Lý do tại sao thanh hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất là vì mọi người đều nhận thức rõ những ưu điểm của nó như mật độ thấp, khả năng chống ăn mòn, độ dẫn điện tuyệt vời, tính chất không chứa sắt từ, khả năng định hình và khả năng tái chế.
Ngành công nghiệp nhôm định hình của Trung Quốc đã phát triển từ con số không, từ quy mô nhỏ đến quy mô lớn, cho đến khi trở thành một quốc gia sản xuất nhôm định hình lớn, với sản lượng đứng đầu thế giới. Tuy nhiên, khi nhu cầu của thị trường đối với các sản phẩm nhôm định hình ngày càng tăng, việc sản xuất nhôm định hình đã phát triển theo hướng phức tạp, độ chính xác cao và quy mô lớn, dẫn đến một loạt vấn đề về sản xuất.
Thanh nhôm định hình chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp đùn. Trong quá trình sản xuất, ngoài việc xem xét hiệu suất của máy đùn, thiết kế khuôn, thành phần thanh nhôm, xử lý nhiệt và các yếu tố quy trình khác, thiết kế mặt cắt ngang của thanh nhôm cũng cần được xem xét. Thiết kế mặt cắt ngang thanh nhôm tốt nhất không chỉ có thể giảm thiểu khó khăn trong quy trình ngay từ đầu mà còn cải thiện chất lượng và hiệu quả sử dụng của sản phẩm, giảm chi phí và rút ngắn thời gian giao hàng.
Bài viết này tóm tắt một số kỹ thuật thường dùng trong thiết kế mặt cắt thanh nhôm thông qua các trường hợp thực tế trong sản xuất.
1. Nguyên lý thiết kế mặt cắt thanh nhôm
Ép đùn thanh nhôm định hình là phương pháp gia công trong đó thanh nhôm được nung nóng được nạp vào thùng đùn và áp suất được tác dụng thông qua máy đùn để đùn thanh nhôm ra khỏi lỗ khuôn có hình dạng và kích thước nhất định, gây ra biến dạng dẻo để thu được sản phẩm mong muốn. Vì thanh nhôm bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, tốc độ đùn, lượng biến dạng và khuôn trong quá trình biến dạng nên tính đồng nhất của dòng chảy kim loại khó kiểm soát, điều này gây ra một số khó khăn nhất định cho việc thiết kế khuôn. Để đảm bảo độ bền của khuôn và tránh nứt, sập, sứt mẻ, v.v., cần tránh những điều sau trong thiết kế tiết diện thanh định hình: các thanh nhô ra lớn, lỗ nhỏ, lỗ nhỏ, xốp, không đối xứng, thành mỏng, độ dày thành không đều, v.v. Khi thiết kế, trước tiên chúng ta phải đáp ứng hiệu suất của nó về mặt sử dụng, trang trí, v.v. Tiết diện thu được có thể sử dụng được nhưng không phải là giải pháp tốt nhất. Bởi vì khi các nhà thiết kế thiếu hiểu biết về quy trình đùn ép và không nắm rõ thiết bị công nghệ liên quan, đồng thời yêu cầu quy trình sản xuất quá cao và nghiêm ngặt, tỷ lệ chất lượng sẽ giảm, chi phí tăng, và không thể tạo ra được sản phẩm nhôm định hình lý tưởng. Do đó, nguyên tắc thiết kế tiết diện nhôm định hình là sử dụng quy trình đơn giản nhất có thể, đồng thời vẫn đảm bảo được chức năng thiết kế.
2. Một số mẹo về thiết kế giao diện thanh nhôm
2.1 Bù lỗi
Đóng khuôn là một trong những lỗi thường gặp trong sản xuất hồ sơ. Nguyên nhân chính như sau:
(1) Các cấu hình có lỗ mở mặt cắt ngang sâu thường sẽ đóng lại khi đùn.
(2) Việc kéo giãn và nắn thẳng các mặt cắt sẽ làm tăng cường độ đóng.
(3) Các cấu hình được tiêm keo với một số cấu trúc nhất định cũng sẽ bị đóng lại do keo co lại sau khi keo được tiêm.
Nếu hiện tượng đóng nêu trên không nghiêm trọng, có thể tránh được bằng cách kiểm soát lưu lượng thông qua thiết kế khuôn; nhưng nếu nhiều yếu tố chồng lên nhau và thiết kế khuôn cùng các quy trình liên quan không thể giải quyết được hiện tượng đóng, có thể bù trước trong thiết kế mặt cắt ngang, tức là mở trước.
Lượng bù trừ mở trước cần được lựa chọn dựa trên cấu trúc cụ thể và kinh nghiệm đóng trước đó. Lúc này, thiết kế bản vẽ mở khuôn (mở trước) và bản vẽ hoàn thiện có sự khác biệt (Hình 1).
