Como projetar a matriz de extrusão do radiador de girassol para perfil de alumínio?

1. Análise das características estruturais dos perfis de alumínio

A Figura 1 mostra a seção transversal de um perfil de alumínio típico para radiadores tipo girassol. A área da seção transversal do perfil é de 7.773,5 mm², com um total de 40 dentes de dissipação de calor. A abertura máxima de suspensão formada entre os dentes é de 4,46 mm. Após o cálculo, a relação de lingueta entre os dentes é de 15,7. Ao mesmo tempo, há uma grande área sólida no centro do perfil, com uma área de 3.846,5 mm².

A julgar pelas características de forma do perfil, o espaço entre os dentes pode ser considerado como um perfil semi-oco, e o perfil do radiador é composto por múltiplos perfis semi-ocos. Portanto, ao projetar a estrutura do molde, a chave é considerar como garantir a resistência do molde. Embora para perfis semi-ocos, a indústria tenha desenvolvido uma variedade de estruturas de molde maduras, como "molde divisor coberto", "molde divisor cortado", "molde divisor de ponte suspensa", etc., essas estruturas não são aplicáveis ​​a produtos compostos por múltiplos perfis semi-ocos. O projeto tradicional considera apenas os materiais, mas na moldagem por extrusão, o maior impacto na resistência é a força de extrusão durante o processo de extrusão, e o processo de conformação do metal é o principal fator que gera a força de extrusão.

Devido à grande área sólida central do perfil do radiador solar, é muito fácil que a vazão total nessa área seja muito rápida durante o processo de extrusão, gerando uma tensão de tração adicional na cabeça do tubo de suspensão interdental, resultando em sua fratura. Portanto, no projeto da estrutura do molde, devemos nos concentrar no ajuste da vazão do metal e da vazão para atingir o objetivo de reduzir a pressão de extrusão e melhorar o estado de tensão do tubo suspenso entre os dentes, de modo a aumentar a resistência do molde.

2. Seleção da estrutura do molde e capacidade da prensa de extrusão

2.1 Estrutura do molde

Para o perfil do radiador de girassol mostrado na Figura 1, embora não tenha uma parte oca, ele deve adotar a estrutura de molde dividido, conforme mostrado na Figura 2. Diferentemente da estrutura de molde de derivação tradicional, a câmara da estação de solda de metal é colocada no molde superior e uma estrutura de inserção é usada no molde inferior. O objetivo é reduzir os custos do molde e encurtar o ciclo de fabricação do molde. Tanto o conjunto de molde superior quanto o inferior são universais e podem ser reutilizados. Mais importante ainda, os blocos de furos da matriz podem ser processados ​​independentemente, o que pode garantir melhor a precisão da correia de trabalho do furo da matriz. O furo interno do molde inferior é projetado como um degrau. A parte superior e o bloco de furos do molde adotam ajuste de folga, e o valor da folga em ambos os lados é de 0,06 a 0,1 m; a parte inferior adota ajuste de interferência, e a quantidade de interferência em ambos os lados é de 0,02 a 0,04 m, o que ajuda a garantir a coaxialidade e facilita a montagem, tornando o encaixe de incrustação mais compacto e, ao mesmo tempo, pode evitar a deformação do molde causada pelo ajuste de interferência da instalação térmica.

2.2 Seleção da capacidade da extrusora

A seleção da capacidade da extrusora visa, por um lado, determinar o diâmetro interno apropriado do cilindro de extrusão e a pressão específica máxima da extrusora na seção do cilindro de extrusão para atender à pressão durante a conformação do metal. Por outro lado, visa determinar a taxa de extrusão apropriada e selecionar as especificações de tamanho de molde apropriadas com base no custo. Para o perfil de alumínio do radiador tipo girassol, a taxa de extrusão não pode ser muito grande. O principal motivo é que a força de extrusão é proporcional à taxa de extrusão. Quanto maior a taxa de extrusão, maior a força de extrusão. Isso é extremamente prejudicial para o molde do perfil de alumínio do radiador tipo girassol.

A experiência mostra que a taxa de extrusão de perfis de alumínio para radiadores de girassol é inferior a 25. Para o perfil mostrado na Figura 1, foi selecionada uma extrusora de 20,0 MN com um diâmetro interno do cilindro de extrusão de 208 mm. Após o cálculo, a pressão específica máxima da extrusora é de 589 MPa, que é um valor mais apropriado. Se a pressão específica for muito alta, a pressão no molde será grande, o que é prejudicial à vida útil do molde; se a pressão específica for muito baixa, ele não pode atender aos requisitos de conformação por extrusão. A experiência mostra que uma pressão específica na faixa de 550 a 750 MPa pode atender melhor a vários requisitos do processo. Após o cálculo, o coeficiente de extrusão é de 4,37. A especificação do tamanho do molde é selecionada como 350 mm x 200 mm (diâmetro externo x graus).

