1. Introducción
El molde es una herramienta clave para la extrusión de perfiles de aluminio. Durante el proceso de extrusión, debe soportar altas temperaturas, presiones y fricción. Con el uso prolongado, el molde sufrirá desgaste, deformación plástica y daños por fatiga. En casos graves, puede llegar a romperse.
2. Formas y causas de falla de los moldes
2.1 Falla por desgaste
El desgaste es la principal causa de fallos en la matriz de extrusión, lo que provoca un desequilibrio en el tamaño de los perfiles de aluminio y una disminución de la calidad superficial. Durante la extrusión, los perfiles de aluminio entran en contacto con la cavidad del molde a través del material de extrusión, sometidos a alta temperatura y presión, sin lubricación. Un lado contacta directamente con el plano de la banda de la pinza, mientras que el otro se desliza, generando una gran fricción. La superficie de la cavidad y la banda de la pinza se desgastan y producen fallos. Al mismo tiempo, durante el proceso de fricción del molde, parte del metal se adhiere a la superficie de trabajo, lo que altera su geometría y dificulta su uso. Esto también se considera un fallo por desgaste, que se manifiesta en forma de pasivación del filo, bordes redondeados, hundimiento del plano, ranuras superficiales, desprendimiento, etc.
La forma específica del desgaste de la matriz está relacionada con diversos factores, como la velocidad del proceso de fricción, la composición química y las propiedades mecánicas del material de la matriz y la palanquilla procesada, la rugosidad superficial de la matriz y la palanquilla, y la presión, la temperatura y la velocidad durante el proceso de extrusión. El desgaste del molde de extrusión de aluminio es principalmente térmico, causado por la fricción, el ablandamiento de la superficie del metal debido al aumento de la temperatura y el enclavamiento de la superficie de la cavidad del molde. Tras el ablandamiento de la superficie de la cavidad del molde a alta temperatura, su resistencia al desgaste se reduce considerablemente. En el proceso de desgaste térmico, la temperatura es el principal factor que lo afecta. Cuanto mayor sea la temperatura, más grave será el desgaste térmico.
2.2 Deformación plástica
La deformación plástica de la matriz de extrusión del perfil de aluminio es el proceso de fluencia del material metálico de la matriz.
Dado que la matriz de extrusión se encuentra en un estado de alta temperatura, alta presión y alta fricción con el metal extruido durante un largo tiempo cuando está funcionando, la temperatura de la superficie de la matriz aumenta y provoca su ablandamiento.
Bajo condiciones de carga muy elevadas, se produce una gran deformación plástica, lo que provoca el colapso o la elipse de la banda de trabajo, alterando la forma del producto. Incluso si el molde no presenta grietas, fallará porque no se puede garantizar la precisión dimensional del perfil de aluminio.
Además, la superficie del molde de extrusión está sujeta a diferencias de temperatura causadas por el calentamiento y enfriamiento repetidos, lo que produce tensiones térmicas alternas de tensión y compresión en la superficie. Simultáneamente, la microestructura también experimenta transformaciones en diversos grados. Bajo este efecto combinado, se produce desgaste del molde y deformación plástica superficial.
2.3 Daños por fatiga
El daño por fatiga térmica es también una de las formas más comunes de falla del molde. Cuando la varilla de aluminio calentada entra en contacto con la superficie de la matriz de extrusión, su temperatura superficial aumenta mucho más rápido que la interna, y se genera tensión de compresión en la superficie debido a la expansión.
Al mismo tiempo, el límite elástico de la superficie del molde disminuye debido al aumento de temperatura. Cuando el aumento de presión supera el límite elástico del metal superficial a la temperatura correspondiente, se produce una deformación plástica por compresión en la superficie. Al salir del molde, la temperatura superficial disminuye. Sin embargo, si la temperatura dentro del perfil se mantiene alta, se produce una deformación por tracción.
De igual manera, cuando el aumento de la tensión de tracción supera el límite elástico de la superficie del perfil, se produce deformación plástica por tracción. Cuando la deformación local del molde supera el límite elástico y entra en la región de deformación plástica, la acumulación gradual de pequeñas deformaciones plásticas puede formar grietas por fatiga.
Por lo tanto, para prevenir o reducir los daños por fatiga en el molde, se deben seleccionar los materiales adecuados y adoptar un sistema de tratamiento térmico adecuado. Al mismo tiempo, se debe prestar atención a mejorar el entorno de uso del molde.
2.4 Rotura del molde
En la producción real, las grietas se distribuyen en ciertas partes del molde. Tras un cierto tiempo de uso, se generan pequeñas grietas que se expanden gradualmente en profundidad. Una vez que las grietas alcanzan cierto tamaño, la capacidad de carga del molde se ve gravemente afectada y provoca una fractura. También es posible que se hayan producido microgrietas durante el tratamiento térmico y el procesamiento inicial del molde, lo que facilita su expansión y la aparición de grietas prematuras durante el uso.
