تولید پروفیل آلومینیومی به روش اکستروژن:
به طور کلی اکستروژن به فرآیندی گفته می شود که طی آن بیلت های آلومینیوم ، تحت فشار از داخل قالب با شکل خاص رد شده و سطح مقطعی را تولید می کند. اکستروژن روش های مختلفی دارد که عمومی و ساده ترین شکل آن به صورت اکسترود مستقیم است .کانتینر دستگاه از چند لایه فولادی (عموما دو لایه) ساخته شده است و معمولاً قادر به تحمل تنش های شعاعی بسیار بالا می باشد . برای تولید پروفیل آلومینیوم از بیلت آلومینیوم که قبلاً در کوره پیش گرم ، به دمای مناسب تولید رسیده داخل دستگاه قرار داده می شود .
سپس دامی پشت بیلت قرار گرفته و سنبه پرس (رام) به وسیله نیروی سیلندرهای قدرتمند هیدرولیکی بر روی بیلت فشار وارد می کند . در اثر فشار وارد شده دما بالا می رود و مواد نیمه مذاب و خمیری مانند از داخل قالب عبور کرده و شکل پروفیل را می سازند.وجود نیروهای اصطکاکی به میزان قابل توجهی باعث افزایش فشار دستگاه پرس می شود.
به صورت تجربی دیده شده که در فاز اول تولید هنگامی که بیلت پشت قالب قرار گرفته ، فشار دستگاه سریعاً به بالاترین مقدار خود افزایش پیدا می کند و وضعیت تولید پروفیل ناپایدار است . برای اصلاح و تعیین مشکلات قالب از سر شاخه ی بیرون آمده از قالب استفاده میکنند که بیان کننده مشکلات موجود در تولید است. پروفیل اکسترود شده که از قالب خارج می شود را باید به صورت دستی و یا اتوماتیک بیرون کشید . این کار فشار را بسیار کاهش می دهد و به تولید پروفیل مطلوب کمک می کند. دستگاه پولر ، پروفیل را به طور یک دست و با قدرت یکسان بیرون می کشد و بر روی ریل های مقابل دستگاه قرار می دهد . این عمل تا حد بسیاری به تابگیری و اصلاح پیچیدگی پروفیل کمک می کند. در فاز دوم تولید بیلت به حالت پایدار رسیده و فشار روی دستگاه کاهش پیدا می کند و پروفیل نیز کیفیت خوبی خواهد داشت. در فاز سوم بیلت کم کم به انتها رسیده ،فشار بر روی دستگاه به کمترین حد خود می رسد .
بعد از تمام شدن یک بیلت ، بیلت های بعدی به صورت متوالی در دستگاه قرار می گیرند . با این روش می توان به طول بی نهایت پروفیل ها را تولید کرد . بعد از تولید می توان پروفیل های اکسترود شده را به ابعاد دلخواه با اره برش زد . معمولا در فرایند تولید 6 تا 8 درصد طول بیلت منطقه ی انتهایی آن است که در فرایند استفاده نمی شود و به آن ته بیلت می گویند. دما عنصر بسیار مهمی در فرایند تولید پروفیل اکستروژن است . با بالا رفتن دما تنش مواد کاهش پیدا می کند و اکستروژن راحت تر صورت می گیرد اما ممکن است دما به نقطه ذوب آلیاژ نیز برسد که این اتفاق موجب از بین رفتن خواص مورد نظر برای آلیاژ های استفاده شده در تولید می شود. افزایش سرعت رام باعث افزایش فشار و در نتیجه بالاتر رفتن دمای آن می شود . در سرعت های کمتر رام ، گرمای تولید شده برای انتقال کمتر و همچنین سرعت تولید پروفیل کمتر می باشد . برای کاهش ضایعات تولید ، باید در تمامی مراحل تولید بر روی دما ، فشار و سرعت کنترل داشت . پیچیدگی روابط بین این سه متغیر باعث شده تا تلورانس میزان سختی پروفیل های تولید شده متفاوت باشد.
