ΙΕΛΑΣΗ ΓΕΝΙΚΑ Κατά τη διέλαση (extrusion) το τεµάχιο συµπιέζεται µέσω ενός εµβόλου µέσα σε µεταλλικό θάλαµο, στο άλλο άκρο του οποίου ευρίσκεται κατάλληλα διαµορφωµένη µήτρα, και αναγκάζεται να εξέλθει από το άνοιγµα της µήτρας αποδίδοντας προϊόν µε µικρότερη διατοµή και µεγαλύτερο µήκος, βλ. Σχ. 1(α). Κατά συνέπεια, το εργαλείο διέλασης περιλαµβάνει : το µεταλλικό θάλαµο, τη µήτρα, το έµβολο και το συµπληρωµατικό εξοπλισµό (δακτυλίους συγκράτησης κλπ.). Η διέλαση είναι γνωστή από τον 18 ο αιώνα και εκτελείται είτε ως θερµή είτε ως ψυχρή κατεργασία. Η χρησιµοποιούµενη εργαλειοµηχανή (ΕΜ) για την εκτέλεση της διέλασης είναι πρέσα, συνήθως υδραυλική και οριζόντια για τη θερµή διέλαση και κατακόρυφη για τη ψυχρή διέλαση. Οι ταχύτητες εµβόλου φθάνουν µέχρι 0.5 m/s. Οι µικρότερες ταχύτητες προτιµούνται για την κατεργασία µαλακών υλικών (Al, Mg, Cu), ενώ οι µεγαλύτερες τιµές για τα σκληρότερα υλικά (χάλυβες, πυρίµαχα κράµατα). ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΙΕΛΑΣΗΣ Ανάλογα µε τη διαδικασία εκτέλεσης της διέλασης, διακρίνονται τα ακόλουθα είδη, βλ. Σχ. 1: 1. Άµεση διέλαση (Direct extrusion) Είναι η κλασσική περίπτωση διέλασης. Η ροή του υλικού έχει την κατεύθυνση της κίνησης του εµβόλου. Το ΤΕ «γλιστρά» στα τοιχώµατα του µεταλλικού θαλάµου κατά τη διάρκεια της κατεργασίας, αναπτύσσοντας ισχυρές δυνάµεις τριβής.. Έµµεση διέλαση (Indirect extrusion) Στο µέτωπο του εµβόλου έχει ενσωµατωθεί η µήτρα. Με την κίνηση του εµβόλου η µήτρα κινείται ως προς το ΤΕ, ενώ το τελευταίο παραµένει ακίνητο µέσα στο θάλαµο. Το τελικό προϊόν εξέρχεται από κεντρική οπή στον άξονα του εµβόλου. Η ροή του υλικού έχει αντίθετη κατεύθυνση από αυτή της κίνησης του εµβόλου. Οι τριβές στη διεπιφάνεια ΤΕ/θαλάµου είναι αµελητέες. 3. Υδροστατική διέλαση (Hydrostatic extrusion) O µεταλλικός θάλαµος πληρούται µε υγρό, το οποίο συµπιέζεται από το έµβολο. Η αναπτυσσόµενη υδραυλική πίεση µεταφέρεται οµοιόµορφα στη µπιγέτα, η οποία και διελάσσεται. εν υπάρχει καθόλου τριβή του ΤΕ µε τα τοιχώµατα του θαλάµου. Προσοχή πρέπει να δίνεται στη στεγανότητα της εγκατάστασης. 4. Κρουστική διέλαση (Impact extrusion) Πρόκειται για µια µορφή έµµεσης διέλαση και εκτελείται µε µεγάλη ταχύτητα εµβόλου. 1
Ο θάλαµος έχει αντικατασταθεί από αβαθή κοιλότητα και το υλικό αναγκάζεται να περιρρέει το περίγραµµα του εµβόλου. Εφαρµόζεται σε σχετικά µαλακά υλικά (Pb, Zn, Al, Cu) για την παραγωγή µικρού µήκους κυαθίων. (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 1. Είδη διέλασης. (α) Ευθεία διέλαση, (β) Έµµεση διέλαση, (γ) Υδροστατική διέλαση, (δ) Κρουστική διέλαση Η ΡΟΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΛΛΟΥ ΣΤΗ ΙΕΛΑΣΗ Στο Σχ. παρουσιάζονται χαρακτηριστικές περιπτώσεις της ροής του υλικού κατά τη διέλαση. Όπως παρατηρείται µε τη χρήση πλεγµάτων σε διαιρετές µπιγέτες, χαρακτηριστική είναι η ανάπτυξη νεκρών ζωνών στην έξοδο, η εµφάνιση των οποίων ευνοείται από τις µεγάλες τριβές.
