Table of Contents

Введение

Горячая экструзия - это процесс производства большого объема, используемый для производства длинных, прямых металлических профилей, стержней, труб и сложных поперечных сечений. Алюминий, медь, магний, титан и даже некоторые марки стали обычно формируются с помощью этого метода. Процесс включает нагревание заготовки металла до температуры ниже его температуры плавления - обычно от 300 до 500 ° C для алюминиевых сплавов и до 1200° C для сталей - затем вынуждает его проходить через отверстие для отверстий под высоким давлением. Одним из самых требовательных требований к качеству для экструдированных продуктов является отделка поверхности. Конечные пользователи в автомобильном, аэрокосмическом, архитектурном и потребительском секторах часто указывают значения шероховатости поверхности (Ra, Rz), которые должны быть выполнены для обеспечения надлежащей эстетики, коррозионной стойкости и усталостных характеристик.

Поверхностные дефекты, такие как царапины, галечные, линии отмирания и волнистость, являются общими проблемами при горячей экструзии, и они часто возникают из условий трения, которые существуют между заготовкой, поверхностью подшипника отмирания и стенкой контейнера. Управление трением - то есть преднамеренный контроль трибологических условий во время экструзионного удара - оказывает прямое и измеримое влияние на качество конечной поверхности экструдированного продукта. Эта статья предоставляет подробный, ориентированный на производство взгляд на то, как управление трением формирует поверхность в горячей экструзии, задействованные механизмы и практические стратегии, которые производители могут принять для достижения превосходных результатов.

Основы трения в горячей экструзии

Трение при горячей экструзии представляет собой сложное трибологическое явление, которое действует в экстремальных условиях: высокие контактные давления (часто превышающие 300 МПа), повышенные температуры, высокие скорости скольжения (до нескольких метров в секунду) и деформирующий металл в полутвердом или вископластическом состоянии.Существуют два режима первичного трения: сухое (несмазанное) трение и смазанное трение, причем наиболее распространенными в промышленной практике являются режимы смешанной или граничной смазки.

Коэффициент трения и его изменчивость

Коэффициент трения (COF) при горячей экструзии не является единичным значением, но изменяется вдоль длины подшипника качения, с давлением и со временем во время цикла экструзии. На поверхности подшипника кувшина, где металл заготовки вынужден скользить по инструментальной стали, COF может варьироваться от 0,05 при эффективной смазке до 0,5 или выше при плохих условиях смазки или сглаживания. Высокое трение создает чрезмерные напряжения сдвига вблизи выхода кувшина, вызывая разрыв поверхности, повышенный износ кувшина и более высокие нагрузки экструзии. Кривая Стрибека, которая связывает COF с отношением подшипника (скорость × вязкость / нагрузка), помогает объяснить переход от граничной смазки к смешанным и гидродинамическим режимам - хотя при горячей экструзии реология материала и высокая температура препятствуют образованию истинной гидродинамической пленки.

Трение как драйвер целостности поверхности

Дефекты отделки поверхности часто инициируются, когда местное трение превышает когезистую прочность металла, заставляя материал прилипать к кристаллу, а затем отрываться, создавая выпуклости или слои переноса. Поведение трения также сильно связано с оксидным слоем на поверхности заготовки. Свежевая, чистая металлическая поверхность внутри контейнера под высоким давлением и температурой может легко свариться, чтобы умереть сталь, если оксид нарушен - это известно как пикап или галинг. Таким образом, управление трением становится вопросом контроля межфазной прочности сдвига на интерфейсе инструмент-заготовка.

Ключевые факторы, влияющие на уровни трения

Для определения уровня трения на подшипнике и стенке контейнера взаимодействуют несколько технологических и материальных факторов. Понимание этих факторов имеет важное значение для осуществления эффективного управления трением.

температура

Температура влияет на прочность выхода металла, вязкость любой прикладываемой смазки и скорость окисления как заготовки, так и поверхности гиблой поверхности. Более низкие температуры заготовки могут увеличить напряжение потока и уменьшить тенденцию к сцеплению, в то время как более высокие температуры способствуют выгоранию смазки и повышают химическую реактивность между металлом и гиблой сталью. Типичной целью для экструзии алюминия является температура заготовки 450-490 ° C, но фактическая температура гиблой заготовки, часто удерживаемая при 420-450 ° C, должна быть устранена, чтобы избежать тепловых градиентов, которые вызывают неравномерное разрушение смазочной пленки.

