پروفیل های اکستروژن آلومینیوم: آلیاژها، طراحی و تلورانس ها

یک پروفیل اکستروژن آلومینیومی یک شکل ساختاری خطی است که با فشار دادن یک شمش آلومینیومی گرم شده از طریق یک دهانه قالب شکل تحت فشار بالا ایجاد می‌شود و طول پیوسته مقطع ثابت ایجاد می‌کند. مزیت اساسی این فرآیند این است که تقریباً هر شکل هندسی مقطعی را می توان در یک قطعه تولید کرد و شیارهای اتصال، باس های پیچ، پره های سینک حرارتی، لولاها و کانال های سیم کشی را مستقیماً در پروفیل ادغام کرد. ، حذف مراحل مونتاژ و جوشکاری که برای قطعات فولادی ساخته شده یا ماشینکاری شده لازم است. متداول ترین آلیاژهای آلومینیومی که برای اکستروژن معماری و سازه استفاده می شوند، سری 6000 هستند که عمدتاً 6060، 6061، 6063 و 6005A هستند که تعادل بهینه ای از قابلیت اکسترودپذیری، استحکام مکانیکی، مقاومت در برابر خوردگی و پاسخ به آنودایز شدن پودری را ارائه می دهند. انتخاب آلیاژ و دمای مناسب برای کاربرد، مهم‌ترین تصمیم در طراحی اکستروژن است زیرا استحکام کششی پروفیل، کیفیت پرداخت سطح آن پس از آندایز کردن، و رفتار آن در پرس اکستروژن را تعیین می‌کند که مستقیماً بر تحمل‌های قابل دستیابی و هزینه هر کیلوگرم تأثیر می‌گذارد.

فرآیند اکستروژن: از بیلت تا نمایه

تبدیل یک سیلندر آلومینیومی جامد به یک پروفیل پیچیده در یک پرس اکستروژن افقی رخ می دهد. یک چوب آلیاژ آلومینیوم، معمولاً 150 میلی‌متر تا 300 میلی‌متر قطر دارد و به صورت شمش‌هایی به طول 600 میلی‌متر تا 1200 میلی‌متر بریده می‌شود، در یک کوره القایی یا گازی از قبل گرم می‌شود تا دمای بین 430 درجه سانتیگراد و 500 درجه سانتیگراد ، فلز را در یک حالت پلاستیکی و چکش خوار زیر نقطه ذوب آن قرار می دهد. شمش گرم شده به ظرف پرس منتقل می شود، جایی که یک قوچ هیدرولیک - که قادر به اعمال نیرو از 1000 تا بیش از 10000 تن است - آلومینیوم را از طریق دهانه قالب در خروجی ظرف عبور می دهد. نسبت اکستروژن - سطح مقطع بیلت تقسیم بر سطح مقطع پروفیل - معمولاً از 10:1 تا 80:1 برای پروفیل های معماری، هر چند نسبت تا 200:1 برای اشکال ساده جامد قابل دستیابی است.

هنگامی که فلز از درون قالب عبور می کند، دچار تغییر شکل پلاستیکی شدیدی می شود که ساختار دانه آلیاژ را با جهت اکستروژن هماهنگ می کند و خواص مکانیکی ناهمسانگردی را ایجاد می کند. پروفیل اکسترود شده در دمایی نزدیک به دمای پیش‌گرم بیلت و با سرعتی که با آلیاژ و پیچیدگی پروفیل متفاوت است از قالب خارج می‌شود. 2 تا 5 متر در دقیقه برای آلیاژ نرم 6060 در اشکال ساده، کمتر از 0.5 متر در دقیقه برای آلیاژهای سخت سری 7000 در مقاطع پیچیده دیواره نازک. پروفیل بلافاصله پس از خروج از قالب، با هوای اجباری یا اسپری آب سرد می شود تا ریزساختار قبل از رشد دانه منجمد شود. سپس نمایه با مقدار کنترل شده کشیده می شود - معمولاً ازدیاد طول 0.5 تا 2 درصد - برای صاف کردن آن و از بین بردن تنش های باقیمانده در حین خنک شدن. در نهایت، پروفیل ها به طول بریده می شوند و در یک کوره سخت می شوند تا فازهای تقویتی که خواص مکانیکی مشخص شده آلیاژ را ایجاد می کند، رسوب دهند.

