1. Introduction
Le moule est un outil essentiel pour l'extrusion de profilés en aluminium. Durant le processus d'extrusion, il doit résister à des températures et des pressions élevées et à des frottements importants. Une utilisation prolongée peut entraîner une usure du moule, une déformation plastique et des dommages dus à la fatigue. Dans les cas les plus graves, le moule peut se briser.
2. Formes et causes de défaillance des moisissures
2.1 Défaillance due à l'usure
L'usure est la principale cause de défaillance des matrices d'extrusion, ce qui entraîne un dérèglement des dimensions des profilés en aluminium et une dégradation de la qualité de surface. Lors de l'extrusion, les profilés en aluminium entrent en contact avec la cavité du moule à travers le matériau d'extrusion, sous haute température et haute pression, sans lubrification. Une face entre en contact direct avec le plan de la bande d'étrier, tandis que l'autre face glisse, provoquant un frottement important. La surface de la cavité et celle de la bande d'étrier sont soumises à l'usure et à la défaillance. Parallèlement, lors du frottement du moule, une partie de la billette adhère à la surface de travail, ce qui modifie la géométrie du moule et le rend inutilisable. Ce phénomène est également considéré comme une défaillance d'usure, se manifestant par une passivation des arêtes de coupe, des bords arrondis, un enfoncement plan, des rainures superficielles, un écaillage, etc.
L'usure spécifique de l'outil dépend de nombreux facteurs, tels que la vitesse du frottement, la composition chimique et les propriétés mécaniques du matériau de l'outil et de la billette usinée, la rugosité de surface de l'outil et de la billette, ainsi que la pression, la température et la vitesse d'extrusion. L'usure des moules d'extrusion d'aluminium est principalement thermique. Celle-ci est causée par le frottement, le ramollissement de la surface du métal dû à l'élévation de température et l'emboîtement de la surface de la cavité du moule. Une fois la surface de la cavité du moule ramollie à haute température, sa résistance à l'usure diminue considérablement. La température est le principal facteur d'usure thermique. Plus la température est élevée, plus l'usure est importante.
2.2 Déformation plastique
La déformation plastique de la matrice d'extrusion de profilés en aluminium est le processus de rendement du matériau métallique de la matrice.
Étant donné que la matrice d'extrusion est dans un état de température élevée, de pression élevée et de frottement élevé avec le métal extrudé pendant une longue période lorsqu'elle fonctionne, la température de surface de la matrice augmente et provoque un ramollissement.
Sous des conditions de charge très élevées, une importante déformation plastique se produit, provoquant l'affaissement de la bande de travail ou la formation d'une ellipse, et modifiant la forme du produit. Même si le moule ne présente pas de fissures, il échouera, car la précision dimensionnelle du profilé en aluminium ne peut être garantie.
De plus, la surface de la filière d'extrusion est soumise à des variations de température dues aux chauffages et refroidissements répétés, ce qui produit des contraintes thermiques alternées de tension et de compression à la surface. Parallèlement, la microstructure subit des transformations à des degrés divers. Sous cet effet combiné, le moule subit une usure et une déformation plastique de surface.
2.3 Dommages dus à la fatigue
Les dommages dus à la fatigue thermique sont également l'une des formes les plus courantes de défaillance des moules. Lorsque la tige d'aluminium chauffée entre en contact avec la surface de la matrice d'extrusion, sa température de surface augmente beaucoup plus vite que sa température interne, et des contraintes de compression se forment à la surface en raison de la dilatation.
Parallèlement, la limite d'élasticité de la surface du moule diminue sous l'effet de l'augmentation de la température. Lorsque l'augmentation de la pression dépasse la limite d'élasticité du métal de surface à la température correspondante, une contrainte de compression plastique apparaît à la surface. Lorsque le profilé sort du moule, la température de surface diminue. En revanche, lorsque la température à l'intérieur du profilé reste élevée, une contrainte de traction se forme.
De même, lorsque l'augmentation de la contrainte de traction dépasse la limite d'élasticité de la surface du profilé, une déformation plastique se produit. Lorsque la déformation locale du moule dépasse la limite d'élasticité et entre dans la zone de déformation plastique, l'accumulation progressive de petites déformations plastiques peut former des fissures de fatigue.
Par conséquent, afin de prévenir ou de réduire les dommages dus à la fatigue du moule, il convient de sélectionner des matériaux appropriés et d'adopter un système de traitement thermique adapté. Parallèlement, il convient de veiller à améliorer l'environnement d'utilisation du moule.
2.4 Rupture du moule
En production, des fissures sont réparties dans certaines parties du moule. Après une certaine période d'utilisation, de petites fissures apparaissent et s'étendent progressivement en profondeur. Une fois que ces fissures atteignent une certaine taille, la capacité portante du moule est fortement affaiblie et provoque une fracture. Des microfissures peuvent également se former lors du traitement thermique initial du moule, facilitant ainsi sa dilatation et l'apparition de fissures prématurées en cours d'utilisation.
