Ekstrüzyon Hızının Mekanizması ve Kontrol Stratejisinin Alüminyum Profillerin Boyutsal Toleransına Etkisi

1. Etkilenen Boyutsal Toleransın Fiziksel Mekanizması Ekstrüzyon Hızından

1.1 Termal büzülme etkisi

Alüminyum alaşımlı profiller, sıcak halde ekstrüzyona tabi tutulduktan ve oda sıcaklığına soğutulduktan sonra kaçınılmaz olarak büzülme deformasyonuna uğrar. Büzülme oranı S% şu şekilde ifade edilebilir:

α doğrusal genleşme katsayısını, Te ekstrüzyon çıkış sıcaklığını ve Ts ortam sıcaklığını belirtir. Denklem, büzülme ve çıkış sıcaklığı arasında doğrusal bir ilişki olduğunu göstermektedir: daha yüksek çıkış sıcaklıkları, daha fazla soğutma sonrası büzülmeye neden olur ve bu da negatif boyut toleranslarına sahip profillere yol açar; tersine, daha düşük çıkış sıcaklıkları daha küçük büzülme ve pozitif boyut toleranslarına sahip profiller sağlar.

Ekstrüzyon hızı, deformasyon termal etkileri yoluyla dönüşüm sıcaklığını (Te) doğrudan etkiler. Sıcak ekstrüzyon sırasında plastik deformasyon işinin ve sürtünme işinin %90'ından fazlası ısıya dönüşür. Daha yüksek hızlar, birim zaman başına daha fazla deformasyon işiyle sonuçlanır, bu da artan sıcaklık artışına ve ardından daha büyük soğutma sonrası büzülmeye yol açar. Örnek olarak 6061 alaşımı ele alındığında, çıkış sıcaklığı 510-540°C aralığında tutulduğunda, ekstrüzyon hızındaki her 1 m/dakikalık artış, çıkış sıcaklığını yaklaşık 5-8°C yükseltir, bu da soğuma sonrasında önemli ölçüde daha fazla boyutsal büzülmeye neden olur. Formül ayrıca daha yüksek ekstrüzyon sıcaklıklarının daha fazla deformasyona yol açtığını da ortaya koymaktadır. Bu nedenle, ürünün mekanik özelliklerini sağlama öncülüğünde mümkün olduğunca daha düşük ekstrüzyon sıcaklıkları benimsenmelidir.

2.2 M etal Akışı ​ Tekdüzeliği​

Ekstrüzyon hızının metal akış düzgünlüğü üzerindeki etkisi, kesitsel akış hızının ortalama karekökü ile niceliksel olarak karakterize edilebilir. Aşırı ekstrüzyon hızı, önemli miktarda akış homojenliğine yol açar. Bunun nedeni, artan hızın deformasyonun termal etkilerini yoğunlaştırması ve etkilenen alanlarda deformasyon direncini azaltan lokal sıcaklık artışlarına neden olmasıdır. Aynı ekstrüzyon basıncı altında, artan akış hızı bu olguyu daha da şiddetlendirerek pozitif bir geri besleme döngüsü yaratır. Bu tür akış hızı homojensizliğinin doğrudan sonucu şudur:

Açıklığı olan profiller için açıklık boyutunda boyutsal farklılıklar meydana gelebilir;

Profillerde dalgalar, bükülmeler, boşluklar veya boyutsal düzensizlikler görülüyor;

Genişleme, birleşme gibi kusurlar meydana gelebilir ve bu durum ciddi durumlarda hurdaya çıkmalara yol açabilir.

