در اکستروژن داغ آلیاژهای آلومینیوم، عموماً قالبهای مسطح مورد استفاده واقع می شوند. تعریف یک قالب مسطح در قسمت طول سطح تماس قالب» در همین بخش بیان خواهد شد. قالبها و ابزار اکستروژن تعیین کننده کارایی و هزینه فرایندهای اکستروژن آلومینیوم اند. اختلافات اساسی بین ترکیب قالب و ابزار مورد استفاده در اکستروژن آلیاژهای نرم وجود دارد.
الف-1- قالب و ابزار مخصوص تولید مقاطع توپر
الف-2- قالبها و ابزار مخصوص تولید مقاطع توخالی
فرآیند مستقیم عموماً به منظور اکستروژن آلیاژهای نرم، متوسط و سخت بکار می رود. شکل 4-2، فرم قالب و ابزار را در اکستروژن آلیاژهای سخت (مثل سریهای 2000، 7000 و برخی از آلیاژهای سری 5000) نشان می دهد که با استفاده از یک قالب توپر بدون صفحه تغذیه و سنبه (دامی) آزاد جهت تولید هر محصول بطور جداگانه بکار می رود.
ب-1- قالبها و ابزار مخصوص تولید مقاطع توپر
ب-2- قالب و ابزار مخصوص تولید مقاطع توخالی (بدون درز)
فرآیند مع معمولاً جهت اشکال خاصی از آلیاژهای سخت مورد استفاده واقع می شود. شکل ابزار در فرآیند مع با شکل ابزار در فرآیند مستقیم متفاوت است.
طراحی و ساخت قالب مهمترین نیاز تمام فرآیندهای اکستروژن است. طراحی قالب تحت تاثیر برخی عوامل همچون نوع پرس و نحوه نگهداری آن، نوع مقطع یا پروفیل و تلرانسهای آن و مشخصات آلیاژ واقع می شود. مهارت و کاردانی طراح و سازنده قالب جهت تولید قالبهای اکستروژن کارآمد ضروری است. تجربیات زیادی پیرامون طراحی و ساخت قالبهای اکستروژن با اشکال پیچیده با ضخامت زیاد و کیفیت سطحی بالا وجود دارد. برخی از این تجربیات در پیاده سازی قوانین طراحی بدست میاید. اما طراحی قالب اکستروژن هنوز هم به تشخیص، درک مستقیم و تجربه شخصی وابسته است. نمی توان گفت دو قالب با نوع ماده و سختی یکسان و کیفیت سطحی مشابه، کاملاً یکسان هستند. جهت بررسی تلرانسها و انجام تولید مطلوب، برقراری رابطه کاری نزدیکی بین طراح، سازنده قالب، اپراتور پرس و اصلاح کننده قالب ضروری است.
سه هدف اصلی در تمامی فرآیندهای اکستروژن مدنظر قرار می گیرد. این اهداف عبارتند از سهولت نسبی سیلان ف، پایداری ابعادی و کیفیت مطلوب سطح نهایی. اصول اکستروژن بسیار ساده است، اما برخی عوامل فرآیند همچون طراحی و اصلاح قالب، تنظیمتجهیزات، انتخاب آلیاژ، دما، روغنکار و نسبت اکستروژن، تعیین کننده های اصلی اکستروژن موفق اشکال خاص اند. تغییر شکل قالب در اثر فشار و انبساط آن تحت دماهای بالا نیز باید در طراحی آن در نظر گرفته شود.
