알루미늄 프로파일용 해바라기 라디에이터 압출 다이를 설계하는 방법은 무엇입니까?

1. 알루미늄 프로파일 단면의 구조적 특성 분석

그림 1은 일반적인 해바라기 라디에이터 알루미늄 프로파일의 단면을 보여줍니다. 프로파일의 단면적은 7,773.5mm²이며, 총 40개의 방열 톱니가 있습니다. 톱니 사이에 형성되는 최대 걸림 구멍 크기는 4.46mm입니다. 계산 결과, 톱니 사이의 텅 비율은 15.7입니다. 동시에 프로파일 중앙에는 3,846.5mm²의 넓은 솔리드 영역이 있습니다.

프로파일의 형상 특성으로 판단할 때, 톱니 사이의 공간은 세미 할로우 프로파일로 간주될 수 있으며, 라디에이터 프로파일은 여러 개의 세미 할로우 프로파일로 구성됩니다. 따라서 금형 구조를 설계할 때 핵심은 금형의 강도를 어떻게 확보할 것인지 고려하는 것입니다. 세미 할로우 프로파일의 경우, 업계에서는 "커버드 스플리터 몰드", "컷 스플리터 몰드", "현수교 스플리터 몰드" 등과 같은 다양하고 성숙한 금형 구조를 개발했습니다. 그러나 이러한 구조는 여러 개의 세미 할로우 프로파일로 구성된 제품에는 적용할 수 없습니다. 전통적인 설계는 재료만 고려하지만, 압출 성형에서는 강도에 가장 큰 영향을 미치는 것은 압출 공정 중의 압출력이며, 금속 성형 공정은 압출력을 발생시키는 주요 요인입니다.

태양열 라디에이터 프로파일의 중앙 솔리드 영역이 넓기 때문에 압출 공정 중 이 영역의 전체 유량이 너무 빠르게 발생하기 쉽고, 이로 인해 치간 현수관 헤드에 추가적인 인장 응력이 발생하여 치간 현수관 파단이 발생할 수 있습니다. 따라서 금형 구조 설계 시 금속 유량 및 유량 조절에 집중하여 압출 압력을 낮추고 치간 현수관의 응력 상태를 개선하여 금형 강도를 향상시켜야 합니다.

2. 금형 구조 및 압출 프레스 용량 선정

2.1 금형 구조 형태

그림 1에 표시된 해바라기 라디에이터 프로파일은 중공 부분이 없지만 그림 2와 같이 분할형 금형 구조를 채택해야 합니다. 기존의 션트 금형 구조와 달리, 금속 납땜 스테이션 챔버는 상부 금형에 배치되고 하부 금형에는 인서트 구조가 사용됩니다. 이는 금형 비용을 절감하고 금형 제작 주기를 단축하기 위한 것입니다. 상부 금형과 하부 금형 세트는 모두 범용이며 재사용이 가능합니다. 더욱 중요한 것은 다이 홀 블록을 독립적으로 가공할 수 있어 다이 홀 작업 벨트의 정확도를 더욱 높일 수 있다는 것입니다. 하부 금형의 내부 구멍은 계단식으로 설계되었습니다. 상부와 금형 홀 블록은 간극 맞춤을 채택하여 양쪽의 간극 값은 0.06~0.1m입니다. 하부는 간섭 맞춤을 채택하여 양쪽의 간섭량은 0.02~0.04m입니다. 이는 동축성을 확보하고 조립을 용이하게 하여 인레이 맞춤을 더욱 컴팩트하게 만들고, 동시에 열 설치 간섭 맞춤으로 인한 금형 변형을 방지합니다.

2.2 압출기 용량 선택

압출기 용량 선택은 한편으로는 압출 배럴의 적절한 내경과 금속 성형 시 발생하는 압력에 맞춰 압출 배럴 단면에 가해지는 압출기의 최대 비압을 결정하기 위한 것입니다. 다른 한편으로는 적절한 압출 비율을 결정하고 비용에 따라 적절한 금형 크기 사양을 선택하기 위한 것입니다. 해바라기 라디에이터 알루미늄 프로파일의 경우, 압출 비율이 너무 클 수 없습니다. 주된 이유는 압출력이 압출 비율에 비례하기 때문입니다. 압출 비율이 클수록 압출력이 커지는데, 이는 해바라기 라디에이터 알루미늄 프로파일 금형에 매우 해롭습니다.