2.3 Hız-Sıcaklık-Akış Üç Alanlı Kaplin

Ekstrüzyon hızının boyutsal tolerans üzerindeki etkisi, hız-sıcaklık-akış üç alanlı bağlantıyla elde edilir:

Hız → Sıcaklık: Artan hız → Yüksek deformasyon ısısı → Çıkış sıcaklığının yükseltilmesi

Sıcaklık → Akış: Artan sıcaklık → Azaltılmış deformasyon direnci → Yerel akış hızının daha da hızlanması (pozitif geri besleme)

Sıcaklık → Büzülme: Artan sıcaklık → Daha fazla soğuma büzülmesi → Boyutlar negatif toleranslara doğru eğilim gösterir

Akış → Boyut: Tutarsız akış hızı → Farklı bölümler arasında boyutsal farklılıklar → Aşırı form ve konum toleransları

Bu bağlantı mekanizması hızın tolerans üzerindeki etkisini güçlendirir. Genel hız sabit kalsa bile, eşit olmayan sıcaklık dağılımı yine de boyutsal dalgalanmalara neden olabilir. Bu nedenle hız değerlerinin tek başına kontrol edilmesi yeterli değildir, hız ve sıcaklığın koordineli bir şekilde kontrol edilmesi gerekmektedir.

3. Ekstrüzyon Hızının Farklı Yapısal Profillerin Tolerans Değişimlerine Etkisi

3.1 Açık Uçlu C Kaldıraçlı Profillerve

Açık uçlu ürünler ve dirsekli kesitli katı/içi boş profiller için, ekstrüzyon hızındaki dalgalanmalar özellikle önemli bir etkiye sahiptir. Aşırı hız, kalıbın dirsekli bölümleri üzerindeki metal darbesini yoğunlaştırarak elastik deformasyona neden olur ve önemli açısal değişikliklere neden olur. Profil açıklıklarındaki boyutsal değişiklikleri kontrol etmek için, metal akış dinamiklerini düzenlemek üzere kalıp yapısına akış kanalları dahil edilebilir.

Bu profil tipi için kalıbın elastik deformasyonu da dikkate alınmalıdır. Kalıp sertliğini sağlamak için kalıp kalınlığı uygun şekilde arttırılabilir veya benzer şekillere sahip özel pedler kullanılabilir.

3.2 İleri ekstrüzyon ile ters ekstrüzyon arasındaki fark

Ekstrüzyon yöntemi ürün doğruluğunu önemli ölçüde etkiler. İleriye doğru ekstrüzyon tipik olarak arka uca kıyasla ön uçta (ilk ekstrüzyon bölümü) daha fazla duvar kalınlığıyla sonuçlanırken, ters ekstrüzyon ön ve arka uçlar arasında minimum kalınlık değişimi sergiler. Bu olay, ileri ekstrüzyon sırasında kütük ile ekstrüzyon tamburu duvarı arasındaki sürtünmenin, sıcaklık dağılımında ve akış modellerinde uzunlamasına değişikliklere neden olması nedeniyle oluşur.

Bu nedenle ters ekstrüzyon, ürünün boyutsal doğruluğu üzerinde daha kolay kontrol sağlar. Hassas profil üretimi için ters ekstrüzyon önemli avantajlar göstermektedir.

3.3 Minyatür Hassas P rofilleri

±0,04 mm'lik katı tolerans gerekliliklerine sahip hassas küçük kesitli profiller için (enstrümantasyon için ince duvarlı profiller gibi), ekstrüzyon hızındaki anlık değişiklikler kesit boyutlarını doğrudan etkiler. Potansiyel fark ölçerlerde kullanılan hassas alüminyum profiller, kesitsel boyut toleranslarını ±0,07 mm dahilinde korumalıdır; dokuma makinelerinde kullanılanlar ise 0,5°'nin altında açısal sapmalarla ±0,04 mm tolerans gerektirir. Bu profiller için hız kontrolü gereklilikleri özellikle şu şekilde ortaya çıkar:

Ön ve arka uçlar arasında minimum sıcaklık farkı sağlamak için izotermal ekstrüzyon kullanılmalıdır;

Hız dalgalanmalarının büyüklüğü son derece dar bir aralıkta kontrol edilmelidir;

Gelişmiş kapalı devre kontrol sistemi gereklidir.

