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 tỷ trọng 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 nhỏ đến lớn, cho đến khi phát triển 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 tiếp tục tăng, sản xuất nhôm định hình đã phát triển theo hướng phức tạp, độ chính xác cao và sản xuất quy mô lớn, điều này đã mang lại một loạt các vấn đề 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 của thanh nhôm, xử lý nhiệt và các yếu tố quy trình khác, thiết kế mặt cắt ngang của thanh nhôm cũng phải được xem xét. Thiết kế mặt cắt ngang thanh nhôm tốt nhất không chỉ có thể giảm bớt khó khăn trong quy trình từ nguồn 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 ngang thanh nhôm thông qua các trường hợp thực tế trong sản xuất.
1. Nguyên lý thiết kế mặt cắt thanh nhôm
Đùn định hình nhôm là phương pháp gia công trong đó thanh nhôm được nung nóng được nạp vào thùng đùn và áp suất được áp dụng thông qua máy đùn để đùn nó ra khỏi lỗ khuôn có hình dạng và kích thước nhất định, gây ra biến dạng dẻo để thu được sản phẩm theo yêu cầu. 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, sụp đổ, sứt mẻ, v.v., cần tránh những điều sau trong thiết kế tiết diện: 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 kết quả có thể sử dụng được nhưng không phải là giải pháp tốt nhất. Bởi vì khi các nhà thiết kế thiếu kiến thức về quy trình đùn và không hiểu các thiết bị quy trình liên quan, và các yêu cầu về quy trình sản xuất quá cao và nghiêm ngặt, tỷ lệ đủ điều kiện sẽ giảm, chi phí sẽ tăng và sẽ không sản xuất được hồ sơ lý tưởng. Do đó, nguyên tắc thiết kế tiết diện nhôm là sử dụng quy trình đơn giản nhất có thể trong khi vẫn đáp ứng được thiết kế chức năng của nó.
2. Một số mẹo về thiết kế giao diện thanh nhôm
2.1 Bù lỗi
Đóng là một trong những lỗi thường gặp trong sản xuất hồ sơ. Những lý do 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 làm thẳng các cấu hình sẽ làm tăng cường quá trình đóng.
(3) Các cấu trúc được tiêm keo có một số cấu trúc nhất định cũng sẽ bị đóng lại do keo co lại sau khi tiêm keo.
Nếu tình trạng 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 giải quyết được tình trạng đóng, có thể bù trước trong thiết kế mặt cắt ngang, tức là mở trước.
Lượng bù mở trước nên 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 là khác nhau (Hình 1).
2.2 Chia các phần lớn thành nhiều phần nhỏ
Với sự phát triển của các thanh nhôm định hình quy mô lớn, thiết kế mặt cắt ngang của nhiều thanh nhôm định hình ngày càng lớn hơn, điều này có nghĩa là cần một loạt các thiết bị như máy đùn lớn, khuôn lớn, thanh nhôm lớn, v.v. để hỗ trợ chúng và chi phí sản xuất tăng mạnh. Đối với một số phần có kích thước lớn có thể đạt được bằng cách ghép nối, chúng nên được chia thành nhiều phần nhỏ trong quá trình thiết kế. Điều này không chỉ có thể giảm chi phí mà còn giúp đảm bảo độ phẳng, độ cong và độ chính xác dễ dàng hơn (Hình 2).
2.3 Thiết lập các xương sườn gia cố để cải thiện độ phẳng của nó
Yêu cầu về độ phẳng thường gặp khi thiết kế các mặt cắt ngang. Các mặt cắt ngang có nhịp nhỏ dễ đảm bảo độ phẳng do có độ bền kết cấu cao. Các mặt cắt ngang có nhịp dài sẽ võng xuống do trọng lực của chính chúng ngay sau khi đùn, và phần có ứng suất uốn lớn nhất ở giữa sẽ lõm nhất. Ngoài ra, vì tấm tường dài nên dễ tạo ra sóng, làm xấu đi tính không liên tục của mặt phẳng. Do đó, nên tránh các kết cấu tấm phẳng có kích thước lớn trong thiết kế mặt cắt ngang. Nếu cần, có thể lắp đặt các gân gia cố ở giữa để cải thiện độ phẳng của nó. (Hình 3)
2.4 Xử lý thứ cấp
Trong quá trình sản xuất profile, một số phần khó có thể hoàn thành bằng phương pháp đùn ép. Ngay cả khi có thể thực hiện được, chi phí gia công và sản xuất 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 cho khuôn không đủ độ bền, dễ hư hỏng và khó gia công. 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 rãnh 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 phần hồ sơ, có thể coi lỗ mở là khép kín, để khuôn đặc ban đầu không đủ độ bền có thể biến 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 theo mặt cắt ngang có khoang hay không. Quá trình gia công khuôn đặc tương đối đơn giản, trong khi quá trình gia công khuôn shunt liên quan đến các quy trình tương đối phức tạp như khoang và đầu lõi. Do đó, phải cân nhắc đầy đủ đến thiết kế của phần định hình, nghĩa là đường viền bên ngoài của phần 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 bên trong phải đơn giản nhất có thể và yêu cầu về độ chính xác không được quá cao. Theo cách này, cả quá trình gia công và bảo dưỡng khuôn sẽ đơn giản hơn nhiều và tỷ lệ năng suất 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 theo nhu cầu của khách hàng. Trong số đó, phương pháp anodizing và điện di có tác động nhỏ đến kích thước do lớp màng mỏng. Nếu sử dụng phương pháp xử lý bề mặt là sơn tĩnh điện, bột sẽ dễ tích tụ ở các góc và rãnh, và độ dày của một lớp có thể đạt tới 100 μm. Nếu đây là vị trí lắp ráp, chẳng hạn như thanh trượt, điều đó 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 của các khe định hình sẽ ngày càng nhỏ hơn, trong khi kích thước của thanh trượt sẽ ngày càng lớn hơn, khiến việc lắp ráp trở nên khó khăn hơn. Dựa trên các lý do trên, phải dành riêng các biên độ thích hợp theo các điều kiện cụ thể trong quá trình thiết kế 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 tương tự cũng đúng đối với thiết kế mặt cắt ngang của hồ sơ. 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 tỷ lệ năng suất. Một trong những kỹ thuật thường được sử dụng là bo tròn các góc. Các hồ sơ đùn không thể có các góc hoàn toàn sắc nét vì các dây đồng mỏng được sử dụng trong quá trình cắt dây cũng có đường kính. Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy ở các góc chậm, ma sát lớn và ứng suất tập trung, thường có những tình huống mà các 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 việc sử dụng của nó.
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 vòng cung khi độ dày thành đột ngột thay đổi để đảm bảo hình dạng xả đều đặn và dễ sửa chữa khuôn. Ngoài ra, các thanh profile thành mỏng có độ đàn hồi tốt hơn và độ dày thành của một số thanh giằng, thanh giằng, v.v. có thể đạt 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 nhô ra, 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 phải liên tục tóm tắt và đổi mới, 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 có được lợi ích kinh tế tốt nhất từ sản xuất hồ sơ, tất cả các yếu tố của toàn bộ vòng đời của 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., phấn đấu đạt được thành công trong quá trình phát triển sản phẩm ngay từ lần đầu tiên. Những điều này đòi hỏi phải theo dõi hàng ngày quá trình sản xuất sản phẩm và thu thập và tích lũy thông tin trực tiếp để dự đoán kết quả thiết kế và hiệu chỉnh chúng trước.
Thời gian đăng: 10-09-2024