Σχήµα. Ροή του υλικού κατά τη διέλαση. 1: Χαµηλή τριβή/πολύ καλή λίπανση στα τοιχώµατα του θαλάµου, : Μεγαλύτερη τριβή/ανάπτυξη «νεκρής ζώνης» µετάλλου (DMZ) στην έξοδο της µήτρας, 3: Εντόνως µεγάλη τριβή/ανοµοιογενής ροή µετάλλου, 4: Ροή υλικού στην έµµεση διέλαση (χαµηλή τριβή). ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΙΕΛΑΣΗΣ ιακρίνουµε τις ακόλουθες φάσεις µιας άµεσης διέλασης µαζί µε την επίδραση καθεµιάς στη διαµόρφωση του φορτίου κατεργασίας (Σχ. 3): Φάση 1: Αρχική ή µεταβατική φάση Βαθµιαία πλήρωση του µεταλλικού θαλάµου µε το κατεργαζόµενο υλικό ΤΕ. Απότοµη αύξηση του φορτίου µέχρι µια µέγιστη τιµή, που αντιστοιχεί στην έναρξη εµφάνισης του πρώτου τµήµατος προϊόντος στην έξοδο της µήτρας. Φάση : Ευσταθής φάση Οµαλή διεξαγωγή της διέλασης µε σταθερό ρυθµό. Ανάπτυξη νεκρής ζώνης (ακίνητο υλικό) στην έξοδο της µήτρας. Μείωση του µήκους της µπιγέτας µέσα στο θάλαµο µε συνέπεια τη µείωση της αντίστασης τριβών. Βαθµιαία µείωση του φορτίου διέλασης, σε µικρότερο βαθµό στη θερµή διέλαση ή για µη κρατυνόµενα υλικά και σε µεγαλύτερο ρυθµό για την ψυχρή διέλαση κρατυνόµενων υλικών. Φάση 3: Φάση αστάθειας Όταν το µήκος της µπιγέτας µέσα στο µεταλλικό θάλαµο γίνει πολύ µικρό (το έµβολο πλησιάζει τη νεκρή ζώνη), παρατηρείται τριγµός στο εργαλείο διέλασης και θόρυβος. Το φαινόµενο συνοδεύεται µε απότοµη µείωση του φορτίου µέχρι µια ελάχιστη τιµή. 3
Φάση 4: Ανάπτυξη ελαττώµατος Περαιτέρω µείωση του µήκους της µπιγέτας οδηγεί σε απώλεια επαφής του κεντρικού τµήµατος της µπιγέτας µε την πιέζουσα επιφάνεια του εµβόλου, δηµιουργείται κεντρική κοιλότητα στο τελικό προϊόν και το υπόλοιπο τµήµα της µπιγέτας παρασύρεται µέσα σ αυτή την κοιλότητα. Το τµήµα του τελικού προϊόντος που φέρει τη σχηµατιζόµενη κοιλότητα θεωρείται ελαττωµατικό και αποκόπτεται. Κατά τη φάση αυτή σηµειώνεται απότοµη αύξηση του φορτίου κατεργασίας και συνιστάται η διακοπή της κατεργασίας. Σχήµα 3. Φάσεις διέλασης ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΙΕΛΑΣΗΣ (α) Οµοιογενής παραµόρφωση (απουσία τριβών) Θεωρούµε τµήµα της κατεργαζόµενης µπιγέτας µήκους l o και διατοµής Α ο το οποίο όταν µετατραπεί σε τελικό προϊόν έχει διατοµή Α f και µήκος l f ( Σχ. 4). Σχήµα 4. Υπολογισµός φορτίου διέλασης Από την αρχή διατήρησης του όγκου είναι: Ao lo = Af lf ή A o l = f (1) Af lo 4
