Процесс экструзии (прессования): технологии, материалы, оборудование и применение

Экструзия (прессование) — один из самых распространенных процессов в современном производстве. Применяется к широкому спектру материалов: металлы, полимеры, керамика и др. Процесс может быть горячим или холодным в зависимости от требуемых свойств. Экструзия металлов часто повышает их прочность.

В статье: определение, применение, принцип работы, виды, материалы, оборудование, преимущества и недостатки экструзии.

Что такое экструзия?

Экструзия — процесс формовки давлением, при котором заготовка (билит) принудительно пропускается через форму (матрицу) заданного профиля для получения изделий с постоянным поперечным сечением. Материал меняет форму, повторяя контур матрицы. Полученные изделия называют экструдатами.

Коэффициент экструзии — отношение площади исходного сечения заготовки к площади сечения готового изделия. Уникальное преимущество: этот коэффициент может быть очень большим при сохранении высокого качества. Экструзия позволяет создавать сложные профили и обрабатывать ломкие материалы, так как в зоне деформации действуют только сжатие и сдвиг. Обеспечивает высокую чистоту поверхности и большую свободу проектирования профилей.

Экструзия похожа на волочение, где материал тащится через матрицу за счет прочности на разрыв. Волочение дает проволоку, прутки, трубы, но ограничено простыми формами и требует много проходов, тогда как экструзия делает это за один этап.

Экструзия бывает непрерывной (теоретически бесконечная длина) или полунепрерывной (партиями). Материалы: металлы, полимеры, керамика, бетон, глины, пищевые массы.

Применение экструзии

Экструдированные изделия окружают нас везде. Классический бытовой пример: выдавливание зубной пасты из тубы или крема из кондитерского мешка.

Экструзия пластиков дает любые длинные изделия с постоянным сечением: трубы, желоба, профили окон, декорative планки. Термопласты: ПВХ, ПНД (LDPE), ПВД (HDPE), ПП (пропиллен) — все поддаются экструзии. Типичные применения термопластов:

• Изолирующие оболочки проводов и кабелей
• Плоские пластиковые листы для вывесок, глазования, внутренностей холодильников
• Светодиодные профили и корпуса светильников
• Монофиламент для канатов, щетин, синтетических волокон
• Трубы и рукава для водоснабжения, газа, канализации, дренажа

Промышленное применение:

• Производство труб и полых профилей
• Алюминиевые профили в строительстве, транспорте, машиностроении
• Автозапчасти (профили кузова, радиаторы, направляющие)

Примечание: главная функция экструзии — изготовление изделий с заданным постоянным поперечным сечением.

Технологические режимы экструзии

Горячая экструзия

Горячая обработка: температура выше температуры рекристаллизации материала. Предотвращает закачивание и облегчает прохождение через матрицу. Оборудование: горизонтальные гидравлические прессы 230–11 000 т. Давление 30–700 МПа. Необходима смазка: масло/графит для низких температур, стеклянная пудра — для высоких (сталь, титан).

Температурные диапазоны для основных металлов при горячей экструзии:

• Магний, алюминий, медь, сталь, титан, никель, жаропрочные сплавы — у каждого свой режим

Холодная экструзия

Выполняется при комнатной или близкой к комнатной температуре. Преимущества перед горячей: отсутствие оксидации, повышение прочности за счет закачки, более точные допуски, лучшая чистота поверхности, высокие скорости. Материалы: свинец, олово, алюминий, медь, цирконий, титан, молибден, бериллий, ванадий, ниобий, сталь. Применение: съемные тубы, корпуса огнетушителей, цилиндры амортизаторов, заготовки шестерен.

Теплая экструзия

Температура выше комнатной, но ниже рекристаллизации: 424–975 °C (800–1800 °F). Для черных и цветных металлов/сплавов. Позволяет балансировать усилия деформации, пластичность и свойства готового изделия.