اکسترود فرآیند تغییر شکل آلومینیوم است که در آن بلوک فلزی (بیلت) آلومینیوم در اثر اعمال فشار از قالبی با سطح مقطع کوچکتر عبور می کند. در واقع اکستروژن فرایند متراکم سازی غیر مستقیم است. نیروهای لازم برای این متراکم سازی به وسیله تماس بیلت با محفظه قالب و قالب ایجاد می شوند که مقادیر آنها بسیار زیاد است. تماس بیلت با محفظه قالب و قالب منجر به ایجاد تنش های فشاری بالایی شده که این تنش ها باعث کاهش احتمال بروز ترک سطحی بیلت حین انجام فرایند می شوند.اکستروژن آلومینیوم بهترین روش برای شکستن ساختار ریختگی بیلت آلومینیوم است چرا که در این فرایند بیلت تنها تحت تاثیر نیروهای فشاری قرار می گیرد. بسته به نوع آلیاژ و روش مورد نظر اکستروژن می تواند به صورت سرد و گرم انجام شود.
در اکستروژن گرم بیلت برای تسهیل در انجام تغییر شکل پلاستیک پیش گرم می شود.
در اکستروژن مستقیم که مرسوم ترین روش مورد استفاده در اکستروژن آلومینیوم است، بیلت داخل محفظه قالب قرار گرفته و با فشار رام به درون قالب هل داده می شود. روش اکستروژن مستقیم، در تولید میلگرد آلومینیومی، مفتول آلومینیومی، لوله آلومینیومی و مقاطع آلومینیوم تو پر و تو خالی مورد استفاده قرار می گیرد.
در اکستروژن مستقیم، سیلان فلز هم جهت با حرکت رام است. در حین انجام فرایند بیلت بر روی دیواره محفظه قالب می لغزد. وجود نیروهای اصطکاکی به میزان قابل توجهی باعث افزایش فشار مورد نیاز رام می گردد. پس از آنکه اکستروژن تمام شد، معمولا به منظور بهبود مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون انجام عملیات سطحی ضروری است. فیلم انیمیشن نحوه انجام عملیات اکستروژن آلومینیوم و تولید پروفیل آلومینیوم در زیر قابل مشاهده است.
ساخت قالب اکستروژن آلومینیوم شامل مراحل و فرایندهای زیادی میباشد. ساخت قالب از تحویل گرفتن نقشه مقطع پروفیل مورد نظر آغاز شده و به تحویل قالب به مشتری ختم می گردد. دو موضوع مجزا در ساخت قالب باید لحاظ گردد. موضوع اول این است که ساخت قالب اکستروژن می بایست بر اساس مبانی اقتصادی و بهره وری اکستروژن انجام شود. موضوع دوم این است که طراحی قالب اکستروژن باید کیفیت بالایی را در محصول ایجاد نماید. تکنولوژی جدید به تولید کنندگان قالب این امکان را می دهد که تعداد مراحل ساخت را تا حدودی کاهش دهند و همواره قالب از کیفیت بالاتری برخوردار باشد.
خروجی اکستروژن تولیدی با توجه به مجهز بودن به میز خودکار بوده که از سائیدگی پروفیل آلومینیوم در هنگام عملیات اکستروژن توسط میز پرس جلوگیری می کند به نحوی که پس از انجام عملیات شاهد سطحی کاملا صاف و یکنواخت بر روی پروفیل تولید شده خواهیم بود.
مراحل ساخت ساخت قالب اکستروژن آلومینیوم پس از تایید نقشه مقطع پروفیل شامل مجموعه ای از که به ترتیب:
۱: طراحی به کمک نرم افزار
۲: برش فولاد
۳: تراشکاری
۴: ماشین کاری با استفاده از سی.ان.سی
۵: سخت کاری
۶: وایرکات
۷: اسپارک
۸: تنش گیری
۹: سنگ کاری
۱۰: فیلرکاری و در نهایت آماده سازی نهایی و پرداخت روی قالب برای تولید می باشد.
