Grâce à leur légèreté, leur esthétique, leur bonne résistance à la corrosion et leurs excellentes conductivité thermique et performances de traitement, les alliages d'aluminium sont largement utilisés comme composants de dissipation thermique dans les secteurs informatique, électronique et automobile, notamment dans l'industrie émergente des LED. Ces composants de dissipation thermique en alliage d'aluminium présentent d'excellentes propriétés de dissipation thermique. Lors de la production, le moule est essentiel à l'efficacité de l'extrusion de ces profilés de radiateur. Ces profilés se caractérisent généralement par des dents de dissipation thermique larges et denses et de longs tubes de suspension. Les matrices plates traditionnelles, les matrices fendues et les matrices semi-creuse ne répondent donc pas aux exigences de résistance du moule et de moulage par extrusion.
Aujourd'hui, les entreprises accordent une importance croissante à la qualité de l'acier de leurs moules. Afin d'améliorer leur résistance, elles n'hésitent pas à utiliser de l'acier importé coûteux. Le coût du moule est très élevé et sa durée de vie moyenne est inférieure à 3 tonnes, ce qui entraîne un prix de marché relativement élevé pour les radiateurs, freinant ainsi sérieusement la promotion et la popularisation des lampes LED. C'est pourquoi les filières d'extrusion pour profilés de radiateur en forme de tournesol suscitent un vif intérêt de la part des ingénieurs et techniciens du secteur.
Cet article présente les différentes technologies de la filière d'extrusion de profilés de radiateur tournesol obtenues grâce à des années de recherche minutieuse et de production d'essais répétés à travers des exemples de production réelle, pour référence par les pairs.
1. Analyse des caractéristiques structurelles des profilés en aluminium
La figure 1 présente la section transversale d'un profilé aluminium de radiateur type Sunflower. Sa section est de 7 773,5 mm² et comporte 40 dents de dissipation thermique. L'ouverture maximale entre les dents est de 4,46 mm. Après calcul, le rapport entre les languettes est de 15,7. Le centre du profilé présente une grande surface pleine de 3 846,5 mm².
D'après les caractéristiques de forme du profilé, l'espace entre les dents peut être considéré comme un profilé semi-creux, tandis que le profilé du radiateur est composé de plusieurs profilés semi-creux. Par conséquent, lors de la conception du moule, il est essentiel de veiller à sa résistance. Bien que l'industrie ait développé diverses structures de moules éprouvées pour les profilés semi-creux, telles que les « moules séparateurs couverts », les « moules séparateurs découpés », les « moules séparateurs pour ponts suspendus », etc., ces structures ne sont pas applicables aux produits composés de plusieurs profilés semi-creux. La conception traditionnelle ne prend en compte que les matériaux, mais en moulage par extrusion, l'impact le plus important sur la résistance est la force d'extrusion pendant le processus, et le formage du métal en est le principal facteur.
En raison de la grande surface centrale solide du profilé du radiateur solaire, le débit global dans cette zone peut être trop rapide lors de l'extrusion, ce qui génère une contrainte de traction supplémentaire sur la tête du tube de suspension entre les dents, entraînant sa rupture. Par conséquent, lors de la conception du moule, il est important d'ajuster le débit de métal et le débit afin de réduire la pression d'extrusion et d'améliorer l'état de contrainte du tube suspendu entre les dents, afin d'améliorer la résistance du moule.
2. Sélection de la structure du moule et de la capacité de la presse d'extrusion
2.1 Forme de la structure du moule
Le profilé de radiateur tournesol illustré à la figure 1, bien qu'il ne comporte pas de partie creuse, doit adopter la structure de moule divisé illustrée à la figure 2. Contrairement au moule shunt traditionnel, la chambre de la station de soudage métallique est placée dans le moule supérieur et une structure d'insertion est utilisée dans le moule inférieur. L'objectif est de réduire les coûts de moulage et d'accélérer le cycle de fabrication. Les ensembles de moules supérieur et inférieur sont universels et réutilisables. Plus important encore, les blocs de perçage peuvent être usinés indépendamment, ce qui garantit une meilleure précision de la bande de travail. Le trou intérieur du moule inférieur est conçu comme une marche. La partie supérieure et le bloc de perçage adoptent un ajustement avec jeu, avec un jeu de 0,06 à 0,1 m de chaque côté ; la partie inférieure adopte un ajustement serré, avec un intervalle de 0,02 à 0,04 m de chaque côté. Cela garantit la coaxialité et facilite l'assemblage, rendant l'ajustement plus compact et évitant la déformation du moule due à l'ajustement serré de l'installation thermique.