3. Determinação dos parâmetros estruturais do molde

3.1 Parâmetros estruturais do molde superior

(1) Número e disposição dos furos de desvio. Para o molde de derivação de perfil de radiador de girassol, quanto maior o número de furos de derivação, melhor. Para perfis com formas circulares semelhantes, geralmente são selecionados de 3 a 4 furos de derivação tradicionais. O resultado é que a largura da ponte de derivação é maior. Geralmente, quando é maior que 20 mm, o número de soldas é menor. No entanto, ao selecionar a correia de trabalho do furo da matriz, a correia de trabalho do furo da matriz na parte inferior da ponte de derivação deve ser mais curta. Sob a condição de que não haja um método de cálculo preciso para a seleção da correia de trabalho, isso naturalmente fará com que o furo da matriz sob a ponte e outras peças não atinjam exatamente a mesma vazão durante a extrusão devido à diferença na correia de trabalho. Essa diferença na vazão produzirá tensão de tração adicional no cantilever e causará deflexão dos dentes de dissipação de calor. Portanto, para a matriz de extrusão de radiador de girassol com um número denso de dentes, é muito crítico garantir que a vazão de cada dente seja consistente. À medida que o número de furos de derivação aumenta, o número de pontes de derivação também aumenta, e a vazão e a distribuição do fluxo do metal se tornam mais uniformes. Isso ocorre porque, à medida que o número de pontes de derivação aumenta, a largura das pontes de derivação pode ser reduzida proporcionalmente.

Dados práticos mostram que o número de furos de derivação é geralmente de 6 ou 8, ou até mais. É claro que, para alguns perfis de dissipação de calor de girassol de grande porte, o molde superior também pode dispor os furos de derivação de acordo com o princípio da largura da ponte de derivação ≤ 14 mm. A diferença é que uma placa divisora ​​frontal deve ser adicionada para pré-distribuir e ajustar o fluxo de metal. O número e a disposição dos furos de desvio na placa de desvio frontal podem ser realizados de forma tradicional.

Além disso, ao dispor os furos de derivação, deve-se considerar o uso do molde superior para proteger adequadamente a cabeça do cantilever do dente de dissipação de calor, evitando que o metal atinja diretamente a cabeça do tubo cantilever, melhorando assim o estado de tensão do tubo cantilever. A parte bloqueada da cabeça do cantilever entre os dentes pode ter de 1/5 a 1/4 do comprimento do tubo cantilever. O layout dos furos de derivação é mostrado na Figura 3.

(2) A relação da área do furo de derivação. Como a espessura da parede da raiz do dente quente é pequena, a altura está distante do centro e a área física é muito diferente do centro, é a parte mais difícil de moldar metal. Portanto, um ponto-chave no projeto do molde de perfil de radiador de girassol é tornar a vazão da parte sólida central o mais lenta possível para garantir que o metal preencha primeiro a raiz do dente. Para alcançar tal efeito, por um lado, é a seleção da correia de trabalho e, mais importante, a determinação da área do furo de desvio, principalmente a área da parte central correspondente ao furo de desvio. Testes e valores empíricos mostram que o melhor efeito é alcançado quando a área do furo de desvio central S1 e a área do furo de desvio único externo S2 satisfazem a seguinte relação: S1 = (0,52 ~ 0,72) S2

Além disso, o canal de fluxo de metal efetivo do furo divisor central deve ser 20 a 25 mm maior que o canal de fluxo de metal efetivo do furo divisor externo. Esse comprimento também leva em consideração a margem e a possibilidade de reparo do molde.

(3) Profundidade da câmara de soldagem. A matriz de extrusão de perfil de radiador Sunflower é diferente da matriz de derivação tradicional. Toda a sua câmara de soldagem deve estar localizada na matriz superior. Isso garante a precisão do processamento do bloco de furos da matriz inferior, especialmente a precisão da correia de trabalho. Comparado ao molde de derivação tradicional, a profundidade da câmara de soldagem do molde de derivação de perfil de radiador Sunflower precisa ser aumentada. Quanto maior a capacidade da máquina de extrusão, maior o aumento na profundidade da câmara de soldagem, que é de 15 a 25 mm. Por exemplo, se for utilizada uma máquina de extrusão de 20 MN, a profundidade da câmara de soldagem da matriz de derivação tradicional é de 20 a 22 mm, enquanto a profundidade da câmara de soldagem da matriz de derivação do perfil de radiador Sunflower deve ser de 35 a 40 mm. A vantagem disso é que o metal é totalmente soldado e a tensão no tubo suspenso é bastante reduzida. A estrutura da câmara de soldagem do molde superior é mostrada na Figura 4.

