اکستروژن فلزات به چه روش هایی انجام می شود؟

اکستروژن (Extrusion) یکی از فرایندهای شکل دادن به فلزات است. یک روش فشار محور، یا تولید بر پایه فشار که می‌تواند در مورد فلزات، عناصر غیر فلزی و آلیاژهایی مانند آلومینیوم، مس، سرب، منیزیم، کربن، فولاد و همچنین استنلس استیل مؤثر باشد. از این روش می‌توان برای شکل دادن مقاطع فلزی بلند و مستقیم مانند پروفیل آلومینیوم شیاردار و معمولی و ساخت تیغۀ کرکره برقی استفاده کرد. لوله مانیسمان نیز از طریق Extrusion تولید می‌شود. برای تولید تیرآهن، سپری و لوله اسپیرال نیز گاه از این روش استفاده می‌شود.

در فرایند Metal Extrusion، نمونه مورد نظر را در قالب قرار می‌دهند. نیروی فشار، بر مقطع فلزی که در قالب قرار گرفته است وارد می‌آید. این نیرو بر اثر فشارهای مکانیکی یا هیدرولیکی ایجاد می‌شود. علاوه بر نیروهای فشاری، نیروهای برشی نیز اعمال می‌شود. اما بر خلاف هیدروفرمینگ که آن نیز از فرایندهای شکل دهی به فلزات است، در Extrusion هیچ نیروی کششی بر مقطع وارد نمی‌شود. بنابراین، مقطعِ در حال شکل گیری، از ایجاد ترک و پارگی‌های ناشی از نیروهای کششی مصون می‌ماند.

 اکستروژن فلزات به طور کلی در دو حالت انجام می‌شود:

1. حالت گرم
2. حالت سرد

روش‌های مختلفی برای اکستروژن گرم و سرد وجود دارد که عبارتند از:

1. اکستروژن مستقیم (Direct Extrusion)
2. اکستروژن غیر مستقیم (Indirect Extrusion)
3. اکستروژن ضربه ای (Impact Extrusion)
4. اکستروژن هیدرواستاتیک (Hydrostatic extrusion)
5. اکستروژن جانبی یا عمودی (Lateral Extrusion)

در میان انواع روش های نامبرده، روش مستقیم و غیرمستقیم هم در حالت اکستروژن گرم و هم در حالت سرد کاربرد دارد. روش ضربه‌ای و هیدرواستاتیک نیز در گروه اکستروژن سرد قرار دارند و فقط در حالت سرد انجام می‌شود. هر یک از روش های بیان شده، در ادامه توضیح داده شده است.

در این روش، بیلت را در کوره یا محفظه گرمایشی حرارت می‌دهد تا قابلیت تغییر شکل در آن ایجاد شود. سپس با اعمال فشار، بیلت را به شکل مورد نظر در می‌آورند. محدوده دمایی خاصی در مورد فلزات و آلیاژهای مختلف در نظر گرفته می‌شود:

• آلیاژ فولاد: 1200 – 1300^°C
• آلیاژ مس: 650 – 1300^°C
• آلیاژ نسوز: 220 – 975^°C
• سرب: 200 – 250^°C
• منیزیم: 350 – 425^°C

تیر استنلس استیل، لوله ها، میله ها و سیم های برق از جمله مواردی هستند که به روش گرم تولید می‌شوند.

اکستروژن سرد (Cold Extrusion) فرایند شکل دهی به فلزات در دمای پایین و به دور از حرارت است. این روش اولین بار در اوایل دهه 1920 و در آلمان انجام شد و در طول جنگ جهانی دوم به طور گسترده برای تولید مهمات توسعه یافت. امروزه برای تولید مقاطع فلزی که باید تقارن محوری خوب و دقت ابعادی بالا داشته باشند و در عین حال به لحاظ ظاهری دارای سطحی صاف و پرداخت شده باشند، از Cold Extrusion استفاده می‌شود. این روش را نمی‌توان برای فرم‌دهی آلیاژهای فلزی سخت استفاده کرد و در این مورد محدودیت وجود دارد. برخی از کاربردهای Cold Extrusion عبارتست از:

• تجهیزات الکترونیکی
• تولید قطعات خودرو
• تجهیزات نظامی
• ماشین آلات صنعتی

اکستروژن مستقیم که گاه اکستروژن رو به جلو نیز نامیده می‌شود، رایج‌ترین روش اکستروژن است. این فرآیند همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، بیلت یا شمش گرم شده را در جایگاه یا محفظه مخصوص خود قرار می‌دهند. سپس سنبه مکانیکی یا هیدرولیکی بر روی مواد فشار می‌آورد تا آن را از داخل قالب خارج کند. بعد از آن، مواد در حالی که هنوز گرم است، قسمت کشیده می‌شود تا صاف شود. در اکستروژن مستقیم، اصطکاک زیادی بین مقطع در حال شکل گیری و دستگاه ایجاد می‌شود. این اصطکاک باید با استفاده از مواد روان کننده کاهش یابد. در مواردی که دما بالا باشد، از شیشه مذاب به عنوان روان کننده استفاده می‌شود. در دماهای پایین نیز از روغن‌های حاوی پودر گرافیک به عنوان روان کننده استفاده می‌شود.

