ساخت قالب اکستروژن

 

در طراحی و ساخت قالب اکستروژن بایستی به شکل و ضخامت و همچنین نوع آلیاژ درخواستی توجه شود. همه این عوامل به طور مستقل روی هزینه ساخت قالب اکستروژن نیز تاثیر می گذارند. پارامترهای مهم دیگر دقت ابعادی مورد نیاز و طراحی قالب اکستروژن به منظور ایجاد حداقل اعوجاج در محصول نهایی است. به طور کلی اهمیت جزئیات ساخت قالب اکسنرود در اینجاست که به طور مستقیم روی حجم زیادی از محصولات تولیدی تاثیر می گذارد.

انواع دهانه در طراحی قالب اکستروژن

قالب های اکستروژن از لحاظ فرم دهانه در سه دسته بندی جا می گیرند.

 

ساخت قالب اکستروژن به صورت بسته یا Solid برای تولید محصولاتی مثل میله و نبشی استفاده می شود که هیچ حفره یا سوراخی ندارند. ساخت این قالب به شکل بسته معمولا هزینه زیادی نیاز ندارد. قالب های بسته از مجموعه ای از قسمت های مختلف تشکیل می شوند. صفحه تغذیه (Feeder plate) سیلان مواد را به درون سوراخ قالب کنترل می کند. صفحه قالب (Die plate) شکل مورد نظر را ایجاد می کند. صفحه پشتیبان (Backer plate) از زبانه قالب پشتیبانی می کند تا از اعوجاج میله یا پروفیل جلوگیری شود. در نهایت کلاهک قالب وظیفه هدایت بار خارج شده از صفحه پشتیبان را دارد.

 

ساخت قالب اکستروژن بسته خود به دو نوع فلت فیس (Flat-face) و پاکت (Pocket) انجام می شوند. قالب های فلت فیس سطح صافی دارند و هر بار یک بیلت را اکسترود کرده و قالب های پاکت قابلیت انجام اکستروژن مداوم را دارند.

 

قالبهای توخالی یا hollow به فرم سنبه و ماتریس برای ساخت قطعاتی با حداقل یک حفره مثل لوله ها  یا پروفیل های با مقطع پیچیده مورد استفاده قرار می گیرند. اغلب قالب های توخالی از دو بخش سنبه (Mandrel) که ساختار داخلی پروفیل را شکل می دهد و Die cap که بخش خارجی حفره را مشخص می کند، تشکیل می شوند. ساخت این نوع قالب ها پیچیدگی بیشتری دارد و در نتیجه هزینه ساخت قالب اکستروژن به روش توخالی بیشتر است.

 

ساخت قالب اکستروژن به شکل هیبریدی یا نیمه خالی (semi-hollow) نیز برای محصولات دارای حفره های نیمه بسته انجام می شود.

تاثیر نوع دهانه قالب بر فرآیند اکستروژن

تمایز بین شکل های مختلف پروفیل ها به وسیله پارامتری به نام نسبت زبانه (Tongue ratio) تعیین می شود. این پارامتر که عبارت از نسبت مساحت به فاصله یکی از گپ های پروفیل است، در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

 

در طراحی قالب اکستروژن نسبت زبانه هر چه بیشتر باشد، اکستروژن سخت تر بوده و فشار بیشتری روی قالب اعمال خواهد کرد. ضخامت دیواره پروفیل خود عامل مهمی در عمر قالب است. پروفیل های نازک تر تاب برداشته و ایجاد فشار اضافه روی قالب می کنند. نسبت زبانه قالب های بسته از قالب های توخالی یا نیمه خالی بیشتر است. بنابراین ساخت قالب اکستروژن به روش بسته موجب عمر بیشتر قالب نسبت به قالب های نیمه بسته می شود.

انواع مختلف قالب اکستروژن

ساخت قالب اکستروژن برای ماشین های مستقیم، غیر مستقیم، هیدرواستاتیک و جانبی انجام می شود.

 

 قالب مستقیم یا رو به جلو معمول ترین نوع ساخت قالب اکستروژن است. در این نوع فرآیند، بیلت با حرکت فشاری به درون قالب رانده می شود. این نوع فرآیند کم هزینه و پرکاربرد است اما نیاز به نیروی زیادی دارد و عمر قالب را کاهش می دهد.

 

در اکستروژن غیر مستقیم یا رو به عقب، طراحی قالب اکستروژن به گونه ای انجام می شود که متحرک بوده و به سمت قطعه حرکت کند. به دلیل نبود حرکت در بیلت و در نتیجه اصطکاک کم تر، این فرآیند مصرف انرژی پایینتری دارد.

