Под давлением: как изготавливаются алюминиевые профили

В любой момент времени у меня, вероятно, будет несколько проектов в работе, под которыми я, конечно, подразумеваю различные стадии пренебрежения. В моем нынешнем большом проекте я наконец-то чувствую, что у меня есть шанс использовать некоторые материалы, пользующиеся настоящим хакерским авторитетом, например, экструдированные алюминиевые профили с Т-образными пазами. Мы все видели эту штуку, «Набор промышленного монтажника», как 80/20 любит называть свою версию. И мы все видели крутые проекты, реализованные с его помощью, от станков с ЧПУ до экспозиций на выставках, а в эти времена пандемии даже иногда в качестве охранников в розничных магазинах.

Алюминиевые профили с Т-образными пазами удобны в работе — они прочные, легкие, легко соединяются с помощью широкого спектра крепежных элементов, а также бесконечно настраиваются и переконфигурируются по мере изменения потребностей. Это ни в коем случае не дешево, но если учесть сэкономленное время на изготовление, то спецификация материала для проекта вполне может быть чистой выгодой. Тем не менее, учитывая прогнозируемый удар по моему кошельку, я начал искать более доступные альтернативы.

Мои исследования привели меня в удивительно богатый мир алюминиевых профилей. Даже исключая такие обыденные предметы, как банки из-под пива и газировки, вы, вероятно, сейчас окружены изделиями из экструдированного алюминия. Все, от радиаторов компьютера до оконных рам и деталей экранных дверей, сделано из экструдированного алюминия. Так как же именно изготавливается эта вездесущая штука?

Основной процесс экструзии алюминия внешне так же прост для понимания, как и процесс экструзии, используемый 3D-принтером: нагрейте материал и пропустите его через матрицу желаемой формы и размера. Но когда PLA заменяется гигантским алюминиевым бревном, а боуденовский трос и шаговый двигатель — огромным гидравлическим поршнем, детали быстро затуманивают простоту лежащей в основе концепции.

Проектирование матрицы, пожалуй, самая важная часть процесса экструзии. Штампы должны выдерживать огромные силы при высоких температурах и при этом сохранять стабильность размеров. Экструзионные матрицы начинают свою жизнь как круглые прутки из инструментальной стали диаметром до метра и более, но обычно около 30 см. Профиль штампов обычно довольно тонкий по сравнению с их диаметром, поскольку чем длиннее путь проходит алюминий при прохождении через штамп, тем большее трение он испытывает. Больше трения означает больше силы, что означает более крупные прессы, больший износ штампов и, как правило, более высокие затраты.

Штампы обычно создаются специализированными производителями, в которых работают опытные инженеры-конструкторы и машинисты. Процесс превращения конструкции в штамп обычно начинается с черновой обработки заготовки на токарном станке с ЧПУ, затем переходит к последовательности фрезерных операций с ЧПУ. Электроэрозионная обработка (EDM) широко используется для получения мелких деталей, необходимых для обеспечения гладкой поверхности, а также для достижения точной геометрии, необходимой для контроля потока алюминия через матрицу.

Большинство профилей имеют одну или несколько полых камер, таких как просвет трубы или, в случае наших профилей 80/20, отрицательное пространство Т-образных пазов и центрального отверстия. Штамповка должна обладать такими свойствами, которые требуют, чтобы части штампа «плавали» в набегающем потоке размягченного металла. Производители штампов достигают этого, закрепляя эти элементы на рычагах, которые перекрывают пространство в верхней части штампа. Форма и обработка поверхности этих рычагов должны быть тщательно спроектированы так, чтобы металл обтекал их и соединялся вместе, создавая плавный, непрерывный поток материала без пустот, что может привести к ослаблению готового продукта.

Тщательный учет гидродинамических сил, действующих на текущий металл, также важен при проектировании штампа. В то время как выходная сторона матрицы практически точно соответствует размеру и форме готовой экструзии, входная сторона совсем не такая. По некоторым оценкам, половина энергии, затрачиваемой при экструзии алюминия, уходит на преодоление трения между металлом и штампом, поэтому все, что можно сделать для уменьшения этих сил, похоже на деньги в банке. Вход в матрицу должен быть спроектирован таким образом, чтобы максимально плавно и легко направлять поступающий металл в окончательную форму, что является одной из причин, по которой конструкторы матрицы предусматривают очень большие углы уклона по ширине матрицы.