Понимание процесса экструзии

Процесс экструзии сегодня является одним из наиболее распространенных процессов в мире производства. Он включает в себя использование большого разнообразия материалов, таких как металлы, пластмассы, керамика и т. д. Процесс может выполняться как в горячем, так и в холодном состоянии, когда требуются лучшие свойства. Процессы экструзии металлов могут увеличить прочность материала.

Сегодня вы познакомитесь с определением, применением, функцией, процессом, материалами, оборудованием, типами и принципом работы процесса экструзии. Вы также познакомитесь с преимуществами и недостатками процесса экструзии.

Что такое процессы экструзии?

Экструзия — это производственный процесс формования, который включает продавливание основного материала через предварительно сформированную головку для создания объектов определенной формы и профиля. Этот процесс используется для создания объектов с фиксированным профилем поперечного сечения. При его работе материал проталкивается через матрицу желаемого поперечного сечения, его форма изменяется в соответствии с формой матрицы. Продукты экструзии обычно называют «экструдатами».

Коэффициент экструзии определяется как начальная площадь поперечного сечения, деленная на площадь поперечного сечения конечной экструзии. Одним из преимуществ процесса экструзии является то, что это соотношение может быть очень большим, но при этом производить качественные детали. Этот процесс позволяет создавать очень сложные поперечные сечения и работать с хрупкими материалами. Это связано с тем, что материал сталкивается только с напряжениями сжатия и сдвига. Процесс экструзии также обеспечивает превосходную чистоту поверхности деталей и дает значительную свободу формообразования в процессе проектирования.

Процессы экструзии аналогичны волочению, при котором используется прочность материала на растяжение, чтобы протянуть его через матрицу. Процесс волочения используется для производства проволоки, металлических стержней и труб. Однако он ограничен более простыми формами, и обычно требуется несколько этапов, в отличие от экструзии, при которой все выполняется за один этап.

Известно, что экструзия может быть непрерывной (теоретически с получением неопределенно длинного материала) или полунепрерывной (с получением множества деталей). Обычно в процессе экструзии используются металлы, полимеры, керамика, бетон, глина для лепки и пищевые продукты.

Применения процесса экструзии

Применение экструзии очень распространено вокруг нас, так как большинство материалов, используемых в наших домах, офисах, на рабочих местах, являются экструдатами. Хороший пример экструзионного формования можно увидеть, когда вы выдавливаете зубную пасту, форма, в которой паста принимает форму, когда выходит. Пакет для глазури также является хорошим примером того, как глазурь выталкивается наружу.

Экструзионное формование пластмасс используется для изготовления любой длинной формы с постоянным поперечным сечением. Этот процесс можно использовать для производства труб, желобов, оконных профилей и декоративных накладок. Термопластичные материалы, такие как ПВХ (поливинилхлорид), LDPE (полиэтилен низкой плотности), HDPE (полиэтилен высокой плотности) и PP (полипропилен), могут быть экструдированы. Ниже приведены общие области применения процесса экструзии или экструдатов термопластов:

• Изолирующее покрытие для проводов и кабелей.
• Плоские пластиковые листы для вывесок, остекления, внутренней отделки холодильников.
• Осветительные приложения.
• Моноволокно для веревки, щетины и синтетических текстильных волокон.
• Трубы и шланги используются для шлангов, водопровода, газа, канализации и стоков.

Промышленные применения процесса экструзии включают:

• Производство труб и полых труб.
• Экструзия алюминия используется для изготовления конструкций во многих отраслях промышленности.
• Автомобильные детали широко производятся с использованием этого процесса.

Дополнительные сведения о применении процесса экструзии см. в разделе ниже (материалы, используемые в процессе экструзии).

Примечание :основной функцией экструзии является производство объектов с фиксированными поперечными сечениями и профилями.

Процесс экструзии

Процесс горячей или теплой экструзии начинается с нагрева исходного материала, который затем загружается в контейнер пресса. За ним помещается фиктивный блок, где плунжер давит на материал, чтобы вытолкнуть его из матрицы. Затем экструзия растягивается, чтобы выпрямить ее. Требование определенного или лучшего свойства требует холодной или термической обработки.