Экструзия с трением (Friction Extrusion)

Разработана для получения однородной микроструктуры и распределения частиц в композитах с металлической матрицей. Отличается от классической тем, что заряд вращается относительно матрицы. Осевая сила прижимает заряд к матрице. Матрица или заряд (или оба) могут вращаться, в том числе в противоположных направлениях. Взаимное вращение дает:

• Большие сдвиговые напряжения в плоскости вращения
• Пластическую деформацию поверхностного слоя заряда у контакта с матрицей
• Выработку тепла за счет деформации (рекуперация/рекристаллизация) — нагрев заряда без внешних нагревателей, энергоэффективно
• Твердофазную сварку порошков/хлопьев/обрезков (фрикционная консолидация) перед экструзией

Микроэкструзия

Микроформирование в субмиллиметровом диапазоне. Металл проходит через отверстие матрицы, а сечение продукта помещается в квадрат 1 мм. Прямая схема: пресс и заготовка движутся в одну сторону; обратная — в противоположные.

Материалы для экструзии

Металлы

Наиболее частый класс материалов. Рабочая температура и требуемые свойства зависят от вида металла.

Алюминий — самый популярный материал для экструзии. Горячая (300–600 °C) или холодная. Профили для путей, рам, реек, мюлльонов, радиаторов.

Латунь — детали приборов, автозапчасти, фитинги, коррозионно-стойкие прутки.

Медь — трубы, проволока, прутки, стержни, трубы, сварочные электроды. Температура 600–1000 °C.

Свинец и олово — трубы, оболочки кабелей. До 300 °C. Расплавленный свинец используется в вертикальной экструзии вместо заготовок.

Магний — авиационные и ядерные детали. 300–600 °C. Экструдабельность близка к алюминию.

Цинк — фитинги, поручень, фурнитура, трубы, прутки. 200–350 °C.

Сталь — прутки, направляющие. 1000–1300 °C. Экструдируют углеродистую, легированную и нержавеющую сталь.

Титан — авиационные компоненты: направляющие сидений, ободки двигателей, силовые элементы. 600–1000 °C.

Полимеры

Второй по популярности класс. Сырье — гранулы/пеленги, предварительно сушат. В экструдере материал загружается в бункер, плавится от нагревателей и сдвигового тепла от винта. Винт (один или два при коэкструзии) проворачивает 용융ное вещество через матрицу, придавая форму.

Экструдат охлаждается и затвердевает в водяной ванне или воздушном потоке. Для стабильного натяжения и качества используют гусеничный вытягиватель (катерпиллер). Пелеттайзеры также создают натяжение при странге экструдированных нитей, но гусеничный вытягиватель дает постоянную скорость, исключая вибрацию длины среза и деформации.

Керамика

Многие современные керамические кирпичи производятся экструзией.

Оборудование для экструзии

Классификация прессов по четырём признакам:

• Схема движения заготовки относительно прессовала: прямая (матрица неподвижна, прессовал движется к матрице) или обратная (прессовал неподвижен, матрица движется к прессовалу)
• Ориентация пресса: вертикальная или горизонтальная
• Тип привода: гидравлический или механический
• Характер нагрузки: конвенциональная (переменная) или гидростатическая

Современные прямые и обратные прессы — преимущественно гидравлические. Малые механические прессы также применяются. Гидравлические прессы двух типов:

Прессы с прямым масловым приводом (Direct-drive oil presses) — наиболее распространенные, надежные, выдают давление до 35 МПа (5000 psi). Постоянное давление на заготовке. Скорость 50–200 мм/с (2–8 дюйм/с).

Аккумуляторные водяные прессы (Accumulator water drives) — дороже и габаритнее. Потеря давления ~10% за ход, но скорость до 380 мм/с (15 дюйм/с). Применяются для экструзии стали и материалов, требующих очень высоких температур (безопасность).