انتخاب آلیاژ: سری 6000 و خواص آنها

آلیاژهای آلومینیوم سری 6000 موادی هستند که در سنین سخت شدنی قرار می گیرند که عناصر آلیاژی اولیه آنها منیزیم و سیلیکون هستند که در طی عملیات حرارتی پیری با هم ترکیب می شوند و یک پراکندگی ظریف از رسوبات سیلیسید منیزیم (Mg2Si) را تشکیل می دهند. این رسوبات مانع حرکت نابجایی می شود و مکانیزم تقویتی را فراهم می کند که قدرت تسلیم آلیاژ را از شرایط اکسترود شده آن افزایش می دهد. نسبت منیزیم به سیلیکون، محتوای کل آلیاژ و پارامترهای پیری دکمه‌های کنترلی هستند که آلیاژهای خانواده 6000 را متمایز می‌کنند.

رتبه اکسترودپذیری مستقیماً به سرعت اکستروژن و بنابراین هزینه ترجمه می شود. آلیاژ 6060 با حداقل سایش قالب به سرعت اکسترود می‌شود و می‌تواند به نازک‌ترین بخش‌های دیواره دست یابد، که آن را به اقتصادی‌ترین انتخاب در جایی که نیاز به استحکام متوسط ​​است تبدیل می‌کند. از سوی دیگر، آلیاژ 6082 به دمای بیلت بالاتر، سرعت اکستروژن آهسته تر و تعویض قالب بیشتر نیاز دارد که هزینه پروفیل را 30 تا 50 درصد در مقایسه با پروفیل 6060 معادل افزایش می دهد. اصل انتخاب این است که آلیاژ کم مقاومتی را انتخاب کنید که الزامات ساختاری را برآورده کند، مگر اینکه کیفیت پرداخت سطح - به ویژه برای کاربردهای معماری آنودایز - آلیاژ تمیزتری مانند 6060 یا 6063 را دیکته کند.

قوانین طراحی پروفایل: ضخامت دیوار، تحمل ها و قابلیت ساخت

طراحی پروفیل آلومینیومی برای اکستروژن مستلزم رعایت قوانین هندسی است که اطمینان حاصل می کند که پروفیل می تواند به طور مداوم، اقتصادی و با تلورانس های مورد نیاز تولید شود. اساسی ترین محدودیت این است حداقل ضخامت دیوار ، که توسط قطر دایره (CCD) تعیین می شود - کوچکترین دایره ای که به طور کامل سطح مقطع پروفیل را در بر می گیرد. برای پروفیل‌هایی با CCD ۱۰۰ میلی‌متر، حداقل ضخامت دیواره ۱.۵ میلی‌متر تا ۲.۰ میلی‌متر معمولاً در آلیاژ ۶۰۶۰ قابل دستیابی است، که برای ۶۰۶۱ به ۲.۵ میلی‌متر تا ۳.۰ میلی‌متر افزایش می‌یابد. دیواره‌های نازک‌تر امکان‌پذیر است—تا ۱.۰ میلی‌متر برای پروفیل‌های کوچک در ۶۰۶۰—اما طول عمر را کاهش می‌دهند. قاعده کلی این است که نسبت ضخامت دیوار به قطر دایره محدود نباید کمتر از 1:40 برای آلیاژ 6060 و 1:25 برای 6061.

گوشه های داخلی تیز تنش را در قالب و در پروفیل اکسترود شده متمرکز می کنند و باید شعاع شوند. حداقل شعاع داخلی از 0.5 میلی متر تا 1.0 میلی متر استاندارد است، با شعاع بزرگتر برای آلیاژهای با قابلیت اکسترودپذیری کمتر ترجیح داده می شود. گوشه های خارجی می توانند تیزتر باشند - شعاع 0.3 میلی متری قابل دستیابی است - اما شعاع بسیار کوچک باعث می شود لبه قالب به سرعت ساییده شود و در نتیجه "شستشو" ایجاد شود که در آن گوشه به تدریج در طول تولید گردتر می شود. پروفیل های توخالی به یک پل یا قالب سوراخی نیاز دارند که جریان آلومینیوم را در اطراف سنبه تقسیم می کند و خطوط جوشی که در آن جریان های تقسیم شده دوباره به هم می پیوندند باید در طراحی ساختاری پروفیل در نظر گرفته شوند. استحکام طولی جوش در یک پروفیل توخالی که به درستی اکسترود شده است تقریباً است 85 تا 95 درصد استحکام فلز پایه برای آلیاژهای سری 6000.