2.2 Sélection de la capacité de l'extrudeuse
Le choix de la capacité de l'extrudeuse consiste, d'une part, à déterminer le diamètre intérieur du fourreau d'extrusion et la pression spécifique maximale de l'extrudeuse sur la section du fourreau afin de supporter la pression lors du formage du métal. D'autre part, il s'agit de déterminer le rapport d'extrusion approprié et de sélectionner les dimensions de moule appropriées en fonction du coût. Pour le profilé en aluminium pour radiateur tournesol, le rapport d'extrusion ne doit pas être trop élevé. La raison principale est que la force d'extrusion est proportionnelle au rapport d'extrusion. Plus le rapport d'extrusion est élevé, plus la force d'extrusion est importante, ce qui est extrêmement préjudiciable au moule du profilé en aluminium pour radiateur tournesol.
L'expérience montre que le rapport d'extrusion des profilés en aluminium pour radiateurs Sunflower est inférieur à 25. Pour le profilé illustré à la figure 1, une extrudeuse de 20,0 MN avec un diamètre intérieur de fourreau d'extrusion de 208 mm a été sélectionnée. Après calcul, la pression spécifique maximale de l'extrudeuse est de 589 MPa, une valeur plus appropriée. Une pression spécifique trop élevée entraîne une pression importante sur le moule, ce qui nuit à sa durée de vie ; une pression spécifique trop faible ne permet pas de répondre aux exigences du formage par extrusion. L'expérience montre qu'une pression spécifique comprise entre 550 et 750 MPa permet de mieux répondre aux différentes exigences du procédé. Après calcul, le coefficient d'extrusion est de 4,37. La taille du moule est de 350 mm x 200 mm (diamètre extérieur x degrés).
3. Détermination des paramètres structurels du moule
3.1 Paramètres structurels du moule supérieur
(1) Nombre et disposition des trous de dérivation. Pour le moule de dérivation pour profilés de radiateur tournesol, plus le nombre de trous de dérivation est élevé, mieux c'est. Pour des profils de formes circulaires similaires, on choisit généralement 3 à 4 trous de dérivation traditionnels. De ce fait, la largeur du pont de dérivation est plus importante. Généralement, au-delà de 20 mm, le nombre de soudures est moindre. Cependant, lors du choix de la courroie de travail du trou de matrice, celle située au fond du pont de dérivation doit être plus courte. En l'absence de méthode de calcul précise pour le choix de la courroie de travail, le trou de matrice sous le pont et les autres pièces n'atteindront pas un débit identique pendant l'extrusion, en raison de la différence de courroie de travail. Cette différence de débit produira une contrainte de traction supplémentaire sur le cantilever et entraînera une déflexion des dents de dissipation thermique. Par conséquent, pour une matrice d'extrusion de radiateur tournesol à nombre de dents élevé, il est essentiel de garantir un débit constant pour chaque dent. À mesure que le nombre de trous de dérivation augmente, le nombre de ponts de dérivation augmente également, et le débit et la répartition du flux métallique deviennent plus réguliers. En effet, plus le nombre de ponts de dérivation augmente, plus leur largeur peut être réduite.
Les données pratiques montrent que le nombre de trous de dérivation est généralement de 6 ou 8, voire plus. Bien entendu, pour certains profils de dissipation thermique de grande taille, le moule supérieur peut également disposer les trous de dérivation selon le principe d'un pont de dérivation d'une largeur ≤ 14 mm. La différence réside dans la nécessité d'ajouter une plaque de séparation avant pour pré-distribuer et ajuster le flux de métal. Le nombre et la disposition des trous de dérivation dans la plaque de dérivation avant peuvent être réalisés de manière traditionnelle.
