Как стандартные материалы, так и нестандартные металлические детали могут иметь самые разнообразные поперечные сечения. Металлическая экструзия — один из способов изготовления бесшовных труб или сложных полноразмерных профилей.
Безусловно, значение металлической экструзии трудно переоценить. Продукты, полученные этим методом, находят применение во множестве отраслей: строительстве, производстве, розничной торговле, информационных технологиях и т. д.
Базовое понимание всех ключевых методов производства, их возможностей и гибкости существенно помогает инженеру. Поэтому мы кратко рассмотрим различные аспекты этого метода.
Процесс металлической экструзии был изобретён Джозефом Брама в 1797 году. Он продавливал мягкий металл через матрицу с помощью ручного поршня, формируя металлические трубы.
Этот же человек в 1820 году для Томаса Барра разработал первый гидравлический пресс. Именно этот пресс позволил получить первые свинцовые трубы, что стало прорывом в металлургической промышленности.
Металлическая экструзия — это процесс формовки, при котором металл (разогретый или холодный) проталкивают через матрицу. Проходя через неё, металл приобретает форму отверстия матрицы. Вышедший материал называют «экструдатом».
Металл подвергается сжимающим и сдвиговым напряжениям, чтобы принять форму матрицы. Благодаря характеру этих сил и высоким температурам можно формовать даже материалы с хрупкими свойствами.
Кроме металлов, для экструзии подходят неметаллические материалы: керамика, пластик, глина, бетон, полимеры и др.
С момента изобретения процесс экструзии металлов претерпел множество изменений. Помимо прямого производства конечных изделий, этот метод используют для получения однородного материала для аддитивных технологий, таких как 3D-печать. Такой материал послойно откладывается для создания требуемого изделия.
Универсальный процесс металлической экструзии включает следующие этапы.
Алюминиевые заготовки
Заготовка или слиток — это исходный металл, используемый в производстве. Однако заготовка должна соответствовать определённым стандартам, установленным конструкторами. Обычно она имеет круглое или квадратное сечение, но возможны и другие формы.
Сама заготовка производится методами горячей прокатки или непрерывного литья.
Стандартный материал размещают в оборудовании для экструзии, например, в прессе, и нагревают до рекомендуемой температуры для горячей экструзии.
Для холодной экструзии предварительный нагрев не требуется, так как процесс проходит при комнатной температуре.
На этом этапе на заготовку действует сжимающая сила, проталкивающая металл к матрице. Отверстие матрицы обычно невелико. Под действием высокого давления металл выходит через отверстие, приобретая его форму.
После завершения процесса давление сбрасывается, а изделие переходит к следующей стадии.
Далее изделие подвергается термической обработке для улучшения свойств и подготовки к эксплуатации. Конкретный тип обработки зависит от металла.
Например, для алюминия экструзионную деталь сначала охлаждают, затем растягивают и нарезают на требуемые длины. После этого элементы подвергаются старению: их нагревают до 350°F (около 177°C) и выдерживают четыре часа для упрочнения.
Существует несколько типов экструзии металлов. Хотя основные принципы неизменны, их реализуют по-разному для получения широкого спектра изделий.
Все процессы экструзии металлов можно отнести к одной из следующих категорий.
При горячей экструзии исходный металл нагревают выше температуры рекристаллизации. Это смягчает металл и позволяет ему течь через отверстие матрицы.
Высокая температура предотвращает наклёп материала. Использование смазки обязательно из-за высокого давления.
Оборудование для горячей экструзии дорогое в покупке и обслуживании, его целесообразно использовать только при большом объёме продукции.
Экструзия при комнатной температуре называется холодной. Метод аналогичен горячей экструзии, но материал не нагревают или нагревают незначительно. У этого процесса есть свои плюсы и минусы по сравнению с горячей экструзией.
Преимущества: сокращение времени партий, более точные допуски, лучшая чистота поверхности, отсутствие окисления.
Недостатки: требуется больше энергии, так как материал труднее обрабатывать; механические свойства материала могут изменяться в процессе; скорость экструзии при низких температурах ниже.
Если экструзия осуществляется при температурах между комнатной и температурой рекристаллизации металла, процесс называют тёплой экструзией.
По сравнению с предыдущими методами, тёплая экструзия позволяет лучше контролировать свойства экструдата, например, пластичность.
