عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن ( بخش 9)

تغییر سطح تماس اصطکاکی

 نمونه ای از الوی سایش قالب در اینجا نمایش داده می شود. این قسمت، دربرگیرنده برخی بررسی ها بر روی کارآیی یک قالب مورد استفاده در اکستروژن مقطع لوله ای شکل از آلیاژ 6063 است. قالب مورد استفاده در فرآیند، یک قالب توخالی مخروطی است.چندین نقطه سایش به ترتیب بر روی سطوح تماس ماندرل و کلاهک مشاهده می شود.

اگر A مساحت نقطه سایش بر روی سطح تماس یک قالب باشد، سطح کل سایش توسط رابطه زیر داده می‌شود:

(معادله 4-6)                                            

مساحت ظاهری سطح تماس قالب بعد از سایش ( ) توسط رابطه زیر داده می شود:

(معادله 4-7)                                                                            

چنانچه  عبارتست از مساحت ظاهری سطج تماس اولیه قالب.

به دلیل اینکه سطح ظاهری تماس بعد از سایش ( ) کمتر از  می شود، می توان نتیجه گرفت که سایش قالب بطور موثری سطح تماس اصطکاکی قالب را کاهش می دهد. تجربه اخیر نشان می دهد که مساحت سطح تماس ماندرل دارای تعداد بیشتری نقاط سایش نسبت به کلاهک قالب است. تغییر موثر سطح اصطکاکی به طرق مختلفی به ترتیب بر روی سطوح تماس ماندرل و کلاهک برای هر طرف یک قالب توخالی مربع شکل حاصل می شود. در نتیجه یک سرعت لغزنده نسبی بین لایه درونی و بیرونی هر طرف لوله مربعی توخالی وجود دارد. انتظار می رود که به دلیل این تغییر در سرعت لغزنده نسبی، سیلان کلی فلز در فاصله بین ماندرل و کلاهک تغییر نموده و در نهایت، شکل محصول تغییر نماید.

همانگونه که ذکر شد، تغییر شکل لوله با مقطع مربعی اکسترود شده از آلیاژ آلومینیوم 6063 قبل و بعد از سایش قالب جالب بود. یک شکل مربعی کامل را قبل از بروز هر گونه سایشی در قالب و شکل محدب در دیواره های دو طرف را بعد از سایش قالب نشان می دهند. دیواره هر طرف دارای برجستگی های پیچشی است که شان داده نمی شوند. لکن از منظر قالب نشان داده می شوند.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن (بخش 8)

مشاهدات تجربی 2

تغییر در عمق سایش سطوح تماس ماندرل و کلاهک نشان دهنده تعداد چرخه های مختلف پرس است. با افزایش چرخه های کاری پرس (تعداد بیلت های اکسترود شده)، عمق سایش افزایش می یابد. بعلاوه نقاط سایش ایجاد شده بر روی سطح ماندرل بیشتر از سطح کلاهک است. در واقع، حرارت بیشتر تولید شده درون ماندرل مربوط به اصطکاک و تغییر شکل اضافی در سطح ماندرل است. مشاهده می شود که با توجه به جهت سیلان فلز، سایش از لبه راهنمای سطح تماس قالب شروع می شود.تغییر عمق سایش یا چرخه پرس را برای دو طول بیلت مختلف نشان می دهد. با افزایش طول بیلت، عمق سایش افزایش می یابد. طول بیلت بزرگتر به معنی زمان طولانی تر مورد نیاز برای هر چرخه اکستروژن و در نتیجه متمرکزتر شدن افزایش دما در سطح تماس قالب است.