گروه تولیدی آکپا ایران برای عملیات اکستروژن پروفیل آلومینیوم در جهت هر نوع کاربرد با سطوح مقاطع مختلف آمادگی مشاوره و ارایه خدمات تا تولید نهایی را دارد.
اکسترود مستقیم و غیر مستقیم
دو نوع فرآیند اکسترود .وجود دارد، مستقیم و غیرمستقیم
اکسترود مستقیم فرآیندی است که در آن قالب در نوک دستگاه به صورت ساکن نگه داشته شده و رام متحرک می باشد و به شمش نیرو وارد می کند.
اکسترودغیر مستقیم فرآیندی است که بیلت ساکن بوده در حالی که مجموعه قالب در رام قراردارد و با حرکت رام در برابر بیلت فلز در قالب جاری می شود
سخت کاری : عملیات ترکیبی پیچیده حرارتی و مکانیکی است.
عوامل موثر در عملیات اکستروژن: اندازه و شکل قالب یکی ازعوامل تعیین کننده است، فشار، سرعت، درجه حرارت بیلت در هنگام عملیات، کیفت آلیاژ،تلرانس مورد نیاز و دیگر عوامل.
در کل سرعت اکستروژن رابطه مستقیم دارد با درجه حرارت شمش و میزان فشار موجود در داخل کانتینر، درجه حرارت و فشار به نوبه خود به جنس آلیاژ و شکل قالب وابسته است.
برای مثال : اکستروژن با دمای پایین معمولا برای تولید پروفیلهایی با کیفیت سطحی بالا و اندازه های فوق العاده دقیق (معمولا این نوع محصولات در صنایع هوا فضااستفاده می شوند) مورد استفاده قرار می گیرد.این نوع اکستروژن نیازمند فشار بسیار زیاد می باشد. گاهی به خاطر محدودیت فشار امکان اکسترود پروفیلهای خاص ناممکن است.
دمای مرجع شمش : دمایی است که فراهم کننده سطح و تلرانس قابل قبولی باشد.
بهتر است که شمش در دماهای پایین اکسترود شود و البته برای بعضی شمشهای آلومینیوم استثنایی وجود دارد که به صورت پیش گرم تا دمای 498 -526 درجه سانتی گراد حرارت می دهند.
در دماهای فوق العاده بالا سرعت اکسترود بالا خواهد بود و در نتیجه جریان خواهد فلز شبیه جریان سیال خواهد بود که این باعث می شود فلز از مجاریی که کمترین مقاومت را دارا می باشند عبور کرده و به این ترتیب مجاری بزرگ درون قالب پر شده و مجاری کوچک و تنگ می مانند. تحت این شرایط اندازه و تلرانس پروفیلهای تولیدی پایین تر از حد قابل قبول(استاندارد) بوده واین نقص بخصوص در قسمتهای نازک و انحناهای پروفیلهای تولیدی بیشتر قابل مشاهده است .
از دیگر نتایج اکستروژن در دماهای بالا و سرعت بالا ایجاد پارگی در لبه های نازک و گوشه های تیز فلز می باشد. همچنین باعث کاهش مقاومت کشسانی فلز می شود. سرعت ودمای بالا باعث ایجاد نقصان و ناهمواری درهنگام تولید در سطح فلز با غلطکهای پیش برنده شده و باعث ایجاد تمایل شدید در پروفیلهای تولیدی برای تغییر شکل به صورت موجی(تاب برداشتن) می شود.
یکی از قواعد مهم در کیفیت بالای مکانیکی یک آلیاژپایین بودن ضریب اکستروژن می باشد، اصطکاک زیاد مابین بیلت و کانتینر باعث طولانی شدن زمان اکسترود می شود.