با آغاز طراحی یک قالب، طراح نیازمند اطلاعات اساسی مربوط به هندسه و شکل محصول اکسترود شونده، اندازه پرس، اندازه بیلت، میزان خروجی مورد نیاز مشتری، ابزار پشتیبانی مورد استفاده همچون پشت‌بند با نگهدارنده، وزن محصول در واحد طول و غیره است. بعد از بررسی دقیق طرح محصول، طراح در خصوص نوع قالب مورد نیاز، اعم از توپر، توخالی یا نیمه خالی تصمیم گیری می نماید اگر قالب توخالی باشد، طراح میتواند بهترین دریچه، پل و محفظه جوش را جهت حصول بهره‌وری بالا انتخاب نماید. مثالهایی از قالبهای توخالی در اشکال 15 ال 20 نشان داده می شود. اگر قالب مورد نیاز توپر باشد، طراح می تواند از قالبهای دارای یک سطح تماس، مسطح، دارای صفحه تغذیه و پله دار استفاده نماید .طراحی یک قالب تک دریچه نسبت به یک قالب چند دریچه ساده‌تر است. مرجله بعدی تعیین موقعیت هر دریچه و تعداد دریچه هاست.
پارامترهای زیر در طرح هندسی دریچه ها در سطح قالب باید مدنظر قرار بگیرد:
برای پرهیز از سیلان پوسته اکسیدی سطح بیلت به درون محصول در حالت اکستروژن مستقیم کمترین فاصله ممکن بین دریچه قالب و دیواره محفظه مورد نیاز است. در همین حال به منظور ایجاد استحکام مناسب جهت تحمل فشار اعمال شده توسط بیلت، فاصله بین دو درچه مجاور هم در یک قالب چند کاناله باید در حد کافی باشد. استحکام کافی قالب ممکن است از بروز ترک و کمانش در قالب جلوگیری نماید.
اصولا دو طرح عمده در قالبهای چند کاناله وجود دارد که عبارتند از شعاعی و مسطح در طرح شعاعی، محور اصلی هر کانال در راستای یک شعاع قرار دارد، بطوریکه هر بخش از سطح تماس قالب دارای رابطه یکسانی با مرکز قالب است. مزایای طرح شعاعی عبارتند از سهولت در سیلان ف از طریق سطوح تماس قالب و ایجاد طرحی یکنواخت و نیز سهولت در اصلاح قالب. معایب این طرح شامل کنترل مشکل پیچش (تابیدگی) قالب و دشواری استفاده از آن بر روی میز خروجی است. به دلیل کاربرد مشکل این طرح، طرح شعاعی در صنعت اکستروژن آلومینیوم استفاده نمی شود.
در طرح مسطح، محور اصلی هر کانال در گوشه سمت راست یا موازی یا شعاع است. مزیت اصلی طرح مسطح، سهولت کاربرد آن ب روی میز خروجی جهت بهره‌وری بالاتر است. معایب این طرح شامل مشکلات در اصلاح قالب به دلیل وجود سطوح تماس غیریکنواخت قالب و طول های غیریکنواخت محصول بر روی میز خروجی است. امروزه با فناوریهای پیشرفته طراحی قالب، اصلاح قالب دارای مشکلات کمتری است. جهت اصلاح سطوح سطح تماس قالب از ماشینهای فرز استفاده می شود.
سیلان ف از میان یک قالب چند کاناله بسیار پیچیده بوده و به برخی متغیرها همچون شکل، تعداد و طرح کانالهای قالب، دمای اکستروژن و ضخامت مقطع وابسته است. جهت ایجاد سیلان بهتر از طریق قالب، برخی قوانین اصلی توسط طراح قالب بکار برده می شود. در یک قالب تک کانال، مرکز ثقل (CG) کانال قالب باید به مرکز بیلت یا قالب نزدیک باشد. در یک قالب چند کاناله، CG مقطع باید کم و بیش منطبق با CG قسمتی از بیلت که وارد کانال مربوط به آن مقطع می شود باشد. موقعیت کانال با توجه به CG به دانش و تجربه طراح وابسته است. در شکل 4-6 نیز که نوعی از یک طرح مسطح است مثالی از وضعیت بهتر پروفیل نسبت به شکل 4-5 نشان داده می شود.