Экструзионное давление и скорость

Более высокое давление экструзии увеличивает нормальную силу на подшипнике, повышая напряжение сдвига трения и делая смазку более критичной. Скорость также имеет прямой эффект: слишком быстрая скорость барана может перегреть поверхность подшипника, что приводит к отказу смазки и повышенной шероховатости поверхности. И наоборот, очень медленные скорости могут вызывать чрезмерное время нахождения и способствовать прилипанию. Например, в некоторых алюминиевых профилях скорость барана 3-5 мм/с дает приемлемую поверхность отделки, в то время как скорости выше 8 мм/с производят видимые линии отмирания.

Умирают материальные и поверхностные условия

Твердость стали, шероховатость поверхности и любые наносимые покрытия непосредственно влияют на трение. Полированная поверхность подшипника кварцевой обшивки (Ra < 0,1 мкм) уменьшает механическую блокировку и тенденцию к металлическому захвату. Обычно используются инструментальные стали, такие как H13 и QRO-90, а их нитридинг или покрытие (например, TiN, AlCrN или CrN) дополнительно снижает коэффициенты трения и улучшает износостойкость. шероховатость поверхности подшипника кварцевой обшивки является одним из наиболее контролируемых параметров для управления трением.

Состояние поверхности бильета

Окислительные чешуйки, поверхностное загрязнение и толщина оксида металла влияют на трение. При экструзии алюминия однородный, хрупкий слой оксида может действовать как твердая смазка при определенных условиях, но несогласованная толщина оксида или наличие остаточной смазки от гомогенизации могут создавать локализованные изменения трения, приводящие к поверхностным отметкам. Гомогенизация и скальпинг заготовки являются общими предварительными обработками, используемыми для достижения согласованного состояния поверхности.

Смазочные свойства

Тип, состав и способ нанесения смазки являются, пожалуй, наиболее непосредственно влияющими переменными. Смазочные материалы должны выдерживать высокие температуры без разложения, обеспечивать низкосдвигаемый слой и быть нереактивными при экструдировании металла.Обычные смазочные материалы для горячей экструзии включают дисперсии на основе графита, дисульфид молибдена и синтетические масла, предназначенные для высокотемпературной граничной смазки. Толщина смазочной пленки и ее распределение на подшипнике кристалла должны тщательно контролироваться, чтобы избежать тонких пятен, которые приводят к контакту металла с металлом.

Поверхностные дефекты, вызванные плохим управлением трением

Неадекватное управление трением приводит к ряду поверхностных дефектов, которые влияют на внешний вид и функциональность экструдированных изделий. Выявление этих дефектов является первым шагом к выбору правильной стратегии управления трением.

Die Lines и Стреки

Продольные линии вдоль направления экструзии часто вызваны локализованными вариациями трения на подшипнике каши. Эти линии могут быть неглубокими или глубокими и могут быть результатом неоднородного покрытия смазкой, обломков, встроенных в кашу, или локального перегрева, который нарушает пленку каши.

Галлинг и пикап

Галлинг возникает, когда металл из заготовки переносится на поверхность гиблы и накапливается, в конце концов отрываясь и оставляя на экструзии грубую, пятнистую поверхность.В алюминии галька проявляется как сочетание шероховатости поверхности и обесцвечивания. Ему часто предшествует феномен скольжения палкой, где трение чередуется между высокими и низкими значениями.

Поверхностное драки и горячее слезоточие

При чрезвычайно высоком трении растягивающие напряжения на экструдированной поверхности могут превышать пластичность материала, создавая поперечные трещины или горячие слезы. Эти дефекты чаще встречаются в трудноэкструдируемых сплавах, таких как алюминий 6061 или 7075, и в магниевых сплавах. Управление трением посредством смазки и контроля температуры гибки может снизить вероятность поверхностного растрескивания.

Скрабсы и грубость

Крахмалы являются прямым результатом того, что абразивные частицы (износные обломки от кристалла или нерастворимые частицы смазки) тянутся по поверхности по мере выхода экструзии из кристалла. Правильная фильтрация смазочных материалов, очистка кристалла и использование высококачественной кристаллической стали могут минимизировать этот дефект. Шероховатость поверхности (Ra) обычно увеличивается, когда трение превышает 0,2, как измеряется трибометрами на диске при моделируемых условиях экструзии.

Стратегии управления трением

Систематический подход к управлению трением предполагает подбор подходящей смазки, оптимизацию обработки поверхности штамповки, корректировку параметров процесса и обслуживание оборудования. В промышленной практике доказаны следующие стратегии.

