یکی از مهمترین فرایندهایی که روی مواد مختلف انجام می‌شود، فرایند تغییر شکل است که در هر ماده‌ای به روش‌های مخصوصی انجام می‌شود. این تغییر شکل‌ها می‌تواند به صورت شیمیایی یا فیزیکی صورت بگیرد. به طور مثال سنگ آهنی را تصور کنید که به یک ورق روغنی تبدیل شده است. این سنگ آهن مراحل شیمیایی و فیزیکی مختلفی را طی کرده و در این مسیر تغییر فازهایی را نیز تجربه کرده است. به طور معمول تغییر فازهای شیمیایی با حرارت و تغییر فازهای فیزیکی با اعمال فشار اتفاق می‌افتند. اما همین اعمال حرارت یا فشار به شکل‌های مختلفی اتفاق افتاده و روش‌های گوناگونی را به وجود آورده‌اند. یکی از روش‌های نسبتاً جدید فیزیکی، روش اکستروژن است که خود به روش‌های مختلفی اجرا می‌شود. در این مقاله قصد داریم تا این فرایند تغییر شکل را معرفی کرده و به بررسی انواع آن بپردازیم. پس در ادامه با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
اکستروژن چیست
اکستروژن (به انگلیسی Extrusion) یکی از روش‌های جدید تغییر شکل در مواد است که کاربردهای زیادی را در فلزات دارد. در این روش با فشار دادن و عبور شمش فلزی از قالبی مخصوص به ماده فرم داده و باعث تغییر شکل آن می‌شویم. شاید نمونه‌ی این کار را در وسایل خمیر بازی کودکان دیده باشید که خمیر را درون آمپولی قرار داده و با اعمال فشار، آن را از سوراخ آمپول خارج می‌کنند. مشاهده می‌کنید که تکه بزرگ خمیر به رشته‌ای بلند و لوله‌ای شکل تبدیل می‌شود. این عملیات همان اکستروژن است که برای شکل‌دهی فلزات نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه روش‌های مختلفی مثل مستقیم و غیر مستقیم برای این کار طراحی شده و در کارخانه‌های تولیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
از جمله مزیت‌های برتری که این فرایند نسبت به روش‌های شکل‌دهی دیگر دارد میتوان به قابلیت تولید قطعاتی با سطح مقطع پیچیده و صرفه‌جویی در زمان و هزینه‌ی آن اشاره کرد. قطعاتی که در این روش تولید می‌شوند سطح مقطعی بسیار با کیفیت و صاف داشته و استحکام بیشتری را شامل می‌شوند. چرا که در اکستروژن، ماده تحت فشار و تنش برشی قرار گرفته و عملیات‌های مخربی را متحمل نمی‌شود.
تاریخچه اکستروژن
اولین فرایند اکستروژن را میتوان به جوزف براماه منتسب دانست. وی در سال 1797 میلادی برای تولید لوله، مواد نرم فلزی را پیش گرم کرده و آن‌ها را به وسیله‌ی یک پیستون دستی متحرک در داخل قالبی مخصوص به حرکت درآورد. با گذر زمان و در سال 1820 میلادی شخصی به نام توماس بور همین کار را توسعه داده و تمام فرایند را با یک پرس هیدرولیک به سرانجام رساند. اما اکستروژن مدرنی که ما میشناسیم در سال 1894 و توسط دانشمندی به نام الکساندر دیک انجام شده و به جهانیان معرفی شد. الکساندر از این فرایند برای تولید لوله‌های سربی استفاده کرده و به مرور آن را به آلیاژهای مسی و برنجی بسط داد.
این فرایند با گذر زمان متحول و روز به روز دچار پیشرفت شده است. تا جایی که امروزه هر صنعتی بسته به نیازهای خود این فرایند را به کار گرفته و قطعات مختلفی را به تولید رسانده است. یک از این صنایع، صنعت هوافضا بود که اکستروژن آلومینیوم را به دلیل وزن سبک آن گسترش داده و در تولید قطعات مورد نیاز خود به کار گرفت. با گذر زمان این تکنیک‌ها کامل‌تر شده و امکان تولید اشکال پیچیده‌تر را فراهم کردند.
فرآیند اکستروژن، امکان شکل‌دهی به فلزات با شکل‌ها و ابعاد مختلف را فراهم می‌کند، که در نتیجه از آن میتوان قطعات پیچیده و مفید در صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوا و فضا، ساختمان‌ها، الکترونیک و بسیاری از صنایع دیگر تولید کرد.