Температуры для тёплой экструзии составляют 424–975°C. Температура никогда не превышает критическую точку плавления на любом этапе деформации.
Фрикционная экструзия — относительно малоизвестный процесс, который в последнее время привлекает всё больше внимания благодаря преимуществам в аддитивных технологиях.
В этом методе нагрев исходного металла происходит за счёт трения между матрицей и заготовкой. Дополнительный разогрев не требуется — внутренней энергии достаточно для достижения необходимой температуры.
Под действием нагрузки металл проталкивается через отверстие матрицы, и экструзионная деталь выходит сверху, повторяя форму матрицы. Преимущество фрикционной экструзии — возможность использовать перерабатываемый металл в качестве сырья напрямую. Отходы, такие как мелкие обрезки, блоки, стружка и порошки, могут быть использованы для производства готовых изделий без дополнительной подготовки.
Микроэкструзия позволяет получать изделия в субмиллиметровом диапазоне для специальных применений. Процесс аналогичен стандартному, но требует миниатюрных матриц и поршней, что связано с высокими требованиями к точности. Продукция микроэкструзии помещается в квадрате размером 1 мм.
В работе с мелкими изделиями также возникают вопросы, связанные со структурой зерна, дефектами деформации и стабильностью формования.
Существует множество видов оборудования для экструзии. Их можно классифицировать по разным признакам: направлению приложения силы, среде приложения силы и др.
Наиболее распространённые типы оборудования для экструзии:
В прямой экструзии используется неподвижная матрица, а давление на металл создаёт поршень. Под этим давлением металл выходит через отверстие матрицы, расположенное с противоположной стороны от поршня. Таким образом, экструзионная деталь выходит в направлении движения поршня, поэтому этот процесс называют также прямоточной экструзией.
Преимущества прямой экструзии:
Недостатки:
В обратной экструзии отверстие матрицы находится на поршне. При сжатии жидкий металл течёт через отверстие в противоположную сторону от движения поршня, поэтому процесс называют также обратоточной экструзией.
Обратная экструзия требует меньше энергии из-за снижения трения между заготовкой и контейнером. Как и прямая, подходит для горячей и холодной экструзии.
Недостаток — сложно поддерживать экструзионную деталь, так как поршень полый и это ограничивает допустимую нагрузку.
В перечисленных выше методах поршень контактирует с заготовкой напрямую. В гидростатической экструзии заготовка сжимается с помощью жидкости, которая окружает её со всех сторон, кроме соприкосновения с матрицей.
Это устраняет трение между заготовкой и контейнером и, соответственно, снижает необходимые усилия. При приложении давления единственный выход для материала — отверстие матрицы, через которое и происходит экструзия.
Преимущества гидростатической экструзии:
Недостатки:
В импульсной экструзии поршень с большой скоростью соприкасается с заготовкой. Под действием возникающего давления металл выходит через зазор между поршнем и матрицей, приобретая требуемую форму.
Когда поршень поднимается, экструзионная деталь поднимается вместе с ним и отделяется с помощью съёмной пластины.
Импульсная экструзия — разновидность холодной экструзии, обычно используется для мягких металлов, таких как алюминий, медь и свинец.
В боковой экструзии отверстие матрицы находится сбоку контейнера. Когда поршень давит на заготовку, металл выходит через боковое отверстие. Возможна установка нескольких отверстий. В этом случае направление течения металла перпендикулярно движению поршня.
Боковая экструзия — особый вид штамповки в закрытых штампах. Её используют как альтернативу высадке, так как она позволяет создавать изделия большой длины за одну операцию.
Дефекты — неизбежный сопутствующий элемент любого процесса. Однако их можно минимизировать с помощью правильных мер и последующей обработки. Существует три основных типа дефектов экструдата, которые могут существенно повлиять на качество готового изделия.
Основная причина трещин на поверхности — чрезмерные напряжения на поверхности материала. Повышенное трение в процессе экструзии приводит к их появлению.
Если трещины возникают в центре изделия, это внутренние трещины. Их причина — низкое трение и низкие коэффициенты деформации в рабочей зоне. Для их устранения необходимо увеличить трение между инструментом и заготовкой.
Пайпинг — воронкообразная пустота в конечном изделии. Она возникает при наличии примесей или окислов в исходном материале.