En termes de conception, les principales causes d'échec sont la résistance du moule et le choix du rayon de congé de raccordement. En termes de fabrication, les principales causes sont le contrôle préalable du matériau, l'attention portée à la rugosité de surface et aux dommages pendant l'usinage, ainsi que l'impact du traitement thermique et de la qualité du traitement de surface.
Lors de l'utilisation, il convient de prêter attention au contrôle du préchauffage du moule, du rapport d'extrusion et de la température du lingot, ainsi qu'au contrôle de la vitesse d'extrusion et du flux de déformation du métal.
3. Amélioration de la durée de vie du moule
Dans la production de profilés en aluminium, les coûts de moulage représentent une part importante des coûts de production d'extrusion de profilés.
La qualité du moule influence directement la qualité du produit. Les conditions de travail des moules d'extrusion pour la production de profilés étant très difficiles, un contrôle rigoureux est nécessaire, de la conception et du choix des matériaux jusqu'à la production finale, en passant par l'utilisation et la maintenance.
En particulier pendant le processus de production, le moule doit avoir une stabilité thermique élevée, une fatigue thermique, une résistance à l'usure thermique et une ténacité suffisante pour prolonger la durée de vie du moule et réduire les coûts de production.
3.1 Sélection des matériaux de moulage
Le processus d'extrusion des profilés en aluminium est un processus de traitement à haute température et à forte charge, et la matrice d'extrusion d'aluminium est soumise à des conditions d'utilisation très difficiles.
La filière d'extrusion est soumise à des températures élevées, dont la température de surface peut atteindre 600 °C. La surface de la filière est soumise à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, ce qui entraîne une fatigue thermique.
Lors de l'extrusion d'alliages d'aluminium, le moule doit résister à des contraintes de compression, de flexion et de cisaillement élevées, ce qui entraînera une usure adhésive et une usure abrasive.
En fonction des conditions de travail de la filière d'extrusion, les propriétés requises du matériau peuvent être déterminées.
Tout d'abord, le matériau doit présenter de bonnes performances de traitement. Il doit être facile à fondre, à forger, à usiner et à traiter thermiquement. De plus, il doit présenter une résistance et une dureté élevées. Les filières d'extrusion fonctionnent généralement à haute température et haute pression. Pour l'extrusion d'alliages d'aluminium, la résistance à la traction du matériau de la filière à température ambiante doit être supérieure à 1 500 MPa.
Il doit présenter une résistance thermique élevée, c'est-à-dire la capacité de résister aux charges mécaniques à haute température lors de l'extrusion. Il doit également présenter une ténacité aux chocs et une résistance à la rupture élevées à température normale et à haute température, afin d'éviter toute rupture fragile du moule sous contrainte ou sous charge d'impact.
Il doit avoir une résistance élevée à l'usure, c'est-à-dire que la surface a la capacité de résister à l'usure sous des températures élevées à long terme, une pression élevée et une mauvaise lubrification, en particulier lors de l'extrusion d'alliages d'aluminium, elle a la capacité de résister à l'adhérence et à l'usure du métal.
Une bonne trempabilité est nécessaire pour garantir des propriétés mécaniques élevées et uniformes sur toute la section transversale de l'outil.
Une conductivité thermique élevée est nécessaire pour dissiper rapidement la chaleur de la surface de travail du moule de l'outil afin d'éviter une surchauffe locale ou une perte excessive de résistance mécanique de la pièce extrudée et du moule lui-même.
Il doit présenter une forte résistance aux contraintes cycliques répétées, c'est-à-dire une résistance élevée et durable pour éviter les dommages prématurés dus à la fatigue. Il doit également présenter une certaine résistance à la corrosion et de bonnes propriétés de nitruration.
3.2 Conception raisonnable du moule
Une conception raisonnée du moule est essentielle pour prolonger sa durée de vie. Une structure de moule correctement conçue doit garantir l'absence de risque de rupture par impact et de concentration de contraintes dans des conditions normales d'utilisation. Par conséquent, lors de la conception du moule, il faut veiller à uniformiser les contraintes sur chaque pièce et veiller à éviter les angles vifs, les angles concaves, les différences d'épaisseur de paroi, les parois plates, larges et fines, etc., afin d'éviter une concentration excessive de contraintes. Ces phénomènes peuvent entraîner des déformations dues au traitement thermique, des fissures, des ruptures fragiles ou des fissurations prématurées à chaud pendant l'utilisation. Une conception standardisée facilite également le remplacement, le stockage et la maintenance du moule.
3.3 Améliorer la qualité du traitement thermique et du traitement de surface
La durée de vie de la filière d'extrusion dépend en grande partie de la qualité du traitement thermique. Par conséquent, des méthodes et procédés de traitement thermique avancés, ainsi que des traitements de trempe et de renforcement de surface, sont particulièrement importants pour améliorer la durée de vie du moule.