A Σηµειούµενη παραµόρφωση στην έξοδο της µήτρας: o ε = ln Af () Ρυθµός έργου εξωτερικού φορτίου: W & e = (φορτίο) x (ταχύτητα) = P u (p Ao ) u (3) Ρυθµός πλαστικού έργου: W & i = (ειδικό πλαστικό έργο)x(κατεργαζόµενο όγκο ανά µονάδα χρόνου) ε = d σ ε 0 ( A u) o (4) ε σ dε 0 Αν εισάγουµε το µέσο όριο διαρροής Y =, από την εξίσωση των δύο έργων παίρνουµε ε µετά την εκτέλεση των πράξεων την ακόλουθη σχέση για την πίεση εµβόλου p Ao p = Y ln = Y ln Re A (5) f Ao όπου R e = ο λόγος διέλασης. Af (β) Ανοµοιογενής παραµόρφωση Χρησιµοποιείται η γενική σχέση: Ao p = c Y ln = c Y ln Re A (6) f όπου c = 1.67-3.3 o συντελεστής ανοµοιογένειας που υπολογίζεται εµπειρικά για συγκεκριµένες συνθήκες διέλασης. Ισχύει επίσης και η ηµιεµπειρική σχέση του Johnson που δίνει πολύ καλά αποτελέσµατα στις περισσότερες περιπτώσεις. Ao p = Y 0.8 + 1.5ln = Y [ 0.8 + 1.5ln Re ] A (7) f ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Θερµή διέλαση Παράγοντες που επηρεάζουν το φορτίο διέλασης είναι: (i) ο τύπος διέλασης (άµεση ή έµµεση) (ii) ο λόγος διέλασης R e (iii) η θερµοκρασία διέλασης (iv) η ταχύτητα παραµόρφωσης (v) οι συνθήκες τριβής στις τριβόµενες επιφάνειες. 5
Τα φορτία άµεσης διέλασης είναι µεγαλύτερα από τα αντίστοιχα της έµµεσης διέλασης διότι στην τελευταία οι τριβές είναι πολύ µικρότερες. Άρα, στη φάση ευστάθειας το φορτίο δεν αναµένεται να έχει σοβαρή µείωση κατά την έµµεση διέλαση. Όσον αφορά τον λόγο διέλασης µπορεί να φθάσει µέχρι τη τιµή 40:1 σκληρά υλικά (χάλυβες) ή αντίστοιχα µέχρι 400:1 σε µαλακά υλικά (Al). H ταχύτητα εξόδου του τελικού προϊόντος ισούται µε το γινόµενο u R e, όπως προκύπτει από τη εξίσωση συνεχείας, οπότε για µεγάλους λόγους διέλασης µπορεί σηµειωθούν µεγάλες ταχύτητες ολίσθησης στην έξοδο της µήτρας. Οµοίως, όπως προκύπτει από την εξ. (5), η πίεση του εµβόλου είναι ευθέως ανάλογη του lnr e. Οι µεγάλες θερµοκρασίες κατεργασίας µειώνουν την τάση ροής ή την αντίσταση σε παραµόρφωση του υλικού ΤΕ. Χαρακτηριστικές θερµοκρασίες θερµής διέλασης για τα διάφορά υλικά είναι: Χάλυβας (100 ο C), Cu και κράµατά του(800 o C), Al και κράµατά του (470 o C), Pb (30 o C) κλπ. Οι υψηλές θερµοκρασίες εισάγουν προβλήµατα οξείδωσης του κατεργαζόµενου υλικού και του εργαλείου διέλασης, εξασθένησης (softening) των υλικών µήτρας/θαλάµου/εµβόλου και διάσπασης του χρησιµοποιούµενου λιπαντικού. Η θερµοκρασία κατεργασίας πρέπει να είναι η ελάχιστη δυνατή, η οποία θα εξασφαλίζει επαρκή πλαστικότητα στο υλικό ΤΕ και δεν θα προκαλεί θερµική συστολή. Σηµαντική αύξηση της θερµοκρασίας παρατηρείται στις σχετικά