De plus, lors de la disposition des trous de dérivation, il convient d'utiliser le moule supérieur pour protéger efficacement la tête du cantilever de la dent de dissipation thermique, afin d'éviter que le métal ne heurte directement la tête du tube cantilever et d'améliorer ainsi l'état de contrainte de ce dernier. La partie bloquée de la tête du cantilever entre les dents peut représenter 1/5 à 1/4 de la longueur du tube cantilever. La disposition des trous de dérivation est illustrée à la figure 3.
(2) Relation de surface du trou de dérivation. En raison de la faible épaisseur de paroi de la racine de la dent chaude, de sa hauteur éloignée du centre et de sa surface physique très différente du centre, il s'agit de la pièce la plus difficile à former. Par conséquent, un point clé dans la conception du moule de profil de radiateur tournesol est de réduire au maximum le débit de la partie centrale pleine afin que le métal remplisse d'abord la racine de la dent. Pour obtenir cet effet, il faut d'une part choisir la courroie de travail et, plus important encore, déterminer la surface du trou de dérivation, principalement la surface de la partie centrale correspondant à ce trou. Des essais et des valeurs empiriques montrent que le meilleur effet est obtenu lorsque la surface du trou de dérivation central S1 et celle du trou de dérivation unique externe S2 satisfont à la relation suivante : S1 = (0,52 ~ 0,72) S2
De plus, le canal d'écoulement effectif du trou de séparation central doit être 20 à 25 mm plus long que celui du trou de séparation extérieur. Cette longueur tient également compte de la marge et des possibilités de réparation du moule.
(3) Profondeur de la chambre de soudage. La matrice d'extrusion du profilé de radiateur Sunflower diffère de la matrice shunt traditionnelle. L'intégralité de la chambre de soudage doit être située dans la matrice supérieure. Ceci permet de garantir la précision de l'usinage des blocs de trous de la matrice inférieure, notamment la précision de la bande de travail. Par rapport au moule shunt traditionnel, la profondeur de la chambre de soudage du moule shunt du profilé de radiateur Sunflower doit être augmentée. Plus la capacité de la machine d'extrusion est importante, plus la profondeur de la chambre de soudage doit être importante, soit de 15 à 25 mm. Par exemple, avec une machine d'extrusion de 20 MN, la profondeur de la chambre de soudage de la matrice shunt traditionnelle est de 20 à 22 mm, tandis que celle du profilé de radiateur Sunflower doit être de 35 à 40 mm. L'avantage est que le métal est entièrement soudé et que les contraintes sur le tube suspendu sont considérablement réduites. La structure de la chambre de soudage du moule supérieur est illustrée à la figure 4.
3.2 Conception de l'insert de trou de matrice
La conception du bloc de trous de matrice comprend principalement la taille du trou de matrice, la courroie de travail, le diamètre extérieur et l'épaisseur du bloc miroir, etc.
(1) Détermination de la taille des trous de filière. La taille des trous de filière peut être déterminée de manière traditionnelle, en tenant principalement compte de l'échelle du traitement thermique de l'alliage.
(2) Sélection de la courroie de travail. Le principe de sélection de la courroie de travail consiste à s'assurer que l'alimentation en métal au pied de la dent est suffisante, afin que le débit y soit plus rapide qu'aux autres parties. Par conséquent, la courroie de travail au pied de la dent doit être la plus courte, avec une valeur de 0,3 à 0,6 mm, et la courroie de travail aux parties adjacentes doit être augmentée de 0,3 mm. Le principe est d'augmenter de 0,4 à 0,5 mm tous les 10 à 15 mm vers le centre ; ensuite, la courroie de travail au niveau de la partie pleine la plus large du centre ne doit pas dépasser 7 mm. Dans le cas contraire, une différence de longueur trop importante de la courroie de travail peut entraîner des erreurs importantes lors de l'usinage des électrodes en cuivre et de l'usinage par électroérosion. Cette erreur peut facilement entraîner une rupture de la dent lors de l'extrusion. La courroie de travail est illustrée à la figure 5.