تغییر عمق سایش با چرخه پرس برای دو سرعت کوبه (رام) متفاوت نشان داده می شود. این نشان می دهد که با افزایش سرعت کوبه، عمق سایش زیاد می شود. در یک قالب ثابت با افزایش سرعت کوبه، سرعت اکستروژن نیز افزایش می یابد. میزان عمق سایش ممکن است با افزایش دمای خروجی که در نهایت منجر به بالا رفتن دمای سطح تماس قالب می گردد، زیاد شود.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن (بخش 7)

مشاهدات تجربی

توسط ساها مشاهده شد که بعداً از چرخه های کاری معین پرس، خسارت سطحی شدیدی (سایش قالب) بخ سطح تماس قالب مخصوص تولید مقاطع توخالی (از نوع مخروطی) وارد می شود. بطوریکه لوله مربعی جدار نازکی با برجستگی های پیچشی از آلیاژ آلومینیوم 6063 می سازد. در این حال، سطح تماس قالب بطور مناسبی تحت عملیات حرارتی سطحی نیتروره قرار گرفت و هنگامی که بیلتهای بیشتری از میان همان قالب اکسترود شد، سایش قابل توجهی در قالب مشاهده شد. این سایش قالب مربوط به کاربرد سرعت بالاتر اکستروژن نیز می شد. تدجا و همکارانش دریافتند که سایش قالب شروع به از بین بردن لبه سطح تماس آن نموده و این در خلاف جهت اکستروژن ادامه می یابد. در کار اخیر، نقاط ساییده شده از لبه راهنما آغاز شده و تا میانه سطح تماس قالب گسترش می یابد (شکل 4-25). بعلاوه، سایش بیشتری روی سطح تماس ماندرل در مقایسه با سطوح تماس کلاهک مشاهده شد. طراحی یک قالب مخصوص تولید مقاطع توخالی به گونه ای است که حرارت اضافی ایجاد شده بر روی یک سطح تماس قالب بزرگتر، بیشتر است. نقاط سایش ظاهر شده ب روی سطح تماس قالب نیز متفاوت بوده و دارای فواصل یا ناپیوستگی هایی می باشند.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن (بخش 6)

سایش چسبنده

از آنجایی که پروفیل های آلومینیومی تمایل زیادی در چسبیدن به سطح فولاد دارد، بایه چسبنده بر روی سطح تماس قالب گسترش خواهد یافت. توسعه یک لایه چسبنده بر روی سطح تماس قالب به برخی عوامل منجمله دمای سطح تماس، سرعت اکستروژن، شکل و هندسه قالب، طول سطح تماس و پارامترهای مربوط به زبری و سختی سطح تماس وابسته است.

از مهمترین عوامل فوق پروفیل های آلومینیومی ، دما و سرعت اکستروژن است. بالا رفتن دما و سرعت اکستروژن بر روی سطح تماس قالب مستقیماً در ارتباط با همدیگرند. در دمای بیلت یکسان و در سرعتهای بالاتر، به دلیل افزایش سرعت کرنش و تغییر شکل برشی (اصطکاک چسبنده) بر روی سطح تماس قالب، افزایش دما بیشتر است. هنگام افزایش دما در سطح تماس قالب، تمایل به گسترش لایه چسبنده زیاد می شود. بعلاوه با افزایش دما، لایه چسبنده شروع به گسترش کرده و با افزایش دوره های زمانی کارپرس، این لایه ممکن است سطح تماس را کاملاً پوشانده و یک لایه ضخیم تر ایجاد شود. لایه های چسبنده مکرراً ساخته شده و جدا شدن آنها منجر به سایش قالب و ایجاد آلودگی در محصول اکسترودی می گردد.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن ( بخش 5)

سایش در قالب اکستروژن

سایش قالب به عنوان یک اثر سطحی بصورت حذف یا از دست رفتن ماده از سطح قالب تعریف می شود. سایش از اهمیت فنی و اقتصادی قابل توجهی برخوردار است زیرا نحوه سیلان و شکل فصل مشترک قالب و ماده را تغییر می دهد و در نهایت بر اندازه، شکل و کیفیت ماده در حال سیلان از میان قالب تاثیر می گذارد. سایش عموماً توپوگرافی سطح را تغییر داده و ممکن است باعث خسارات سطحی شدید شود. سایش معمولاً بصورت چسبنده، ساینده، خوردگی، خستگی، فرسایشی، مالشی یا ضربه ای دسته بندی می شود. فرآیند اکستروژن مستقیم، زمانی پیچیده می شود که به دلیل فشار بالا و سرعت نسبی بین بیلت و محفظه و بین قالب و ماده اکستروژن در ترکیب با عمل سایش و چسبیدن، منجر به نوسانات ناگهانی دما و قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دماهای بالا شود. قالبها شدیداً تحت بارگذاری قرار دارند. در اکستروژن یک مقطع طویل، قالب ممکن است باز بماند و لذا ابعاد از دست می رود. سایش ساینده تدریجی تر است، اما در دماهای بالا مجدداً شتاب می گیرد. چنین شسته شدن قالبی گاهی اوقات توسط سایش چسبنده می شود.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن (بخش 4)