2.2 Chia các phần lớn thành nhiều phần nhỏ
Với sự phát triển của các thanh nhôm định hình cỡ lớn, thiết kế mặt cắt ngang của nhiều thanh nhôm định hình ngày càng lớn hơn, đồng nghĩa với việc cần một loạt thiết bị hỗ trợ như máy đùn cỡ lớn, khuôn lớn, thanh nhôm cỡ lớn, v.v., và chi phí sản xuất tăng mạnh. Đối với một số thanh nhôm định hình cỡ lớn có thể đạt được bằng phương pháp ghép nối, cần phải chia thành nhiều thanh nhôm định hình nhỏ hơn trong quá trình thiết kế. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí mà còn giúp đảm bảo độ phẳng, độ cong và độ chính xác (Hình 2).
2.3 Lắp đặt các thanh gia cố để cải thiện độ phẳng của nó
Yêu cầu về độ phẳng thường gặp khi thiết kế tiết diện. Các tiết diện nhịp nhỏ dễ dàng đảm bảo độ phẳng nhờ cường độ kết cấu cao. Các tiết diện nhịp dài sẽ bị võng do trọng lực của chính chúng ngay sau khi đùn, và phần có ứng suất uốn lớn nhất ở giữa sẽ là phần lõm nhất. Ngoài ra, do tấm tường dài nên dễ tạo sóng, làm giảm độ không liên tục của mặt phẳng. Do đó, nên tránh sử dụng kết cấu tấm phẳng kích thước lớn trong thiết kế tiết diện ngang. Nếu cần, có thể lắp đặt gân gia cường ở giữa để cải thiện độ phẳng. (Hình 3)
2.4 Xử lý thứ cấp
Trong quá trình sản xuất thanh định hình, một số đoạn khó có thể hoàn thiện bằng phương pháp đùn ép. Ngay cả khi có thể thực hiện được, chi phí gia công và sản xuất cũng sẽ quá cao. Lúc này, có thể cân nhắc các phương pháp gia công khác.
Trường hợp 1: Các lỗ có đường kính nhỏ hơn 4mm trên mặt cắt sẽ làm khuôn không đủ độ bền, dễ hư hỏng và khó gia công. Khuyến nghị nên loại bỏ các lỗ nhỏ và thay thế bằng phương pháp khoan.
Trường hợp 2: Việc sản xuất các rãnh chữ U thông thường không khó, nhưng nếu độ sâu và chiều rộng rãnh vượt quá 100mm hoặc tỷ lệ giữa chiều rộng rãnh và chiều sâu rãnh không hợp lý, các vấn đề như độ bền khuôn không đủ và khó đảm bảo độ mở cũng sẽ gặp phải trong quá trình sản xuất. Khi thiết kế tiết diện, có thể coi lỗ mở là kín, để khuôn đặc ban đầu không đủ độ bền có thể được chuyển thành khuôn tách ổn định và sẽ không có vấn đề biến dạng lỗ mở trong quá trình đùn, giúp duy trì hình dạng dễ dàng hơn. Ngoài ra, một số chi tiết có thể được thực hiện tại kết nối giữa hai đầu của lỗ mở trong quá trình thiết kế. Ví dụ: đặt các dấu hình chữ V, rãnh nhỏ, v.v. để có thể dễ dàng loại bỏ chúng trong quá trình gia công cuối cùng (Hình 4).
2.5 Phức tạp bên ngoài nhưng đơn giản bên trong
Khuôn đùn nhôm định hình có thể được chia thành khuôn đặc và khuôn shunt tùy thuộc vào việc mặt cắt ngang có khoang hay không. Việc gia công khuôn đặc tương đối đơn giản, trong khi gia công khuôn shunt liên quan đến các quy trình tương đối phức tạp như khoang và đầu lõi. Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng đến thiết kế mặt cắt định hình, nghĩa là đường viền ngoài của mặt cắt có thể được thiết kế phức tạp hơn, và các rãnh, lỗ vít, v.v. nên được đặt ở ngoại vi càng nhiều càng tốt, trong khi mặt cắt bên trong nên càng đơn giản càng tốt, và yêu cầu độ chính xác không được quá cao. Bằng cách này, cả việc gia công và bảo trì khuôn sẽ đơn giản hơn nhiều, và tỷ lệ chảy cũng sẽ được cải thiện.
2.6 Ký quỹ dự trữ
Sau khi đùn, các thanh nhôm định hình có các phương pháp xử lý bề mặt khác nhau tùy theo nhu cầu của khách hàng. Trong số đó, phương pháp anot hóa và điện di ít ảnh hưởng đến kích thước do lớp màng mỏng. Nếu sử dụng phương pháp xử lý bề mặt bằng sơn tĩnh điện, bột sẽ dễ tích tụ ở các góc và rãnh, và độ dày của một lớp có thể lên tới 100 μm. Nếu đây là vị trí lắp ráp, chẳng hạn như thanh trượt, thì có nghĩa là có 4 lớp sơn phun. Độ dày lên đến 400 μm sẽ khiến việc lắp ráp trở nên bất khả thi và ảnh hưởng đến việc sử dụng.
