于变相减短了上下模工作带配合长度,并使上模工作带翻铝阻流齿口作用减少,加快了流速,壁厚变薄。如果桥位弹变不一或公头强度不够而出现公头摇摆,则对壁厚偏壁的影响更大,这在 “一字桥” 和细长公头模具及模芯小的模具上尤为常见。
型腔在模面上位置的设计对壁厚的影响
型腔在模面上位置的设计直接影响的不是壁厚,而是流量流速,但流量和流速可以影响壁厚偏差。对于非对称带腔悬臂型材,如太阳能框架料等,悬臂部位多为实心厚实面料,相当于带腔位置流速差别明显。为减少缺陷、提高成型能力并稳定出口速度一致,通常把型材在模面的中心位置适当改变,把腔室移到靠近中心,厚平壁移到端部,并用桥位阻流。然而,这样悬臂部在挤压过程中由于挤压力变化、铝的扩张变化、桥位阻碍能力变化以及 V3 体积铝增加,使悬臂部位受到的铝流量流速极不稳定,壁厚在头端差别会很大,严重时形位尺寸还会发生变化。
目前此类模具设计正在改为进料腔同型材形状接近一致,腔室内设置阻流台和控制工作带长度,面模采用阶梯台阶等新设计理念,主要是保证型材少受压力变形影响,使整支型材前后流速流量平稳,出料平直,头尾部不弯曲、不扭拧、不翻身、少缩尾等,提高操作便利性和成品率。
模具空刀大小同壁厚的关系
严格来说,模具空刀大小与壁厚关系不大,但主要通过对工作带变形的支撑能力影响工作带强度,进而达到影响壁厚的能力,同时也是防止工作带破碎的必要存在。如果模具空刀过大或过小,影响面会更广。空刀过大,工作带缺乏支撑,会出现斜口及变形,不仅影响壁厚稳定,也影响流速,产生工作带弹变的 “抖痕”、表面波浪、平面凸鼓等;空刀过小,容易粘结压入死区析出的颗粒金属,也容易成为 “第二工作带” 造成堵模。视工作带长度而定,第一级空刀一般控制在 0.5 - 1MM 范围为好,空刀口要打磨好并且无突点。注:模具工作带圆弧角角裂一般同该处空刀有很大关系。
二、设备能力高低及稳定性对壁厚偏差的影响
设备能力分为机械生产能力和机械性能水准,对铝型材壁厚偏差也有着重要影响。
机械生产能力
大型复杂型材和大型多腔型材多为桥式分流组合模,在模径模厚一定的情况下,设计上需考虑模具强度因素。由于型材截面大,模腔模室镂空大,在挤压过程中因压力抗阻流变化导致流量变化,往往因局部供铝不足,特别是中间供铝不足,过早产生缩尾。最先受缩尾影响的不是四周或扩展部分型材基体,而是为四周和扩展部分提供分流成型能力的有桥位阻挡或靠引流穿孔供应部分的薄边,这些边壁厚往往中间向两侧收缩,甚至能收缩到断开。
不复杂的一般大型型材由于模具分割阻断少,阻抗压力低,铝基径向流速大,往往中心供铝充足而造成扩张能力不够,扩展腔充填首先减少。此产生缩尾则是外形和壁厚从四周开始向中间收缩,形状发生变化。如果是扩展扁铝,两边壁厚厚度变化非常明显,甚至不足头部的 1/2,而中间部分壁厚减少的则不会太大,一般在 10% 左右,外径变化严重的超过 1MM。
机械生产能力一般指机械设备一定时间内最多生产的量(吨位或重量)或件(支数),这里指的是挤压机单件合格生产不同截面型材的最大尺寸极限。合格主要指尺寸和性能两大方面,挤压控制缺陷能力是指挤压控制合格各种缺陷能力的标准范围。
当挤压比分流模在 40 - 80% 之间,平模在 60 - 120% 之间时,挤压控制缺陷能力很强,在铝棒合格、挤压温度和速度正常的情况下,无论表面质量还是性能要求都能很好控制。而当超出这一范围越远,所产生的挤压难度就越大,各种缺陷问题也就依次而来。
机械生产能力对于壁厚影响相对表面质量和性能要求而言是 “副产” 问题,甚至是为保证大型型材表面质量和性能要求的牺牲品。在不同情况下,壁厚变化有以下情形:
解决机械生产能力不足的办法是更换更大机械;而机械生产能力大(大机压小料)会产生挤压比大,需要的挤压力和温度会更高,这就迫使挤压轴工进速度必须降下来。一般不影响壁厚变化,但与速度变化成比例。相较大截面型材,如果挤压轴工进速度不变,小截面型材出口速度就比大截面型材快,型材外形(径)和壁厚就会同步整体收缩和减薄,速度再快,供铝最少的地方就会因流速跟不上而撕裂。解决办法一是更改模具换小机台生产,二是大机换小筒,三是设计多孔模在大机台生产。
注意点:在不正常机械生产能力范围内,支撑垫和导引垫要配合好型材大小以及本身强度,防止碎垫意外。
综上所述,铝型材壁厚偏差受到模具和设备能力等多方面因素的影响。在生产过程中,需要综合考虑这些因素,采取相应的措施来控制壁厚偏差,提高铝型材的质量和性能。同时,不断创新和改进模具设计和设备技术,也是提高铝型材生产水平的关键。