ضریب اکستروژن : یک قالب نشان دهنده میزان کار مکانیکی است که در هنگام اکسترود پروفیل رخ می دهد.
وقتی ضریب اکستروژن یک قسمتی کمتر می باشد، آن قسمت از پروفیل با افزایش جرم فلز مواجه شده و کیفیت کار مکانیکی که انجام خواهد داد کاهش می یابد.
توانایی محصولات با ضریب اکستروژن بالا زمانی مشاهده می شود که فشار زیاد در قالبهای کوچک و ظریف نیاز بوده و نیز در هنگامی که کارهای سخت مکانیکی رخ خواهد داد.
از دیگر عوامل مهم که در اکسترود قطعه یا پروفیل نقش مهمی بازی می کند فاکتور اکستروژن است.
اولین فرآیند مربوط به اکستروژن مربوط به لوله های سربی در اوایل قرن نوزدهم است. اکستروژن فرآیندی است که در آن سطح مقطع بیلت با عبور‌دادن آن از قالبی با شکل خاص کاهش می‌یابد، هدف اصلی این فرآیند بدست آوردن محصول دلخواه با خواص مکانیکی و متالورژیکی مطلوب و بدون عیب میباشد. به طور کلی اکستروژن برای تولید اشکال باسطح مقطع نامنظم به کار گرفته می شود. اگرچه میله های استوانه ای و یا لوله های توخالی از جنس فلزات نرم می توانند با استفاده از این فرآیند تغییر شکل یابند. امروز اکستروژن فلزات و آلیاژهایی مانند آلومینیوم، روی، فولاد و آلیاژهای پایه نیکل میسر می باشد.در شکل زیر فرایند اکستروژن فلزات به صورت شماتیک نشان داده شده است.
همچنین این فرآیند را می توان بر حسب دما به اکستروژن سرد و اکستروژن گرم تقسیم بندی کرد.
اکستروژن سرد در مقایسه با دیگر روش‌های ساخت استفاده شده در کاربردهای صنعتی، امتیازات زیادی دارد. ازجمله:
• کمترین میزان دور‌ریز مواد
• دقت ابعادی بالا
• کاهش یا حذف کامل نیاز به ماشین‌کاری
• سطح پرداخت خوب و خواص مکانیکی بهتر محصول نسبت به ماده اولیه.
اکستروژن سرد
اکستروژن سرد به نوعی از فرآیند های شکل دهی سرد اطلاق می شود که ماده ای اولیه به شکل میله، مفتول برای تولید قطعات کوچکی مانند بدنه های شمع اتومبیل، محورها،قوطی کنسرو واستوانه های توخالی و….به کار گرفته شود. در حقیقت قطعاتی که دارای تقارن محوری، دقت ابعادی و پرداخت سطحی خوب هستند، مناسب ترین وارزانترین روش برای تولید آنها،اکستروژن می باشد.
در اکستروژن سرد به دلیل وجود مقاومت تغییر شکل بالا محدودیت استفاده از آلیاژهای سخت وجود دارد. گاهی اوقات جهت افزایش بازده فرآیند اکستروژن سرد، عملیات پیش پرس در دمای زیر ۴۰۰ درجه سانتیگراد و استفاده از روان سازهای پیشنهاد گردیده است. امروز استفاده از این فرآیند در تولید قطعات خودرو، تجهیزات نظامی، ماشین آلات صنعتی وتجهیزات الکترونیکی مرسوم می باشد(شماتیک قالب در شکل ۳ برای اکستروژن سرد نشان داده شده است).