Выбор и применение смазки

Смазочные материалы для горячей экструзии должны выбираться на основе конкретного металлического сплава, температуры экструзии и конструкции штамповки. Смазочные материалы на основе графита широко используются для экструзии алюминия, поскольку они поддерживают низкое трение до 500 ° C и легко применяются в качестве распылителя на водной основе. Дисульфид молибдена (MoS2) хорошо работает в инертных атмосферах, но может окисляться и терять эффективность выше 350° C. Для экструзии на основе титана и стали смазочные материалы на основе стекла распространены, поскольку они плавятся для формирования вязкой пленки. Применение должно быть однородным: ручные распылители, электростатические распылители или автоматизированные системы смазки используются для покрытия подшипника к штампу и стенки контейнера перед каждым циклом экструзии. Толщина смазочной пленки должна быть в диапазоне 5-15 мкм для большинства алюминиевых заготовок.

Умирают покрытия и обработка поверхности

Продвинутая технология обработки поверхности подшипниковых кристаллов значительно снижает трение. Нитридинг (газовое или плазменное нитридинг) создает твердую зону диффузии с низким трением и высокой износостойкостью. Покрытия для физического осаждения паров (PVD), такие как TiAlN, CrN или DLC (алмазоподобный углерод), обеспечивают еще более низкие коэффициенты трения (0,1-0,2) и отличную термическую стабильность. Например, кристалл с покрытием TiAlN, используемый в экструзии алюминия, может уменьшить износ подшипниковых кристаллов на 50% и улучшить консистенцию поверхности в течение тысяч циклов. Другим эффективным методом является применение твердого анодированного покрытия на керамической основе на контейнерных лайнерах для уменьшения трения и предотвращения износа от скольжения заготовки.

Оптимизация параметров процесса

Контроль скорости барана, температуры заготовки и температуры затвора в герметичных окнах может компенсировать изменения в трении. Снижение скорости барана в начальной фазе прорыва предотвращает высокий пик трения, который может вызвать обширные дефекты поверхности. Некоторые экструзионные прессы используют прогрессивный нагрев отмера для поддержания постоянной температуры на подшипнике, обеспечивая стабильное поведение смазки. Дополнительно, использование манекена с точно контролируемой формой может влиять на рисунок потока металла и уменьшать трение на стенке контейнера.

Умри геометрия и дизайн соображения

Уменьшают длину подшипника, геометрию земли и углы входа, влияют на распределение давления и расстояние скольжения, что, в свою очередь, влияет на трение. Более короткие длины подшипника уменьшают расстояние скольжения и, следовательно, трение, но они также уменьшают способность контролировать отделку поверхности. Оптимизация длины подшипника - это баланс между трением и стабильностью размеров. Для гладкой поверхности многие экструзионные матрицы используют ступенчатую конструкцию подшипника - с небольшим свинцовым шарниром и более длинным параллельным сечением - для содействия равномерному образованию смазочной пленки.

Мониторинг в реальном времени и обратная связь

Современные экструзионные прессы оснащены датчиками для измерения силы барана, температуры отмирания и качества поверхности в ряд. Соотнося кривые силы с событиями трения, операторы могут обнаруживать начало разрушения смазки и регулировать параметры в режиме реального времени. Некоторые заводы используют ультразвуковые датчики для обнаружения дефектов поверхности при выходе экструзии из отмирания, вызывая автоматическую очистку отмирания или корректировку цикла смазки.

Влияние на качество поверхности и продукции

Прямое воздействие эффективного управления трением является значительным улучшением в отделке поверхности. Данные промышленности показывают, что снижение коэффициента трения с 0,3 до 0,1 на подшипнике шероховатости поверхности (Ra) может снизить среднюю шероховатость поверхности (Ra) с 1,2 мкм до 0,4 мкм в 6063 алюминиевых экструзий. Это сокращение не только отвечает эстетическим требованиям для архитектурных применений, но и снижает необходимость в операциях после экструзии отделки, таких как полировка, шлифование или химическое травление.

Точность измерения

Трение также влияет на размерную консистенцию экструдированного профиля. Неравномерное трение вдоль подшипника кустарника вызывает неравномерный поток металла, приводящий к отклонениям толщины стенки и формы поперечного сечения. Контролируемое трение посредством равномерной смазки уменьшает эти колебания, улучшая выход и уменьшая лом. Для высокоточных профилей, используемых в теплоотводах или конструктивных компонентах, изменение, вызванное трением, даже на 0,05 мм может быть неприемлемым.

Инструменты жизни и производительности

Более низкое трение уменьшает износ штамповки, во многих случаях продлевая срок службы инструмента на 30-50%. Это приносит экономические выгоды за счет меньшего количества изменений штамповки, меньшего времени простоя для повторного затвердевания и более низких затрат на оснастку. Кроме того, снижение трения снижает требуемую силу экструзии, позволяя снизить тоннаж пресса или более быструю скорость тарана для того же предела силы, что непосредственно увеличивает производительность.