تعداد کانالها در قالب، توسط برخی پارامترها تعیین می شود که بعضاً عبارتند از ابزار موجود جهت تنظیم تعداد کانالها سهولت کاربرد و تسهیل بر روی میز خروجی، طول و ابعاد پروفیل و سیلان ف.
شماتیک یک قالب مسطح جهت تولید مقاطع توپر در شکل 4-7 نشان داده می شود. سطوح تماس یک قالب مهمترین قسمت آن هستند. وظیفه سطح تماس قالب عبارتست از کنترل اندازه، شکل، سطح نهایی و سرعت اکستروژن. همچنین تعیین کننده عمر قالب نیز می باشد. اصطکاک در زمینه قالب، کنترل کننده عواملی است که سیلان ف را کند می نمایند. طول سطح تماس در هر موضع از دریچه قالب به اندازه‌ای که در مقابل سیلان ف در آن موضع باید مقاومت شود. وابسته است.
سه پارامتر تعیین کننده ابعاد سطح تماس جهت کنترل سیلان ف عبارتند از:
در فرآیند اکستروژن مستقیم، مقاومت اصطکاکی در فصل مشترک بیلت و محفظه، سیلان ف نزدیک به سطح بیلت را کند می نماید. لذا مرکز بیلت سریعتر از محیط اطراف آن حرکت می کند. برای موازنه سیلان، طول سطح تماس قالب باید نسبت عکس با فاصله آن از مرکز بیلت داشته باشد. در مقاطع نازکتر به دلیل کوچک بودن دریچه قالب، سیلان تندتر می شود. به طور مشابه برای موازنه سیلان در مقاطع نازکتر طول سطح تماس قالب باید کوچکتر باشد و بالعکس.
تغییرات تند در سطح تماس ممکن است به دلیل سیلان غیریکنواخت ف با پر کردن ناکافی دریچه قالب سبب ایجاد رگه هایی در محصول شود. لذا ترکیب تغییرات طول سطح تماس در نقاط اتصال باید به صورت صحیحی انجام شود تا از رگه دار شدن جلوگیری نماید.
گاهی اوقات تنطیمات ظریف مربوط به قالب نیز، با کنترل عرض سطح تماس قالب (b1-b4) و طول آن (14-11) جهت اصلاح یا تغییر سرعت سیلان ف ضروری است. تغییر شیب سطوح تماس قالب در جلو و عقب دریچه ان، به ترتیب با عناوین گلویی یا پله و رهایی یا تقلیل دهنده فشار نامیده می شوند. در اکستروژن آلیاژهای سخت (سریهای 2000 و 7000) عموما جلوی سطح تماس قالب دارای گلوگاهی با زاویه می شود. این باعث کند شدن سیلان ف و در نتیجه پر شدن دریچه قالب برای ایجاد پایداری ابعادی بهتر می گردد. افزایش زاویه رهایی در عقب یا سمت خروجی سطح تماس قالب تا باعث کاهش طول اولیه سطح تماس و در نتیجه افزایش سرعت سیلان ف می گردد. زوایای گلویی و رهایی معمولاً به کمک ماشینکاری از طریق تخلیه الکتریکی (EDM) ایجاد می شوند.
قالب دارای یک سطح تماس نوع اصلاح شده ای از قالب پله دار است. در یک قالب، پله دار، یک حفره تک پله ای وجود دارد. در صورتیکه در یک قالب دارای یک سطح تماس یک حفره چند پله ای بصورت همگرا وجود دارد. شماتیکی از یک قالب با یک سطح تماس سه پله ای را نشان می دهدو. با کنترل سطح حفره، سیلان آلومینیوم متعادل شده و باعث یکسان نگه داشتن سطح تماس قالب بر روی دریچه آن می شود. قالبهای با یک سطح تماس (یا با سطح تماس ثابت)،عرضه شده توسط رادریگز به آلومینیوم این امکان را می دهد تا در سرعتهای تولید بالاتری به سهولت از میان قالب عبور نماید.