اکستروژن گرم
این فرآیند جهت تولید محصولات فلزی نیمه تمام با طول تقریبا زیاد و مقطع ثابت مانند انواع پروفیل های توپر وتوخالی، متقارن و غیرمتقارن آلومینیومی، مسی، فولادی و آلیاژهای آنها به کار گرفته می شود. از دلایل عمده بکارگیری فرآیند اکستروژن گرم، کاهش تنش سیلان ماده ناشی از کرنش سختی می باشد. در حقیقت از طریق گرم کردن شمش اولیه، مشکل دست یابی به فشارهای بسیار بالا رفع می گردد.
نکته قابل توجه در اکستروژن گرم مشکلات ایجاد شده ناشی از گرم کردن فلز می باشد. از جمله این مسایل می توان به:
• اکسید شدن شمش و ابزار کار
• نرم شدن ابزار کار وقالب
• مشکل روغن کاری
اشاره نمود. بدین منظور همواره سعی میگردد که فلز تا حداقل دمایی که تغییر شکل پلاستیک مناسبی داشته باشد؛ حرارت داده شود. به علت تغییر شکل زیاد ناشی از آن قطعه ایجاد می شود. بنابراین دمای کاری در اکستروژن گرم باید به گونه ای انتخاب شود که قطعه در حین تغییر شکل به دامنه سرخ شدگی ویا حتی نقطه ذوب نرسد.
در اکستروژن فولادها که به صورت گرم صورت می گیرد، شمش ها در محدوده حرارتی ۱۱۰۰تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می شوند و جهت جلوگیری از شوک های حرارتی ابزار کار در محدوده ی حرارتی ۳۵۰ درجه سانتیگراد نگه داشته می شود. محدوده فشار اکستروژن برای فولادها ۸۷۰ تا ۱۲۶۰ مگاپاسکال قرار دارد. (شماتیک قالب در شکل ۴ برای اکستروژن گرم نشان داده شده است).
صنعت اکستروژن دارای تاریخی بالغ بر 150 سال است. اولین بار این فرآیند گزارشی از جوزف براماه و مربوط به سال 1870 میلادی است. این گزارش پرسی را شرح می داد که سرب ذوب شده را به داخل یک غالب استوانه ای پمپ می کرد. در سال 1820 توماس بور برای تولید لوله به وسیله اکستروژن پرسی هیدرولیکی ساخت و به وسیله آن سیلندرهای سربی ساخت. اکستروژن سرد فولاد برای اولین بار در اروپا در اواسط دهه 1930 شروع و بعضی از ساز برگهای نظامی مثل پوکه گلوله و غیره از فولاد تولید شد.
در همین زمان توسط آلمانی ها نیز تحقیقاتی در زمینه اکستروژن سرد فولاد انجام شده بود که به دلیل حفظ اسرار نظامی تا سال 1924 آنها را به چاپ نرساندند. بعد از جنگ جهانی دوم ارتش امریکا توانست با اکستروژن سرد پوسته های فولادی و گلوله 75 میلیمتری درست کند.
در اکستروژن سرد (Cold Extrusion) نیاز به گرم کردن مواد اولیه قبل از شروع کار وجود ندارد و این عمل در دمای اتاق یا نزدیک به آن صورت می پذیرد. از جمله مزایای اکستروژن سرد نسبت به اکستروژن گرم، کاهش اکسیداسیون سطح، حصول استحکام بالا به واسطه انجام کار سرد، سطح تمام شده با کیفیت و غیره می باشد. روانکاری در اکستروژن و آهنگری سرد شبیه روانکاری در هنگام کشش سرد لوله است، ولی به علت افزایش سطح زیاد در خلال عمل اکستروژن، در این حالت روانکاری باید خیلی شدیدتر باشد. برای این عملیات پوشش‌های تبدیلی لازم است، مگر آن که از روانکاری هیدروستاتیکی کمک گرفته شود. تنها راه دیگر پوشش دادن قلع یا نقره بر روی سطح فلز است. چسبیدن و پوسته شدن بزرگ‌ترین محدودیت اکستروژن سرد محسوب می‌شود، اما مسئله مهم کاهش دادن نیروها تا حد ممکن است. زیرا در اکستروژن سرد تنش‌های بسیار بالایی پدید می‌آیند. اما، در این مورد نیز همانند عمیق‌کشی، سیلان و گسیختگی را می‌توان از طریق روانکاری در سطوح معین کنترل کرد. این مطلب به ویژه برای پر کردن صحیح قالب اهمیت دارد.