3.2 Projeto do inserto do furo da matriz

O design do bloco de furos da matriz inclui principalmente o tamanho do furo da matriz, a correia de trabalho, o diâmetro externo e a espessura do bloco do espelho, etc.

(1) Determinação do tamanho do furo da matriz. O tamanho do furo da matriz pode ser determinado de forma tradicional, considerando principalmente a escala do processamento térmico da liga.

(2) Seleção da correia de trabalho. O princípio da seleção da correia de trabalho é, em primeiro lugar, garantir que o suprimento de todo o metal na base da raiz do dente seja suficiente, de modo que a vazão na base da raiz do dente seja mais rápida do que em outras partes. Portanto, a correia de trabalho na base da raiz do dente deve ser a mais curta, com um valor de 0,3 a 0,6 mm, e a correia de trabalho nas partes adjacentes deve ser aumentada em 0,3 mm. O princípio é aumentar em 0,4 a 0,5 a cada 10 a 15 mm em direção ao centro; em segundo lugar, a correia de trabalho na maior parte sólida do centro não deve exceder 7 mm. Caso contrário, se a diferença de comprimento da correia de trabalho for muito grande, ocorrerão grandes erros no processamento dos eletrodos de cobre e no processamento de eletroerosão da correia de trabalho. Esse erro pode facilmente causar a quebra da deflexão do dente durante o processo de extrusão. A correia de trabalho é mostrada na Figura 5.

 

(3) Diâmetro externo e espessura do inserto. Para moldes de derivação tradicionais, a espessura do inserto do furo da matriz é a espessura do molde inferior. No entanto, para o molde de radiador tipo girassol, se a espessura efetiva do furo da matriz for muito grande, o perfil colidirá facilmente com o molde durante a extrusão e a descarga, resultando em dentes irregulares, arranhões ou até mesmo travamento dos dentes. Isso causará a quebra dos dentes.

Além disso, se a espessura do furo da matriz for muito longa, por um lado, o tempo de processamento durante o processo de eletroerosão é longo e, por outro lado, é fácil causar desvios por corrosão elétrica e também é fácil causar desvios nos dentes durante a extrusão. Obviamente, se a espessura do furo da matriz for muito pequena, a resistência dos dentes não pode ser garantida. Portanto, levando esses dois fatores em consideração, a experiência mostra que o grau de inserção do furo da matriz do molde inferior é geralmente de 40 a 50; e o diâmetro externo do inserto do furo da matriz deve ser de 25 a 30 mm da maior borda do furo da matriz até o círculo externo do inserto.

Para o perfil mostrado na Figura 1, o diâmetro externo e a espessura do bloco de furos da matriz são 225 mm e 50 mm, respectivamente. O inserto do furo da matriz é mostrado na Figura 6. D na figura é o tamanho real e o tamanho nominal é 225 mm. O desvio limite de suas dimensões externas é correspondido de acordo com o furo interno do molde inferior para garantir que a folga unilateral esteja dentro da faixa de 0,01 a 0,02 mm. O bloco de furos da matriz é mostrado na Figura 6. O tamanho nominal do furo interno do bloco de furos da matriz colocado no molde inferior é 225 mm. Com base no tamanho real medido, o bloco de furos da matriz é correspondido de acordo com o princípio de 0,01 a 0,02 mm por lado. O diâmetro externo do bloco de furos da matriz pode ser obtido como D, mas para a conveniência da instalação, o diâmetro externo do bloco de espelho do furo da matriz pode ser apropriadamente reduzido dentro da faixa de 0,1 m na extremidade de alimentação, conforme mostrado na figura.

4. Principais tecnologias de fabricação de moldes

A usinagem do molde de perfil de radiador Sunflower não é muito diferente da dos moldes de perfil de alumínio comuns. A diferença óbvia se reflete principalmente no processamento elétrico.

(1) Em termos de corte de fio, é necessário evitar a deformação do eletrodo de cobre. Como o eletrodo de cobre usado para eletroerosão é pesado, os dentes são muito pequenos, o próprio eletrodo é macio, tem baixa rigidez e a alta temperatura local gerada pelo corte do fio faz com que o eletrodo seja facilmente deformado durante o processo de corte do fio. Ao usar eletrodos de cobre deformados para processar correias de trabalho e facas vazias, ocorrerão dentes tortos, o que pode facilmente causar o descarte do molde durante o processamento. Portanto, é necessário evitar a deformação dos eletrodos de cobre durante o processo de fabricação online. As principais medidas preventivas são: antes do corte do fio, nivelar o bloco de cobre com uma base; usar um relógio comparador para ajustar a verticalidade no início; ao cortar o fio, começar pela parte do dente e, por fim, cortar a parte com parede espessa; De vez em quando, usar fio de prata de sucata para preencher as partes cortadas; após a fabricação do fio, usar uma máquina de arame para cortar uma pequena seção de cerca de 4 mm ao longo do comprimento do eletrodo de cobre cortado.