افزایش سرعت اکستروژن در قالبهای تک سطح تماس می تواند با استفاده از اصل ثابت بودن حجم توسط رابطه زیر بیان شودک
(معادله 4-1)
چنانچه مساحت جداره داخلی محفظه، سرعت کوبه (رام)، میانگین سطح پله های حفره ( که تقریباً برابر است با سرعت ف در حال سیلان از طریق پله های حفره، سطح نهایی میلگرد یا پروفیل اکسترود شده و سرعت اکستروژن است. سرعت اکستروژن توسط رابطه زیر داده می شود:
(معادله 4-2)
برای سطح معینی از محصول اکسترودی متناسب با سطح حفره و سرعت ف در حال سیلان از میان آن است.
قالب دارای صفحه تغذیه بزرگ که قالب اتاقک دار نیز نامیده می شود، یک قالب مخصوص تولید مقاطع توپر است که برای تولید پروفیلی بزرگتر از اندازه بیلت طراحی شده است. قطر خارجی قالب برابر با قطر خارجی رینگ قالب بوده و به صفحه تغذیه مربوطه یا قالبهای پله دار جفت می شود. قطر دایره محیطی (CCD) دریچه صفحه تغذیه باید کوچکتر از قطر بیلت باشد. حجم آلومینیوم درون محفظه جوش شبیه اسلب مستطیلی شکلی است که از طریق دریچه قالب اکسترود می شود تا سیلان را با مرکز و مابقی قسمتهای محصول متعادل نماید.
قالب دارای صفحه تغذیه منظم از سه جزء تشکیل شدهف در حالیکه یک قالب پله دار دارای دو جزء می باشد. طراحی هر دو نوع قالب براساس اصول یکسانی همچون تعبیه یک اتاقک جوش در جلوی دریچه قالب صورت گرفته است. سازنده قالب بسته به شکل و اندازه محصول، یک قالب دارای تغذیه یا قالب پله دار را انتخاب می نماید.
مجموعه قالب شامل صفحه تغذیه، قالب مسطح و یک پشت‌بند در شت قالب می باشد
اکستروژن از طریق یک قالب دارای صفحه تغذیه یا قالب پله دار دارای دو مرحله است . در مرحله اول ماده بیلت از درون محفظه به درون پله یا دریچه های صفحه تغذیه وارد می شود. در مرحله بعد ماده از صفحه تغذیه یا پله به محصول نهایی تبدیل می شود. رابطه ثابت بودن حجم بصورت زیر بیان می گردد:
(معادله 4-3)
(معادله 4-4)
چنانچه سطح حفره در صفحه تغذیه یا پله و سرعت ماده عبوری از میان صفحه تغذیه یا پله است.
برای سطح محصولیکسان، سرعت از میان قالب با یک سطح تماس، از قالب با صفحه تغذیه است. از آنجایی که شکل حفره در قالب تک سطح تماس بصورت همگراست، سرعت ماده در حال سیلان از میان حفره، بالاتر از سرعت در قالب دارای صفحه تغذیه از نوع واگراست.
چند نمونه از قالبهای مربوط به تولید مقاطع توخالی نشان داده می شود.یک پله در ورودی ماندرل تعبیه شده تا سرعت سیلان در محیط خارجی بالاتر از مرکز قالب شود. یک پله در نوک ماندرل تعبیه شده تا سیلان ماده را در باله های بحرانی متعادل نماید.از طرح توزیع سطوح دریچه جهت متعادل نمودن سیلان از میان قالب است.
یک قالب چند دریچه با چهار دریچه یکسان و ضخامت جان نامساوی است. این طرح به خوبی در پرس قابل اجراء نیست. جابجایی ماندرل نسبت به کلاهک به دلیل ترک ایجاد شده در چهار پل آن است علت ایجاد ترک می تواند تابیدگی بیشتر پلها با توجه به سختی استحکام پایین تر آنها باشد. زیرا در جان ماندرل Y کوچکتر از X است. نکته دیگر قابل توجه در این طرح این است که گودی های اطراف شکل (دوپله ای) بجای اتاقک جوش ایجاد شده است یک پل ماندرل را که دارای شعاع تیزی در نوک آن است. گزارشات نشان دهنده آن است که ترکهایی بر روی پلهای این نوع ماندرل نسبت به ماندرل با شعاع بسیار بزرگتر ایجاد می شود.