Процесс горячей экструзии:

Это горячая обработка, то есть ее проводят выше температуры рекристаллизации материала. Это предохраняет материал от деформационного упрочнения и облегчает проталкивание материала через матрицу. Процесс горячей экструзии в основном выполняется на горизонтальных гидравлических прессах мощностью от 230 до 11 000 метрических тонн (от 250 до 12 130 коротких тонн). Их давление колеблется от 30 до 700 МПа (от 4400 до 101 500 фунтов на квадратный дюйм). Таким образом, требуется смазка, для экструзии при более низкой температуре можно использовать масло или графит, а для экструзии при более высокой температуре можно использовать стеклянный порошок.

Для металлических материалов может потребоваться разная температура при горячей экструзии, таких материалов, как магний, алюминий, медь, сталь, титан, никель, тугоплавкий сплав и т. д. Для всех этих материалов требуются разные температуры в процессе горячей экструзии.

Процесс холодной экструзии:

Процессы холодной экструзии выполняются при комнатной или близкой к комнатной температуре. Его преимущества по сравнению с горячим процессом включают отсутствие окисления, более высокую прочность благодаря холодной обработке, более жесткие допуски, лучшее качество поверхности и высокую скорость экструзии. Материал, который обычно используется в процессах холодной экструзии, включает свинец, олово, алюминий, медь, цирконий, титан, молибден, бериллий, ванадий, ниобий и сталь. Процесс холодной экструзии применяется при изготовлении складных труб, корпусов огнетушителей, цилиндров амортизаторов и заготовок зубчатых колес.

Теплый процесс экструзии:

Процесс экструзии Warn выгоден как для черных, так и для цветных металлов и сплавов. Теплую экструзию проводят при температуре выше комнатной, но ниже температуры рекристаллизации материала. Диапазон этих температур составляет от 800 до 1800 ⁰ . F (от 424 до 975 ⁰ С). этот процесс обычно используется для достижения надлежащего баланса требуемых сил, пластичности и конечных свойств экструзии.

Фрикционная экструзия:

Этот процесс был введен с целью получения однородной микроструктуры и распределения частиц в композиционном материале с металлической матрицей. Этот процесс сильно отличается от обычной экструзии в том смысле, что загрузка вращается относительно экструзионной головки. Сила выдавливания помогает прижимать заряд к матрице. И матрица, и заряд могут вращаться, а в некоторых случаях они могут вращаться в противоположных направлениях. Это относительное вращательное движение между загрузкой и матрицей оказывает несколько существенных эффектов на процесс, в том числе:

• Большие касательные напряжения из-за относительного движения в плоскости вращения.
• Пластическая деформация в слое шихты в контакте с матрицей и вблизи нее.
• Пластическая деформация рассеивается за счет процессов восстановления и рекристаллизации, приводящих к существенному нагреву деформирующей шихты.
• Данный процесс не требует предварительного нагрева шихты с помощью вспомогательных средств, что может привести к повышению энергоэффективности процесса.

Во-вторых,

• Значительный уровень пластической деформации в области относительного вращательного движения может способствовать сварке порошков в твердом состоянии. Другие мелкодисперсные прекурсоры, такие как хлопья и чипсы, эффективно уплотняют заряды (уплотнение трением) перед экструзией. Наконец,

Процесс микроэкструзии:

Этот процесс представляет собой процесс экструзии с микроформованием, выполняемый в субмиллиметровом диапазоне. Обычно металл проталкивают через отверстие матрицы, но поперечное сечение полученного продукта может поместиться в квадрат со стороной 1 мм. При движении вперед пуансон и заготовка движутся в одном направлении, а при движении назад ползун и заготовка движутся в противоположном направлении.

Материалы, используемые в процессе экструзии

Как упоминалось ранее, экструзионные материалы могут быть металлическими, деревянными, пластиковыми и керамическими. Ниже приведены их объяснения.