Ngoài ra, khi số lượng đùn tăng lên và khuôn bị mòn, kích thước khe định hình sẽ ngày càng nhỏ lại, trong khi kích thước thanh trượt ngày càng lớn, khiến việc lắp ráp trở nên khó khăn hơn. Dựa trên những lý do trên, cần phải thiết kế khoảng cách phù hợp theo các điều kiện cụ thể để đảm bảo lắp ráp.
2.7 Đánh dấu dung sai
Đối với thiết kế mặt cắt ngang, bản vẽ lắp ráp được tạo ra trước và sau đó bản vẽ sản phẩm định hình được tạo ra. Bản vẽ lắp ráp chính xác không có nghĩa là bản vẽ sản phẩm định hình là hoàn hảo. Một số nhà thiết kế bỏ qua tầm quan trọng của việc đánh dấu kích thước và dung sai. Các vị trí được đánh dấu thường là các kích thước cần được đảm bảo, chẳng hạn như: vị trí lắp ráp, độ mở, độ sâu rãnh, chiều rộng rãnh, v.v. và dễ đo lường và kiểm tra. Đối với dung sai kích thước chung, có thể chọn mức độ chính xác tương ứng theo tiêu chuẩn quốc gia. Một số kích thước lắp ráp quan trọng cần được đánh dấu bằng các giá trị dung sai cụ thể trong bản vẽ. Nếu dung sai quá lớn, việc lắp ráp sẽ khó khăn hơn và nếu dung sai quá nhỏ, chi phí sản xuất sẽ tăng lên. Phạm vi dung sai hợp lý đòi hỏi sự tích lũy kinh nghiệm hàng ngày của người thiết kế.
2.8 Điều chỉnh chi tiết
Chi tiết quyết định thành công hay thất bại, và điều này cũng đúng với thiết kế mặt cắt ngang của thanh định hình. Những thay đổi nhỏ không chỉ có thể bảo vệ khuôn và kiểm soát lưu lượng mà còn cải thiện chất lượng bề mặt và tăng năng suất. Một trong những kỹ thuật thường được sử dụng là bo tròn các góc. Thanh định hình đùn không thể có góc hoàn toàn sắc nét vì dây đồng mỏng được sử dụng trong quá trình cắt dây cũng có đường kính. Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy tại các góc chậm, ma sát lớn và ứng suất tập trung, thường có những trường hợp vết đùn rõ ràng, kích thước khó kiểm soát và khuôn dễ bị sứt mẻ. Do đó, bán kính bo tròn nên được tăng lên càng nhiều càng tốt mà không ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng.
Ngay cả khi được sản xuất bằng máy đùn nhỏ, độ dày thành của thanh profile không được nhỏ hơn 0,8mm và độ dày thành của mỗi phần của phần không được chênh lệch quá 4 lần. Trong quá trình thiết kế, có thể sử dụng các đường chéo hoặc chuyển tiếp cung tại các thay đổi đột ngột về độ dày thành để đảm bảo hình dạng xả đều đặn và sửa chữa khuôn dễ dàng. Ngoài ra, các thanh profile thành mỏng có độ đàn hồi tốt hơn và độ dày thành của một số miếng đệm, thanh giằng, v.v. có thể vào khoảng 1mm. Có nhiều ứng dụng để điều chỉnh chi tiết trong thiết kế, chẳng hạn như điều chỉnh góc, thay đổi hướng, rút ngắn các thanh công xôn, tăng khoảng cách, cải thiện tính đối xứng, điều chỉnh dung sai, v.v. Tóm lại, thiết kế mặt cắt ngang của thanh profile đòi hỏi sự tóm tắt và đổi mới liên tục, đồng thời xem xét đầy đủ mối quan hệ với thiết kế khuôn, chế tạo và quy trình sản xuất.
3. Kết luận
Là một nhà thiết kế, để đạt được lợi ích kinh tế tốt nhất từ việc sản xuất profile, tất cả các yếu tố của toàn bộ vòng đời sản phẩm phải được xem xét trong quá trình thiết kế, bao gồm nhu cầu của người dùng, thiết kế, sản xuất, chất lượng, chi phí, v.v., để đạt được thành công trong quá trình phát triển sản phẩm ngay từ lần đầu tiên. Điều này đòi hỏi phải theo dõi hàng ngày quá trình sản xuất sản phẩm, thu thập và tích lũy thông tin trực tiếp để dự đoán kết quả thiết kế và điều chỉnh trước.
Thời gian đăng: 10-09-2024