اکستروژن فلزات چگونه انجام می‌شود؟
شکل دهی فلزات به روش اکستروژن انواع مختلفی داشته و به روش‌های گوناگونی انجام می‌گیرد. اما تقریبا همه‌ی آن‌ها از اصولی پیروی می‌کنند که اجرای آن‌ها ضروری بوده و باید رعایت شوند. در ادامه این اصول را باهم بررسی می‌کنیم:
- آماده‌سازی بیلت: در مرحله اول یک بیلت فلزی (که به طور معمول بلوکی استوانه‌ای از فلز است) انتخاب شده و آماده‌سازی می‌شود. در این گام تعیین دما، اندازه و ترکیب آلیاژ بیلت عوامل بسیار مهمی هستند که بر نتیجه اکستروژن تاثیرگذار می‌باشند.
- طراحی قالب: این گام شکل نهایی فلز اکسترود شده را تعیین می‌کند. قالب‌ها به طور معمول از فولاد ابزار ساخته می‌شوند تا در برابر فشار و دماهای بالا مقاوم باشند. اما بسته به خروجی مورد نظر می‌توانند شکلی ساده یا پیچیده داشته و انواع طرح‌ها را به خود بگیرند.
- پرس اکستروژن: این مرحله قلب فرایند اکستروژن است. در این گام بیلت یا شمش را درون محفظه‌ای قرار داده و با یک پیستون به آن فشار وارد می‌کنیم. با این کار بیلت به قالب فشرده شده و مجبور به عبور از آن می‌شود. به این صورت شکل قالب را به خود گرفته و قطعه مورد نظر را تولید می‌کند.
- کنترل دما: بسته به نوع اکستروژن انتخاب شده دمای فرایند تنظیم می‌شود. کنترل مناسب دما از بروز مشکلاتی مانند ترک خوردن یا تغییر شکل در طول فرایند جلوگیری می‌کند.
انواع اکستروژن
همانطور که در بخش‌های قبل هم گفتیم عملیات اکستروژن در انواع و روش‌های مختلفی انجام می‌پذیرد. هر کدام از این روش‌ها هدف منحصر به فردی داشته و در مواردی خاص به کار گرفته می‌شوند. این روش‌ها به طور کلی به دو روش گرم و سرد تقسیم شده و می‌توانند به روش‌های گوناگونی انجام شوند. در ادامه با انواع روش‌های اکستروژن آشنا شده و ابعاد مختلف آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
اکستروژن گرم
در این روش پیش از عملیات پرس کردن، بیلت یا شمش را گرم می‌کنیم تا قابلیت تغییر شکل بیشتری را پیدا کند. پس از آن با استفاده از پیستون به آن فشار وارد می‌شود تا از قالب موردنظر عبور کرده و شکل لازمه را به خود بگیرد. این روش برای تولید محصولات فلزی با طول تقریبا زیاد و مقطع ثابت مناسب بوده و برای ساخت پروفیل‌های توپر و توخالی استفاده می‌شود. البته باید توجه شود که برای مواد مختلف نیاز به دمای منحصر به فردی بوده و نمی‌توان تمام مواد را با دمایی یکسان اکستروژن کرد. برخی از این دماها به شکل زیر هستند:
آلیاژ فولاد: 1200 الی 1300 درجه سانتی‌گراد
سرب: 200 الی 250 درجه سانتی‌گراد
آلیاژ نسوز: 220 الی 975 درجه سانتی‌گراد
منیزیم: 350 الی 425 درجه سانتی‌گراد
آلیاژ مس: 650 الی 1300 درجه سانتی‌گراد
اکستروژن سرد
به عملیات اکستروژنی که در دمای اتاق و بدون ایجاد حرارت انجام می‌شود اکستروژن سرد می‌گویند. از مزایای این روش نسبت به اکستروژن گرم میتوان به عدم اکسیداسیون، استحکام بالاتر، پرداخت سطح بهتر و اکستروژن سریع‌تر آن اشاره کرد. از جمله موادی که به طور معمول از این روش استفاده می‌کنند عبارتند از: مس، تیتانیوم، قلع، وانادیم، سرب، آلومینیوم، مولیبدن و … که برای تولید قطعات کوچکی مانند بدنه‌های شمع اتومبیل، محورها و قوطی کنسرو به کار گرفته می‌شوند.