Классификация видов экструзии

По направлению потока материала

Прямая экструзия (Direct / Forward)

Материал течет в направлении движения прессовала к матрице. Требует больших усилий из-за трения заготовки о стенки контейнера. Распространена в промышленности. Заготовка в контейнере, прессовал с многоразовым гайковым блоком давит её через матрицу.

Главный недостаток — большие усилие в начале процесса (максимальное трение), потом убывает, а в конце снова резко растет (тонкая заготовка, радиальный отток материала).

Обратная экструзия (Indirect / Backward)

Материал течет в направлении, противоположном движению прессовала. Матрица закреплена на стержне (стержень), который длиннее контейнера. Заготовка и контейнер движутся вместе, матрица неподвижна. Максимальная длина изделия ограничена стержневой прочностью стержня. Отсутствие относительного движения заготовка-контейнер исключает трение.

Преимущества:

• Снижение трения на 25–30% → крупнее заготовки, выше скорость, меньшие сечения
• Меньше трещин — нет нагрева от трения
• Дольше служит облицовка контейнера
• Более равномерная деформация заготовки → меньше дефектов и крупнозернистости

Недостатки:

Дефекты поверхности заготовки переносятся на поверхность изделия

Меньшая универсальность из-за ограничения поперечного сечения длиной стержня

Гидростатическая экструзия

Давление на заготовку передается через жидкость. Трение исключено: заготовка не контактирует со стенками контейнера и прессовалом. Жидкость (обычно растительные масла) между прессовалом и заготовкой. Процесс может быть горячим, теплым или холодным, но температура ограничена стабильностью жидкости. Нужен герметичный цилиндр.

Способы создания давления: постоянная скорость (прессовал давит на жидкость) или постоянное давление (насос с усилителем).

Преимущества:

• Меньшие усилия (нет трения контейнер-заготовка)
• Более высокие скорости, коэффициенты экструзии, ниже температура заготовки
• Повышение пластичности под высоким давлением
• Нет остатков заготовки на стенках контейнера
• Возможность экструзии крупных заготовок и сечений

Недостатки:

• Заготовку нужно конусовать под угол входа в матрицу (герметизация)
• Всю заготовку надо заточить для удаления поверхностных дефектов
• Сложно получить жидкость под сверхвысоким давлением
• В конце экструзии нужен остаток заготовки или заглушка из более твердого материала для предотвращения всплеска жидкости

По рабочей температуре

Горячая экструзия — выше температуры рекристаллизации (обычно 50–60% от температуры плавления). Малые усилия, легкость деформации, нет закачивания. Но высокие затраты на обслуживание.

Холодная экструзия — комнатная температура или ниже рекристаллизации. Высокие механические свойства, чистота поверхности, нет оксидации. Но большие усилия и закачивание продукта.

Принцип работы экструзии

В классической схеме поршень/прессовал создает давящую силу на заготовку. При горячей экструзии заготовку нагревают, при холодной — оставляют при комнатной температуре. Заготовка помещается в пресс (поршневой цилиндр), верхняя часть цилиндра оборудована матрицей. Прессовал давит заготовку к матрице. Высокое сжатие заставляет материал течь через матрицу, принимая её форму. Изделие извлекается, операция завершена.

Преимущества и недостатки экструзии

Преимущества:

• Высокие механические свойства при холодной экструзии
• Создание сложных поперечных сечений
• Обработка и ломких, и вязких материалов
• Высокий коэффициент экструзии

Недостатки:

• Высокая первоначальная стоимость оборудования и инструментов
• Требование больших давящих сил

Заключение

Экструзия — ключевая технология современного производства для металлов, пластиков, керамики. Горячая или холодная — в зависимости от целей. Суть: принудительное прохождение заготовки через матрицу для получения изделий заданного профиля. Мы рассмотрели определение, применение, режимы, материалы, оборудование, классификацию, принцип работы, плюсы и минусы экструзии.

Материал полезен? Поделитесь с коллегами и подпишитесь на обновления!