Экструзия Алюминиевых Профилей

1. О проекте (Мотивация; технический и научный аспекты)

 

Проект связан с работой автора на одном из заводов по производству алюминиевых профилей. ( Познакомиться с технологией можно на сайте https://aluminium-guide.com/en/metallurgiya/ekstruziya/  . рус., eng.) , [1]. Организация производства и управления были далеки от совершенства. Здесь не обсуждается алогичное поведение высшей администрации. Отмечается только, что по этой причине некоторые разработки не были внедрены. Сначала решались частные задачи по улучшению элементов технологии. Здесь также наблюдались волевые ограничения в формулировке задач, что неизбежно снижало уровень решений. Эта логика проявилась, например при проектировании машины для разборки инструмента (матрицы, прессформы, Die) после экструзии. Волевым решением из полного проекта оставили половину – освобождение инструментaльного блока из несущего кольца. Вторую половину работы оставили на уровне19-го века. Работа вручную с помощью отбойного молотка. Этот пример приведен здесь с целью показать, что в Теории (ТРИЗ) не учтен фактор влияния среды существования (Environment factor). При этом невозможно включение оператора Размеры Время Стоимость. Некоторые из элементов технологии рассмотрены в брошюре [2]. В свое время была поставлена задача снижения брака. Как составляющая часть, снижение потерь металла. После анализа задача была разделена на несколько – первый тривиальный шаг. Начало решения тоже тривиальное – эффективность человеческого фактора. Трудности были вследствие обстановки абсурда (нечеловеческий фактор, как часть среды существования). В частности, очень мешало сознательное систематическое вранье в отчетности. Далее главная, определяющая часть задачи – совершенствование самого процесса экструзии профилей на прессе.

 

2. Анализ процесса

Совершенствование технологии потребовало ее детального изучения. В частности, необходимо было конкретно разобраться в том, что творится в контейнере в процессе движения пресс блока ( пресс штемпель, dummy block). Прежде всего взгляды на процесс специалистов-практиков оказались полны противоречий. Например, течение металла в контейнере в направлении, обратном движению пресс блока. Попросту говоря, это с точки зрения физики, энергетики и здравого смысла невозможно. Чем дальше в лес, тем ...грустнее. Теоретические, в том числе хрестоматийные монографии дают такую-же ужасающую картину. Некоторые недостатки отмечены в предисловии и введении к «Анализу» в брошюре [2] и в статье [3]. На русском языке первая часть «Анализа» опубликована на сайте [1]. В брошюре в послесловии (п.8, Afterword) как и было обещано, приведены примеры ключевых элементов технологии, для которых определены пути совершенствования – формулировка задачи.

2.1 Первая проблема – прилипание материала заготовки к рабочей поверхности пресс блока (sticking).

В п.8.2.1 в брошюре дана формулировка: «Функциональный анализ дает предпочтительный путь решения – постоянное покрытие рабочей поверхности, отвечающее всем остальным требованиям: стойкость к высоким температурам ≈500ºC и контактным напряжениям  ≈650MPa».

Решение (приведено впервые)

Первая часть. В качестве покрытия выбрано борирование (Borating). Автором проведены пробные опыты покрытия образцов пресс блока (punch, steel H13).   Получены характеристики: глубина до 0.2mm; поверхностная твердость – 51...52 HRc, немного выше закалочной для стали H13 - 48...50 HRc. Натурные испытания автору провести не удалось из-за влияния того же нечеловеческого фактора.

Вторая часть. Для надежного исключения прилипания надо думать о состоянии алюминия. Для этого надо представить весь процесс (характерный цикл). При загрузке заготовки пресс блок вне контейнера охладился. Заготовка, как правило, нагрета с возрастающим градиентом температуры от конца к фронту прессформы. По мере экструзии температура прессформы и примыкающей части заготовки (Butt) повышается до максимума. Примерно сюда же приходит пресс блок, до расстояния, равного толщине пресс остатка. На остатке в конце хода градиент температуры намного превышает первоначальный. Примерно на длине 20...50mm – от ≈430ºC  до  ≈520ºC. ≈430ºC – по оценке из-за теплоотвода через пресс блок. В этих условиях прочность материала в зоне контакта с пресс блоком (мертвой зоне около пресс блока) значительно превышает прочность остальной части. Поэтому в начале возвратного хода, независимо от условий адгезии разрыв металла происходит не по сечению контакта с пресс блоком, а на некотором хоть и небольшом расстоянии. Теперь на вопрос – что делать? – есть единственный правильный ответ – греть пресс блок все время, что он находится вне контейнера до температуры выше материала заготовки.

Здесь просматривается приведенная в Теории абстрактная схема: вещество, вещество, поле – порядок искажен сознательно. Остается грамотно осуществить это решение.

2.1 Вторая проблема

 Исключение пресс остатка (п. 8.2.2 в брошюре). Работа по схеме billet-billet. Непрерывный процесс возможен при условии, что никакая «грязь» не попадает в контейнер. Это значит предыдущая задача уже решена.

 

3. Третья проблема (До сих пор нигде не упоминалась)

Рассмотренные две, описанные выше, решены. Они относятся к улучшению, совершенствованию процесса. Третья определена автором, как кардинальное изменение технологии. По оценке ее решение соответствует 5...6 уровню по классификации Г. Альтшуллера. Итак, в п. 7.4 выводов, с.38 брошюры: « Поле дополнительных напряжений выявлено  в зоне прессформы». Ранее в п. 4.4.1 определена его конфигурация и оценка величины напряжений. Примем во внимание направление течения (п. 5.3; 5.4 сс. 31...36 в брошюре) – поперечное по отношению к главному активному напряжению сжатия. Из этого необходимо следует, что поперечное направление существенно выгоднее, ≈ в 2 раза, для экструзии. Для специалистов-практиков не нужно объяснять преимущества снижения усилия. Если кто-то возьмется «одеть» эту идею в металл, автор готов консультировать.

 

4. Научные результаты

В процессе Анализа были вынужденно приняты несколько весьма грубых допущений. Некоторые из них исправлены в приложении 2 в брошюре.

Процесс впервые представлен с физически непротиворечивой аргументацией. Определены:

1. Соотношения между компонентами напряжений, как пример освобождения от физически некорректных предположений в теории.

2. Общие условия течения металла.

Также остается много возможностей для детализации и развития новой теории.

 

Источники информации

1. Aluminium Guide Ru , https://aluminium-guide.com/en/metallurgiya/ekstruziya/ 

2. B. Nudelman, Aluminium Profiles Extrusion Process Analysis. Mechanical aspects, Lambert Academic Publishing 2019, www.omniscriptum.com

3. B. Nudelman, Aluminium Profiles Extrusion Process Analysis. Вестник ОГУ №1 2018, Технические науки, http://vestnik.osu.ru/