تلورانس ها برای اکستروژن های آلومینیومی با تعریف می شوند EN 755-9 در اروپا و ANSI H35.2 در آمریکای شمالی، با نوار تحمل بسته به ابعاد و دایره‌ای که نمایه را مشخص می‌کند. تحمل ابعادی معمولی برای ابعاد مقطع زیر 100 میلی‌متر 0.3 ± میلی‌متر تا 0.5 ± میلی‌متر است و برای ابعاد بین 100 میلی‌متر تا 300 میلی‌متر به 0.5 ± تا 0.8 ± میلی‌متر افزایش می‌یابد. تلورانس های زاویه ای معمولاً 1± تا 2± درجه است. تلورانس های سخت تری را می توان به دست آورد - و باید در نقشه مهندسی مشخص شود - اما آنها هزینه قالب و نرخ ضایعات را افزایش می دهند. طراح پروفیل باید به جای اتکا به استاندارد پیش فرض، تلورانس را در نقشه مشخص کند، و تلورانس نباید کمتر از آن چیزی باشد که عملکرد واقعاً نیاز دارد.

تکمیل سطح: آنودایز کردن، پوشش پودری و عملیات مکانیکی

پروفیل های اکستروژن آلومینیومی به ندرت در شرایط پایان آسیاب اکسترود شده برای کاربردهای معماری استفاده می شوند. سطح توسط یک سری عملیات شیمیایی و مکانیکی تغییر شکل می دهد که محافظت در برابر خوردگی، رنگ و بافت را فراهم می کند. دو فرآیند تکمیلی غالب عبارتند از آنودایز کردن و پوشش پودری که هر کدام مزایا و الزامات فرآیندی متمایز دارند.

یکodizing

یکodizing is an electrochemical process that converts the aluminum surface into a controlled thickness of aluminum oxide (Al₂O₃) by making the profile the anode in an electrolytic bath—typically sulfuric acid—with a direct current applied. The oxide layer grows both outward from and inward into the aluminum surface, forming an integral ceramic coating that is ضخامت 5 تا 25 میکرون برای کاربردهای معماری اکسید شفاف، سخت (تقریباً 350-400 HV در مقیاس ویکرز) و ریز متخلخل است. تخلخل در مرحله آب بندی بعدی مورد استفاده قرار می گیرد - معمولاً غوطه ور شدن در آب جوشانده شده یا محلول استات نیکل - که اکسید را هیدراته می کند و منافذ را می بندد و سطحی مقاوم در برابر خوردگی و غیرجذب ایجاد می کند. روکش آنودایز شده در نقره طبیعی (آندایز شفاف)، در طیفی از رنگ‌های برنزی و مشکی که با تغییر پارامترهای آنودایز و ترکیب آلیاژ به دست می‌آید، یا در پرداخت‌های رنگی الکترولیتی که نمک‌های فلزی قبل از آب‌بندی در منافذ اکسیدی رسوب می‌کنند، موجود است.

انتخاب آلیاژ به شدت بر ظاهر آنودایز شده تأثیر می گذارد. آلیاژ 6060 با محتوای آهن کنترل شده زیر 0.25 درصد تمیزترین و یکنواخت ترین پوشش آنودایز شده را با حداقل خطوط قالب یا رگه های قابل مشاهده ایجاد می کند. آلیاژ 6061، با محتوای آهن، مس و کروم بالاتر، پوشش آنودایز شده ای را ایجاد می کند که کمی خاکستری است و ممکن است یک الگوی خط جریان قابل مشاهده را نشان دهد که برای کاربردهای معماری تزئینی قابل قبول نیست. استاندارد آندایزینگ معماری است QUALANOD گواهی‌نامه، که کنترل‌های فرآیند پیش تصفیه، آنودایز کردن و آب‌بندی و الزامات کیفیت برای ضخامت فیلم، کیفیت آب‌بندی و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش را مشخص می‌کند.