تریبولوژی در قالبهای اکستروژن

تریبولوژی (فرآیندهای اصطکاک و سایش) در سطوح تماس قالب به برخی عوامل همچون افزایش دما در قالب، سرعت اکستروژن، شکل و هندسه قالب، شرایط سطحی و طول سطح تماس، خواص فولاد مورد استفاده در ساخت قالب و آلیاژ اکسترود شونده وابسته است. به دلیل اینکه افزایش دما در سطح تماس تاثیر مستقیم بر روی عوامل دیگر دارد، دما به عنوان یک عامل مهم در سایش قالب یا تغییر شرایط اصطکاک در سطح تماس یا بالعکس مطرح است. شی اثرات سایش قالب در فرآیندهای شکل‌دهی فلز را پروفیل آلومینیوم اختصاصی مورد بررسی قرار می دهد.

تدجا و همکارانش فرآیندهای تریبولوژیکی (سطحی) را در قالب مطالعه نمودند تا تاثیر آنها را بر روی دقت ابعادی و کیفیت سطح محصول اکسترودی تعیین نمایند. آنها فرآیندهای تریبولوژیکی را در طی اکستروژن آلیاژهای AA6063 مورد آزمایش قرار داده و رابطه بینتشکیل و جدا شدن متناوب لایه چسبنده بر روی سطح تماس قالب و اینکه اصطکاک در قالب چطور بر کیفیت سطحی محصول اکسترودی تاثیر می گذارد را مورد بحث و بررسی قرار دادند. فرآیند تشکیل دینامیکی و حذف متناوب لایه چسبنده پروفیل آلومینیوم اختصاصی ممکن است باعث ایجاد سایش چسبنده ب روی سطح تماس قالب شود.

عملکرد قالب اکستروژن و ابزار آن (بخش 3)

مکانیزم های سایش چسبنده و ساینده، شیوه های عمومی تخریب قالبهای  اکستروژن آلومینیوم است. جانوس مروری بر پوششهای مختلف مورد استفاده در ابزار و قالبهای اکستروژن به منظور کاهش سایش قالب، بهبود عمر قالب و بهبود بهره‌وری در اکستروژن آلومینیوم ارائه نموده است. پی نیز تکنیک های اصلاح سطح را برای قالبهای اکستروژن (ساخته شده از فولاد (H13) پیش گرم شده و فن‌آوریهای حاصل از آن بیان نموده است. وی مواد رسوبی و روشهای مختلفی که پتانسیل خوبی برای مقاومت به سایش ارائه می دهند را مقایسه نموده است. ساندویست و همکارانش انواع پوششهای سطحی را بر روی فلزات مختلف مورد کاربرد در ساخت قالبهای اکستروژن آزمایش نمودند، تا مقاومت به سایش و اصطکاک قالب را هنگام لغزش آن نسبت به آلومینیوم در دماهای بالا و در حالتی که بلوک روی سیلندر قرار دارد، بررسی نمایند. پوششهای مختلفآزمایش شده شامل پوششهای نیتروره، رسوب بخار شیمیایی (CVD) و رسوب بخار فیزیکی (PVD) است. نتایج حاصله دلالت دارد بر اینکه چسبندگی بین آلومینیوم و پوشش یکی از عوامل اصلی ایجاد سایش است. پوششهای Tic، TiN و VC دارای ضریب اصطکاک پایین تر و سرعتهای سایش کمتری از فولادهای ابزار بدون پوشش و نیتروره شده هستند. میو گیو نیکورت از طریق بررسی های آزمایشاهی دریافتند که یک پوشش نیترید کروم رسوب داده شده به روش PVD بر روی یک زمینه نیتریدی بهترین نتایج را می دهد. تکرار آزمایش، نتایج حاصله را تصدیق نموده و محصول نیز دارای سطج نهایی بهتری بود. کلی و همکارانش فن‌آوری پاشش پلاسما را بعنوان یک روش جالب بهبود سطح قالب مورد ارزیابی قرار دادند. پوشش آلومینا (  ) نیز بر روی فولاد قالب H13 ، از نظر عملکرد سایشی آلومینا و پیوندهای بین فازی، ارزیابی شده و دورنمای استفاده از پوششهای سرامیکی برای قالبهای اکستروژن آلومینیوم مورد بحث واقع خواهد گردید.