مزایای روش مستقیم

1. نیازی به اصلاح یا تغییر در بیلت نیست.
2. در شرایط اکستروژن سرد و گرم قابل استفاده است.

معایب

1. به دلیل اصطکاک زیاد، به نیروهای زیادی در حین کار نیاز است.
2. نیروی مورد نیاز برای فشار دادن سنبه، با حرکت پانچ تغییر می‌کند.

در اکستروژن غیر مستقیم، قالب در انتهای سنبه هیدرولیک قرار گرفته است و به سمت داخل بیلت حرکت می‌کند تا مواد را از داخل قالب عبور دهد. این فرایند انرژی کمتری مصرف می‌کند؛ زیرا به دلیل ثابت بودن محفظه بیلت، اصطکاک کمتری روی بیلت ایجاد می‌شود. با این حال، زمانی که اکسترود از قالب خارج شود، پشتیبانی از قسمت اکسترود شده دشوار است.

مزایا

• اصطکاک کمتر و در نتیجه مصرف انرژی کمتر.
• در شرایط اکستروژن سرد و گرم قابل استفاده است.

معایب

• پشتیبانی از قسمت اکسترود مشکل است.
• سنبه توخالی بار اعمال شده را محدود می‌کند.

اکستروژن ضربه ای در گروه Cold extrusion قرار دارد و بسیار شبیه به اکستروژن مستقیم است. استفاده از این روش به فلزات نرم مانند سرب، مس و آلومینیوم محدود می‌شود. در روش ضربه ای، پانچ با سرعت زیاد، به سمت پایین هل داده می‌شود و نیروی زیادی را به اسلاگ وارد می‌آورد تا به سمت عقب اکسترود شود. ضخامت مقطع فلزی اکسترود شده، تابعی از فاصله بین پانچ و حفره قالب است. اکسترودها با استفاده از یک صفحه استریپر از پانچ خارج می شوند. در روش ضربه ای، اغلب از پرس مکانیکی استفاده می‌شود و قطعه با سرعت بالا و با یک ضربه نسبتا کوتاه شکل می‌گیرد.

از آنجا که نیروهای وارد بر پانچ و قالب بسیار زیاد است، ابزار باید مقاومت کافی در برابر ضربه، مقاومت در برابر خستگی و استحکام کافی برای اکسترود کردن فلز توسط ضربه داشته باشد. اکستروژن ضربه ای را می‌توان بر اساس حرکت مواد به سه نوع زیر تقسیم کرد:

1. رو به جلو (Forward)
2. معکوس (Reverse)
3. ترکیبی (Combination)

در اکستروژن ضربه ای رو به جلو، فلز در همان جهتی که نیرو وارد می‌شود جریان می‌یابد. در حالیکه در نوع معکوس، در جهت مخالف جریان می‌یابد. در نوع ترکیبی نیز مقطع فلزی در هر دو جهت حرکت داده می‌شود.

مزایای اکستروژن فلزات به روش ضربه ای

• صرفه جویی در مواد اولیه تا 90٪
• کاهش زمان ماشین کاری تا 75٪
• حذف عملیات ماشین کاری ثانویه
• بهبود خواص مکانیکی به لحاظ استحکام مواد
• بهبود قابلیت ماشین کاری به دلیل انجام عملیات در حالت سرد
• کاهش قابل توجه هزینه های کل قطعات تا 50٪

کاستی ها

بسیاری از قطعات صنعتی که به روش ضربه‌ای اکسترود می‌شوند، قبل از تکمیل نیاز به فرآیندهای جانبی بیشتری مانند فورج کاری یا ماشین‌کاری دارند.

در روش هیدرواستاتیک، محفظه یا حفره، کوچک‌تر از بیلت ساخته می‌شود و با یک سیال هیدرولیک پر می‌شود تا نیرو را از سنبه به بلیت انتقال دهد. نیروهای سه محوری توسط سیال منتقل می‌شود و فشار حاصل از آن به شکل پذیری بیلت کمک کرده و آن را بهبود می‌بخشد. وجود سیال بین دیوار و بیلت، مانع از ایجاد اصطکاک بین دیوار و بیلت می‌شود. در نتیجه، به مواد روان کننده نیاز نیست. اما به دلیل نیاز به تجهیزات تخصصی، زمان راه اندازی طولانی و سرعت تولید پایین است. مزیت ها و کاستی های این روش در ادامه بیان شده است.

