1. Giới thiệu
Khuôn là công cụ quan trọng trong quá trình đùn nhôm định hình. Trong quá trình đùn nhôm định hình, khuôn cần chịu được nhiệt độ, áp suất và ma sát cao. Trong quá trình sử dụng lâu dài, khuôn sẽ bị mài mòn, biến dạng dẻo và hư hỏng do mỏi. Trong trường hợp nghiêm trọng, khuôn có thể bị vỡ.
2. Các dạng hư hỏng và nguyên nhân gây ra nấm mốc
2.1 Hỏng hóc do mài mòn
Mài mòn là hình thức chủ yếu dẫn đến hỏng khuôn đùn, sẽ làm cho kích thước của các thanh nhôm định hình bị lệch và chất lượng bề mặt giảm sút. Trong quá trình đùn, các thanh nhôm định hình gặp phần hở của khoang khuôn thông qua vật liệu đùn dưới nhiệt độ và áp suất cao mà không qua quá trình bôi trơn. Một mặt tiếp xúc trực tiếp với mặt phẳng của dải kẹp, mặt còn lại trượt, tạo ra ma sát lớn. Bề mặt khoang và bề mặt của đai kẹp phải chịu mài mòn và hỏng hóc. Đồng thời, trong quá trình ma sát của khuôn, một số phôi kim loại bám vào bề mặt làm việc của khuôn, làm cho hình dạng của khuôn thay đổi và không thể sử dụng được, và cũng được coi là hỏng do mài mòn, được biểu hiện dưới dạng thụ động hóa lưỡi cắt, các cạnh bo tròn, lún mặt phẳng, rãnh bề mặt, bong tróc, v.v.
Dạng mài mòn khuôn cụ thể liên quan đến nhiều yếu tố như tốc độ của quá trình ma sát, chẳng hạn như thành phần hóa học và tính chất cơ học của vật liệu khuôn và phôi được xử lý, độ nhám bề mặt của khuôn và phôi, cũng như áp suất, nhiệt độ và tốc độ trong quá trình đùn. Sự mài mòn của khuôn đùn nhôm chủ yếu là do mài mòn nhiệt, mài mòn nhiệt là do ma sát, bề mặt kim loại mềm do nhiệt độ tăng và bề mặt khoang khuôn liên kết với nhau. Sau khi bề mặt khoang khuôn bị mềm ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn của nó giảm đáng kể. Trong quá trình mài mòn nhiệt, nhiệt độ là yếu tố chính ảnh hưởng đến mài mòn nhiệt. Nhiệt độ càng cao, mài mòn nhiệt càng nghiêm trọng.
2.2 Biến dạng dẻo
Biến dạng dẻo của khuôn đùn nhôm là quá trình biến dạng dẻo của vật liệu kim loại khuôn.
Do khuôn đùn ở trạng thái nhiệt độ cao, áp suất cao và ma sát lớn với kim loại đùn trong thời gian dài khi hoạt động nên nhiệt độ bề mặt khuôn tăng lên và gây ra hiện tượng mềm hóa.
Trong điều kiện tải trọng rất cao, biến dạng dẻo sẽ xảy ra, khiến băng tải bị sụp hoặc tạo thành hình elip, và hình dạng của sản phẩm tạo ra sẽ thay đổi. Ngay cả khi khuôn không bị nứt, nó vẫn sẽ bị hỏng do không thể đảm bảo độ chính xác về kích thước của thanh nhôm định hình.
Ngoài ra, bề mặt khuôn đùn còn chịu sự chênh lệch nhiệt độ do quá trình gia nhiệt và làm nguội lặp đi lặp lại, tạo ra ứng suất nhiệt kéo và nén xen kẽ trên bề mặt. Đồng thời, cấu trúc vi mô cũng trải qua các biến đổi ở các mức độ khác nhau. Dưới tác động kết hợp này, sẽ xảy ra hiện tượng mài mòn khuôn và biến dạng dẻo bề mặt.
2.3 Thiệt hại do mỏi
Hư hỏng do mỏi nhiệt cũng là một trong những dạng hư hỏng khuôn phổ biến nhất. Khi thanh nhôm nóng tiếp xúc với bề mặt khuôn đùn, nhiệt độ bề mặt của thanh nhôm tăng nhanh hơn nhiều so với nhiệt độ bên trong, và ứng suất nén được tạo ra trên bề mặt do sự giãn nở.