(3) Le diamètre extérieur et l'épaisseur de l'insert. Pour les moules shunt traditionnels, l'épaisseur de l'insert du trou de matrice correspond à celle du moule inférieur. Cependant, pour le moule du radiateur tournesol, si l'épaisseur effective du trou de matrice est trop importante, le profilé entrera facilement en collision avec le moule lors de l'extrusion et du déchargement, ce qui entraînera des dents irrégulières, des rayures, voire un blocage des dents. Ces phénomènes entraîneront la rupture des dents.
De plus, une épaisseur de trou de matrice trop importante peut, d'une part, allonger le temps d'usinage lors du processus d'électroérosion et, d'autre part, entraîner des déviations de corrosion électrique et des déviations de dents lors de l'extrusion. Bien entendu, une épaisseur de trou de matrice trop faible ne garantit pas la résistance des dents. Par conséquent, compte tenu de ces deux facteurs, l'expérience montre que le degré d'insertion du trou de matrice du moule inférieur est généralement compris entre 40 et 50 ; et que le diamètre extérieur de l'insert doit être compris entre 25 et 30 mm, du bord le plus large du trou de matrice au cercle extérieur de l'insert.
Pour le profil illustré à la figure 1, le diamètre extérieur et l'épaisseur du bloc de perçage sont respectivement de 225 mm et 50 mm. L'insert de perçage est illustré à la figure 6. D sur la figure correspond à la taille réelle et la taille nominale est de 225 mm. L'écart limite de ses dimensions extérieures est ajusté en fonction du perçage intérieur du moule inférieur afin de garantir un jeu unilatéral compris entre 0,01 et 0,02 mm. Le bloc de perçage est illustré à la figure 6. La taille nominale du perçage intérieur du bloc de perçage placé sur le moule inférieur est de 225 mm. En fonction de la taille réelle mesurée, le bloc de perçage est ajusté selon le principe de 0,01 à 0,02 mm par côté. Le diamètre extérieur du bloc de perçage peut être obtenu par D, mais pour faciliter l'installation, le diamètre extérieur du bloc miroir de perçage peut être réduit de 0,1 m à l'extrémité d'alimentation, comme illustré à la figure.
4. Technologies clés de la fabrication de moules
L'usinage du moule profilé pour radiateur Sunflower ne diffère guère de celui des moules profilés en aluminium ordinaires. La différence évidente réside principalement dans l'usinage électrique.
(1) Lors de la découpe au fil, il est essentiel d'éviter la déformation de l'électrode de cuivre. L'électrode de cuivre utilisée pour l'électroérosion est lourde, ses dents sont trop petites, elle est molle et présente une faible rigidité. De plus, la température locale élevée générée par la découpe au fil favorise sa déformation. L'utilisation d'électrodes de cuivre déformées pour l'usinage de bandes de travail et de couteaux vides peut entraîner l'apparition de dents obliques, ce qui peut facilement entraîner la mise au rebut du moule. Il est donc essentiel d'éviter la déformation des électrodes de cuivre lors de la fabrication en ligne. Les principales mesures préventives sont les suivantes : avant la découpe au fil, niveler le bloc de cuivre avec un lit ; utiliser un comparateur pour régler la verticalité au début ; commencer par la partie dentée et terminer par la partie à paroi épaisse ; utiliser de temps à autre des chutes de fil d'argent pour combler les parties découpées ; une fois le fil fabriqué, découper une courte section d'environ 4 mm sur toute la longueur de l'électrode de cuivre découpée à l'aide d'une machine à fil.
(2) L'usinage par électroérosion diffère évidemment des moules ordinaires. L'électroérosion joue un rôle essentiel dans l'usinage des moules de profils de radiateurs tournesol. Même si la conception est parfaite, un léger défaut d'électroérosion peut entraîner la mise au rebut du moule entier. L'électroérosion ne dépend pas autant de l'équipement que l'usinage par fil. Elle repose principalement sur les compétences et la maîtrise de l'opérateur. L'électroérosion se concentre principalement sur les cinq points suivants :
1. Courant d'usinage par électroérosion. Un courant de 7 à 10 A peut être utilisé pour l'usinage initial par électroérosion afin de réduire le temps d'usinage ; un courant de 5 à 7 A peut être utilisé pour l'usinage de finition. L'utilisation d'un faible courant permet d'obtenir une surface de bonne qualité.
