1. Giới thiệu
Khuôn là công cụ chính để đùn thanh nhôm định hình. Trong quá trình đùn thanh nhôm định hình, khuôn cần phải chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao và ma sát cao. Trong quá trình sử dụng lâu dài, nó sẽ gây ra hiện tượng mài mòn khuôn, biến dạng dẻo và hư hỏng do mỏi. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó có thể gây ra hiện tượng vỡ khuôn.
2. Các dạng hư hỏng và nguyên nhân gây ra nấm mốc
2.1 Hỏng hóc do hao mòn
Mài mòn là hình thức chính dẫn đến hỏng khuôn đùn, sẽ khiến kích thước của các thanh nhôm không theo thứ tự và chất lượng bề mặt giảm xuống. Trong quá trình đùn, các thanh nhôm gặp phần hở của khoang khuôn thông qua vật liệu đùn dưới nhiệt độ cao 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 kim loại phôi dính vào bề mặt làm việc của khuôn, làm cho hình dạng của khuôn thay đổi và không thể sử dụng được, đồng thời cũng được coi là hỏng do mài mòn, biểu hiện ở dạng thụ động của lưỡi cắt, các cạnh tròn, chìm 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 đã qua xử lý, độ nhám bề mặt của khuôn và phôi, áp suất, nhiệt độ và tốc độ trong quá trình đùn. Sự mài mòn của khuôn đùn nhôm chủ yếu là 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 mềm ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn của nó giảm đi rất nhiều. 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 làm khuôn.
Do khuôn đùn luôn 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, sẽ xảy ra biến dạng dẻo lớn, khiến băng tải bị sụp đổ hoặc tạo thành hình elip, hình dạng của sản phẩm sản xuất sẽ thay đổi. Ngay cả khi khuôn không bị nứt, nó sẽ bị hỏng vì không thể đảm bảo độ chính xác về kích thước của thanh nhôm.
Ngoài ra, bề mặt của khuôn đùn chịu sự chênh lệch nhiệt độ do quá trình gia nhiệt và làm nguội liên tục, tạo ra ứng suất nhiệt xen kẽ của lực căng và lực nén 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 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 giãn nở.
Đồng thời, do nhiệt độ tăng, giới hạn chảy của bề mặt khuôn giảm. Khi áp suất tăng vượt quá giới hạn chảy của kim loại bề mặt ở nhiệt độ tương ứng, ứng suất 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 cao, ứng suất kéo sẽ hình thành.
Tương tự như vậy, 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 của 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 thích hợp và áp dụng hệ thống xử lý nhiệt thích hợp. Đồng thời, cần chú ý cải thiện môi trường sử dụng khuôn.
2.4 Vỡ khuôn
Trong quá trình sản xuất thực tế, các vết nứt được phân bố ở một số bộ phận nhất định của khuôn. Sau một thời gian sử dụng nhất định, các vết nứt nhỏ được tạo ra và dần dần mở rộng theo chiều sâu. Sau khi các vết nứt mở rộng đến một kích thước nhất định, khả năng chịu tải của khuôn sẽ bị suy yếu nghiêm trọng và gây ra gãy xương. Hoặc các vết nứt nhỏ đã xảy ra trong quá trình xử lý nhiệt và gia công ban đầu của khuôn, khiến khuôn dễ bị giãn nở và gây ra các vết nứt sớm trong quá trình sử dụng.
Về mặt thiết kế, lý do 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, lý do chính là kiểm tra trước vật liệu và chú ý đến độ nhám bề mặt và hư hỏng trong quá trình gia công, cũng như tác động của 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 sản xuất thanh nhôm định hình, chi phí khuôn chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí sản xuất đùn thanh nhôm.
Chất lượng khuôn cũng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Vì 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 thiết kế và lựa chọn vật liệu đến sản xuất khuôn cuối cùng và sử dụng và bảo dưỡng sau đó.
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 chịu tải trọng lớn, nhiệt độ cao 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 keo dính và mài mòn.
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, xử lý và xử lý nhiệt. Ngoài ra, vật liệu cần có độ bền cao 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.
