اکستروژن آلومینیوم
اکستروژن فرایند تغییر شکل پلاستیک است که در آن بیلت آلومینیوم در اثر اعمال نیرو از قالبی با سطح مقطع کوچکتر عبور داده می شود. در حقیقت اکستروژن فرآیند متراکم سازی غیر مستقیم است. نیروی لازم برای این متراکم سازی بواسطه تماس بیلت با محفظه کنتینر و قالب ایجاد می شوند که میزان آن بسیار زیاد است.
اکستروژن بهترین روش برای شکستن ساختار ریختگی بیلت است چرا که در این فرآیند بیلت تنها تحت تاثیر نیروهای فشاری قرار می گیرد.
دسته بندی فرآیند های اکستروژن:
دو نوع اصلی اکستروژن عبارتند از اکستروژن مستقیم و غیر مستقیم
اکستروژن مستقیم معمول
مهم ترین و معمول ترین روش مورد استفاده در اکستروژن آلومینیوم ، روش مستقیم آن است. بیلت داخل محفظه کنتینر قرار گرفته و با فشار رام به درون قالب هل داده می شود. این روش در تولید انواع مقاطع تو پر و تو خالی با اشکال مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. در این نوع اکستروژن سیلان فلز هم جهت با حرکت رام است. در حین فرآیند، بیلت بر روی دیواره محفظه قالب می لغزد. وجود نیروهای اصطکاکی به میزان قابل توجهی باعث افزایش فشار مورد نیاز رام می گردد. بطور تجربی این فرآیند در سه منطقه قابل مشاهده است :
- فشار اولیه در آغاز فرآیند تزریق که حداکثری هست.
- فشار ثانویه که تا میزان قابل توجهی کاهش یافته و پایدار می گردد.
- فشار به کمترین مقدار رسیده و زمانی که مواد به dead zone می رسد بطور ناگهانی افزایش می یابد.
اکستروژن غیر مستقیم
در اکستروژن غیر مستقیم، قالبی که در جلوی سنبه تو خالی قرار دارد نسبت به محفظه کنتینر حرکت می کند اما حرکت نسبی بین بیلت و محفظه کنتینر وجود ندارد. بنابراین این فرآیند با حذف اصطکاک بین سطح بیلت – محفظه کنتینر و عدم جابجایی نسبی بین مرکز بیلت و محیط آن در نظر گرفته می شود.
تفاوت بین دو روش اکستروژن این است که در اکستروژن مستقیم، حرکت نسبی بین قالب و محفظه کنتینر در حین اکستروژن وجود ندارد اما در مورد اکستروژن غیر مستقیم، قالب در جلوی سنبه تو خالی ثابت شده و در داخل محفظه کنتینر حرکت می کند.بنابراین در مقایسه با اکستروژن مستقیم، اکستروژن غیر مستقیم دارای مزیت هایی مانند فشار اکستروژن کمتر، قطر بیلت بیشتر و اکسترود مقاطع پیچیده در دمای پایین ترین بیلت می باشد. در اکستروژن غیر مستقیم، دایره محاطی مقطع کوچکتر از اکستروژن مستقیم و تنش اعمال شده بر سنبه بیشتر است.
اکستروژن بیلت به بیلت
اکستروژن بیلت به بیلت روش بخصوصی است برای آن دسته از آلیاژهای آلومینیوم که در دما و فشار اکستروژن به راحتی به یکدیگر جوش می خورند. با استفاده از این روش می توان هندسه مورد نیاز مقطع را به صورت پیوسته با استفاده از روش های مختلف اکستروژن تولید نمود. همچنین از این روش برای تولید کلافی از محصولات نیمه نهایی مثل میلگرد و لوله که فرآیند شکل دهی بعدی بر روی آنها انجام می شود، استفاده کرد. اتصال کامل بین بیلت درون محفظه قالب با بیلت بعدی می بایست در منطقه تغییر شکل انجام شود.