Parallèlement, les procédés de traitement thermique et de renforcement de surface sont rigoureusement contrôlés afin d'éviter tout défaut. L'ajustement des paramètres de trempe et de revenu, l'augmentation du nombre de prétraitements, de traitements de stabilisation et de revenu, l'attention portée au contrôle de la température, à l'intensité de chauffage et de refroidissement, l'utilisation de nouveaux milieux de trempe et l'étude de nouveaux procédés et équipements tels que les traitements de renforcement et de trempe et divers traitements de renforcement de surface contribuent à améliorer la durée de vie du moule.
3.4 Améliorer la qualité de fabrication des moules
Lors de l'usinage des moules, les méthodes courantes incluent l'usinage mécanique, le découpage au fil, l'électroérosion, etc. L'usinage mécanique est un processus indispensable et important. Il modifie non seulement l'aspect du moule, mais affecte également directement la qualité du profil et sa durée de vie.
Le découpage au fil des trous de matrice est une méthode largement utilisée dans l'usinage des moules. Il améliore l'efficacité et la précision de l'usinage, mais pose également des problèmes spécifiques. Par exemple, si un moule usiné par découpage au fil est utilisé directement pour la production sans revenu, des scories et un écaillage peuvent facilement se former, ce qui réduit sa durée de vie. Par conséquent, un revenu suffisant du moule après le découpage au fil peut améliorer la contrainte de traction superficielle, réduire les contraintes résiduelles et prolonger sa durée de vie.
La concentration des contraintes est la principale cause de rupture du moule. Dans les limites autorisées par la conception du dessin, plus le diamètre du fil de coupe est grand, mieux c'est. Cela contribue non seulement à améliorer l'efficacité du traitement, mais aussi à optimiser considérablement la répartition des contraintes et à prévenir l'apparition de concentrations de contraintes.
L'usinage par électroérosion est un type d'usinage par corrosion électrique réalisé par la superposition de la vaporisation, de la fusion et de l'évaporation du fluide d'usinage produites lors de la décharge. Le problème réside dans le fait que, sous l'effet de la chaleur de chauffage et de refroidissement agissant sur le fluide d'usinage et de l'action électrochimique de ce dernier, une couche modifiée se forme dans la pièce usinée, générant des contraintes et des déformations. Dans le cas de l'huile, les atomes de carbone décomposés par la combustion de l'huile se diffusent et se carburent dans la pièce. Lorsque la contrainte thermique augmente, la couche détériorée devient cassante et dure, et sujette aux fissures. Parallèlement, des contraintes résiduelles se forment et se fixent sur la pièce. Cela entraîne une diminution de la résistance à la fatigue, une accélération de la rupture, une corrosion sous contrainte et d'autres phénomènes. Par conséquent, lors du processus d'usinage, il convient d'éviter ces problèmes et d'améliorer la qualité de l'usinage.
3.5 Améliorer les conditions de travail et les conditions du processus d'extrusion
Les conditions et l'environnement de travail de la filière d'extrusion sont très médiocres. Par conséquent, l'amélioration de la méthode et des paramètres du procédé d'extrusion, ainsi que des conditions et de l'environnement de travail, contribue à prolonger la durée de vie de la filière. Par conséquent, avant l'extrusion, il est nécessaire d'élaborer soigneusement le plan d'extrusion, de sélectionner le système d'équipement et les spécifications des matériaux les plus adaptés, de définir les paramètres d'extrusion les plus adaptés (température, vitesse, coefficient et pression d'extrusion, etc.) et d'améliorer l'environnement de travail pendant l'extrusion (refroidissement par eau ou par azote, lubrification adéquate, etc.), réduisant ainsi la charge de travail du moule (réduction de la pression d'extrusion, de la chaleur de refroidissement et de la charge alternée, etc.), et d'établir et d'améliorer les procédures d'exploitation et les procédures d'utilisation sûres.
4 Conclusion
Avec l'évolution des tendances dans l'industrie de l'aluminium, ces dernières années, chacun recherche de meilleurs modèles de développement pour améliorer l'efficacité, réduire les coûts et accroître les bénéfices. La filière d'extrusion est sans aucun doute un élément de contrôle important pour la production de profilés en aluminium.
De nombreux facteurs influent sur la durée de vie d'une matrice d'extrusion d'aluminium. Outre les facteurs internes tels que la conception structurelle et la résistance de la matrice, les matériaux utilisés, les techniques de traitement à froid, thermique et électrique, ainsi que les techniques de traitement thermique et de traitement de surface, il faut également prendre en compte le procédé d'extrusion et les conditions d'utilisation, l'entretien et la réparation de la matrice, les caractéristiques et la forme des matériaux du produit extrudé, les spécifications et la gestion scientifique de la matrice.
Dans le même temps, les facteurs d'influence ne sont pas un problème unique, mais un problème global multifactoriel complexe, pour améliorer sa durée de vie est bien sûr aussi un problème systémique, dans la production et l'utilisation réelles du processus, il faut optimiser la conception, le traitement du moule, l'utilisation de la maintenance et d'autres aspects principaux du contrôle, puis améliorer la durée de vie du moule, réduire les coûts de production, améliorer l'efficacité de la production.
Édité par May Jiang de MAT Aluminum
Date de publication : 14 août 2024