경험에 따르면 해바라기 라디에이터용 알루미늄 프로파일의 압출 비율은 25 미만입니다. 그림 1에 표시된 프로파일의 경우 압출 배럴 내경이 208mm인 20.0MN 압출기가 선택되었습니다. 계산 후 압출기의 최대 특정 압력은 더 적절한 값인 589MPa입니다. 특정 압력이 너무 높으면 금형에 가해지는 압력이 커져 금형 수명에 해롭고, 특정 압력이 너무 낮으면 압출 성형 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 경험에 따르면 550~750MPa 범위의 특정 압력이 다양한 공정 요구 사항을 더 잘 충족할 수 있습니다. 계산 후 압출 계수는 4.37입니다. 금형 크기 사양은 350mm x 200mm(외경 x 도)로 선택되었습니다.

3. 금형 구조 매개변수 결정

3.1 상부 금형 구조 매개변수

(1) 다이버터 구멍의 수와 배열. 해바라기 라디에이터 프로파일 션트 몰드의 경우, 션트 구멍의 수가 많을수록 좋습니다. 유사한 원형 형상의 프로파일의 경우, 일반적으로 3~4개의 기존 션트 구멍이 선택됩니다. 결과적으로 션트 브리지의 폭이 더 넓어집니다. 일반적으로 20mm보다 크면 용접 수가 줄어듭니다. 그러나 다이 구멍의 작업 벨트를 선택할 때 션트 브리지 하단의 다이 구멍 작업 벨트는 더 짧아야 합니다. 작업 벨트 선택을 위한 정확한 계산 방법이 없는 상황에서는 작업 벨트의 차이로 인해 브리지 아래의 다이 구멍과 기타 부품이 압출 중에 정확히 동일한 유량을 달성하지 못하게 됩니다. 이러한 유량 차이는 캔틸레버에 추가적인 인장 응력을 발생시키고 방열 톱니의 처짐을 유발합니다. 따라서 톱니 수가 조밀한 해바라기 라디에이터 압출 다이의 경우 각 톱니의 유량이 일정하도록 하는 것이 매우 중요합니다. 션트 홀의 수가 증가함에 따라 션트 브리지의 수도 그에 따라 증가하고, 금속의 유량과 유량 분포도 더욱 균일해집니다. 이는 션트 브리지의 수가 증가함에 따라 션트 브리지의 폭도 그에 따라 감소할 수 있기 때문입니다.

실제 데이터에 따르면 션트 구멍의 수는 일반적으로 6개 또는 8개, 또는 그 이상입니다. 물론, 일부 대형 해바라기 방열 프로파일의 경우, 상부 몰드는 션트 브리지 폭 ≤ 14mm의 원칙에 따라 션트 구멍을 배열할 수도 있습니다. 차이점은 금속 흐름을 미리 분배하고 조정하기 위해 전면 분배판을 추가해야 한다는 것입니다. 전면 분배판의 분배 구멍 수와 배열은 기존 방식으로 수행할 수 있습니다.

또한, 션트 구멍을 배치할 때는 상부 금형을 사용하여 방열 톱니의 캔틸레버 헤드를 적절히 보호하여 금속이 캔틸레버 튜브 헤드에 직접 닿는 것을 방지하고 캔틸레버 튜브의 응력 상태를 개선하는 것을 고려해야 합니다. 톱니 사이의 캔틸레버 헤드 막힘 부분은 캔틸레버 튜브 길이의 1/5~1/4 정도면 됩니다. 션트 구멍의 배치는 그림 3과 같습니다.