اصلاح یک قالب مخصوص تولید مقاطع توپر، نیازمند اصلاح گودی یا صفحه تغذیه یا اصلاح طول سطح تماس از جلو یا سمت خروجی قالب است. اصلاح باید با استفاده از یک ماشین فرز بجای سنگ‌زنی، که یک روش قدیمی است، انجام شود. یک تیغچه فرز جهت انجام ماشینکاری بر روی فولاد سخت شده بکار می رود. جهت استفاده بیشتر طراح و سازنده قالب، میزان اصلاح انجام شده با استفاده از ماشین فرز می تواند اندازه گیری شده و ثبت شود.
اصلاح ممکن است در خصوص ابعاد یا ضخامت دیواره های مقطع نیز صورت پذیرد. به طور مشابه اصلاح کننده قالب باید این اطلاعات را به سازنده قالب انتقال دهد تا تغییر برنامه در EDM سیمی صورت پذیرد.
اصلاح یک قالب مخصوص مقاطع توخالی بسیار پیچیده‌تر از قالب مخصوص تولید مقاطع توپر است. زیرا آلومینیوم در سه مرحله سیلان می یابد. برخی از متغیرهای قالبهای مخصوص تولید مقاطع توخالی عبارتند از : دریچه ها، عمق پل و حفره اتاقک جوش، اصلاح قالبهای مخصوص مقاطع توخالی می تواند در ارتباط با تاب برداشتن، زاویه دار شدن، شکافتن گوشه ها، تحدب دیواره و ناهمواری دیواره باشد.
جهت اصلاح سیلان در یک قالب مخصوص مقاطع توخالی، ابتدا قبل از کار کردن بر روی سطح تماس قالبها، دریچه را آزمایش می کنند. دریچه ها نیز حجم ف را کنترل می کنند، بطوریکه لازم است تا حجم ف نسبت به مساحت سطح مقطع محصولی که هر دریچه بیرون می دهد متعادل شود.
حضور اصلاح کننده قالب در زمان انجام آزمایش در کنار رس ضروری است. این حضور اطلاعاتی را در خصوص پرس، بیلت و متغیرهای قالب به وی می دهد. این اطلاعات به اصلاح کننده کمک می کند تا به سرعت قالب را اصلاح نماید یا برخی اطلاعات را برای سازنده قالب بازگو کند تا در صورت نیاز، تغییرات لازم اعمال شود. لوئیس بیلو در خصوص اصول و عملگرد چگونگی اصلاح قالبهای اکستروژن مباحثی را ارائه نمود که ارائه دهنده نمونه هایی از برخی اطلاعات در خصوص قالبهای تولید مقاطع توپر، توخالی و نیمه خالی بود.
پارامترهای مورد نظر در اصلاح قالب
برخی از پارامترها بر عملکرد یک قالب در پرس تاثیر گذارند. این پارامترها که باید هنگام اصلاح قالبهای اکستروژن در نظر گرفته شوند عبارتنداز:
دمای قالب
دمای بیلت با توجه به دمای محفظه
حرارت دادن شیبدار بیلت
تغییر سرعت اکستروژن
همراستایی و تنظیم پرس
کج شدن صفحه قالب
چرخش قالب به منظور تغییر موقعیت آن
استفاده از روغنکار
استفاده از محفظه راهنما
بعلاوه اشکالات همراه با پرس می تواند شامل موارد زیر باشد:
صفحه ابزار نامناسب، صافی رینگ فشاری، آب‌بندی نامناسب قالب با آستری محفظه، یک آستری محفظه از بین رفته و بالشتک های سنبه (دامی) فرسوده شده، جهت اصلاح هر نوع قالب توپر یا توخالی، آشنایی اصلاح کننده قالب با پرس یا پرسهایی که با آن قالب کار می کند، دارای اهمیت است.