Металл:

Металлы являются одним из наиболее распространенных материалов, используемых в процессах экструзии. Типы металлов определяют рабочую температуру, а также требуемые свойства. Ниже приведены различные типы металлов, используемых в процессе экструзии.

Алюминий является наиболее часто экструдируемым материалом и может подвергаться горячей или холодной экструзии, в зависимости от того, как выполняется операция. Греется с 575 до 1100 ⁰ F (от 300 до 600 ⁰ С). экструдированные изделия из алюминия включают профили для направляющих, рамы, рельсы, стойки и радиаторы.

Латунь часто используется для экструзии инженерных деталей, автомобильных деталей, фитингов и нержавеющих стержней.

Медь используется для экструзии труб, проволоки, стержней, стержней, трубок и сварочных электродов. Это делается при рабочей температуре от 1100 до 1825 ⁰ . F (от 600 до 1000 ⁰ С).

Ведущий и тонкий используются также для экструзии труб, трубок, проводов и оболочек кабелей при максимальной температуре 575 ⁰ Ф (300 ⁰ С). Расплавленный свинец также можно использовать вместо заготовок в процессе вертикальной экструзии.

Магний широко используется для прессования деталей атомной промышленности и деталей самолетов при рабочей температуре 575 ⁰ F (от 300 до 600 ⁰ С). Уровень экструзии этого материала почти такой же, как у алюминия.

Цинк широко применяется для изготовления арматуры и поручней, метизных деталей, труб, штанг, стержней и т.п. при температуре от 400 до 650°С. F (от 200 до 350 ⁰ С).

Сталь — используется для стержней и гусениц с 1825 по 2375 ⁰ F (от 1000 до 1300 ⁰ С). Легированная сталь и нержавеющая сталь могут быть выдавлены, но обычно выдавливается обычная углеродистая сталь.

Титан также используется для компонентов самолетов, включая направляющие сидений, кольца двигателя и другие конструктивные детали. Это делается при рабочей температуре от 1100 до 1825 ⁰ . F (от 600 до 1000 ⁰ С).

Пластик:

Пластмассы - еще один распространенный материал, используемый для экструзии. Они обычно используются в виде пластиковой стружки или гранул, которые обычно сушат для удаления из них влаги. в экструзионном оборудовании материал подается через бункер, который затем нагревается до расплавленного состояния за счет комбинации нагревательных элементов и нагрева сдвига от экструзионного шнека. Шнек или винты при двухшнековой экструзии продавливают смолу через фильеру, придавая ей желаемую форму.

Экструдат охлаждается и затвердевает при протягивании через головку или резервуар для воды. Для улучшения общего качества экструдата используется гусеничная тяга, обеспечивающая натяжение экструзионной линии. Гранулы также могут создавать такое натяжение при вытягивании экструдированных прядей для резки, но гусеничное тяговое усилие обеспечивает постоянное натяжение. В противном случае может возникнуть вибрация по длине реза или деформация продукта.

Схема процессов экструзии пластика:

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать, как происходит процесс экструзии пластика:

Керамика:

Керамика — еще один материал, которому можно придать форму путем экструзии. Многие современные кирпичи также производятся методом экструзии.

Экструзионное оборудование

Экструзионное оборудование бывает разных вариаций, отличающихся следующими четырьмя характеристиками:

• Движение экструзии относительно поршня, то есть прямое или непрямое выдавливание. Направление экструзии - это когда матрица удерживается неподвижно, а плунжер движется к ней. тогда как непрямая экструзия - это когда плунжер удерживается неподвижно, а матрица движется к плунжеру. Это будет объяснено далее.
• Положение пресса:вертикальное или горизонтальное.
• Гидравлический или механический привод.
• Типы применяемой нагрузки:обычная (переменная) или гидростатическая.

В экструзионном оборудовании используется одно- или двухшнековый шнек, приводимый в действие электродвигателем, или поршень, приводимый в действие гидравлическим давлением, давлением масла. Большинство современных прессов для прямой или непрямой экструзии имеют гидравлический привод, но на некоторых все еще используются небольшие механические прессы. Эти гидравлические прессы бывают двух типов:масляные прессы с прямым приводом и водяные гидроаккумуляторы.