3.4 Yüksek hızlı trenler için büyük boyutlu profiller

Yüksek hızlı tren alüminyum profilleri, büyük boyutları, karmaşık kesitleri ve yüksek genişlik-kalınlık oranlarıyla karakterize edilir; maksimum genişlik 938 mm'ye ulaşır ve minimum et kalınlıkları 1,5 mm'ye kadar düşer. Tek bir profil için maksimum duvar kalınlığı oranı 5'e ulaşabilir. Bu profiller, ekstrüzyon hızına karşı son derece hassastır; bu profiller, külçelerin gradyan indüksiyonla ısıtılması, kalıplarda nitrojen soğutma, ekstrüzyon hızı kontrolü ve izotermal ekstrüzyona ulaşmak için gerçek zamanlı sıcaklık izleme gibi zorluklara yönelik çözümler gerektirir.

4. Tolerans Kontrolüne Dayalı Ekstrüzyon Hızının Optimizasyon Stratejisi

4.1 İzotermal Ekstrüzyon Teknolojisi

İzotermal ekstrüzyon, ekstrüzyon işlemi sırasında sabit bir kalıp çıkış sıcaklığını (minimum sıcaklık farkıyla) koruyan bir işleme yöntemini ifade eder. Teorik temeli, sıcaklık değişimlerinin üründe boyutsal değişikliklere neden olabileceği, daha büyük sıcaklık dalgalanmalarının ise daha önemli deformasyona yol açabileceğidir. Bu nedenle ürünün boyutsal doğruluğunu sağlamak için izotermal ekstrüzyon kullanılmalıdır.

İzotermal ekstrüzyonun elde edilmesine yönelik teknik yaklaşımlar şunları içerir:

4.1.1 Sıcaklık Hızında Kapalı Döngü Kontrolü (Uç Kontrol Sistemi)
Modern gelişmiş ekstrüderler, kızılötesi termometre kullanarak kalıptan çekilmiş profillerin sıcaklığını gerçek zamanlı olarak izleyen bir Uç kontrol sistemi (izotermal ekstrüzyon sistemi) ile donatılmıştır. Sıcaklık sinyalleri PLC kontrol sistemine geri beslenir ve burada ekstrüzyon hızını gerçek zamanlı olarak ayarlamak için ayarlanan sıcaklıkla karşılaştırılır. Bu kapalı devre kontrol, ürünün ön ve arka uçları arasında tutarlı veya minimum sıcaklık farkları sağlar.

4.1.2 Döküm Çubuklarının Kademeli Isıtması
Ekstrüderde izotermal ekstrüzyon cihazı yoksa, yaklaşık izotermal ekstrüzyon elde etmek için alüminyum çubuklara gradyan ısıtma uygulanabilir. Döküm çubuğun ön ucunda daha yüksek sıcaklıklar ve arka ucunda daha düşük sıcaklıklar muhafaza edilerek, ekstrüzyon sırasında oluşan deformasyon ısısının kademeli olarak birikmesi telafi edilebilir ve bu da tutarlı bir çıkış sıcaklığı sağlar.

4.2 İzostatik ekstrüzyon teknolojisi

İzostatik ekstrüzyon, kalıp deliğinden metal akışının sabit bir doğrusal hızının korunmasını ifade eder. Modern ekstrüderler tipik olarak, ekstrüzyon sırasında kütük uzunluğundaki değişikliklerin neden olduğu basınç dalgalanmalarını telafi etmek için ekstrüzyon milinin besleme hızını gerçek zamanlı olarak izleyen ve ayarlayan ve tutarlı bir metal akış hızı sağlayan Fi kontrol sistemleri (izostatik ekstrüzyon kontrol sistemleri) ile donatılmıştır.