در اکستروژن گرم (Hot Extrusion) مواد قبل از اکسترود شدن، گرم می شوند. میزان گرم کردن در مواد مختلف متفاوت می باشد. اکستروژن گرم نیاز مبرمی به روانکاری دارد. از جمله مواد مورد استفاده برای روانکاری در اکستروژن گرم عبارتند از:
• گرافیت
• شیشه
• نمک های غیر آلی
در این مورد گرافیت، حتی در دماهای بالا بسیار مؤثر است، زیرا تماس با هوا در عمل کم بوده و لذا اکسایش گرافیت قابل ملاحظه نیست. اگر مواد روانکار به‌صورت صفحه‌ای درآورده شود که در خلال کار به آرامی نرم یا ذوب شده و هنگام عبور فلز از داخل قالب پوشش نازک یکنواختی (50μm) بر سطح قطعه تشکیل دهد، امکان اکستروژن قطعات طویل وجود دارد. شیشه به‌عنوان ماده‌ای که صفحه یاد شده از آن ساخته می‌شود بیشترین مصرف را دارد. اگرچه از نمک‌های غیرآلی گوناگونی که نقطه ذوب مناسبی داشته باشند نیز می‌توان در این مورد استفاده کرد.
اکثر اکستروژن‌های روانکاری شونده با شیشه، با استفاده از قالبهای تخت (180 درجه) انجام می‌گیرد، اما چنانچه از قالبهای مخروطی (150-120 درجه) استفاده شود، نیروی کمتری لازم است و فلز و شیشه بهتر سیلان می‌یابند. قالبهای مخروطی امکان به‌وجود آمدن عیوب زیرسطحی را نیز کاهش می‌دهند اما از لحاظ صنعتی این قالب‌ها مطلوب نیستند، زیرا مقدار فلز پس مانده یا زائد در آنها زیاد است، مگر آن که قطعه فلزی یک بار مصرف، به‌عنوان پشت بند، در پشت شمشال قرار داده شود.
یکی از مسائل فرعی مهم در اکستروژن اجتناب از اکسایش در خلال گرمایش در کوره یا در حین انتقال شمشال به پرس اکستروژن است. در این مورد از پوشش‌های شیشه ای یا سایر پوشش‌های محافظ می‌توان استفاده کرد. اما معمولاً شمشال‌ها را در کوره‌ای با محیط کنترل شده گرم میکنند.
آلومینیوم اغلب در 550-500 درجه سانتیگراد و بدون روانکاری ، در قالبهای تخت اکستروژن گرم می‌شود. علت عدم روانکاری اجتناب از فعل و انفعالات اکسید و مواد روانکار است که عیوب سطحی و زیرسطحی را به وجود می‌آورند. چنانچه از قالب های مخروطی شکل استفاده شود ، از روغن یا گرافیت می‌توان برای روانکاری استفاده کرد. در صورت استفاده از این مواد نیروهای تغییر شکل کاهش می‌یابند ، اما ممکن است لکه روی قطعات ایجاد شود. گرافیت روی یک قطعه براق آلومینیومی به آسانی دیده می‌شود. قالب های مخروطی قطعه‌های زائد بزرگ تری نیز تولید میکنند. چسبندگی و پوسته شدن می‌تواند مشکل مهمی را به وجود آورد و این مسئله به ویژه برای قطعات اکستروژن شده پیچیده از قبیل میله های لعاب داده شده که بعداً آبکاری می‌شوند مهم است. پس از این عملیات کلیه پوسته ها و کندگی ها مشخص می‌شوند.