(2) 션트 홀의 면적 관계. 핫 투스 루트의 벽 두께가 얇고 높이가 중앙에서 멀리 떨어져 있으며, 물리적 면적이 중앙과 크게 다르기 때문에 금속 성형이 가장 어려운 부분입니다. 따라서 해바라기 라디에이터 프로파일 몰드 설계의 핵심은 금속이 먼저 투스 루트를 채우도록 중앙 솔리드 부분의 유량을 최대한 느리게 하는 것입니다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 한편으로는 작동 벨트를 선택하고, 더 중요하게는 전환 홀의 면적, 특히 전환 홀에 해당하는 중앙 부분의 면적을 결정해야 합니다. 실험 및 경험적 값에 따르면 중앙 전환 홀의 면적 S1과 외부 단일 전환 홀의 면적 S2가 다음 관계를 만족할 때 가장 좋은 효과를 얻을 수 있습니다. S1 = (0.52 ~0.72) S2

또한, 중앙 분할 구멍의 유효 금속 유동 경로는 외부 분할 구멍의 유효 금속 유동 경로보다 20~25mm 더 길어야 합니다. 이 길이는 여유 공간과 금형 수리 가능성을 고려하여 결정됩니다.

(3) 용접실 깊이. 해바라기 라디에이터 프로파일 압출 다이는 기존 션트 다이와 다릅니다. 전체 용접실이 상부 다이에 위치해야 합니다. 이는 하부 다이의 홀 블록 가공 정확도, 특히 작업 벨트의 정확도를 보장하기 위한 것입니다. 기존 션트 몰드와 비교하여 해바라기 라디에이터 프로파일 션트 몰드의 용접실 깊이는 증가해야 합니다. 압출기 용량이 커질수록 용접실 깊이는 15~25mm 더 증가합니다. 예를 들어, 20MN 압출기를 사용하는 경우 기존 션트 다이의 용접실 깊이는 20~22mm인 반면, 해바라기 라디에이터 프로파일의 션트 다이 용접실 깊이는 35~40mm여야 합니다. 이렇게 하면 금속이 완전히 용접되고 매달린 파이프의 응력이 크게 감소하는 장점이 있습니다. 상부 금형 용접실의 구조는 그림 4에 나와 있습니다.

3.2 다이 홀 인서트 설계

다이 홀 블록의 설계에는 주로 다이 홀 크기, 작업 벨트, 미러 블록의 외경 및 두께 등이 포함됩니다.

(1) 다이 구멍 크기 결정. 다이 구멍 크기는 주로 합금 열처리의 스케일링을 고려하여 전통적인 방법으로 결정할 수 있습니다.

(2) 작업 벨트 선택.작업 벨트 선택의 원칙은 먼저 치근 하단의 모든 금속 공급이 충분하여 치근 하단의 흐름 속도가 다른 부분보다 빠르도록 하는 것입니다.따라서 치근 하단의 작업 벨트는 0.3~0.6mm로 가장 짧아야 하며 인접 부분의 작업 벨트는 0.3mm씩 늘려야 합니다.원칙은 중앙으로 갈수록 10~15mm마다 0.4~0.5mm씩 늘리는 것입니다.둘째, 중앙의 가장 큰 솔리드 부분의 작업 벨트는 7mm를 초과해서는 안 됩니다.그렇지 않으면 작업 벨트의 길이 차이가 너무 크면 구리 전극 가공 및 작업 벨트의 EDM 가공에 큰 오차가 발생합니다.이 오차는 압출 공정 중 치아 변형이 쉽게 파손되도록 할 수 있습니다.작업 벨트는 그림 5에 나와 있습니다.

 

(3) 인서트의 외경 및 두께. 기존 션트 금형의 경우, 다이 홀 인서트의 두께는 하부 금형의 두께와 같습니다. 그러나 해바라기 라디에이터 금형의 경우, 다이 홀의 유효 두께가 너무 두꺼우면 압출 및 배출 과정에서 프로파일이 금형과 쉽게 충돌하여 치형이 고르지 않거나, 긁히거나, 심지어는 치형 걸림이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 치형 파손의 원인이 됩니다.

