parte II - Aluplanet

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technologies/ tecnologie
Isothermal Extrusion of Aluminum Alloys (2nd Part)
Estrusione isotermica di leghe di alluminio (II parte)
Masaya Takahashi, Sumitomo Light Metal Industry Co. Ltd
Takeshi Yoneyama, Kanazawa University
IN THE JULY-AUGUST ISSUE:
- Introduction
- Temperature Change
- Heat Flows
- Isothermal Extrusion Equation
- Finite Element Method
IN THE CURRENT ISSUE:
- Experiments and Discussion
- Conclusion
The complete version available
on www.aluplanet.com
Experiments and Discussion
Measurement System
The isothermal extrusion condition calculated by FEM analysis
using uniform and taper heated
billets have been evaluated for
the possibility of isothermal
extrusion in actual hot direct
extrusion using a 500-ton
press.
The extrusion experiment was
Paper awarded at ET 2004 (Eighth
International Aluminum Extrusion
Technology Seminar), Orlando,
Florida, 18-21 May
Paper vincitore di ET 2004 (Eighth
International Aluminum Extrusion
Technology Seminar), Orlando,
Florida, 18-21 maggio
implemented using measuring
equipment that detects the die
load and container load separately from the ram load as
shown in Figure 14. In this
measurement system, a container load cell is inserted
between the container and the
bolster to detect the total fric-
NEL NUMERO DI LUGLIO-AGOSTO:
- Introduzione
- Variazioni di temperatura
- Flussi di calore
- Equazione dell’estrusione isotermica
- Metodo agli elementi finiti
(FEM)
IN QUESTO NUMERO:
- Prove e discussioni
- Conclusioni
La versione integrale è disponibile su www.aluplanet.com
Prove e discussioni
Metodo di misurazione
Le condizioni di estrusione isotermica sono state calcolate con
l’analisi agli elementi finiti usando billette riscaldate uniformemente e conicamente per verificare la possibilità di estrusione
isotermica diretta su pressa da
14) Measurement system
for detecting extrusion loads
and exit temperature.
Sistema di misura che indica i
carichi di estrusione e la
temperatura in uscita.
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ALUMINIUM AND ITS ALLOYS - SEPTEMBER 2004
500 t.
Le prove di estrusione sono state eseguite usando dispositivi di
misura che indicano il carico sulla matrice e sul contenitore separatamente dal carico sul pistone come illustrato nella figura 14.
In questo metodo di misurazione,
una cella di carico del contenitore viene inserita tra contenitore e
portamatrice per misurare la forza di attrito totale applicata alla
parete del contenitore. La matrice viene inserita nel contenitore
per misurare, attraverso una cella di carico matrice, il carico sulla superficie della matrice. Il carico sul pistone è uguale alla somma dei carichi sul contenitore e
sulla matrice. Inoltre, la temperatura in uscita viene misurata con
un termometro a radiazione posto a 200 mm dall’uscita dalla
matrice.
Prova di estrusione di barre
tonde
Le condizioni di estrusione isotermica mostrate in Tab. 3 calcolate con il FEM sono state applicate in una prova pratica. I risultati degli esperimenti eseguiti
con billette riscaldate uniformemente e conicamente sono riportati nelle figure 15 e 16. In entrambi i casi si è ottenuta un’estrusione isotermica, isobarica e
a velocità costante. Non sono
state riscontrate differenze di carico sulla matrice, sul contenitore
o sul pistone tra la billetta riscaldata uniformemente e quella riscaldata in modo conico, anche
se i dati immessi nell’analisi con
il FEM erano diversi. La ragione
sembra essere la seguente. La
billetta a gradiente (o riscaldata
conicamente) è realizzata unen-
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tion force applied on the container wall. The die is inserted
in the container to detect the
load on the die surface by the
die load cell. The ram load is
equal to the sum of the container load and the die load. Furthermore, the exit temperature
is measured by a radiation thermometer located 200 mm from
the die exit.
Experiment in Round Bar
Extrusion
The extrusion conditions in
Table 3 for isothermal extrusion
calculated by FEM have been
applied in an actual extrusion
experiment.
Experimental results using uniform and taper heated billets
are shown in Figure 15 and Figure 16. Both of them achieved
isothermal, isopressure, and
isospeed extrusion. There is no
difference among die load, container load, and ram load
between the uniformly heated
billet and the taper heated billet, even though input data
were different in the FEM analysis. The reason must be as follows. Although the taper heated
billet is made by attaching a
15) Isothermal extrusion of a
round bar using a uniform
temperature billet.