Практические соображения и примеры отрасли

Алюминиевая экструзионная промышленность

При производстве 6063 и 6060 алюминиевых профилей для оконных рам и стенок штор управления трением имеет решающее значение для достижения равномерной анодированной отделки. Производители используют графитовую смазку, наносимую через автоматизированные распылительные станции, которые покрывают стенку контейнера и подшипник перед каждой заготовкой. Некоторые передовые заводы используют водорастворимую синтетическую смазку, которая сгорает чисто во время экструзионного тепла, не оставляя остатков, которые могли бы повлиять на последующее анодирование. В документально подтвержденном случае переход от низковязкой синтетической смазки к высокотемпературной графитовой дисперсии уменьшил отклонение дефекта поверхности с 8% до 1,5% в течение трехмесячного периода производства.

Титан и суперсплав экструзия

Горячая экструзия титановых сплавов (например, Ti-6Al-4V) и суперсплавов на основе никеля представляет собой экстремальные проблемы трения из-за их высокого напряжения потока и тенденции реагировать с кристаллической сталью. Здесь используются стеклянные смазочные материалы (например, боросиликатные стекла с определенными точками размягчения). Стекло плавится во время экструзии, образуя непрерывную смазочную пленку, которая изолирует заготовку от кристалла. Управление трением в этом контексте включает контроль вязкости стекла через состав и температуру и обеспечение последовательного покрытия стекла на поверхности заготовки. Поверхностная отделка на титановых экструзиях может достигать значений Ra ниже 0,8 мкм при правильном применении стеклянной смазки.

Медь и медная экструзия

Для меди и латуни более высокие температуры экструзии (700-900°C) требуют смазочных материалов с термической стабильностью. Графитовые и тальковые смеси являются обычным явлением, но некоторые растения используют смазочные материалы на масляной основе, которые разлагаются, образуя углеродный слой. Подход к управлению трением здесь часто фокусируется на контроле температуры кристалла через каналы водяного охлаждения для предотвращения деградации смазочных материалов. Улучшения поверхностной отделки в экструзиях меди до 30% были достигнуты с использованием подшипников для плазменных нитридов в сочетании с графитовым спреем на водной основе.

Измерение и мониторинг трения при горячей экструзии

Точное количественное определение трения в производстве является сложной задачей, но необходимой для оптимизации. Трибометрия Pin-on-disk в условиях симулированной экструзии (температура, давление и скорость) обеспечивает исходные данные для выбора смазки. На фактическом прессе профиль силы экструзии является полезным прокси: начальная сила пика отражает трение разрыва, в то время как сила устойчивого состояния указывает на трение несущих. Сравнивая фактическую силу с смоделированной силой без трения, можно оценить коэффициент трения. Моделирование конечных элементов (например, с использованием деформации или QForm) также включает модели трения для прогнозирования отделки поверхности. Некоторые производители используют датчики силы в стирании или термопары, встроенные вблизи поверхности подшипника для обнаружения нагрева, связанного с трением.

Будущие направления в управлении трениями

Исследования продолжают разрабатывать интеллектуальные системы смазки, которые корректируют скорость доставки смазочных материалов на основе обратной связи трения в режиме реального времени. Исследуются самосмазочные материалы, такие как материалы, наполненные твердыми смазочными материалами, которые мигрируют на поверхность во время использования. Аддитивное производство смазочных материалов с текстурированными подшипниковыми поверхностями (например, микро-кучевины или ямочки) является еще одним перспективным подходом к удержанию смазочных материалов и снижению трения без покрытий. Кроме того, экологически чистые смазочные материалы - масла на основе биомассы и составы на водной основе с низкой токсичностью - все чаще заменяют традиционный графит и MoS2 для безопасности работников и соблюдения экологических норм.

Заключение

Управление трением не является вторичным фактором при горячей экструзии; это основной определитель качества поверхности, точности размеров, срока службы инструмента и общей эффективности процесса. Понимая сложные трибологические условия, которые существуют на интерфейсе заготовки и применения, и систематически контролируя такие факторы, как тип смазки и применение, обработка поверхности отмирания и параметры процесса, производители могут достичь превосходной, последовательной обработки поверхности при одновременном снижении затрат. Технологии и стратегии, изложенные в этой статье - от передовых покрытий до мониторинга в режиме реального времени - представляют современное состояние техники. По мере появления новых материалов и процессов принципы управления трением останутся центральными для производства высококачественных экструдированных продуктов.

Для дальнейшего чтения см. Трибологическое моделирование в экструзии и Экструзия Тулинг и Поверхностная инженерия .