1. 서론
금형은 알루미늄 프로파일 압출의 핵심 도구입니다. 프로파일 압출 공정에서 금형은 고온, 고압, 그리고 높은 마찰을 견뎌야 합니다. 장기간 사용하면 금형 마모, 소성 변형, 피로 손상이 발생할 수 있으며, 심한 경우 금형 파손으로 이어질 수 있습니다.
2. 금형의 파손 형태 및 원인
2.1 마모 파괴
마모는 압출 다이의 파손을 초래하는 주요 형태로, 알루미늄 프로파일의 치수가 불규칙해지고 표면 품질이 저하됩니다. 압출 과정에서 알루미늄 프로파일은 윤활 처리 없이 고온 고압에서 압출 재료를 통해 금형 캐비티의 개방된 부분과 만납니다. 한쪽은 캘리퍼 스트립의 평면과 직접 접촉하고 다른 쪽은 미끄러지면서 큰 마찰이 발생합니다. 캐비티 표면과 캘리퍼 벨트 표면은 마모 및 파손을 겪습니다. 동시에 금형의 마찰 과정에서 일부 빌릿 금속이 금형 작업 표면에 부착되어 금형의 형상이 변경되어 사용할 수 없게 되며, 이는 절삭날의 부동태화, 둥근 모서리, 평면 침하, 표면 홈, 벗겨짐 등의 형태로 나타나는 마모 파손으로 간주됩니다.
다이 마모의 구체적인 형태는 마찰 과정의 속도, 다이 재료와 가공된 빌릿의 화학적 조성 및 기계적 특성, 다이와 빌릿의 표면 거칠기, 그리고 압출 공정 중 압력, 온도, 속도 등 여러 요인과 관련이 있습니다. 알루미늄 압출 금형의 마모는 주로 열 마모입니다. 열 마모는 마찰, 온도 상승으로 인한 금속 표면 연화, 그리고 금형 캐비티 표면의 맞물림으로 인해 발생합니다. 금형 캐비티 표면이 고온에서 연화되면 내마모성이 크게 저하됩니다. 열 마모 과정에서 온도는 열 마모에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 온도가 높을수록 열 마모가 더 심각해집니다.
2.2 소성 변형
알루미늄 프로파일 압출 다이의 소성 변형은 다이 금속 재료의 항복 과정입니다.
압출다이는 작업 중 장시간 고온, 고압, 압출금속과의 높은 마찰 상태에 있기 때문에 다이의 표면온도가 상승하고 연화가 발생합니다.
매우 높은 하중 조건에서는 큰 소성 변형이 발생하여 작업 벨트가 찌그러지거나 타원 형태를 형성하고, 생산된 제품의 형태가 변형됩니다. 금형에 균열이 발생하지 않더라도 알루미늄 프로파일의 치수 정확도를 보장할 수 없어 파손될 수 있습니다.
또한, 압출 다이 표면은 반복적인 가열과 냉각으로 인해 온도 차이를 겪게 되며, 이로 인해 표면에 인장 및 압축 열응력이 교대로 작용합니다. 동시에 미세 구조 또한 다양한 정도로 변형됩니다. 이러한 복합적인 영향으로 금형 마모와 표면 소성 변형이 발생합니다.
2.3 피로 손상
열 피로 손상은 금형 파손의 가장 흔한 형태 중 하나입니다. 가열된 알루미늄 막대가 압출 다이 표면에 닿으면 알루미늄 막대의 표면 온도가 내부 온도보다 훨씬 빠르게 상승하고, 팽창으로 인해 표면에 압축 응력이 발생합니다.
동시에, 금형 표면의 항복 강도는 온도 상승으로 인해 감소합니다. 압력 증가가 해당 온도에서 표면 금속의 항복 강도를 초과하면 표면에 소성 압축 변형이 발생합니다. 프로파일이 금형에서 이탈하면 표면 온도가 감소합니다. 그러나 프로파일 내부 온도가 여전히 높으면 인장 변형이 발생합니다.
마찬가지로, 인장 응력의 증가가 프로파일 표면의 항복 강도를 초과하면 소성 인장 변형률이 발생합니다. 금형의 국부 변형률이 탄성 한계를 초과하여 소성 변형률 영역에 진입하면, 작은 소성 변형률이 점진적으로 누적되어 피로 균열을 형성할 수 있습니다.
따라서 금형의 피로 손상을 방지하거나 줄이기 위해서는 적절한 재료를 선택하고 적절한 열처리 시스템을 도입해야 합니다. 동시에 금형의 사용 환경 개선에도 주의를 기울여야 합니다.
2.4 금형 파손
실제 생산 과정에서는 금형의 특정 부분에 균열이 분포됩니다. 일정 사용 기간이 지나면 작은 균열이 발생하고 점차 깊이가 확대됩니다. 균열이 일정 크기까지 확대되면 금형의 하중 지지력이 심각하게 약화되어 파손이 발생합니다. 또는 금형의 초기 열처리 및 가공 과정에서 미세 균열이 이미 발생하여 금형이 팽창하여 사용 중 조기 균열이 발생하기 쉽습니다.
