انواع روشهای اکستروژن در صنعت

اکستروژن (Extrusion) روش نسبتا جدیدی در فلزکاری ست که در آن با فشردن مواد درون یک محفظه بسته، به فلزات فرم داده می شود. امروزه انواع مختلفی از روش های اکستروژن مانند اکستروژن مستقیم و غیر مستقیم به کار برده می شود. در سال های اخیر اکستروژن سرد به روش ضربه ای حتی برای فولاد نیز استفاده می شود. در این مقاله در زمینه اکستروژن و انواع روش های آن صحبت خواهیم کرد و مزایا و معایب هر روش را نیز ذکر می کنیم. 

فرایند اکستروژن و استفاده از دستگاه اکسترودر یکی از روش های کارآمد و راحت است که برای تولید طیف وسیعی از محصولات کاربرد دارد. از فرایند اکستروژن در صنعت پلاستیک و فولاد بسیار استفاده می شود.

کیفیت بالای ساخت، قیمت مناسب و کاربرد وسیع از دلایل محبوبیت روش اکستروژن است.

اکستروژن یکی از فرایندهای شکل دهی ست که صنعت فولاد هم مورد استفاده قرار می گیرد. این فرایند در مقایسه با برخی فرایندهای شکل دهی دیگر مانند فورجینگ از عمر کمتری برخودار است.

تاریخچه اکستروژن

اکستروژن مدرن توسط الکساندر دیک به کمک فولادهای ابزار که در دمای بالا مقاومت بالایی دارند ابداع شد و از آن پس به وسیله ی سایر دانشمندان و مهندسان توسعه یافت.

نخستین کارهایی که به وسیله ی اکستروژن انجام گرفت مربوط به سال ۱۹۵۰ است. در آن دوره به وسیله اکستروژن قطعات بریلیمی که در نیروگاه ها استفاده می شود تولید شدند.

در سوئد نیز به وسیله اکستروژن گرم پودر فولاد ضد زنگ، لوله هایی بدون درز تولید شد.

اکستروژن چیست؟

اکستروژن در لغت به معنای با فشار بیرون دادن است. در این فرایند مواد پلیمری یا هر ماده ی دیگری با فشار از داخل قالبی با شکل مشخص عبور می کند و سطح مقطع آن کاهش می یابد. این روش در مقایسه با برخی روش های دیگر، روشی نسبتا جدید و کاربردی به شمار می آید.

اگر بخواهیم فرایند اکستروژن را به زبان ساده توصیف کنیم می توان را به خارج شدن خمیر دندان از تیوب و یا خروج خامه از قیف تشبیه کرد. با فشاری که به خمیر دندان وارد می شود از دهانه لوله به شکل لوله ای خارج می شود. این همان اتفاقی ست که در فرایند اکستروژن می افتد.

کاربردهای اکستروژن

برخی از کاربردهای اکستروژن عبارتند از:

• تولید لوله و پروفیل
• تولید گرانول
• تولید ورقه های بسیار نازک
• تولید انواع محصولات پلاستیکی

اکستروژن فلزات

فلزاتی مانند آلومینیوم، مس، منیزیم و همچنین فولادهای کربنی و فولاد های زد زنگ به دلیل قابلیت انعطاف و شکل پذیری بالایی که دارند به راحتی می توانند از اشکال متنوع اکسترود شوند. اما برخی فلزات دیگر مانند تیتانیوم را به دلیل ساییدگی قابل توجه به سختی می توان اکسترود مستقیم نمود.

 مزایای روش اکستروژن

به نسبت دیگر روش‌های شکل‌دهی حجمی ماده، در روش اکستروژن میتوان موادی ساخت که سطح مقطع و شکل خاص و پیچیده‌ای دارند. به عنوان مثال برای تولید پروفیل‌های آلومینیومی که دارای شیارهای خاصی برای اتصال هستند (مورد استفاده در پارتیشن‌بندی و دکور)، اکستروژن بهترین روش محسوب می‌شود.

از دیگر مزیت‌های این روش این است که میتوان مواد ترد و شکننده را به راحتی تغییر حالت داد. به عنوان مثال آلومینیوم در مراحل خم‌کاری یا ضربه ممکن است آسیب دیده یا از هم جدا شود؛ اما در این روش یک پروفیل عمودی صاف و یکدست به ما می‌دهد که عملیات بعدی برش‌های مقطعی خواهد بود. دیگر مزیت این روش این است که با تولید قطعات صاف و یکدست باعث می‌شود که استحکام ماده تولید شده بسیار بالا باشد.

معایب تولید در روش اکستروژن

از معایب این روش اختلال‌هایی در تولید مانند احتمال ایجاد ترک در ماده تولید شده است. در شرایطی ممکن است که ترک‌هایی در خروجی ایجاد شود. دلیل ایجاد این ترک ها میتواند اختلاف در دما، سرعت زیاد‌تر از حد در پیستون یا اصطکاک باشد. گاهی هم ممکن است به دلیل پایین بودن دما، ماده به سطح پیستون بچسبد و ایجاد ترک کند.