پوشش پودری

پوشش پودری پودر پلیمری خشک و باردار الکترواستاتیکی را بر روی سطح آلومینیوم اعمال می‌کند و به دنبال آن پخت در کوره انجام می‌شود که ذوب شده و پودر را به یک لایه پیوسته متصل می‌کند. انواع پودر استاندارد برای آلومینیوم معماری هستند پلی استر و پلی استر فوق العاده بادوام ، در ضخامت فیلم 60 تا 80 میکرون اعمال می شود. پوشش پودری پالت رنگی وسیع تری نسبت به آنودایز ارائه می دهد - از جمله رنگ های روشن، جلوه های فلزی، و پرداخت های بافتی - و نسبت به عیوب سطح جزئی در زیرلایه تحمل بیشتری دارد زیرا لایه پوششی خطوط قالب های کم عمق را پر و پنهان می کند. استاندارد کیفیت صنعت است کوالیکت که پیش تصفیه (معمولاً یک پوشش تبدیلی بدون کروم)، پارامترهای کاربرد پودر و پخت، و الزامات عملکرد برای چسبندگی، مقاومت در برابر ضربه و قابلیت آب و هوا را تعریف می کند. پوشش های پودری پلی استر فوق بادوام، واجد شرایط کلاس 2 QUALICOAT، برای کاربردهای بیرونی که در آن حفظ رنگ و براقیت در معرض اشعه ماوراء بنفش حیاتی است، با حداقل درجه قرار گرفتن در معرض فلوریدا 3 سال بدون تخریب قابل توجه مشخص شده است.

اسلات T و اکوسیستم قاب بندی مدولار

یک دسته خاص از پروفیل های اکستروژن آلومینیومی، سیستم قاب بندی ساختاری T-slot است که معمولاً بر اساس یک پروفیل مربع یا مستطیل با یک شکاف T شکل طولی در یک یا چند وجه است. هندسه شکاف - یک کانال مستطیلی با یک دهانه منقبض - یک مهره با شکل خاص را می‌پذیرد که می‌تواند در هر جایی در امتداد شکاف قرار گرفته و با چرخاندن پیچی که آن را درگیر می‌کند، در جای خود قفل شود. این سیستم به قاب‌های سازه‌ای، حفاظ‌های ماشین، ایستگاه‌های کاری و محفظه‌ها اجازه می‌دهد بدون جوشکاری، بدون سوراخکاری و با قابلیت پیکربندی مجدد یا جداسازی مونتاژ شوند. سری استاندارد T-slot بر اساس ابعاد عرض اسمی پروفیل بر حسب میلی متر، با 20 میلی متر، 30 میلی متر، 40 میلی متر و 45 میلی متر متداول‌ترین ابعاد پایه هستند که هر کدام دارای عرض شکاف مشخصی هستند - معمولاً 5 میلی‌متر، 6 میلی‌متر، 8 میلی‌متر یا 10 میلی‌متر - که بست‌ها و لوازم جانبی سازگار را دیکته می‌کند.

پروفیل شیار T تقریباً همیشه در آلیاژ 6060 یا 6063 با حالت T5 یا T6 اکسترود می‌شود، زیرا هندسه شکاف طراحی قالب سخت‌گیرانه‌ای را تحمیل می‌کند - زبانه ای از جنس فولاد قالبی که زیر برش شیار را تشکیل می‌دهد - که از نرم‌تر و راحت‌تر اکسترود شدن بهره می‌برد. ماژولار بودن سیستم اسلات T توسط کاتالوگ وسیعی از لوازم جانبی سازگار تقویت می شود: براکت های زاویه، صفحات چسباننده، لولاها، نگهدارنده های پانل، ریل های یاتاقان خطی، غلطک های نوار نقاله، و پایه های نصب که همگی برای درگیر شدن با شیار T بدون تغییر مشخصات طراحی شده اند. ظرفیت بار طراحی قاب T-slot با ممان اینرسی پروفیل، نیروی گیره بست و استحکام براکت تعیین می شود. یک پروفیل شیار T 40x40 میلی متری در 6060-T5 دارای گشتاور اینرسی Ix تقریباً است. 6.5 تا 9.0 سانتی متر4 بسته به ضخامت دیواره، به آن ظرفیت بارگذاری میان دهانه چند صد کیلوگرم در دهانه 1 متری قبل از تجاوز از حد انحراف L/300 که معمولاً برای سازه‌های قاب استفاده می‌شود، می‌دهد.