Đồng thời, giới hạn chảy của bề mặt khuôn giảm do nhiệt độ tăng. Khi áp suất tăng vượt quá giới hạn chảy của kim loại bề mặt ở nhiệt độ tương ứng, biến dạng nén dẻo xuất hiện trên bề mặt. Khi biên dạng rời khỏi khuôn, nhiệt độ bề mặt giảm. Nhưng khi nhiệt độ bên trong biên dạng vẫn còn cao, biến dạng kéo sẽ hình thành.
Tương tự, khi ứng suất kéo tăng vượt quá giới hạn chảy của bề mặt biên dạng, biến dạng kéo dẻo sẽ xảy ra. Khi biến dạng cục bộ của khuôn vượt quá giới hạn đàn hồi và đi vào vùng biến dạng dẻo, sự tích tụ dần dần các biến dạng dẻo nhỏ có thể hình thành các vết nứt mỏi.
Do đó, để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu hư hỏng do mỏi của khuôn, cần lựa chọn vật liệu phù hợp và áp dụng hệ thống xử lý nhiệt phù hợp. Đồng thời, cần chú ý cải thiện môi trường sử dụng khuôn.
2.4 Vỡ khuôn
Trong sản xuất thực tế, các vết nứt phân bố rải rác ở một số bộ phận của khuôn. Sau một thời gian sử dụng nhất định, các vết nứt nhỏ sẽ hình thành và dần dần mở rộng về chiều sâu. Sau khi các vết nứt mở rộng đến một kích thước nhất định, khả năng chịu lực của khuôn sẽ bị suy yếu nghiêm trọng và gây ra nứt vỡ. Hoặc các vết nứt nhỏ đã xuất hiện trong quá trình xử lý nhiệt và gia công khuôn ban đầu, khiến khuôn dễ bị giãn nở và gây ra các vết nứt sớm trong quá trình sử dụng.
Về mặt thiết kế, nguyên nhân chính dẫn đến thất bại là thiết kế độ bền khuôn và lựa chọn bán kính fillet tại điểm chuyển tiếp. Về mặt sản xuất, nguyên nhân chính là do kiểm tra vật liệu trước khi gia công, chú ý đến độ nhám bề mặt và hư hỏng trong quá trình gia công, cũng như ảnh hưởng của quá trình xử lý nhiệt và chất lượng xử lý bề mặt.
Trong quá trình sử dụng, cần chú ý kiểm soát quá trình gia nhiệt khuôn, tỷ lệ đùn và nhiệt độ phôi, cũng như kiểm soát tốc độ đùn và dòng biến dạng kim loại.
3. Cải thiện tuổi thọ khuôn
Trong quá trình sản xuất thanh nhôm định hình, chi phí khuôn chiếm tỷ lệ lớn trong chi phí sản xuất thanh nhôm định hình.
Chất lượng khuôn cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Do điều kiện làm việc của khuôn đùn trong sản xuất đùn định hình rất khắc nghiệt, nên cần phải kiểm soát chặt chẽ khuôn từ khâu thiết kế, lựa chọn vật liệu đến khâu sản xuất khuôn cuối cùng, cũng như việc sử dụng và bảo trì sau này.
Đặc biệt trong quá trình sản xuất, khuôn phải có độ ổn định nhiệt cao, chịu mỏi nhiệt, chịu mài mòn nhiệt và độ dẻo dai đủ để kéo dài tuổi thọ của khuôn và giảm chi phí sản xuất.
3.1 Lựa chọn vật liệu khuôn
Quá trình đùn thanh nhôm là quá trình gia công ở nhiệt độ cao, tải trọng lớn và khuôn đùn nhôm phải chịu những điều kiện sử dụng rất khắc nghiệt.
Khuôn đùn chịu nhiệt độ cao, nhiệt độ bề mặt cục bộ có thể lên tới 600 độ C. Bề mặt khuôn đùn được nung nóng và làm nguội nhiều lần, gây ra hiện tượng mỏi nhiệt.
Khi đùn hợp kim nhôm, khuôn phải chịu được ứng suất nén, uốn và cắt cao, điều này sẽ gây ra hiện tượng mài mòn và bám dính.
Tùy thuộc vào điều kiện làm việc của khuôn đùn, các tính chất cần thiết của vật liệu có thể được xác định.
Trước hết, vật liệu cần có hiệu suất xử lý tốt. Vật liệu cần dễ nấu chảy, rèn, gia công và xử lý nhiệt. Ngoài ra, vật liệu cần có độ bền và độ cứng cao. Khuôn đùn thường hoạt động ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Khi đùn hợp kim nhôm, độ bền kéo của vật liệu khuôn ở nhiệt độ phòng phải lớn hơn 1500MPa.