Схема экструзионного оборудования:

Масляные прессы с прямым приводом являются одними из самых распространенных типов, они надежны и прочны. Они могут обеспечивать давление более 35 МПа (500 фунтов на кв. дюйм). Заготовка в системе получает постоянное давление. Однако это экструзионное оборудование работает медленно:от 50 до 200 мм/с (2–8 дюймов в секунду).

Аккумуляторные гидроприводы дороже и крупнее маслопрессов с прямым приводом. Они теряют около 10% своего давления во время хода, но работают гораздо быстрее, примерно до 380 мм/с (15 дюймов в секунду). Вот почему они используются для экструзии стали. Аккумуляторные гидроприводы также можно использовать для материалов, требующих очень высоких температур в целях безопасности.

Типы процесса экструзии

Различные типы процессов экструзии можно классифицировать по следующим признакам:

В соответствии с направлением потока материалов

Прямая экструзия:

Эти типы процессов экструзии позволяют материалам течь в направлении подачи пуансона. Этот пуансон движется к матрице во время процесса. Прямая экструзия требовала большей силы из-за более высокого трения между заготовкой и контейнером. Прямая экструзия также известна как экструзия экструзии, она довольно распространена в промышленном мире. При работе заготовка помещается в толстостенный контейнер, который проталкивается через матрицу с помощью поршня или шнека. Многоразовый фиктивный блок между ползунком и заготовкой помогает держать их разделенными.

Основным ограничением использования этого процесса является то, что сила, необходимая для выдавливания заготовки, высока. Это происходит из-за сил трения, вызванных необходимостью перемещения заготовки по всей длине контейнера. Из-за большего усилия требуется в начале процесса и медленно уменьшается по мере израсходования заготовки. Перед концом заготовки усилие значительно возрастает, потому что заготовка представляет собой вещь, и материал должен течь радиально, чтобы выйти из матрицы.

Косвенная экструзия:

В процессе непрямой экструзии рабочие материалы движутся в направлении, противоположном движению плунжера. Матрица устанавливается на стороне, противоположной движению пуансона. Этому материалу позволяют проходить через кольцевое пространство между пуансоном и контейнером. Это известно как обратная экструзия. При этом заготовка и контейнер движутся вместе, а матрица неподвижна. «Ствол», длина которого превышает длину контейнера, помогает удерживать матрицу на месте. Максимальная длина экструзии в конечном итоге определяется прочностью столбца стержня. Движение заготовки с контейнером устраняет силы трения, которые могут возникнуть.

Преимущества непрямой экструзии:

• Снижается трение на 25–30 %. Это позволяет экструдировать более крупные заготовки, это может выполняться с повышенной скоростью. Также возможность экструдирования меньших сечений.
• Меньшая склонность к растрескиванию при экструзии, поскольку при трении не выделяется тепло.
• Вкладыш контейнера служит дольше из-за меньшего износа.
• Заготовка используется более равномерно, что приводит к меньшему количеству дефектов и крупнозернистости.

Недостатки непрямой экструзии:

• Дефекты и загрязнения на поверхности заготовки влияют на поверхность экструзии.
• Этот процесс не так универсален, как прямая экструзия, из-за ограниченной площади поперечного сечения.

Гидростатическая экструзия:

Эти типы экструзии используют жидкость для оказания давления на заготовку. В этом процессе устраняется трение, поскольку заготовка не соприкасается со стенкой цилиндра или плунжером. Между заготовкой и плунжером находится жидкость, и плунжер прикладывает силу к жидкости, которая затем воздействует на заготовку. Растительные масла обычно используются в качестве жидкости при гидростатической экструзии. Одним из последствий этого процесса является проблема утечки и неконтролируемая скорость экструзии. Этот процесс может быть выполнен горячим, теплым или холодным, но температура ограничена стабильностью используемой жидкости. Для выполнения этого процесса необходимо использовать герметичный цилиндр, содержащий гидростатическую среду.