설계 측면에서는 금형 강도 설계와 전이 지점의 필렛 반경 선택이 주요 실패 원인입니다. 제조 측면에서는 재료 사전 검사, 가공 중 표면 거칠기 및 손상에 대한 주의, 그리고 열처리 및 표면 처리 품질의 영향이 주요 실패 원인입니다.
사용 시에는 금형 예열, 압출 비율, 잉곳 온도의 제어, 압출 속도, 금속 변형 흐름의 제어에 주의해야 합니다.
3. 금형수명 향상
알루미늄 프로파일 생산 시 금형 비용은 프로파일 압출 생산 비용에서 큰 비중을 차지합니다.
금형의 품질 또한 제품 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 이형 압출 생산에서 압출 금형의 작업 조건은 매우 열악하기 때문에 설계 및 재료 선정부터 최종 금형 생산, 그리고 이후 사용 및 유지보수에 이르기까지 금형을 엄격하게 관리해야 합니다.
특히 생산 과정에서 금형은 높은 열 안정성, 열 피로성, 열 마모 저항성 및 충분한 인성을 가져야 하며, 이를 통해 금형의 사용 수명을 연장하고 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
3.1 금형재료 선정
알루미늄 프로파일의 압출 공정은 고온, 고부하 가공 공정이며, 알루미늄 압출 다이는 매우 가혹한 사용 조건에 노출됩니다.
압출 다이는 고온에 노출되며, 국부 표면 온도는 섭씨 600도에 달할 수 있습니다. 압출 다이 표면은 반복적으로 가열 및 냉각되어 열 피로를 유발합니다.
알루미늄 합금을 압출할 때 금형은 높은 압축 응력, 굽힘 응력, 전단 응력을 견뎌야 하며, 이로 인해 접착 마모와 연마 마모가 발생합니다.
압출 다이의 작업 조건에 따라 필요한 재료의 속성을 결정할 수 있습니다.
우선, 소재는 우수한 가공 성능을 가져야 합니다. 소재는 제련, 단조, 가공 및 열처리가 용이해야 합니다. 또한, 소재는 높은 강도와 경도를 가져야 합니다. 압출 다이는 일반적으로 고온 고압에서 작동합니다. 알루미늄 합금을 압출할 경우, 다이 소재의 상온 인장 강도는 1500MPa 이상이어야 합니다.
높은 내열성, 즉 압출 시 고온에서 기계적 하중을 견딜 수 있는 능력이 필요합니다. 또한, 응력 조건이나 충격 하중 하에서 금형이 취성 파괴되는 것을 방지하기 위해 상온 및 고온에서 높은 충격 인성 및 파괴 인성 값을 가져야 합니다.
높은 내마모성이 필요합니다. 즉, 표면은 장기간 고온, 고압 및 윤활이 부족한 환경에서도 마모에 저항할 수 있는 능력이 있어야 합니다. 특히 알루미늄 합금을 압출할 때는 금속 접착 및 마모에 저항할 수 있는 능력이 있어야 합니다.
공구의 전체 단면에 걸쳐 높고 균일한 기계적 특성을 보장하려면 우수한 경화성이 필요합니다.
압출된 작업물과 금형 자체의 국부적인 과열이나 기계적 강도의 과도한 손실을 방지하기 위해 금형 작업 표면의 열을 빠르게 방출하려면 높은 열전도도가 필요합니다.
반복적인 반복 응력에 대한 강한 저항성, 즉 조기 피로 손상을 방지하기 위한 높은 지속 강도가 필요합니다. 또한, 일정한 내식성과 우수한 질화성을 가져야 합니다.
3.2 금형의 합리적인 설계
금형의 합리적인 설계는 금형 수명 연장에 중요한 요소입니다. 올바르게 설계된 금형 구조는 정상적인 사용 조건에서 충격으로 인한 파단 및 응력 집중이 발생하지 않도록 해야 합니다. 따라서 금형 설계 시에는 각 부품의 응력이 균일하게 분포되도록 하고, 날카로운 모서리, 오목한 모서리, 두께 차이, 편평하고 넓은 얇은 벽 부분 등을 피하여 과도한 응력 집중을 방지해야 합니다. 과도한 응력 집중은 열처리 변형, 균열, 취성 파괴 또는 사용 중 조기 고온 균열을 유발할 수 있으며, 표준화된 설계는 금형의 교환, 보관 및 유지 보수에도 도움이 됩니다.
3.3 열처리 및 표면처리 품질 향상
압출 금형의 수명은 열처리 품질에 크게 좌우됩니다. 따라서 금형의 수명 향상을 위해서는 첨단 열처리 방법 및 공정, 그리고 강화 및 표면 강화 처리가 특히 중요합니다.