Vật liệu cần có khả năng chịu nhiệt cao, tức là khả năng chịu tải trọng cơ học ở nhiệt độ cao trong quá trình đùn. Vật liệu cần có độ bền va đập và độ bền gãy cao ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao, để ngăn ngừa khuôn bị gãy giòn trong điều kiện ứng suất hoặc tải trọng va đập.
Nó cần có khả năng chống mài mòn cao, nghĩa là bề mặt có khả năng chống mài mòn trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao và bôi trơn kém trong thời gian dài, đặc biệt là khi đùn hợp kim nhôm, nó có khả năng chống bám dính và mài mòn kim loại.
Độ cứng tốt là cần thiết để đảm bảo các tính chất cơ học cao và đồng đều trên toàn bộ mặt cắt ngang của dụng cụ.
Độ dẫn nhiệt cao là cần thiết để tản nhiệt nhanh chóng khỏi bề mặt làm việc của khuôn dụng cụ nhằm ngăn ngừa hiện tượng cháy cục bộ hoặc mất quá nhiều độ bền cơ học của phôi đùn và bản thân khuôn.
Nó cần có khả năng chống chịu ứng suất tuần hoàn lặp lại mạnh mẽ, nghĩa là cần độ bền cao để ngăn ngừa hư hỏng do mỏi sớm. Nó cũng cần có khả năng chống ăn mòn nhất định và khả năng thấm nitơ tốt.
3.2 Thiết kế khuôn hợp lý
Thiết kế khuôn hợp lý là một phần quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ của khuôn. Cấu trúc khuôn được thiết kế chính xác phải đảm bảo không có khả năng bị vỡ do va đập và tập trung ứng suất trong điều kiện sử dụng bình thường. Do đó, khi thiết kế khuôn, hãy cố gắng phân bổ ứng suất đều trên từng bộ phận, chú ý tránh các góc nhọn, góc lõm, chênh lệch độ dày thành khuôn, mặt cắt thành khuôn phẳng, rộng, mỏng, v.v. để tránh tập trung ứng suất quá mức. Khi đó, sẽ gây ra biến dạng xử lý nhiệt, nứt, gãy giòn hoặc nứt nóng sớm trong quá trình sử dụng. Thiết kế chuẩn hóa cũng có lợi cho việc bảo quản và bảo dưỡng khuôn.
3.3 Nâng cao chất lượng xử lý nhiệt và xử lý bề mặt
Tuổi thọ của khuôn đùn phụ thuộc phần lớn vào chất lượng xử lý nhiệt. Do đó, các phương pháp xử lý nhiệt tiên tiến và quy trình xử lý nhiệt, cũng như các phương pháp gia cường bề mặt và tôi luyện bề mặt, đặc biệt quan trọng để cải thiện tuổi thọ của khuôn.
Đồng thời, quy trình xử lý nhiệt và gia cường bề mặt được kiểm soát chặt chẽ để ngăn ngừa khuyết tật trong quá trình xử lý nhiệt. Điều chỉnh các thông số quy trình tôi và ram, tăng số lần xử lý sơ bộ, xử lý ổn định và ram, chú trọng kiểm soát nhiệt độ, cường độ gia nhiệt và làm nguội, sử dụng môi trường tôi mới và nghiên cứu các quy trình và thiết bị mới như gia cường, tôi cứng và các phương pháp gia cường bề mặt khác nhau, có lợi cho việc cải thiện tuổi thọ của khuôn.
3.4 Nâng cao chất lượng chế tạo khuôn mẫu
Trong quá trình gia công khuôn, các phương pháp gia công phổ biến bao gồm gia công cơ khí, cắt dây, gia công phóng điện, v.v. Gia công cơ khí là một quá trình không thể thiếu và quan trọng trong quy trình gia công khuôn. Nó không chỉ thay đổi kích thước hình dạng khuôn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng biên dạng và tuổi thọ của khuôn.
Cắt dây lỗ khuôn là một phương pháp gia công được sử dụng rộng rãi trong gia công khuôn. Nó cải thiện hiệu suất gia công và độ chính xác gia công, nhưng cũng mang lại một số vấn đề đặc biệt. Ví dụ, nếu khuôn được gia công bằng cắt dây mà không qua tôi luyện thì dễ xảy ra hiện tượng xỉ, bong tróc, v.v., làm giảm tuổi thọ của khuôn. Do đó, việc tôi luyện khuôn đầy đủ sau khi cắt dây có thể cải thiện trạng thái ứng suất kéo bề mặt, giảm ứng suất dư và tăng tuổi thọ của khuôn.