عملکرد ساخت قالب اکستروژن آلومینیوم و ابزار آن (بخش 2)

جدیداً فولاد قالب رسوب سختی شونده ای استفاده می شود که زمان ساخت قالب اکستروژن آلومینیوم را با ترکیب عملیاتهای سخت کاری و نیتروره در مقایسه بافولاد H13 کاهش داده است. فولاد جدید (ALEX) بصورت تجاری جهت ساخت قالب اکستروژن آلومینیوم معرفی شده است و افزایش قابل توجهی در عمر قالب می تواند ایجاد نماید.

عملیات حرارتی و سخت کاری سطحی قالب اکستروژن

کیفیت سطحی محصولات اکسترودی به چند عامل وابسته است. یکی از مهمترین آنها عبارتست از مکانیزم سایش روی سطح تماس قالب، بالاخص سایش چسبنده که مضر است. زیر ا سبب تخریب سطح تماس در دهانه قالب می شود. عملیاتهای سطحی متنوعی جهت بهبود مقاومت به سایش و کاهش هزینه های ساخت ابزار بصورت تجربی توسط اکسترود کننده ها بکار رفته است. روشهای متنوعی از نیتروره کردن قالب همچون پلاسما، بستر روان و نیتروکربوره قابل انجام است که مزایای هر یک در مراجع 20 تا 22 مورد بحث واقع می شود. تجزیه و تحلیل آماری اطلاعات تولید، بهبود عمر قالب را در هر دو فرآیند نیتروره و نیتروکربوره نشان می دهد. انجام عملیاتهای سطحی به منظور جلوگیری از سایش قالب از عوامل اصلی در بهبود عمر قالب و تاثیرگذار بر کیفیت سطحی محصول اکسترودی می باشند. چندین روش و مکانیزم عملیات سطحی قابل دستیابی است.

عملکرد قالب اکستروژن آلومینیوم و ابزار آن

انتخاب مواد قالب و عملیات سطحی

در فرآیند ساخت یک قالب اکستروژن آلومینیوم ، انتخاب ماده قالب و خواص ویژه آن بسیار حساس است. از آنجایی که فرآیند اکستروژن آلومینیوم ، یک فرآیند کارگرم در دمای متوسط( 1050℃ 565) است، ماده قالبی که اغلب در سرتاسر دنیا بکار می رود عبارتست از فولاد قالب گرم کار AISI H13. کارایی قالب اکستروژن آلومینیوم معمولاً توسط برخی از مکانیزمهای شکست ماده محدود می شود. متداولترین مکانیزم های شکست قالب در اکستروژن آلومینیوم عبارت از سایش داغ، تغییر شکل پلاستیک و ایجاد ترک است. به منظور ایجاد مقاومت خوبی در برابر این مکانیزم های شکست،

ماده قالب باید دارای خواص زیر باشد:

• سختی داغ (استحکام تسلیم داغ) بالا
• مقاومت به تمپر بالا
• مقاومت به سایش خوب (دارای قابلیت نیتروره کردن و ایجاد پوششهای سخت نازک)
• چقرمگی خوب