또한, 다이 홀의 두께가 너무 길면 EDM 공정 시 가공 시간이 길어지고, 전기 부식 편차가 발생하기 쉬우며, 압출 시 치형 편차가 발생하기 쉽습니다. 물론, 다이 홀 두께가 너무 얇으면 치형 강도를 보장할 수 없습니다. 따라서 이 두 가지 요소를 고려할 때, 경험상 하부 금형의 다이 홀 삽입도는 일반적으로 40~50mm이며, 다이 홀 삽입부의 외경은 다이 홀의 가장 큰 모서리에서 삽입부의 외경까지 25~30mm가 되어야 합니다.

그림 1에 표시된 프로필의 경우 다이 홀 블록의 외경과 두께는 각각 225mm와 50mm입니다. 다이 홀 인서트는 그림 6에 나와 있습니다. 그림의 D는 실제 크기이고 공칭 크기는 225mm입니다. 외형 치수의 한계 편차는 하부 금형의 내부 구멍에 따라 일치하여 일방적인 틈새가 0.01~0.02mm 범위 내에 있도록 합니다. 다이 홀 블록은 그림 6에 나와 있습니다. 하부 금형에 배치된 다이 홀 블록의 내부 구멍의 공칭 크기는 225mm입니다. 실제 측정된 크기를 기준으로 다이 홀 블록은 측면당 0.01~0.02mm의 원칙에 따라 일치됩니다. 다이 홀 블록의 외경은 D로 구할 수 있지만 설치의 편의를 위해 그림과 같이 공급 끝에서 다이 홀 미러 블록의 외경을 0.1m 범위 내에서 적절히 줄일 수 있습니다.

4. 금형 제작의 핵심 기술

Sunflower 라디에이터 프로파일 금형의 가공은 일반 알루미늄 프로파일 금형과 크게 다르지 않습니다. 가장 큰 차이점은 주로 전기 가공에 있습니다.

(1) 와이어 절단 시 구리 전극의 변형을 방지해야 합니다. 방전 가공(EDM)에 사용되는 구리 전극은 무겁고, 톱니가 너무 작으며, 전극 자체가 부드럽고 강성이 낮고, 와이어 절단 시 발생하는 국부적인 고온으로 인해 와이어 절단 과정에서 전극이 쉽게 변형됩니다. 변형된 구리 전극을 사용하여 작업 벨트나 빈 나이프를 가공할 경우, 톱니가 비스듬하게 발생하여 가공 중 금형이 쉽게 파손될 수 있습니다. 따라서 온라인 제조 공정에서 구리 전극의 변형을 방지해야 합니다. 주요 예방 조치는 다음과 같습니다. 와이어 절단 전에 베드를 사용하여 구리 블록을 수평으로 맞추고, 다이얼 인디케이터를 사용하여 처음부터 수직도를 조정합니다. 와이어 절단 시에는 먼저 톱니 부분부터 시작하여 두꺼운 부분을 마지막으로 절단합니다. 가끔은 은선 스크랩을 사용하여 절단 부분을 채웁니다. 와이어가 완성된 후에는 와이어 머신을 사용하여 절단된 구리 전극의 길이를 따라 약 4mm의 짧은 부분을 절단합니다.

(2) 방전 가공은 일반 금형과 확연히 다릅니다. 해바라기 라디에이터 프로파일 금형 가공에서는 방전 가공(EDM)이 매우 중요합니다. 설계가 완벽하더라도 방전 가공에 약간의 결함이 생기면 금형 전체가 폐기될 수 있습니다. 방전 가공은 와이어 절단처럼 장비 의존도가 높지 않으며, 작업자의 작업 기술과 숙련도에 크게 좌우됩니다. 방전 가공은 주로 다음 다섯 가지 사항에 중점을 둡니다.

①방전 가공 전류. 초기 방전 가공에는 7~10A의 전류를 사용하여 가공 시간을 단축할 수 있으며, 마무리 가공에는 5~7A의 전류를 사용할 수 있습니다. 작은 전류를 사용하는 목적은 양호한 표면을 얻기 위한 것입니다.