Tập trung ứng suất là nguyên nhân chính gây nứt khuôn. Trong phạm vi cho phép của thiết kế bản vẽ, đường kính dây cắt càng lớn càng tốt. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả gia công mà còn cải thiện đáng kể sự phân bố ứng suất, ngăn ngừa hiện tượng tập trung ứng suất.
Gia công bằng tia lửa điện là một loại gia công ăn mòn điện được thực hiện bằng cách chồng chất bay hơi vật liệu, nóng chảy và bay hơi chất lỏng gia công được tạo ra trong quá trình phóng điện. Vấn đề là do nhiệt của quá trình gia nhiệt và làm mát tác động lên chất lỏng gia công và tác động điện hóa của chất lỏng gia công, một lớp biến đổi được hình thành trong chi tiết gia công để tạo ra biến dạng và ứng suất. Trong trường hợp dầu, các nguyên tử cacbon bị phân hủy do quá trình đốt cháy dầu khuếch tán và thấm vào phôi. Khi ứng suất nhiệt tăng lên, lớp bị hư hỏng trở nên giòn và cứng và dễ bị nứt. Đồng thời, ứng suất dư được hình thành và bám vào phôi. Điều này sẽ dẫn đến giảm độ bền mỏi, tăng tốc độ gãy, ăn mòn ứng suất và các hiện tượng khác. Do đó, trong quá trình gia công, chúng ta nên cố gắng tránh các vấn đề trên và cải thiện chất lượng gia công.
3.5 Cải thiện điều kiện làm việc và điều kiện quá trình đùn
Điều kiện làm việc của khuôn đùn rất kém, và môi trường làm việc cũng rất tệ. Do đó, việc cải thiện phương pháp và thông số quy trình đùn, cũng như cải thiện điều kiện và môi trường làm việc sẽ có lợi cho việc kéo dài tuổi thọ của khuôn. Do đó, trước khi đùn, cần phải lập kế hoạch đùn cẩn thận, lựa chọn hệ thống thiết bị và thông số vật liệu tốt nhất, lập các thông số quy trình đùn tốt nhất (như nhiệt độ đùn, tốc độ đùn, hệ số đùn và áp suất đùn, v.v.) và cải thiện môi trường làm việc trong quá trình đùn (như làm mát bằng nước hoặc làm mát bằng nitơ, bôi trơn đầy đủ, v.v.), từ đó giảm gánh nặng làm việc của khuôn (như giảm áp suất đùn, giảm nhiệt độ lạnh và tải trọng xen kẽ, v.v.), thiết lập và cải thiện quy trình vận hành và quy trình sử dụng an toàn.
4 Kết luận
Với sự phát triển của xu hướng ngành nhôm, những năm gần đây, mọi người đều tìm kiếm các mô hình phát triển tốt hơn để nâng cao hiệu quả, tiết kiệm chi phí và gia tăng lợi ích. Khuôn đùn chắc chắn là một nút điều khiển quan trọng trong sản xuất nhôm định hình.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của khuôn đùn nhôm. Ngoài các yếu tố bên trong như thiết kế kết cấu và độ bền của khuôn, vật liệu khuôn, công nghệ gia công nhiệt lạnh và gia công điện, công nghệ xử lý nhiệt và xử lý bề mặt, còn có quy trình đùn và điều kiện sử dụng, bảo trì và sửa chữa khuôn, đặc tính và hình dạng vật liệu sản phẩm đùn, thông số kỹ thuật và quản lý khoa học của khuôn.
Đồng thời, các yếu tố ảnh hưởng không phải là một vấn đề đơn lẻ mà là một vấn đề tổng hợp nhiều yếu tố phức tạp, để cải thiện tuổi thọ của nó tất nhiên cũng là một vấn đề mang tính hệ thống, trong quá trình sản xuất và sử dụng thực tế, cần tối ưu hóa thiết kế, chế tạo khuôn, sử dụng bảo trì và các khía cạnh chính khác của kiểm soát, sau đó cải thiện tuổi thọ của khuôn, giảm chi phí sản xuất, nâng cao hiệu quả sản xuất.
Biên tập bởi May Jiang từ MAT Aluminum
Thời gian đăng: 14-08-2024