ضخامت ته بیلت
مطابق تجربیات صنعتی بدست آمده ضخامت استاندارد ته بیلت برای اکستروژن مستقیم بایستی بین 10 تا 15 درصد طول بیلت باشد. این ضخامت تابعی از منطقه فلز مرده است که این منطقه خود نیز تابعی از نسبت اکستروژن، نوع قالب، دمای بیلت، شرایط اصطکاکی در فصل مشترک بیلت، محفظه قالب و تنش لازم برای سیلان مواد بیلت می باشد.
فشار اکستروژن
ماکزیمم فشاری که در محدوده ظرفیت پرس اکستروژن باشد، عاملی است که انجام و یا عدم انجام فرآیند را تعیین می کند. بطورکلی عواملی که بر انجام موفقیت آمیز اکستروژن اثر می گذارند شامل موارد زیر می باشند:
- دمای اکستروژن
- دمای محفظه کنتینر، دمای قالب
- فشار اکستروژن
- نسبت اکستروژن
- سرعت اکستروژن
- طول بیلت
- ترکیب شیمیایی آلیاژ
دمای اکستروژن
معمولاً اکستروژن را در زمره فرآیند های کارگرم دسته بندی می کنند. کارگرم عبارتست از تغییر شکل دردما و نرخ کرنشی که تحت این شرایط فرآیند های بازیابی همراه با تغییر شکل ماده اتفاق می افتد.
دما یکی از مهمترین پارامترها در فرآیند اکستروژن است. تنش سیلان ماده با افزایش دما کاهش یافته، بنابراین اکستروژن راحت تر انجام می شود اما تحت همین شرایط ماکزیمم سرعت اکستروژن کاهش می یابد چرا که دمای موضعی می تواند به دمای ذوب آلیاژ برسد.
تغییرات دمایی حین انجام اکستروزن، به دمای بیلت، انتقال حرارت از بیلت به محفظه کنتینر و قالب و افزایش گرما بر اثر تغییر شکل و اصطکاک بستگی دارد. در عمل به محض اینکه بیلت گرم به درون محفظه قالب پیش گرم شده جایگذاری و اکستروژن آغاز شود، تغییرات دمایی پیچیده ای رخ می دهد.
دمای محصول آلومینیومی در لحظه خروج از قالب بسیار مهم است. دمای اکستروزن بر کیفیت محصول و عمر قالب اثر قابل توجهی دارد. دمای خروج بر فرآیند عملیات حرارتی بعدی، پایداری ابعادی و ایجاد عیوب در محصول اکستروژن اثر می گذارد. دمای خروج یکی از عوامل تعیین کننده عمر قالب می باشد. سایش قالب و عملکرد آن به دمای خروج محصول بستگی دارد.
توزیع دما در بیلت در حین اکستروژن به عوامل متعددی مانند خواص آلیاژ بیلت، شرایط اصطکاکی در فصل مشترک بیلت و محفظه کنتینر، سرعت رام ، نسبت اکستروژن، محیط خارجی و پارامترهای طراحی قالب ( نوع قالب ) بستگی دارد. اثر این عوامل بشرح ذیل خلاصه شده است :
- خواص ماده : خواص مکانیکی آلیاژ بیلت به شدت بر مقدار گرمای تولید شده به دلیل تغییر شکل و اصطکاک مرزی، تأثیر دارد. در حین تغییر شکل، گرمای ساطع شده، متناسب با تنش سیلان ماده در دمای کاری، نرخ کرنش و مقدار کرنش است.
- اصطکاک : توزیع دمایی در صورتی که سایر متغیر ها ثابت نگه داشته شوند به شدت به اصطکاک موجود در فصل مشترک های بیلت – محفظه کنتینر و آلیاژ – قالب بستگی دارد. افزایش دما همچنین می تواند به دلیل تنش برشی بالا در فصل مشترک منطقه فلز مرده باشد.