 

در اکستروژن هیدرواستاتیک، نیرو به وسیله فشار هیدرواستاتیک مایع به بیلت وارد شده و در واقع اصطکاکی وجود ندارد و نیروی بسیار کمتری نیاز است و عمر قالب افزایش می یابد. ولی هزینه ساخت قالب اکستروژن به این روش بسیار بالا بوده و فقط برای اکستروژن سرد استفاده می شود.

 

ساخت قالب اکستروژن به صورت جانبی نیز فرآیندی برای فرم دهی مواد با ویسکوزیته و دمای ذوب پایین است.

جزئیات ساخت قالب اکستروژن

برای ساخت قالب اکستروژن از روش های سنگ دستی ، فرز CNC یا ماشینکاری اسپارک و از برش های ظریف مثل برش وایرکات استفاده می شود. در طراحی قالب اکستروژن از فولادهای گرمکار سختکاری شده یا پوشش دهی شده به وسیله روش هایی مثل لایه نشانی به روش PVD استفاده می شود. فولادهای گرمکار برای ساخت قالب  اکسترود برای فرم دهی آلومینیوم ، مس و فولاد مناسب هستند و برای دماهای بیش از 320 درجه سانتیگراد کاربرد دارند. این نوع از فولاد می تواند دارای عناصری مانند مولیبدن، تنگستن و کبالت باشد تا از نرم شدن در دماهای بالا جلوگیری شود.

 

برای افزایش مقاومت حرارتی و مقاومت به سایش نیز می توان وانادیم به این فولادها اضافه کرد. برای روانکاوی مسیر حرکت فلزاتی مثل فولاد می توان از شیشه های ذوب شده در دماهای بالا و روغن با گرافیت در دماهای پایین استفاده کرد. استفاده از این مواد عمر قالب را افزایش می دهد.

فرآیند های ساخت قالب اکستروژن

ساخت قالب اکستروژن به دو روش دستی و کامپیوتری انجام می شود.

برای ماشین کاری قالب می توان از روش های دستی استفاده کرد که خطای زیادی دارند. در این روش ها خط کشی ها و طراحی قالب اکستروژن به صورت دستی و با خط کشی روی قالب خام انجام می شود. سپس صاف کاری و پرداخت نهایی توسط سنگ انگشتی انجام می شود. تنها مزیت این روش هزینه پایین تر آن است. همچنین می توان از طرح های کامپیوتری استفاده کرد که دقت و سرعت بالا و تکرارپذیری بیشتر اما هزینه بالاتری نیز دارند. طراحی قالب اکستروژن و مدلسازی سه بعدی قالب در این روش ها که به روش های CAD-CAM مخفف عبارت Computer-aided Design- Computer-aided Manufacturing معروف هستند  توسط نرم افزارهای مدلسازی انجام می شود. طرح های مدلسازی شده در نرم افزارهایی مثل MAGMA و POWERMILL در کنار ماشین های CNC می تواند طرح های مختلف را با ظرافت و دقت ابعادی بالا تولید کند.

عمر قالب اکستروژن

پیش بینی عمر در طراحی قالب اکستروژن بستگی به نوع طراحی پروفیل انجام می شود. دیواره های نازک، شکل های غیرمتقارن و پیچیده بزرگترین دلایل کاهش عمر قالب هستند. پوشش قالب ها و پرداخت سطح قالب نیز روی عمر قالب تاثیر دارند. معمولا با اعمال پوشش هایی همانند آندایزینگ عمر قالب را افزایش می دهند.

هزینه ساخت قالب اکستروژن

هزینه ساخت قالب اکستروژن بستگی به عواملی مثل نوع آلیاژ، حجم تولید، نوع پروفیل و دقت ابعادی مورد نیاز دارد. اولین عاملی که روی هزینه قالب تاثیر می گذارد، دستی یا کامپیوتری بودن مراحل ساخت قالب اکسترود است. ساخت و طراحی دستی بسیار ارزان تر از طراحی های کامپیوتری و همچنین بی کیفیت تر از آن ها است. در مرحله بعدی نوع دهانه قالب روی هزینه ساخت قالب اکستروژن تاثیر می گذارد. دهانه های توخالی ساده هزینه ای تا دو برابر دهانه های بسته دارند. و پروفیل های پیچیده با حفرات تو در تو می توانند هزینه ساخت و طراحی قالب اکستروژن را چند برابر کنند.

 

از لحاظ مواد اولیه در طراحی قالب اکستروژن، فولادهای گرمکار سری H به خصوص فولاد H13 اکستروژن طیف وسیعی از مواد را پوشش می دهد. تنها نکته مهم این است که اکستروژن فولادها در مقایسه با اکستروژن مس و آلومینیوم به دلیل دما و فشار بالاتر موجب کاهش عمر قالب و افزایش هزینه کلی فرآیند می شود.