مزایا

• اکستروژن هیدرواستاتیک در مورد بیلت های بزرگ و درنتیجه تولید مقاطع فلزی بزرگ قابل استفاده است.
• کاهش مصرف نیرو و انرژی به دلیل عدم ایجاد اصطکاک.
• جلوگیری از بالا رفتن دمای بیلت.
• عدم ایجاد پرتی.
• توزیع متعادل نیرو به دلیل جریان یکنواخت مواد.

معایب

• روش هیدرواستاتیک فلزات فقط در حالت اکستروژن سرد قابل انجام است.
• نگهداری مایع پرفشار دشوار است.
• لازم است تا یک انتهای بیلت باریک شود تا اندازه آن با زاویه ورودی قالب تطبیق پیدا کند.

در این روش، ظرف یا نگهدارنده (container) در حالت عمودی و قالب (die) در کناره قرار دارد. این فرآیند برای فلزاتی که نقطه ذوب‌شان پایین است مناسب است.

یکی از مهمترین زیر مجموعه‌های در فرآیند ساخت فولاد، اکستروژن فولاد است. فشار دادن جریان فلز مذاب از طریق یک قالب و به داخل یک مقطع از طریق یک شمش استوانه‌ای است. بعد از آنکه قطعات ریخته‌گری و اکسترود شدند، با استفاده از پرس هیدرولیک یا مکانیکی به بیرون رانده می‌شوند. Steel Extrusion به دو روش انجام می‌شود:

1. اکستروژن گرم: در این روش، فولاد در کوره یا یک محفظه گرمایشی گرم می‌شود.
2. اکستروژن سرد: در این روش، گرمایش از یک منبع خارجی تأمین می‌شود.

کنترل دما مهم است. در اکستروژنِ فولاد، باید از روان کننده استفاده شود. روان‌کننده کمک کند تا قطعات فولادی در حین کار خنک نگه داشته شوند.

مزایا

همانطور که در بالا دیدیم، اکستروژن به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که هر کدام مزیت های خاص خود را دارند. اما در یک نگاه کلی، برخی از مزیت‌های اکستروژن فلزات را می‌توان به صورت زیر برشمرد:

• توانایی تولید سریع و کارآمد طیف وسیعی از فلزات مختلف.
• کاهش میزان هدر رفت مواد اولیه.
• افزایش سرعت یا نرخ تولید.
• کاهش هزینه‌های تولید.
• استفاده از فشار زیاد درگیر در اکستروژن ها برای تولید مقاطعی با سطح صاف و عالی.
• توانایی ساخت سریع قطعات برای طیف وسیعی از صنایع مختلف.
• می‌توان طیف گسترده‌ای از اشکال مختلف را با سهولت نسبی تولید کرد.

علاوه بر موارد بالا، از دیگر مزیت های این روش، آن است که می‌تواند به تولید فلزات با مقاومت در برابر خوردگی کمک کند. همچنین، با استفاده از این روش، می‌توان بدون احتمال پارگی مواد شکننده را تغییر شکل داد؛ زیرا فقط نیروهای فشاری و برشی را در قسمت استوک اعمال می‌شود. قطعاتی که شکل می‌گیرند از نظر کیفیت ظاهری، سطح عالی دارند؛ همین امر، ماشین‌کاری پس از پردازش را به حدأقل می‌رساند و این خود یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود.

معایب

بسته به شرایط مواد و متغیرهای فرایند، ممکن است در حین کار، نقایصی در محصول ایجاد شود:

• ترک‌های سطحی
• ترک‌های داخلی

چند نکته وجود دارد که باید هنگام اکسترود کردن فلزات در نظر داشته باشید.

نوع فلز: نوع فلزی که استفاده می‌کنید بسیار مهم است. فلزاتی که بسیار ترد و شکننده هستند، معمولاً برای فرآیند اکستروژن مناسب نیستند.

توجه به ضخامت مقطع: اگر ضخامت ورق یا مقطعی که قرار است اکسترود شود، بیش از حد نازک باشد، تحت فشار زیادی که در حین کار به آن وارد می‌آید، می‌شکند. در حالت ایده‌آل، در مورد اکستروژن آلومینیوم، ضخامت مقطع می‌بایست حدأقل 1 میلی‌متر باشد. برای اکستروژن فولاد نیز حدأقل ضخامت مقطع باید 3 میلی‌متر باشد.