Estrusione isotermica di una barra
tonda partendo da billetta a
temperatura uniforme.
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TABLE 3 • EXPERIMENTAL CONDITIONS FOR ROUND
BAR EXTRUSION
CONDIZIONI DELLA PROVA DI ESTRUSIONE DI UNA BARRA TONDA
high temperature billet in a half
length and a low temperature
billet of the same length in the
preheated container just before
the extrusion, the temperature
difference decreases by half
within only 20 seconds in such
a short billet of 200 mm length.
The taper heated billet quickly
changed to a uniform temperature billet in the time from loading the billet to the start of
extrusion.
Figure 17 shows a comparison
of the proof stress of the extruded section after a T1 heat treatment between the taper heated
and uniform temperature billets.
The difference in proof stress of
the extruded material using the
taper heated billet is 11 MPa
whereas that of using the uniform temperature billet is 2
do nel contenitore preriscaldato,
immediatamente prima dell’estrusione, due mezze billetta,
una riscaldata ad alta temperatura e una a bassa temperatura.
La lunghezza totale della billetta
è 200 mm soltanto e la differenza di temperatura si riduce della
metà entro 20 secondi.
La billetta riscaldata a gradiente
passa a un riscaldamento di tipo
uniforme nel breve tempo che
scorre tra il caricamento e l’inizio dell’estrusione.
La figura 17 mette a confronto il
carico di snervamento dell’estruso dopo il trattamento termico T1 partendo da billette riscaldate conicamente con quello ottenuto partendo da billette riscaldate uniformemente. La differenza di snervamento per la
billetta riscaldata conicamente è
11 MPa, mentre scende a 2
MPa per la billetta riscaldata
uniformemente. La diminuzione
del carico di snervamento della
billetta a gradiente, in funzione
della lunghezza dell’estruso, è
cinque volte superiore rispetto a
quella della billetta a riscaldamento uniforme, per quanto ambedue siano state estruse a
temperatura costante in uscita.
Questo dimostra che il carico di
snervamento dell’estruso può
essere influenzato dalla temperatura di preriscaldo della billetta piuttosto che dalla temperatura in uscita.
Si ritiene pertanto che la billetta
deve avere temperatura uniforme per mantenere costanti su
tutta la lunghezza le caratteristiche meccaniche.
Prova di estrusione di barre rettangolari
Il carico di estrusione della billetta a temperatura uniforme e
quello della billetta riscaldata
conicamente, in cui la differenza
di temperatura è di 70 °K a 200
mm di lunghezza della billetta,
sono risultati equivalenti.
Poi è stata presa in esame una
billetta di 300 mm riscaldata con
16) Isothermal extrusion of a round
bar using a taper temperature
billet.
Estrusione isotermica di una barra
tonda partendo da billetta
riscaldata a gradiente.
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MPa. The difference in the
taper heated billet is five times
larger than that of the uniform
temperature billet, even though
both were extruded at a constant exit temperature. This
indicates that the proof stress
of the extruded section may be
influenced by the preheated billet temperature condition rather
than by the exit temperature.
Therefore, it is considered that
a uniform temperature billet is
necessary to keep the mechanical properties of an extruded
section constant throughout its
entire length.
Experiment in Rectangular Bar
Extrusion
There was no difference in the
extrusion load between the uniform temperature billet and the
taper heated billet in which the
temperature difference was 70
°K with the billet length 200
mm. Next, a billet of 300 mm
length with a taper heated temperature difference of 190 °K
was examined in order to compare with isothermal extrusion
using a uniform temperature billet. The reason why the rather
large temperature difference is
assigned is to examine the real
influence of the taper temperature during the extrusion
process, because the temperature difference reduces by half
within 30 seconds in the case of
a billet of 300 mm length. The
extrusion conditions are shown
in Table 4. A rectangular bar of
30 mm width and of 4 mm thickness was extruded from the billet of 94 mm diameter.
The experimental results for
isothermal extrusion using a
uniform temperature billet are
shown in Figure 18. The exit
temperature and the die load
are almost constant throughout
the ram stroke.
The experimental results for
extrusion of a taper heated billet are shown in Figure 19. The
exit temperature decreases
about 40 °K and the die load
increases about 300 kN during
extrusion due to the tempera-
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ture decrease of the material
that enters into the deformation
zone. The maximum container
load of 2900 kN in extrusion
with the taper heated billet
compares with 2000 kN in the
isothermal extrusion with a uniform temperature billet due to
the large deformation resistance caused by the colder
metal at the rear of the billet.