ساخت قالب
ساخت قالب شامل مراحل و فرآیندهایی است که با دریافت طرح پروفیل از مشتری آغاز شده و تا حمل قالب ادامه می یابد.دو جنبه متمایز در ساخت قالب باید در نظر گرفته شود. قالب باید اولاً براساس ملاحظات اقتصادی و بهره‌وری محصول اکسترودی و ثانیاً با بالاترین کیفیت و بالاترین ضریب اطمینان ساخته شود. فن‌آوریهای پیشرفته امکان ساخت قالب با کاهش تدریجی تعداد مراحل را فراهم می نمایند.
اصلاح قالب
قالب س از ساخت، بسته به حساسیت روش اکستروژن، جهت آزمایش و تولید یا فقط جهت آزمایش به قسمت پرس ارسال می گردد. علیرغم بکاربردن CAD/CAM و CNC در طراحی و ساخت قالبهای اکستروژن آلومینیوم ، شکل و کیفیت نهایی محصول ممکن است بطور دقیق قابل پیس بینی نباشد. اگر شکل تولید شده در آزمایش اولیه موفقیت آمیز باشد، تولید با انجام بررسی ها و اندازه گیریهای مناسب ادامه می یابد.اگر اکستروژن موفقیت آمیز نباشد، با توجه به گزارش انجام آزمایش، قالب در امتداد قسمت جلویی محصول اکسترودی نیازمند اصلاح است. اصلاحات قالب یا حفظ و نگهداری آن به چند دلیل نیاز می شود که عبارتند از: سیلان نامناسب ف، تغییرات ابعادی، سططح نهایی و هرگونه برخورد با میز خروجی. روشهای اصلاح قالب به تجربه عملی قابل ملاحظه ای نیاز دارد. مثلاً جهت اصلاح یک عیب، با توجه به مهارت و تجربه اصلاح کننده قالب، ممکن است چندین روش وجود داشته باشد.
نمونه دیگری از قالب چند دریچه مخروطی جهت تولید یک پروفیل توخالی جدار نازک با مقطع مربعی است. به منظور کاهش سرعت ورود ف در مرکز قالب نسبت به محیط خارجی آن در رویه ماندرل نمونه ای از یک گلویی تعبیه شده است.
طرحهای قالب مخصوص تولید مقاطع توخالی در صنایع اکستروژن آلومینیوم متنوع است. نمونه هایی از قالبهای تولید مقاطع توپر و توخالی به منظور ارائه ایده های واقعی در اشکال مختلف طراحی نشان داده میشود.
سیلان ف از میان یک قالب تولید مقاطع توخالی بسیار پیچیده تر از یک قالب تولید مقاطع توپر است. در قالب مخصوص مقاطع توخالی، اکستروژن در سه مرحله متفاوت انجام می شود. در مرحله اول ف از بیلت به دریچه ماندرل، در مرجله بعدی از دریچه ماندرل به درون اتاقک جوش و در مرحله نهایی از اتاقک جوش به فاصله بین ماندرل و کلاهک (قالب) سیلان می نماید تا شکل نهایی پروفیل توخالی حاصل شود. اتاقک جوش شامل حجم کل بین نوک پل ماندرل و حفره واقع در کلاهک قالب است.
همانگونه که رابطه ثابت بودن حجم برای یک قالب مخصوص مقاطع توخالی توسط رابطه زیر داده می شود:
(معادله 4-5)
چنانچه مساحت دریچه ماندرل، سرعت جرکت ماده از میان دریچه ماندرل، سطح اتاقک جوش و سرعت حرکت ماده از میان اتاقک جوش است.
درباره این سایت