- سرعت رام : با افزایش سرعت رام دما افزایش پیدا می کند. این افزایش به این دلیل است که نرخ کرنش نسبتی از سرعت رام است و مقدار گرمای تولید شده نستی از نرخ کرنش است. هرچه سرعت رام کمتر باشد، زمان بیشتری برای سیلان گرمای تولید شده وجود داشته، همچنان انتقال حرارت نیز سریع تر خواهد بود زیرا در آلومینیوم هدایت حرارتی بالاست
- نسبت اکستروژن : در نسبت های بالای اکستروژن، بدلیل تغییر شکل پلاستیکی شدید در کرنش های بالا، دمای خروج از قالب افزایش می یابد.
- محیط خارجی : دمای خروجی با افزایش محیط خارجی قالب افزایش می یابد. این افزایش به این دلیل است که با افزایش محیط خارجی، مساحت اصطکاکی بیرینگ قالب برای طول ثابتی از آن زیاد می شود.
سرعت اکستروژن
سرعت تغییر شکل یک فلز بر عکس العمل آن در فرآیند های اکستروژن تأثیر دارد. افزایش سرعت رام باعث افزایش فشار اکستروژن می شود. دمای فرآیند اکستروژن با افزایش سرعت رام زیاد می شود. دلیل این افزایش رابطه مستقیم نرخ کرنش با سرعت رام و مقدار گرمای تولید شده با نرخ کرنش است. در سرعت های کمتر رام، گرمای تولید شده برای انتقال، زمان بیشتری در اختیار دارد و چون آلومینیوم هدایت حرارتی بالایی دارد گرمای تولید شده بیشتر منتقیل می شود.
مفهوم ترمودینامیک به مطلعه ارتباط گرما و ماده در حال حرکت اطلاق می شود. تمام سیستم های ترمودینامیکی نیازمند منبع انرژی و محیط انتقال گرما ( انرژی ) هستند تا با انتقال آن دمای سیستم را افزایش دهند. در اکستروژن گرما از طریق کار اصطکاکی و کار لازم برای تغییر شکل تولید می شود. تولید گرما و انتقال آن همزمان با آغاز اکستروژن، شروع می شود.
بخشی از گرمای تولید شده در فلز اکسترود شده باقی مانده، بخشی از آن به قالب و محفظه قالب انتقال یافته و بخشی دیگر دمای مناطقی از بیلت را که هنوز اکسترود نشده افزایش می دهد.
اکستروژن هم دما
همانطور که در بخش های گذشته گفته شد، دمای محصول خروجی در حین اکستروژن و با سرعت ثابت رام تغییر می کند که علت آن مکانیک و ترمودینامیک فرآیند های تغییر شکل است. در ابتدا و انتهای فرآیند اکستروژن افزایش دمایی مشاهده می شود. این تغییر دما در حین اکستروژن با محاسبات تئوری تطابق کامل دارد. اکستروژن با دمای خروجی ثابت، اکستروژن هم دما نامیده می شود و منجر به تولید محصولی با کیفیت یکنواخت و افزایش بهره وری می گردد. سرعت خروج به وسیله سیستم کنترل پرس تغییر می کند و باعث ایجاد دمای خروجی ثابت می شود.
رایج ترین روش های صنعتی برای اکستروژن هم دمای آلیاژ های آلومینیوم عبارتند از :
- گرم کردن و سرد کردن شیب دار بیلت قبل از اینکه بیلت وارد محفظه کنتینر شود.
- با استفاده از سیستم غیر تماسی دمای محصول اکستروژن به صورت مستقیم اندازه گیری شود و سپس سرعت رام را با استفاده از دمای خوانده شده تنظیم نمود.
در این نوع اکستروژن هدف رسیدن به دمای اکستروژن ثابت با تنظیم متغیر های ورودی شامل طول بیلت، دمای اولیه بیلت، نسبت اکستروژن و سرعت رام است. مزایا فرایند هم دما در اکستروژن مستقیم عبارتند از :
- بهبود پایداری ابعادی
- کیفیت سطحی یکنواخت
- خواص مکانیکی ثابت یا بهبود یافته با ریز ساختار یکنواخت
- سرعت اکستروژن بالاتر و افزایش بهره وری
- مکش بهتر هوای محفظه قالب و کاهش احتمال افت فشار ناگهانی و سایر موارد