اکستروژن مستقیم
متداول‌ترین روش اکستروژن، روش رو به جلو یا همان مستقیم است. در این روش قالب اکستروژن ثابت بوده و حرکت پیستون باعث می‌شود تا شمش یا بیلت به سمت قالب حرکت کند. بنابراین جهت حرکت پیستون و محصول یکی بوده و به همین دلیل است که به آن اکستروژن مستقیم می‌گویند. از مزایای این روش میتوان به قابلیت کنترل قطعه، سادگی، و قابلیت استفاده برای هر دو روش گرم و سرد آن اشاره کرد. اما لازم به ذکر است که اکستروژن مستقیم در کنار این مزایا، معایبی مثل اصطکاک زیاد و نیاز به نیروی زیاد را نیز شامل می‌شود.
اکستروژن غیرمستقیم
به اکستروژنی که در آن جهت حرکت پیستون و محصول در خلاف جهت یکدیگر باشد اکستروژن غیرمستقیم می‌گویند. به عبارت دیگر در این روش به جای حرکت بیلت به سمت قالب، قالب به بیلت فشرده می‌شود تا آن را از خود عبور دهد. در این روش انرژی کمتری مصرف شده و در نتیجه اصطکاک کمتری ایجاد می‌شود. از اکسترود غیرمستقیم به طور معمول برای آلیاژهای سخت استفاده شده و برای هر دو روش سرد و گرم قابل اجرا می‌باشد. با این روش امکان ایجاد قطعات نازک‌تری وجود داشته و امکان استفاده از آن در کاربردهای گوناگون وجود دارد.
اکستروژن هیدرواستاتیک
در اکستروژن هیدرواستاتیک از یک سیال برای اعمال فشار بر بیلت استفاده می‌شود. یعنی فاصله میان پیستون و بیلت را با مایعی مانند روغن و آب پر می‌کنیم تا فشار از طریق آن‌ها به بیلت وارد شده و اصطکاکی ایجاد نشود. مهمترین مزیت این روش نسبت به روش‌های دیگر نیاز به اعمال نیروی کمتر به دلیل نبود اصطکاک است. از دیگر مزایای آن میتوان به امکان تولید مقاطع بزرگتر، جلوگیری از بالا رفتن دمای بیلت، عدم ایجاد پرتی و توزیع متعادل نیرو اشاره کرد. هرچند باید به این نکته نیز توجه کرد که در این روش به دلیل وجود سیالات، امکان استفاده از روش گرم وجود نداشته و نگهداری از مایعات پرفشار نیز دشوار می‌باشد.
اکستروژن لوله‌ای
در این روش شمش جامد را از طریق قالبی مخصوص که حفره‌ای در میان آن است عبور داده و لوله‌های توخالی و بدون درز را ایجاد می‌کنیم. این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید لوله بوده و می‌تواند قطعاتی یکنواخت و بدون درز را ایجاد کند.
اکستروژن ضربه‌ای
این روش از اکستروژن در گروه اکستروژن سرد قرار گرفته و با فلزات نرمی مثل مس، آلومینیوم و سرب انجام می‌شود. شکل کاری این روش به این صورت است که پیستون با سرعت زیاد به سمت پایین هل داده شده و نیروی زیادی را به بیلت وارد می‌کند. این نیرو باعث می‌شود تا بیلت از دو طرف به سمت عقب پیستون اکسترود شده و با استفاده از استریپر از قالب خارج شود. نیروهای وارد شده بر پانچ بسیار زیاد بوده و لازم است تا ابزار مقاومت کافی در برابر ضربه را داشته باشند. از مزایای این روش میتوان به صرفه‌جویی در مواد اولیه، کاهش زمان ماشین‌کاری، بهبود استحکام مواد و صرفه‌جویی در هزینه‌ها اشاره کرد.
مزایای اکستروژن فلزات
همانطور که گفتیم یکی از پرکاربردترین روش‌های تغییرشکل فلزات اکستروژن است که برای تولید انواع مقاطع مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش مزایای منحصر به فردی را شامل می‌شود که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.
انعطاف‌پذیری در طراحی: اکستروژن امکان ایجاد اشکال پیچیده را فراهم کرده و تولیدکنندگان را قادر می‌سازد تا نیازهای مختلف محصول را برآورده کنند.
کارایی مواد: با استفاده از اکستروژن اتلاف مواد به حداقل می‌رسد.
بهبود خواص مکانیکی: خواص متالورژیکی فلزات اکسترود شده استحکام آن‌ها را افزایش داده و عملکرد و دوام محصولات را بهبود می‌بخشد.
صرفه‌جویی در زمان و هزینه: عملیات اکستروژن هیچ هدررفتی نداشته و با سرعت بالایی انجام می‌شود. از این جهت صرفه‌جویی مناسبی را در هزینه و زمان ایجاد می‌کند.