Nó cần có khả năng chịu nhiệt cao, tức là khả năng chịu tải trọng cơ học ở nhiệt độ cao trong quá trình đùn. Nó cần có độ bền va đập và độ bền gãy cao ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao, để ngăn khuôn bị gãy giòn trong điều kiện ứng suất hoặc tải trọng va đập.
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, phải 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 đi lặp lại mạnh mẽ, nghĩa là nó cần có độ bền lâu dài cao để ngăn ngừa hư hỏng do mỏi sớm. Nó cũng cần có khả năng chống ăn mòn nhất định và tính chất nitơ hóa tốt.
3.2 Thiết kế khuôn hợp lý
Thiết kế khuôn hợp lý là một phần quan trọng để kéo dài tuổi thọ của khuôn. Cấu trúc khuôn được thiết kế đúng cách 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 làm cho ứng suất trên mỗi bộ phận đều nhau và chú ý tránh các góc nhọn, góc lõm, chênh lệch độ dày thành, phần thành mỏng rộng phẳng, v.v., để tránh tập trung ứng suất quá mức. Sau đó, gây ra biến dạng xử lý nhiệt, nứt và gãy giòn hoặc nứt nóng sớm trong quá trình sử dụng, đồng thời thiết kế chuẩn hóa cũng có lợi cho việc trao đổi lưu trữ 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 xử lý làm cứng và gia cố bề mặt đặc biệt quan trọng để cải thiện tuổi thọ của khuôn.
Đồng thời, các quy trình xử lý nhiệt và gia cường bề mặt được kiểm soát chặt chẽ để ngăn ngừa các khuyết tật xử lý nhiệt. Điều chỉnh các thông số quy trình tôi và ram, tăng số lần xử lý trước, xử lý ổn định và ram, chú ý kiểm soát nhiệt độ, cường độ gia nhiệt và làm mát, sử dụng môi trường tôi mới và nghiên cứu các quy trình mới và thiết bị mới như xử lý gia cường và tôi luyện và các loại xử lý gia cường bề mặt, 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 mẫu, các phương pháp gia công phổ biến bao gồm gia công cơ học, cắt dây, gia công phóng điện, v.v. Gia công cơ học là một quá trình không thể thiếu và quan trọng trong quá trình gia công khuôn mẫu, không chỉ thay đổi kích thước bề ngoài của khuôn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình dạng và tuổi thọ của khuôn.
Cắt dây lỗ khuôn là phương pháp gia công được sử dụng rộng rãi trong gia công khuôn. Nó cải thiện hiệu quả 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 được sử dụng trực tiếp để sản xuất mà không qua tôi luyện, dễ xảy ra hiện tượng xỉ, bong tróc, v.v., điều này sẽ làm giảm tuổi thọ của khuôn. Do đó, sau khi cắt dây, tôi luyện khuôn đủ 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 ra nứt khuôn. Trong phạm vi cho phép của thiết kế bản vẽ, đường kính của dây cắt dây càng lớn thì càng tốt. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả gia công mà còn cải thiện đáng kể sự phân bố ứng suất để ngăn ngừa sự tập trung ứng suất xảy ra.
Gia công bằng tia lửa điện là một loại gia công ăn mòn bằng điện được thực hiện bằng cách chồng chất vật liệu bay hơi, nóng chảy và bay hơi chất lỏng gia công được tạo ra trong quá trình xả. 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 bộ phận 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 cacbon 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, gãy nhanh hơn, 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, cải thiện phương pháp và thông số quy trình đùn, cải thiện điều kiện làm việc và môi trường làm việc có lợi cho việc cải thiện 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, 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 đủ, v.v.), do đó giảm gánh nặng làm việc của khuôn (như giảm áp suất đùn, giảm nhiệt độ lạnh và tải 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 công nghiệp nhôm, trong 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 tăng lợi ích. Khuôn đùn chắc chắn là một nút điều khiển quan trọng để sản xuất các cấu hình nhôm.
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 dưỡng và sửa chữa khuôn, đặc điểm 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 phức tạp gồm nhiều yếu tố, 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, gia công 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