Accordingly, the maximum ram
load of the taper heated billet at
4400 kN is also lager than that
of the uniform temperature billet
at 3500 KN.
The uniform temperature billet
is superior to the taper heated
billet relative to the reduction of
extrusion
force
and
the
increase of extrusion speed.
A comparison of proof stress of
the extruded section after T5
heat treatment between the
taper heated and uniform temperature billets is shown in Figure 20.
The variation in proof stress of
the taper temperature billet
along its entire length is 15
MPa versus 5 MPa for the uniform temperature billet.
Figure 21 shows a comparison
of the width of the extruded
section between the taper and
uniform temperature billets. The
width of the extruded section
using the uniform temperature
billet remains constant throughout its entire length. By contrast, the width of the extruded
section of the taper heated bil-
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190 °K di gradiente di temperatura, che è stata confrontata con
l’estrusione isotermica di billette
a temperatura uniforme.
E’ stata fissata una variazione di
temperatura così grande per
esaminare la reale influenza del
gradiente durante l’estrusione,
dato che tale differenza si riduce
della metà in 30 secondi per billette di 300 mm di lunghezza. Le
condizioni di estrusione sono indicate nella tabella 4.
La figura 19 mostra invece i risultati dell’estrusione di billette
riscaldate a gradiente. Durante
l’estrusione, la temperatura in
uscita si abbassa di 40 °K circa
e il carico sulla matrice sale di
300 kN circa, a causa dell’abbassamento di temperatura del
materiale che entra nella zona
di deformazione. Il carico massimo sul contenitore, di 2900 kN
per billette a gradiente, diventa
di 2000 kN per billette uniforme-
Da una billetta del diametro di
94 mm è stata estrusa una barra rettangolare larga 30 mm e
spessa 4 mm.
I risultati sperimentali dell’estrusione isotermica di billette a
temperatura uniforme sono mostrati nella figura 18.
Temperatura in uscita e carico
sulla matrice sono quasi costanti lungo tutta la corsa del pistone.
17) Comparison of proof stress of
the extruded section between the
taper and uniform temperature
billets.
TABLE 4 • EXPERIMENTAL CONDITIONS
FOR A RECTANGULAR BAR EXTRUSION
CONDIZIONI DELLA PROVA DI ESTRUSIONE
DI UNA BARRA RETTANGOLARE
Confronto del carico di snervamento dell’estruso ottenuto con
billette riscaldate conicamente e
con billette riscaldate uniformemente.
mente riscaldate, data la forte
resistenza alla deformazione
causata dal metallo più freddo
sul retro della billetta.
Analogamente, il carico massimo sul pistone con billette a gradiente, 4400 kN, è maggiore di
quello con billette riscaldate uniformemente, 3500 kN.
La billetta a temperatura uniforme è superiore alla billetta a
gradiente per quanto riguarda la
riduzione della forza di estrusione e l’aumento della velocità di
estrusione.
La figura 20 mette a confronto il
carico di snervamento dell’estruso dopo trattamento termico
T5 per billette a gradiente e a
temperatura uniforme.
La variazione dello snervamento
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technologies
let increases during extrusion
due to the decrease in billet
temperature at the die exit.
The width of the extruded section is plotted as a function of
die load as shown in Figure 22,
showing a strong correlation
between them. Therefore, in
order to keep the dimensions of
the extruded section constant, it
is important to maintain the die
load constant during extrusion.
Experiment in C-Channel Extrusion
Finally, an example of an indus-
19) Extrusion of a rectangular bar
using a taper heated billet.
Estrusione di una barra rettangolare usando una billetta riscaldata
conicamente.
trial extrusion using an
appropriately heated billet
at uniform temperature is
shown.
Figure 23 shows a comparison of the width of a Cchannel-shaped section for
isothermal extrusion using
a uniform temperature billet and conventional extrusion using a taper heated
billet of 700 mm length with
a temperature difference of
70 °K on a 2600-ton press,
for a container inner diameter of 264 mm.
The variation of C-channel
width decreases from 1.5
18) Isothermal extrusion of a
rectangular bar using a uniform
temperature billet.
Estrusione isotermica di una barra
rettangolare partendo da billetta riscaldata in modo uniforme.
mm to 0.3 mm by assigning an
appropriate initial uniform billet
temperature, container temperature, and ram speed to keep
the exit temperature constant.
Conclusion
1. An equation for achieving
isothermal and isopressure
extrusion using a uniform temperature billet has been presented.