② 금형 단면의 평탄도와 구리 전극의 수직도를 확보하십시오. 금형 단면의 평탄도가 좋지 않거나 구리 전극의 수직도가 부족하면 EDM 가공 후 작업 벨트 길이가 설계된 작업 벨트 길이와 일치하는지 확인하기 어렵습니다. EDM 가공이 실패하거나 톱니가 있는 작업 벨트를 관통하기 쉽습니다. 따라서 가공 전에 연삭기를 사용하여 금형의 양쪽 끝을 평탄하게 다듬어 정확도 요구 사항을 충족해야 하며, 다이얼 인디케이터를 사용하여 구리 전극의 수직도를 교정해야 합니다.

③ 빈 칼날 사이의 간격이 균일한지 확인하십시오. 초기 가공 시, 빈 공구가 3~4mm 가공 시 0.2mm 간격으로 오프셋되어 있는지 확인하십시오. 오프셋이 크면 후속 조정 시 수정하기 어렵습니다.

④ 방전 가공 중 발생하는 잔류물은 적시에 제거하십시오. 스파크 방전 부식은 많은 양의 잔류물을 생성하므로, 적절한 시기에 제거해야 합니다. 그렇지 않으면 잔류물의 높이 차이로 인해 작업 벨트 길이가 달라질 수 있습니다.

⑤EDM 가공 전에 금형의 자기를 제거해야 합니다.

5. 압출 결과 비교

그림 1에 나타난 프로파일은 기존의 분할형 몰드와 본 논문에서 제안하는 새로운 설계 방식을 사용하여 시험되었습니다. 결과 비교는 표 1에 제시되어 있습니다.

비교 결과를 통해 금형 구조가 금형 수명에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다. 새로운 설계 방식을 사용하여 설계된 금형은 명확한 장점을 가지고 있으며 금형 수명을 크게 향상시킵니다.

6. 결론

해바라기 라디에이터 프로파일 압출 금형은 설계 및 제작이 매우 어려운 금형 유형이며, 설계 및 제작 과정이 비교적 복잡합니다. 따라서 금형의 압출 성공률과 사용 수명을 보장하기 위해서는 다음과 같은 사항들을 충족해야 합니다.

(1) 금형의 구조적 형태는 합리적으로 선택되어야 합니다. 금형의 구조는 압출력을 감소시켜 방열 톱니에 의해 형성되는 금형 캔틸레버의 응력을 줄여 금형의 강도를 향상시키는 데 도움이 되어야 합니다. 핵심은 션트 홀의 개수와 배열, 션트 홀의 면적 및 기타 매개변수를 합리적으로 결정하는 것입니다. 첫째, 션트 홀 사이에 형성되는 션트 브리지의 폭은 16mm를 초과해서는 안 됩니다. 둘째, 분할 홀 면적은 금형의 강도를 유지하면서 분할 비율이 압출 비율의 30% 이상에 도달하도록 결정해야 합니다.

(2) 전기 가공 시 작업 벨트를 합리적으로 선택하고, 구리 전극의 가공 기술 및 전기 가공의 전기 표준 매개변수를 포함한 합리적인 조치를 취해야 합니다. 첫 번째 핵심 사항은 와이어 절단 전에 구리 전극의 표면을 연마하고, 와이어 절단 시 삽입 방법을 사용하여 전극이 헐거워지거나 변형되지 않도록 보장하는 것입니다.

(3) 전기 가공 공정에서는 전극을 정확하게 정렬하여 치차 편차를 방지해야 합니다. 물론, 합리적인 설계 및 제조를 기반으로 고품질 열간 가공 금형강을 사용하고 3단계 이상의 진공 열처리 공정을 통해 금형의 잠재력을 극대화하고 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 설계, 제조, 압출 생산에 이르기까지 모든 공정이 정확해야만 해바라기 라디에이터 프로파일 금형의 압출을 보장할 수 있습니다.