En cuanto al diseño, las principales causas de fallo son la resistencia del molde y la selección del radio de filete en la transición. En cuanto a la fabricación, las principales causas son la preinspección del material y la atención a la rugosidad y los daños superficiales durante el procesamiento, así como el impacto del tratamiento térmico y la calidad del mismo.
Durante el uso, se debe prestar atención al control del precalentamiento del molde, la relación de extrusión y la temperatura del lingote, así como al control de la velocidad de extrusión y el flujo de deformación del metal.
3. Mejora de la vida útil del molde.
En la producción de perfiles de aluminio, los costes de molde representan una gran proporción de los costes de producción de extrusión de perfiles.
La calidad del molde también afecta directamente la calidad del producto. Dado que las condiciones de trabajo del molde de extrusión en la producción de perfiles son muy rigurosas, es necesario un control estricto del molde, desde el diseño y la selección de materiales hasta la producción final, su uso y mantenimiento posteriores.
Especialmente durante el proceso de producción, el molde debe tener alta estabilidad térmica, fatiga térmica, resistencia al desgaste térmico y suficiente tenacidad para extender la vida útil del molde y reducir los costos de producción.
3.1 Selección de materiales del molde
El proceso de extrusión de perfiles de aluminio es un proceso de procesamiento de alta temperatura y alta carga, y la matriz de extrusión de aluminio está sujeta a condiciones de uso muy duras.
La matriz de extrusión se somete a altas temperaturas, y la temperatura superficial local puede alcanzar los 600 °C. La superficie de la matriz se calienta y enfría repetidamente, lo que provoca fatiga térmica.
Al extruir aleaciones de aluminio, el molde debe soportar altas tensiones de compresión, flexión y corte, lo que provocará desgaste adhesivo y desgaste abrasivo.
Dependiendo de las condiciones de trabajo de la matriz de extrusión, se pueden determinar las propiedades requeridas del material.
En primer lugar, el material debe tener un buen rendimiento de proceso. Debe ser fácil de fundir, forjar, procesar y tratar térmicamente. Además, debe tener alta resistencia y dureza. Las matrices de extrusión generalmente funcionan a alta temperatura y presión. Al extruir aleaciones de aluminio, la resistencia a la tracción del material de la matriz a temperatura ambiente debe ser superior a 1500 MPa.
Debe tener alta resistencia térmica, es decir, la capacidad de resistir cargas mecánicas a altas temperaturas durante la extrusión. Debe tener altos valores de tenacidad al impacto y a la fractura a temperatura normal y alta, para evitar la fractura frágil del molde bajo tensión o cargas de impacto.
Debe tener una alta resistencia al desgaste, es decir, la superficie tiene la capacidad de resistir el desgaste bajo altas temperaturas, alta presión y mala lubricación a largo plazo, especialmente al extruir aleaciones de aluminio, tiene la capacidad de resistir la adhesión del metal y el desgaste.
Se requiere una buena templabilidad para garantizar propiedades mecánicas altas y uniformes en toda la sección transversal de la herramienta.
Se requiere una alta conductividad térmica para disipar rápidamente el calor de la superficie de trabajo del molde de la herramienta para evitar quemaduras locales o pérdida excesiva de resistencia mecánica de la pieza de trabajo extruida y del molde en sí.
Debe tener una alta resistencia a la tensión cíclica repetida, es decir, una alta resistencia a la intemperie para evitar daños prematuros por fatiga. También debe tener cierta resistencia a la corrosión y buenas propiedades de nitruración.
3.2 Diseño razonable del molde
Un diseño razonable del molde es fundamental para prolongar su vida útil. Una estructura de molde correctamente diseñada debe garantizar que no exista riesgo de rotura por impacto ni concentración de tensiones en condiciones normales de uso. Por lo tanto, al diseñar el molde, procure que la tensión en cada pieza sea uniforme y preste atención a evitar esquinas afiladas, cóncavas, diferencias de espesor de pared, secciones de pared delgadas y planas, etc., para evitar una concentración excesiva de tensiones. Esto puede provocar deformaciones por tratamiento térmico, grietas, fracturas frágiles o agrietamiento prematuro por calor durante el uso. Además, un diseño estandarizado facilita el intercambio, almacenamiento y mantenimiento del molde.
3.3 Mejorar la calidad del tratamiento térmico y del tratamiento superficial.
La vida útil de la matriz de extrusión depende en gran medida de la calidad del tratamiento térmico. Por lo tanto, los métodos y procesos avanzados de tratamiento térmico, así como los tratamientos de endurecimiento y refuerzo superficial, son especialmente importantes para prolongar la vida útil del molde.