µεγάλες µειώσει της διατοµής (έργο παραµόρφωσης), οπότε στον υπολογισµό της βέλτιστης θερµοκρασίας πρέπει να λαµβάνεται υπόψη αυτή η θερµοκρασιακή µεταβολή για να µην φθάσει το υλικό κοντά στο σηµείο τήξης του ή στην περιοχή που λαµβάνει χώρα θερµική συστολή. Αύξηση της ταχύτητας εµβόλου προκαλεί αύξηση της πίεσης εµβόλου, διότι το υλικό ΤΕ συµπεριφέρεται ως πιο κρατυνόµενο. Στις χαµηλές ταχύτητες παρατηρείται ταχύτερη απόψυξη της µπιγέτας. Άµεση συνέπεια αυτού είναι η σκλήρυνση του υλικού και η βαθµιαία αύξηση του φορτίου διέλασης µε τη διαδροµή του εµβόλου. Όσο µεγαλύτερη είναι η θερµοκρασία του ΤΕ, τόσο πιο έντονη είναι η επίδραση της χαµηλής ταχύτητας στην απόψυξη του ΤΕ. Άρα, όπου απαιτούνται υψηλές θερµοκρασίες θα εφαρµόζονται σχετικά µεγάλες ταχύτητες εµβόλου. Για τα σκληρά υλικά (χάλυβες, κράµατα NI κ.α.) αποτελεσµατικό λιπαντικό που δεν διασπάται στις υψηλές θερµοκρασίες είναι τήγµα υάλου, η οποία διατηρεί το ιξώδες της στις υψηλές θερµοκρασίες, έχει καλά χαρακτηριστικά διαβροχής και ενεργεί και ως θερµοµονωτικό. Η εφαρµογή του λιπαντικού µπορεί να γίνει κατά δύο τρόπους: (α) Η µπιγέτα θερµαίνεται σε αδρανή ατµόσφαιρα και επικαλύπτεται µε σκόνη υάλου πριν εισέλθει στο µεταλλικό θάλαµο. Το επίστρωµα υάλου παρέχει λιπαντική δράση και συγχρόνως λειτουργεί ως θερµοµονωτικό µειώνοντας την απορροή θερµότητας από το ΤΕ προς το ΕΡ και ως προστατευτική επικάλυψη από την επίδραση της ατµόσφαιρας. (β) Στην είσοδο της µήτρας τοποθετείται υάλινος δίσκος µπροστά από τη µπιγέτα. Κατά την εκτέλεση της θερµής διέλασης ο υάλινος δίσκος µαλακώνει βαθµιαία, τήκεται και µετατρέπεται σε λεπτή µεµβράνη πάχους γύρω στα 0.03 mm που καλύπτει πλήρως το ΤΕ. Άλλα χρησιµοποιούµενα στερεά λιπαντικά: γραφίτης και MoS. Στα µη σιδηρούχα µέταλλα συνήθως δεν χρησιµοποιείται λιπαντικό ή σπάνια γραφίτης. Υλικά που έχουν την τάση να «κολλούν» στα τοιχώµατα του ΕΡ καλύπτονται συνήθως µε ελαφρά επικάλυψη από µαλακό υλικό (Cu, µαλακός χάλυβας) που εκτός από λιπαντικό λειτουργεί και ως προστατευτικό επίστρωµα έναντι της ατµόσφαιρας. Ψυχρή διέλαση Λόγω της κράτυνσης του υλικού ΤΕ που σηµειώνεται σε κάθε ψυχρή κατεργασία, τα φορτία κατεργασίας είναι σχετικά υψηλά. Γι αυτό πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στην 6