2. A method for finding isothermal extrusion condition by FEM
su tutta la lunghezza della billetta riscaldata a gradiente è
15 MPa rispetto a 5 MPa per la
billetta a temperatura uniforme.
Nella figura 21, si mettono a
confronto le larghezze dell’estruso per billette riscaldate a
gradiente e uniformemente.
A temperatura uniforme la larghezza si mantiene costante
per tutta la lunghezza dell’estruso, mentre nella billetta riscaldata a gradiente la larghezza tende ad aumentare
durante l’estrusione per via
della diminuzione di temperatura della billetta all’uscita dalla matrice.
La larghezza della sezione
estrusa in funzione del carico
sulla matrice è riportata nella figuREFERENCES
ra 22, da cui risul1. Bryant, A.J., W. Dixon, Roger A.P. Fielding and
ta una forte correGeorge Macey, “Isothermal extrusion”, Light
lazione tra i due
Metal Age, Vol. 57, Nos. 3, 4, April 1999, 8-36.
valori.
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ture
per mantenere coDistribution in Extrusion”, The Institute of Metals,
stante la dimenApril 1967, 204-211.
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Speed”, Proceedings of the Fifth International
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ce deve essere
May 1992, 229-233.
costante.
4. Yoneyama, Takeshi, et.al., “Heat Transfer Roll
Prove di estrusioSurface Temperature in the Hot Rolling of
ne di profilati a U
Aluminum Sheet”, Journal of Tribology, Vol. 121,
Si riporta infine un
October 1999, 753-760.
esempio pratico di estrusione
industriale con l’utilizzo di una
billetta correttamente riscaldata
a temperatura uniforme.
La figura 23 illustra il confronto
tra le larghezze di un profilato a
U ottenuto per estrusione isotermica di una billetta a temperatura uniforme, e quelle di un
profilato estruso convenzionalmente da una billetta lunga 700
mm e riscaldata a gradiente,
differenza di temperatura 70 °K,
su pressa da 2600 t con contenitore di 264 millimetri di diametro interno.
La variazione di larghezza del
profilato a U diminuisce da 1,5
a 0,3 millimetri impostando una
adeguata temperatura iniziale
di riscaldamento uniforme della
billetta, una adeguata temperatura del contenitore e velocità
del pistone, fissate in modo da
mantenere costante la temperatura in uscita.
Conclusioni
1. È stata presentata un’equazione per ottenere l’estrusione
isotermica e l’estrusione isobarica di billette riscaldate uniformemente.
2. È stato proposto un metodo
agli elementi finiti per stabilire
le condizioni di estrusione isotermica.
3. L’estrusione isotermica è
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20) Comparison of proof stress between taper heated and uniform temperature billets.
21) Comparison of width of extruded section between taper heated and
uniform temperature billets.
Confronto del carico di snervamento tra billette riscaldate conicamente e
billette riscaldate in modo uniforme.
Confronto della larghezza della sezione estrusa tra billette riscaldate conicamente e billette riscaldate in modo uniforme.
analysis has been proposed.
3. Isothermal extrusion has
been achieved using a uniform
temperature billet on an industrial press.
4. Isothermal extrusion using a
uniform temperature billet is
superior to the use of a taper
heated billet for high productivity and high quality of the
extruded materials.
Acknowledgments
The authors would like to thank
Sumitomo Light Metal Industry
for permission to publish this
paper.
Reprinted with permission from the
Eighth International Aluminum Extrusion Technology Seminar (ET ‘04),
published by the Extrusion Technology
for Aluminum Profiles Foundation
stata realizzata con billette a
temperatura uniforme su una
pressa industriale.
4. L’uso di billette a temperatura uniforme in estrusione
isotermica è risultato più conveniente rispetto all’uso di billette riscaldate a gradiente (o
in modo conico) per quanto riguarda produttività e qualità
dell’estruso.
Ringraziamenti
Gli autori sono grati a
Sumitomo
Light
Metal
Industry per il permesso di
pubblicare il presente lavoro.
Ristampata con il permesso della
Eighth International Aluminum
Extrusion Technology Seminar (ET
‘04), pubblicato dalla Extrusion
Technology for Aluminum Profiles
Foundation
23) Comparison of the width of C-channel-shaped section between
isothermal and conventional extrusion.
22) Width of extruded section as a function of die load.
Larghezza della sezione estrusa in funzione del carico sulla matrice.
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ALUMINIUM AND ITS ALLOYS - SEPTEMBER 2004
Confronto delle larghezze del profilato a U tra estrusione isotermica e
convenzionale.