عیب دیگر این است که گاهی ممکن است آلودگی‌های سطحی یا اکسیدها جذب سطح ماده تولید شده شود. این مورد در مرحله خنک‌کاری سطحی خودش را نشان داده و محصول خروجی با سطح صاف ایجاد نخواهد شد. عیب دیگر احتمال وجود ترک‌های داخلی است که در اثر اختلاف فشار در پیستون ممکن است پیش بیاید. این مورد در ظاهر محصول پنهان است، اما میتواند استحکام محصول را پایین بیاورد. و از دیگر معایب اکستروژن میتوان به وجود خطوط در سطح خارجی اشاره کرد که عمدتا به دلیل ایراد در قالب است.

اکستروژن مستقیم و غیر مستقیم

با توجه به جهت اعمال فشار در اکستروژن، این روش به دو نوع مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می‌شود. در روش مستقیم جهت حرکت پیستون و محصول خروجی به یک سمت است. یعنی فشار پیستون از یک سمت و خروج محصول از سمت دیگر انجام می‌شود. در روش غیرمستقیم جهت حرکت پیستون و محصول خروجی در خلاف یکدیگر است. به این صورت که اعمال فشار و خروج محصول هر دو از یک سمت است. در روش غیرمستقیم اصطکاک حاصل از حرکت بیلت (ماده اولیه) ۳۰% کمتر از مستقیم است که در نتیجه حرارت کمتری نیز تولید می‌شود. این ویژگی برای کار روی بعضی از فلزات کاربرد بهتری دارد.

خصوصیات اکستروژن مستقیم

در اکستروژن مستقیم، شمش به طور مستقیم با کمک سنبه تزریق شده و نیرو به آن وارد می‌شود. با این حال بخش بسیار کوچکی از شمش از دهانه خروجی قالب خارج نشده و باقی می‌ماند که این یکی از مشکلات این روش است. روش مستقیم، رایج‌ترین و ساده‌ترین روش شکل دهی اکستروژن است. در این روش ماده از پشت به داخل قالب توسط سنبه یا رام فشرده می‌شود. در اینجا قالب اکستروژن ثابت بوده و سنبه تنها در جهت موافق با محصول تولیدی حرکت می‌کند. در روش اکستروژن مستقیم، محصول خروجی از قالب را میتوان به راحتی سرد کرد و کنترل‌های مورد نظر را بر روی آن انجام داد. حال باید توجه کرد که استهلاک و اصطکاک بالاتری در طی تماس ماده با دیواره قالب و محفظه ایجاد می‌شود. این اصطکاک سبب تولید حرارت زیاد شده و حتی ممکن است باعث بروز یک سری ایرادات بر داخل قطعه نهایی شود. به علاوه اینکه اکستروژن مستقیم به نیرو و انرژی بیشتری نسبت به اکستروژن معکوس نیاز دارد.

خصوصیات اکستروژن غیر مستقیم

در روش اکستروژن غیر مستقیم یا معکوس، قالب متحرک است و به سمت اهرم حرکت می‌کند. در واقع جهت حرکت سنبه و محصول خلاف یکدیگر است. در این شرایط فلز با نیرو در جهت مخالف حرکت سنبه، از طریق خلا جریان پیدا می‌کند. حال از آنجایی که شمش به درون محفظه قالب حرکت نمی‌کند، اصطکاکی بین شمش و قالب وجود ندارد. برای همین حرارت زیادی در روش اکستروژن معکوس تولید نشده و ایراداتی در داخل قطعه به وجود نمی‌آید. همچنین به دلیل کاهش چشمگیر اصطکاک، نیروی لازم برای انجام فرآیند در حدود ۲۰ الی ۳۰ درصد کمتر از روش اکستروژن مستقیم می‌شود. با این حال محدودیت روش اکستروژن معکوس، در استحکام کم سنبه و تحمل پایین آن است. از روش اکستروژن غیر مستقیم برای تولید محصولاتی که از جنس آلیاژهای مستحکم با کاربردهای خاص هستند استفاده می‌شود. برای همین از آن برای ساخت مقاطع، لوله‌ها و میلگرد استفاده شده و این روش برای این موارد صرفه اقتصادی زیادی دارد. از این روش میتوان برای قطعات نازکتر نیز استفاده کرد. یکی دیگر از تفاوت‌های اکستروژن معکوس با مستقیم این است که امکان خنک کاری محصول پس از خروج از قالب به شکل محدودتری وجود دارد. همچنین ممکن است سطح خارجی آن از کیفیت پایین‌تری نسبت به روش مستقیم برخوردار باشد.

شکل دهی فلزات با روش اکستروژن از خصوصیات و ویژگی‌های اقتصادی زیر برخوردار است:

• هزینه کارگر پایین
• هزینه پرداخت بسیار پایین
• هزینه ابزار و تجهیزات بالا
• نرخ تولید بالا (۲۰۰۰ قطعه بر ساعت)
• بازده ماده بالا (حدود ۹۵ درصد)
• قابل استفاده برای قطعات متقارن

ویژگی‌های کیفی شکل دهی فلز به روش اکستروژن

• روش شکل دهی اکستروژن سبب بهبود خصوصیات مکانیکی به خصوص مقاومت خستگی می‌شود.
• در صورتی که فولاد از گوگرد، قلع، فسفر و سیلیکون برخوردار باشد، قابلیت کار سرد کردن آن کاهش پیدا می‌کند.
• صافی سطح کار در این روش بسیار عالی می‌شود.
• ممکن است در این روش ترک‌های داخلی رخ دهد.