معایب و محدودیت‌های اکستروژن
در کنار تمام نکات مثبت و مزایایی که برای این فرایند وجود دارد باید به معایب و محدودیت‌های آن نیز توجه شود. از جمله این معایب میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
احتمال ایجاد ترک: اگر در فرایند اکستروژن پارامترهای مختلف به درستی انتخاب نشوند احتمال ایجاد ترک در قطعه یا بیلت وجود خواهد داشت.
محدودیت‌های مواد: همه فلزات برای اکستروژن مناسب نبوده و ممکن است برخی از آنان در طول فرایند دچار مشکلاتی مانند ترک‌خوردگی یا تخلخل شوند.
هزینه‌های اولیه: تهیه تجهیزات و دستگاه اکستروژن نیاز به سرمایه‌گذاری زیادی داشته و می‌تواند برای تولیدکنندگان در مقیاس کوچک مشکل‌ساز باشد.
کاربردهای اکستروژن فلزات
مزایای ذکر شده در بخش‌های قبل باعث می‌شوند تا این فرایند در صنایع و موارد مختلفی کاربرد داشته باشد. برخی از این کاربردها به شرح زیر هستند:
صنعت خودروسازی
در صنعت خودروسازی برای ساخت اجزایی مثل قاب پنجره‌ها، مبدل‌های حرارتی و قطعات موتور از اکستروژن استفاده می‌شود.
صنعت هوافضا
آلومینیوم به دلیل وزن کم و استحکام بالایی که دارد از طریق عملیات اکستروژن برای ساخت بال و اجزای بدنه هواپیما استفاده می‌شود.
صنایع ساخت و ساز
اکستروژن فلزی نقش مهمی را در ساخت و ساز ایفا می‌کند. از این فرایند برای ساخت قاب در و پنجره، عناصر تزئینی و پروفیل‌های سازه‌ای استفاده می‌شود.
کالاهای مصرفی
فرایند اکستروژن فلزات به دلیل مقرون به صرفه بودن و انعطاف در طراحی برای ایجاد طیف وسیعی از مبلمان و لوازم خانگی مناسب می‌باشد.
انرژی‌های تجدیدپذیر
برای تولید قاب‌های پانل خورشیدی، اجزای توربین بادی و مبدل‌های حراراتی از اکستروژن فلزی استفاده می‌شود.
جمع‌بندی
شکل‌دهی به فلزات از روش‌های مختلفی انجام می‌شود که هر کدام مزایا و معایب مخصوص به خود را شامل می‌شوند. یکی از این روش‌ها اکستروژن می‌باشد که توسط دانشمندی به نام الکساندر دیک توسعه داده شده است. کلیت این روش شامل آماده‌سازی بیلت، طراحی قالب، پرس و کنترل دما شده و روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرد. اکستروژن گرم و سرد دو روش اصلی این عملیات هستند که می‌توانند به روش‌های مستقیم، غیرمستقیم، هیدرواستاتیک، لوله‌ای و ضربه‌ای انجام شوند. استفاده از این فرایند مزایایی مثل انعطاف‌پذیری در طراحی، کارایی مواد، بهبود خواص مکانیکی و صرفه‌جویی در زمان و هزینه را شامل شده و محدودیت‌هایی مثل هزینه‌های اولیه و محدودیت مواد را به همراه دارد.
از این فرایند در صنایعی مثل خودروسازی، ساخت وساز، هوافضا و لوازم خانگی استفاده شده و انتظار می‌رود تا با پیشرفت تکنولوژی این کاربردها را ارتقا دهد. از جمله پیشرفت‌هایی که می‌توانند در اکستروژن تاثیرگذار باشند میتوان به استفاده از مواد نانوساختار و کاهش مصرف انرژی با سیستم‌های تجدیدپذیر اشاره کرده و امیدوار بود تا در آینده‌ای نه چندان دور شاهد پیشرفت‌های عظیم این فرایند باشیم.
پرسش و پاسخ
بله. نکتهای که در عملیات اکستروژن باید مورد توجه قرار بگیرد این است که انتخاب مواد شکننده برای اکستروژن سرد مناسب نبوده و نتایج درستی را به همراه نخواهد داشت.
از جمله مشکلاتی که در اکستروژن گرم وجود دارند میتوان به اکسید شدن بیلت و ابزار کار و مشکل روغن کاری آن اشاره کرد. آیا انتخاب نوع فلزات در اکستروژن موثر است؟
در اکستروژن گرم چه مشکلاتی ممکن است رخ بدهد؟
فرآیند, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امین شاکری | بروزرسانی : 16 آبان 1402