κατασκευή των διαφόρων µερών του ΕΡ διέλασης από απόψεως υλικών κατασκευής και αντοχής. Ιδιαίτερη σηµασία για την απρόσκοπτη εκτέλεση της ψυχρής διέλασης έχει το σύστηµα λίπανσης. Χρησιµοποιούνται υψηλής πίεσης λιπαντικά και σάπωνες. Για τους χάλυβες εφαρµόζεται χηµική επιφανειακή επικάλυψη Ζn (φωσφάτωση) σε συνδυασµό µε σάπωνα. Προσοχή πρέπει να δίνεται στη ακριβή οδήγηση του εµβόλου προς αποφυγή λυγισµού ή θραύσης του. Για το λόγο αυτό προτιµούνται οι κατακόρυφες πρέσες. Παρατηρείται σηµαντική αύξηση της θερµοκρασίας της τάξης των 500-600 ο C, λόγω της πρόσδοσης πλαστικού έργου. ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΥΣΧΕΡΕΙΑΣ Για την αξιολόγηση του βαθµού δυσκολίας που εισάγει µια µήτρα στη διεξαγωγή της διέλασης χρησιµοποιούνται οι παράµετροι: 1 =(περίµετρος διατοµής προϊόντος)/(περίµετρος µπιγέτας ισοδύναµης κυκλικής διατοµής) =(περίµετρος διατοµής προϊόντος)/(βάρος ανά µονάδα µήκους) 3 =(διάµετρος περιγεγραµµένου κύκλου)/(ελάχιστο πάχος διατοµής) Η φυσική ερµηνεία αυτών των συντελεστών είναι η εξής: Αυξανοµένης της περιµέτρου της διατοµής και των λεπτοµερειών της (εσοχές, εξοχές) (συνδυασµός των 1 και ), αυξάνεται η δυσκολία διέλασης. Αυξανοµένου του βάρους ανά µονάδα µήκους (µεγάλες διατοµές), µειώνεται η δυσχέρεια διέλασης (δείκτης ). Αυξανοµένου του βάρους αυξάνεται η ευκολία διέλασης (δείκτης 3 ). 7
Θεωρούµε διέλαση µέσω κωνικής µήτρας (Σχ. 1) Μηχανική της διέλασης Αναγνώριση του προβλήµατος Σχήµα 1: ιέλαση µέσω κωνικής µήτρας ιέλαση µέσω κωνικής µήτρας µε δύναµη εµβόλου που ασκεί θλιπτική τάση p e. Υφίστανται δύο διακεκριµένες περιοχές, η κωνική περιοχή Ι (µήτρα) και η κυλινδρική περιοχή ΙΙ (θάλαµος) Συνθήκες τριβής κατά Coulomb (τ=µp) στην περιοχή Ι και συνθήκες sticking στην περιοχή ΙΙ. Ροή του υλικού µόνο προς τα έξω. Θεωρούµε κυλινδρικό σύστηµα αξόνων (r, θ, x) µε άξονα x τον άξονα συµµετρίας του σύρµατος µε αρχή την κορυφή Ο του κώνου. Σε καθεµιά από τις περιοχές Ι και ΙΙ θα µελετηθεί η ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας πάχους dx, σε απόσταση x από τον άξονα, όπου η τριβή θα έχει φορά προς τα αριστερά. Α. Περιοχή Ι Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας Από την υφιστάµενη γεωµετρία προκύπτουν οι ακόλουθες σχέσεις r = x tan α (1α) dr = dx tan α (1β) dx ds = (1γ) cosα Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας κατά τον άξονα x (Σχ. ) Οι συνιστώσες δυνάµεις είναι: 8