Al mismo tiempo, los procesos de tratamiento térmico y revenido superficial se controlan estrictamente para prevenir defectos. Ajustar los parámetros del proceso de temple y revenido, aumentar el número de pretratamientos, tratamientos de estabilización y revenido, prestar atención al control de temperatura y la intensidad del calentamiento y enfriamiento, utilizar nuevos medios de temple y estudiar nuevos procesos y equipos, como tratamientos de revenido y endurecimiento superficial, contribuye a prolongar la vida útil del molde.
3.4 Mejorar la calidad de fabricación de moldes
Durante el procesamiento de moldes, los métodos más comunes incluyen el mecanizado, el corte por hilo y la electroerosión, entre otros. El mecanizado es un proceso indispensable e importante en el proceso de moldeo. No solo modifica la apariencia y el tamaño del molde, sino que también afecta directamente la calidad del perfil y su vida útil.
El corte por hilo de los orificios de las matrices es un método de proceso ampliamente utilizado en el procesamiento de moldes. Si bien mejora la eficiencia y la precisión del proceso, también presenta algunos problemas específicos. Por ejemplo, si un molde procesado por hilo se utiliza directamente para la producción sin templar, se producirán fácilmente escorias, descascarilladuras, etc., lo que reducirá su vida útil. Por lo tanto, un templado adecuado del molde después del corte por hilo puede mejorar la tensión superficial, reducir la tensión residual y prolongar su vida útil.
La concentración de tensiones es la principal causa de fractura del molde. Dentro del alcance permitido por el diseño del plano, cuanto mayor sea el diámetro del alambre de corte, mejor. Esto no solo mejora la eficiencia del procesamiento, sino que también optimiza considerablemente la distribución de tensiones, previniendo la concentración de tensiones.
El mecanizado por electroerosión es un tipo de mecanizado por corrosión eléctrica que se realiza mediante la superposición de la vaporización, la fusión y la evaporación del fluido de mecanizado durante la descarga. El problema radica en que, debido al calor del calentamiento y el enfriamiento que actúa sobre el fluido de mecanizado y a su acción electroquímica, se forma una capa modificada en la pieza de mecanizado que produce deformación y tensión. En el caso del aceite, los átomos de carbono descompuestos por la combustión se difunden y cementan en la pieza de trabajo. Cuando aumenta la tensión térmica, la capa deteriorada se vuelve quebradiza y dura, propensa a agrietarse. Al mismo tiempo, se forma una tensión residual que se adhiere a la pieza de trabajo. Esto provocará una reducción de la resistencia a la fatiga, una fractura acelerada, corrosión bajo tensión y otros fenómenos. Por lo tanto, durante el proceso de mecanizado, debemos intentar evitar los problemas mencionados y mejorar la calidad del mismo.
3.5 Mejorar las condiciones de trabajo y del proceso de extrusión
Las condiciones de trabajo del molde de extrusión son muy deficientes, al igual que el entorno de trabajo. Por lo tanto, mejorar el método y los parámetros del proceso de extrusión, así como las condiciones y el entorno de trabajo, contribuye a prolongar la vida útil del molde. Por lo tanto, antes de la extrusión, es necesario formular cuidadosamente el plan de extrusión, seleccionar el equipo y las especificaciones de materiales más adecuados, definir los parámetros óptimos (como temperatura, velocidad, coeficiente y presión de extrusión, etc.) y mejorar el entorno de trabajo durante la extrusión (como refrigeración por agua o nitrógeno, lubricación adecuada, etc.). Esto reduce la carga de trabajo del molde (como la reducción de la presión de extrusión, la reducción del calor de enfriamiento y la carga alternante, etc.), y establece y mejora los procedimientos operativos del proceso y los procedimientos de uso seguro.
4 Conclusión
Con el desarrollo de las tendencias en la industria del aluminio, en los últimos años se buscan mejores modelos de desarrollo para mejorar la eficiencia, ahorrar costos y aumentar los beneficios. La matriz de extrusión es, sin duda, un nodo de control importante para la producción de perfiles de aluminio.
Existen numerosos factores que afectan la vida útil de una matriz de extrusión de aluminio. Además de factores internos como el diseño estructural y la resistencia de la matriz, sus materiales, la tecnología de procesamiento en frío y térmico, así como la tecnología de procesamiento eléctrico, el tratamiento térmico y el tratamiento de superficies, existen también el proceso de extrusión y sus condiciones de uso, el mantenimiento y la reparación de la matriz, las características y la forma del material del producto de extrusión, las especificaciones y la gestión científica de la matriz.
Al mismo tiempo, los factores que influyen no son un solo problema, sino un problema integral complejo de múltiples factores. Mejorar su vida útil es, por supuesto, también un problema sistémico. En la producción y el uso reales del proceso, es necesario optimizar el diseño, el procesamiento del molde, el uso y el mantenimiento, y otros aspectos principales del control, para luego mejorar la vida útil del molde, reducir los costos de producción y mejorar la eficiencia de la producción.
Editado por May Jiang de MAT Aluminum
Hora de publicación: 14 de agosto de 2024