(2) A usinagem por eletroerosão é obviamente diferente dos moldes comuns. A eletroerosão é muito importante no processamento de moldes de perfil de radiador em formato de girassol. Mesmo que o projeto seja perfeito, um pequeno defeito na eletroerosão fará com que todo o molde seja descartado. A usinagem por eletroerosão não depende tanto de equipamentos quanto o corte a fio. Depende em grande parte da habilidade operacional e da proficiência do operador. A usinagem por eletroerosão se concentra principalmente nos cinco pontos a seguir:

①Corrente de usinagem por descarga elétrica. Uma corrente de 7 a 10 A pode ser usada para usinagem de eletroerosão inicial para reduzir o tempo de processamento; uma corrente de 5 a 7 A pode ser usada para usinagem de acabamento. O objetivo de usar uma corrente baixa é obter uma boa superfície;

2. Garanta a planicidade da face final do molde e a verticalidade do eletrodo de cobre. A planicidade inadequada da face final do molde ou a verticalidade insuficiente do eletrodo de cobre dificultam a garantia de que o comprimento da correia de trabalho após o processamento por eletroerosão seja consistente com o comprimento projetado da correia de trabalho. É fácil que o processo de eletroerosão falhe ou até mesmo penetre na correia de trabalho dentada. Portanto, antes do processamento, é necessário usar uma retificadora para achatar ambas as extremidades do molde para atender aos requisitos de precisão, e um relógio comparador deve ser usado para corrigir a verticalidade do eletrodo de cobre.

③ Certifique-se de que a folga entre as facas vazias seja uniforme. Durante a usinagem inicial, verifique se a ferramenta vazia está deslocada a cada 0,2 mm a cada 3 a 4 mm de processamento. Se o deslocamento for grande, será difícil corrigi-lo com ajustes subsequentes;

④Remova os resíduos gerados durante o processo de eletroerosão em tempo hábil. A corrosão por descarga de faísca produzirá uma grande quantidade de resíduos, que devem ser limpos a tempo, caso contrário, o comprimento da correia de trabalho será diferente devido às diferentes alturas dos resíduos;

⑤O molde deve ser desmagnetizado antes da eletroerosão.

5. Comparação dos resultados da extrusão

O perfil mostrado na Figura 1 foi testado utilizando o molde bipartido tradicional e o novo esquema de projeto proposto neste artigo. A comparação dos resultados é apresentada na Tabela 1.

Os resultados da comparação demonstram que a estrutura do molde tem grande influência na vida útil do molde. O molde projetado com o novo esquema apresenta vantagens óbvias e melhora significativamente a vida útil do molde.

6. Conclusão

O molde de extrusão de perfil de radiador em formato de girassol é um tipo de molde muito difícil de projetar e fabricar, sendo seu projeto e fabricação relativamente complexos. Portanto, para garantir a taxa de sucesso da extrusão e a vida útil do molde, os seguintes pontos devem ser observados:

(1) A forma estrutural do molde deve ser selecionada de forma razoável. A estrutura do molde deve ser propícia à redução da força de extrusão, a fim de reduzir a tensão no cantilever do molde formada pelos dentes de dissipação de calor, melhorando assim a resistência do molde. A chave é determinar de forma razoável o número e a disposição dos furos de derivação, bem como a área dos furos de derivação e outros parâmetros: primeiro, a largura da ponte de derivação formada entre os furos de derivação não deve exceder 16 mm; segundo, a área do furo de divisão deve ser determinada de forma que a taxa de divisão atinja mais de 30% da taxa de extrusão, tanto quanto possível, garantindo a resistência do molde.

(2) Selecione a correia de trabalho de forma razoável e adote medidas razoáveis ​​durante a usinagem elétrica, incluindo a tecnologia de processamento dos eletrodos de cobre e os parâmetros elétricos padrão da usinagem elétrica. O primeiro ponto-chave é que o eletrodo de cobre deve ser retificado superficialmente antes do corte do fio, e o método de inserção deve ser utilizado durante o corte do fio para garantir que os eletrodos não estejam soltos ou deformados.

(3) Durante o processo de usinagem elétrica, o eletrodo deve ser alinhado com precisão para evitar desvios nos dentes. É claro que, com base em um projeto e fabricação razoáveis, o uso de aço de molde para trabalho a quente de alta qualidade e o processo de tratamento térmico a vácuo de três ou mais têmperas podem maximizar o potencial do molde e alcançar melhores resultados. Do projeto, fabricação à produção por extrusão, somente se cada elo for preciso podemos garantir que o molde de perfil de radiador de girassol seja extrudado.