( σ x + dσ x ) π(r + dr) σ xπr dx p πr ds sin α = p πr sin α = p πr tan α dx cos α dx τ πr ds cos α = µ p πr cos α = µ p πr dx cos α Η εξίσωση ισορροπίας γράφεται ( σ x + dσx ) π(r + dr) σ xπr + p πr tan α dx + µ p πr dx = 0 ή λόγω των εξ. (1) και µε απαλοιφή του x r dσ + [ σ + p(1 + µ cot α)] dr 0 () x x = Σχήµα : Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας κατά τον άξονα x. Εισαγωγή κριτηρίου διαρροής Κατά τα γνωστά, ισχύει σ 1 σ 3 = Y. Θεωρώντας ως κύριες διευθύνσεις τις x και r, αντίστοιχα (δηλ. σ1 = σ x και σ 3 = σr ), µε κατάλληλες τοµές της στοιχειώδους λωρίδας, όπως φαίνεται στο Σχ. 3, ελευθερώνονται εσωτερικές τάσεις σr και σθ. 9
Σχήµα 3: Ισορροπία κατά διεύθυνση r. Από την ισορροπία κατά την ακτινική διεύθυνση r προκύπτει dθ ( p cos α µ p sin α)(r + dr)dθ dx σr r dθ dx σθ sin dr dx = 0 θέτοντας σ r λαµβάνεται = σ θ και αντικαθιστώντας το sin µε το τόξο του, µετά την εκτέλεση των πράξεων σ r = p(1 µ tan α) και επειδή µ tan α 0, τελικά θα είναι σ r = p (3) Με αντικατάσταση στο κριτήριο διαρροής παίρνουµε σ x ( p) = Y ή τελικά p = Y σ (4) x Επίλυση Η εξ. () γίνεται λόγω της εξ. (4) r dσ x + [ σ x + (Y σ x )(1 + µ cot α)] dr = 0 ή θέτοντας B = µ cot α dr dσ x = r [ σ x + (Y σ x )(1 + B)] ή dr dσ x = r [Y(1 + B) Bσ x ] ή dr d[(1 + B)Y Bσ x ] = r B [(1 + B)Y Bσ x ] ή µε ολοκλήρωση 10
l 1 nr = n[(1 B)Y B x ] c B l + σ + (5) Οριακή συνθήκη για τον προσδιορισµό της σταθεράς ολοκλήρωσης c. Στην έξοδο ( r = df ) η ροή είναι ελεύθερη, συνεπώς θα είναι σ x = 0. Με αντικατάσταση στην εξ. (5) προκύπτει df 1 c = l n ln[(1 + B)Y] (6) B Από το συνδυασµό των εξ. (5) και (6) παίρνουµε r 1 (1 + B)Y Bσ x l n = ln ή df B (1 + B)Y B r (1 + B)Y Bσ x = d f (1 + B)Y ή µετά την εκτέλεση των πράξεων σ x B 1 + B r = Y 1 (7) B df Η αντίστοιχη τάση στην είσοδο της µήτρας (r=d i ) είναι σ xi B 1 + B d i = Y 1 (8) B df Β. Περιοχή ΙΙ Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας Από την ισορροπία κατά τον άξονα x προκύπτει (Σχ. 4) ( i π di π di σ x + dσx ) σx + k ( πd ) dx = 0 4 4 ή µετά την εκτέλεση των πράξεων 4k dσ x = dx (9) di 11
Σχήµα 4: Ισορροπία στοιχειώδους λωρίδας Επίλυση Η εξ. (9) µε ολοκλήρωση δίνει 4kx σ x = + c1 (10) di Οριακές συνθήκες (i) Στη θέση x=l 1 είναι σ x =σ xi, από την οποία υπολογίζεται η σταθερά ολοκλήρωσης c 1 B 1 B d + i 4kL1 c 1 = Y 1 + B d (11) f d i (ii) Στη θέση x=l+l 1 είναι σx = p e (θλιπτική), από την οποία υπολογίζεται η πίεση εµβόλου (σε συνδυασµό µε τις εξ. (10) και (11)) B 1 B d + i 4kL p e = Y 1 + B d (1α) f d i ή αντικαθιστώντας για το λόγο διέλασης R = Ai Af di = df B ( R 1) 1 + B 4kL p e = Y + (1β) B di ύναµη εµβόλου Pe πdi = pe (13) 4 1