فناوری ترمال بریک برای ویندوزهای کم مصرف

آلومینیوم یک رسانای حرارتی عالی با رسانایی حرارتی تقریباً است 160 W/m·K برای آلیاژهای سری 6000، که یک قاب پنجره آلومینیومی نشکن را به یک پل حرارتی بین محیط داخلی و خارجی تبدیل می کند که منجر به تراکم در سطح قاب داخلی و اتلاف حرارت قابل توجهی می شود. راه حل، پروفیل آلومینیومی شکسته حرارتی است، که در آن اکستروژن منفرد آلومینیوم با دو اکستروژن جداگانه جایگزین می شود - یکی رو به بیرون، دیگری رو به داخل - که توسط یک عایق ساختاری، معمولاً یک نوار پلی آمید تقویت شده با الیاف شیشه (PA66) به هم متصل می شوند. نوار پلی آمید در شیارهای طولی در هر دو پروفیل آلومینیومی وارد می شود و در جای خود نورد می شود و یک اتصال ساختاری پیوسته با هدایت حرارتی تنها ایجاد می کند. 0.3 W/m·K ، که تقریباً 500 برابر کمتر از آلومینیومی است که جدا می کند.

مقدار کلی U یک قاب پنجره آلومینیومی شکسته حرارتی به عمق نوار پلی آمید و پیچیدگی پروفیل های اکستروژن بستگی دارد که می توانند چندین محفظه عایق را در خود جای دهند. یک پروفیل پنجره مدرن شکسته حرارتی با عمق قاب 70 میلی متر تا 90 میلی متر و یک واحد شیشه ای عایق سه جداره می تواند به یک مقدار U کل پنجره دست یابد. 0.8 تا 1.2 W/m²·K ، مطابق با استاندارد Passive House 0.8 W/m²·K یا کمتر. ترمال بریک همچنین نقطه شبنم را به سمت بیرون منتقل می کند، به طوری که در شرایط معمولی رطوبت داخلی، سطح قاب داخلی بالای نقطه شبنم باقی می ماند و از تراکم جلوگیری می شود. یکپارچگی ساختاری مجموعه شکسته حرارتی با آزمایش برشی مطابق با EN 14024 تأیید می شود، جایی که نوار پلی آمید باید چسبندگی خود را بر روی هر دو پروفیل آلومینیومی تحت بار برشی کششی حداقل 24 نیوتن در هر میلی متر طول نوار حفظ کند.

طراحی سازه: ویژگی های بخش و کمانش

یک aluminum extrusion used as a structural member—a beam, a column, or a frame element—must be analyzed for its section properties and stability under load. The primary section properties are the cross-sectional area, the moments of inertia about the principal axes, and the section moduli. Because aluminum's modulus of elasticity is تقریبا 70 گیگا پاسکال - تقریباً یک سوم فولاد - انحراف، به جای تنش، اغلب معیار طراحی حاکم برای تیرهای آلومینیومی است. طبق دستورالعمل طراحی آلومینیوم، حد مجاز انحراف برای اعضای سازه آلومینیومی در کاربردهای ساختمانی معمولاً L/250 برای تیرهایی است که پوشش‌های گچی یا شکننده را نگه می‌دارند و L/200 برای تیرهایی که از پرداخت‌های انعطاف‌پذیر پشتیبانی می‌کنند.

کمانش حالت شکست حیاتی برای ستون های آلومینیومی و برای عناصر پروفیل دیوار نازک در فشرده سازی است. کمانش موضعی یک عنصر صفحه تخت - فلنج یا شبکه ای از پروفیل اکسترود شده - زمانی اتفاق می افتد که تنش فشاری از تنش بحرانی کمانش فراتر رود که به نسبت عرض به ضخامت صفحه و شرایط پشتیبانی لبه بستگی دارد. مشخصات انجمن آلومینیوم برای سازه‌های آلومینیومی، عناصر پروفیل را به‌عنوان سفت شده (در امتداد هر دو لبه)، سفت نشده (فقط در امتداد یک لبه پشتیبانی می‌شود) یا سفت‌شده به لبه طبقه‌بندی می‌کند و نسبت‌های عرض به ضخامت محدود را برای هر طبقه‌بندی و ترکیب آلیاژ-دمای ارائه می‌کند. طراحي كه به دنبال بهينه‌سازي پروفيل براي حداقل وزن است، المان‌هاي صفحه را به سمت حد كمانش سوق مي‌دهد، و مي‌پذيرد كه پروفيل ممكن است به جاي بازده مواد، توسط پايداري اداره شود.