Жидкость может находиться под давлением двумя способами; во-первых, экструзия с постоянной скоростью, то есть для повышения давления жидкости внутри контейнера используется плунжер или поршень. Во-вторых, экструзия при постоянном давлении – для повышения давления жидкости используется насос, возможно, с усилителем давления. Затем он перекачивается в контейнер.

Преимущества гидростатической экструзии

• Требуемая сила снижается, так как отсутствует трение между контейнером и заготовкой.
• Более высокие скорости, более высокие коэффициенты обжатия и более низкие температуры заготовки.
• Пластичность материала увеличивается при приложении высокого давления.
• На стенках контейнера не остается остатков заготовки.
• Можно экструдировать как большие заготовки, так и заготовки большого сечения.

Недостатки гидростатической экструзии

• Заготовки должны быть подготовлены путем сужения одного конца, чтобы соответствовать углу входа матрицы. То есть печать должна быть сформирована в начале круга.
• Необходимо обработать всю заготовку, чтобы удалить любые поверхностные дефекты.
• Было трудно получить жидкость под высоким давлением.
• Остаток заготовки или заглушка из более прочного материала должны быть оставлены в конце экструзии, чтобы предотвратить внезапный выброс экструзионной жидкости.

В зависимости от рабочей температуры

Горячее выдавливание:

Как указывалось ранее, процесс горячей экструзии осуществляется выше температуры рекристаллизации материала. Это обычно выше 50-60% его температуры плавления. В этих типах экструзии требуется небольшое усилие, с ними легко работать, а продукт не затвердевает от пятен. Хотя требуется высокий уровень обслуживания.

Холодная экструзия:

Холодная экструзия происходит при комнатной температуре или ниже температуры кристаллизации материала. Он предлагает высокие механические свойства, высокое качество поверхности и отсутствие окисления на поверхности металла. Однако требуется высокое усилие, и изделия изготавливаются с деформационным упрочнением.

Принцип работы экструзии

Работа экструзии проста и может быть легко понята. Благодаря различным объяснениям типов процессов экструзии вы познакомитесь с различными вариантами процессов экструзии. Что ж, в обычном методе поршень или плунжер используется для приложения сжимающего усилия к заготовке. При горячей экструзии заготовку нагревают или выдерживают при комнатной температуре при холодной экструзии. Затем его помещают в экструзионный пресс, который похож на устройство с поршневым цилиндром, то есть металл помещается в цилиндр и толкается поршнем. Верхняя часть цилиндра оснащена матрицей.

Этот плунжер, прикрепленный к прессу, толкает заготовку к матрице, которая принимает форму желаемого объекта. Прикладываемая высокая сжимающая сила позволяет рабочему материалу проходить через матрицу и преобразовываться в форму. Деталь вынимается из пресса и выполняется операция.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о процессе экструзии:

Преимущества и недостатки экструзии

Преимущества:

Ниже приведены преимущества процесса экструзии в различных приложениях:

• Высокие механические свойства могут быть достигнуты с помощью холодной экструзии.
• Можно легко создать сложное поперечное сечение.
• Можно обрабатывать хрупкие и пластичные материалы.
• Высокий коэффициент экструзии.

Недостатки:

Несмотря на хорошие преимущества процесса экструзии, все же существуют некоторые ограничения. Ниже приведены недостатки процесса экструзии в различных областях его применения:

• Высокие первоначальные затраты или затраты на установку.
• Требуется высокая сила сжатия.

Заключение

Процесс экструзии сегодня является одним из наиболее распространенных процессов в мире производства. Он включает использование большого разнообразия материалов, таких как металлы, пластмассы, керамика и т. д. Процесс может выполняться как в горячем, так и в холодном состоянии, когда требуются лучшие свойства. Это производственный процесс формования, который включает продавливание основного материала через предварительно сформированную матрицу для создания объектов определенной формы и профиля. Это все для этой статьи, в которой обсуждались определение, применение, функция, процесс, материалы, оборудование, типы, принцип работы, а также преимущества и недостатки процессов экструзии.

Я надеюсь, что вы многое почерпнули из этого поста, если да, поделитесь им с другими студентами. Спасибо за внимание, увидимся в следующий раз!