동시에 열처리 및 표면 강화 공정을 엄격하게 관리하여 열처리 결함을 방지합니다. 담금질 및 템퍼링 공정 매개변수를 조정하고, 전처리, 안정화 처리 및 템퍼링 횟수를 늘리고, 온도 제어, 가열 및 냉각 강도에 주의를 기울이고, 새로운 담금질 매체를 사용하고, 강화 및 인성 강화 처리, 다양한 표면 강화 처리 등 새로운 공정 및 장비를 연구하는 것은 금형의 수명 향상에 도움이 됩니다.
3.4 금형 제작 품질 향상
금형 가공에는 기계 가공, 와이어 절단, 방전 가공 등 일반적인 가공 방법이 있습니다. 기계 가공은 금형 가공 공정에서 필수적이고 중요한 공정입니다. 금형의 외관 크기를 변경할 뿐만 아니라, 형상의 품질과 금형의 수명에도 직접적인 영향을 미칩니다.
다이 홀의 와이어 커팅은 금형 가공에서 널리 사용되는 가공 방법입니다. 가공 효율과 가공 정확도를 향상시키지만, 몇 가지 특수한 문제점도 발생합니다. 예를 들어, 와이어 커팅으로 가공된 금형을 템퍼링 없이 바로 생산에 사용하면 슬래그, 박리 등이 발생하기 쉬워 금형 수명이 단축됩니다. 따라서 와이어 커팅 후 금형을 충분히 템퍼링하면 표면 인장 응력 상태를 개선하고 잔류 응력을 줄이며 금형 수명을 연장할 수 있습니다.
응력 집중은 금형 파손의 주요 원인입니다. 도면 설계에서 허용하는 범위 내에서 와이어 절단 와이어의 직경이 클수록 좋습니다. 이는 가공 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 응력 분포를 크게 개선하여 응력 집중 발생을 방지합니다.
방전 가공은 방전 중에 발생하는 재료의 기화, 용융, 가공 유체의 증발이 중첩되어 이루어지는 일종의 전기 부식 가공입니다. 문제는 가공 유체에 작용하는 가열 및 냉각 열과 가공 유체의 전기 화학적 작용으로 인해 가공 부위에 변형과 응력을 발생시키는 변성층이 형성된다는 것입니다. 오일의 경우, 오일의 연소로 인해 분해된 탄소 원자가 확산되어 공작물로 침탄됩니다. 열 응력이 증가하면 열화된 층이 취성과 경도가 높아져 균열이 발생하기 쉽습니다. 동시에 잔류 응력이 형성되어 공작물에 부착됩니다. 이로 인해 피로 강도 감소, 가속 파괴, 응력 부식 등의 현상이 발생합니다. 따라서 가공 과정에서 이러한 문제를 방지하고 가공 품질을 향상시켜야 합니다.
3.5 작업 조건 및 압출 공정 조건 개선
압출 다이의 작업 조건은 매우 열악하고 작업 환경 또한 매우 열악합니다. 따라서 압출 공정 방법과 공정 매개변수를 개선하고 작업 조건과 작업 환경을 개선하는 것은 다이의 수명 연장에 도움이 됩니다. 따라서 압출 전에 압출 계획을 신중하게 수립하고, 최적의 장비 시스템과 재료 사양을 선택하고, 최적의 압출 공정 매개변수(예: 압출 온도, 속도, 압출 계수 및 압출 압력 등)를 수립하고, 압출 중 작업 환경을 개선(예: 수냉 또는 질소 냉각, 충분한 윤활 등)하여 금형의 작업 부담을 줄이고(예: 압출 압력 감소, 냉열 및 교대 부하 감소 등), 공정 운영 절차 및 안전 사용 절차를 수립하고 개선해야 합니다.
4 결론
알루미늄 산업 트렌드가 발전함에 따라, 최근 몇 년 동안 모든 사람들은 효율성 향상, 비용 절감, 그리고 이익 증대를 위한 더 나은 개발 모델을 모색하고 있습니다. 압출 다이는 알루미늄 프로파일 생산에 있어 중요한 제어 노드임이 분명합니다.
알루미늄 압출 금형의 수명에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있습니다. 금형의 구조 설계 및 강도, 금형 재료, 냉간 및 열처리, 전기 가공 기술, 열처리 및 표면 처리 기술과 같은 내부 요인 외에도, 압출 공정 및 사용 조건, 금형 유지보수 및 수리, 압출 제품 재료의 특성 및 형상, 사양 및 금형의 과학적 관리 등이 있습니다.
동시에, 영향 요인은 단일한 것이 아니라 복잡하고 다요한 종합적 문제이며, 금형의 수명을 개선하는 것은 물론 시스템적 문제이기도 합니다. 실제 생산 및 사용 공정에서는 설계, 금형 가공, 사용 유지 보수 등의 주요 측면을 제어하여 금형의 사용 수명을 향상시키고 생산 비용을 낮추고 생산 효율을 높여야 합니다.
MAT Aluminum의 May Jiang이 편집함
게시 시간: 2024년 8월 14일