2. S'assurer de la planéité de l'extrémité du moule et de la verticalité de l'électrode de cuivre. Une mauvaise planéité de l'extrémité du moule ou une verticalité insuffisante de l'électrode de cuivre rendent difficile la conformité de la longueur de la bande de travail après usinage par électroérosion à la longueur prévue. L'électroérosion peut facilement échouer, voire perforer la bande de travail dentée. Par conséquent, avant l'usinage, une meuleuse doit être utilisée pour aplanir les deux extrémités du moule afin de garantir la précision requise, et un comparateur à cadran doit être utilisé pour corriger la verticalité de l'électrode de cuivre.
③ Assurez-vous que l'espace entre les couteaux vides est régulier. Lors de l'usinage initial, vérifiez que l'outil vide est décalé de 0,2 mm tous les 3 à 4 mm d'usinage. Un décalage important sera difficile à corriger lors des ajustements ultérieurs.
④Éliminer rapidement les résidus générés lors de l'usinage par électroérosion. La corrosion par électroérosion produit une quantité importante de résidus, qui doit être éliminée rapidement, sinon la longueur de la bande de travail sera différente en raison de la hauteur variable des résidus.
⑤Le moule doit être démagnétisé avant l'EDM.
5. Comparaison des résultats d'extrusion
Le profil présenté à la figure 1 a été testé en utilisant le moule divisé traditionnel et le nouveau schéma de conception proposé dans cet article. La comparaison des résultats est présentée dans le tableau 1.
Les résultats comparatifs montrent que la structure du moule a une grande influence sur sa durée de vie. Le moule conçu selon ce nouveau schéma présente des avantages évidents et améliore considérablement sa durée de vie.
6. Conclusion
Le moule d'extrusion pour profilé de radiateur tournesol est un type de moule très complexe à concevoir et à fabriquer. Par conséquent, pour garantir le succès de l'extrusion et la durée de vie du moule, les points suivants doivent être respectés :
(1) La forme structurelle du moule doit être choisie judicieusement. Elle doit permettre de réduire l'effort d'extrusion afin de diminuer la contrainte exercée sur le porte-à-faux formé par les dents de dissipation thermique, améliorant ainsi la résistance du moule. Il est essentiel de déterminer judicieusement le nombre et la disposition des trous de dérivation, leur surface et d'autres paramètres : premièrement, la largeur du pont de dérivation formé entre les trous de dérivation ne doit pas dépasser 16 mm ; deuxièmement, la surface des trous de séparation doit être déterminée de manière à ce que le rapport de séparation atteigne autant que possible plus de 30 % du rapport d'extrusion, tout en garantissant la résistance du moule.
(2) Choisir judicieusement la bande de travail et adopter des mesures raisonnables lors de l'usinage électrique, notamment en ce qui concerne la technologie de traitement des électrodes en cuivre et les paramètres électriques standard de l'usinage. Le premier point essentiel est que l'électrode en cuivre soit meulée en surface avant la découpe au fil, et que la méthode d'insertion utilisée lors de la découpe au fil soit respectée afin de garantir que les électrodes ne soient ni desserrées ni déformées.
(3) Lors de l'usinage électrique, l'électrode doit être alignée avec précision afin d'éviter toute déviation des dents. Bien entendu, une conception et une fabrication rationnelles, l'utilisation d'acier de haute qualité pour le travail à chaud et un traitement thermique sous vide à trois niveaux ou plus permettent d'optimiser le potentiel du moule et d'obtenir de meilleurs résultats. De la conception à l'extrusion, en passant par la fabrication, seule la précision de chaque maillon garantit l'extrusion du moule pour profilé de radiateur tournesol.
Date de publication : 1er août 2024