Tolerans kontrolü için izostatik ekstrüzyonun önemi şudur:

Hız dalgalanmalarından kaynaklanan açılış boyutunda değişikliklerden kaçının;

Profilde dalga, bükülme, boşluk veya boyutsal düzensizlik oluşmasını önleyin;

İzotermal ekstrüzyon için temel koşulları sağlayın.

4.3 Proses Parametrelerinin İşbirliğine Dayalı Optimizasyonu

4.3.1 Makul ekstrüzyon hızı aralığı

Uygun ekstrüzyon hızı alaşım tipine ve yapısal profil tasarımına bağlı olarak değişir:

6063 alüminyum alaşımlı mimari profiller: genellikle 30-60 m/dak'da kontrol edilir

6061 alaşımlı endüstriyel profiller: genellikle 5-15 m/dak'da kontrol edilir

Yüksek hızlı trenler için büyük boyutlu profiller: Hassas kontrol sayesinde izotermal ekstrüzyon elde edin

Ekstrüzyon hızının üst sınırı, ekstrüzyon çatlaklarının olmamasına göre belirlenmelidir. Aşırı hız, termal deformasyon etkisini arttırır, bu da kalıbın çalışma bölgesinde metalin yapışmasına neden olabilir, bu da yüzeyde çukurlaşmaya ve boyutsal doğruluğun azalmasına neden olur.

4.3.2 Soğutma homojenliği kontrolü

Ekstrüzyon kalıbı boşluğundan çıktıktan sonra ürünün soğutulması kritik öneme sahiptir. Ürünün tutarlı büzülmesini sağlamak için eşit ve sabit soğutma hızlarını korumak önemlidir. Yetersiz soğutma şunlara yol açabilir:

Yerel büzülme farklılıkları bükülme deformasyonuna neden olur;

Artık stres daha sonraki işlem deformasyonuna neden olur;

Düzensiz doku özellikleri boyutsal stabiliteyi etkiler;

Modern ekstrüzyon üretim hattı, soğutma yoğunluğunun hassas kontrolünü sağlamak için kombine hava sisi hassas çevrimiçi söndürme teknolojisini kullanır.

4.3.3 Ortogonal tasarım optimizasyonu

Ortogonal tasarım yöntemiyle, ekstrüzyon sıcaklığının, ekstrüzyon hızının, ekstrüde kütük ve kalıp yapısının metal akış düzgünlüğü üzerindeki etkisi kapsamlı bir şekilde dikkate alınır. Profil çıkışındaki ortalama standart hız sapması, kütüğe uygulanan ortalama ekstrüzyon kuvveti ve ortalama maksimum eşdeğer gerilim değerlendirme kriterleri olarak kullanılarak en uygun proses şeması seçilebilir.

Tam Kalite Kontrolü 4.4 Proses

4.4.1 Külçe Kalitesini Döküm​ ​​

Dökme külçelerin homojen olmayan bileşimi ve yapısının yanı sıra kalıntılar, ayrışma ve kaba taneler gibi kusurlar metal akışını ve deformasyonunu bozabilir ve nihai üründe boyutsal değişikliklere yol açabilir. Hassas ekstrüzyon prosesleri için döküm külçenin, birinci dereceden tane boyutu kontrol edilerek homojenleştirme işlemine tabi tutulması gerekir.

4.4.2 Kalıp Kalitesi​

Kalıp, ekstrüzyonla üretilen ürünlerin boyutsal doğruluğunu etkileyen en doğrudan faktördür. Hassas ekstrüzyon için, kalıbın çalışma sıcaklıklarında (yaklaşık 500°C) aşağıdaki gereksinimleri karşılaması gerekir: akma mukavemetinin 1200 N/mm⊃2'den az olmaması; nitrürleme katmanı sertliğinin 1150 HV'yi aşması, nitrürleme katmanı derinliğinin 0,25 ila 0,45 mm arasında olması ve nitrürlemeden sonra kalıbın boyutsal değişiminin 0,02 mm olması.

4.4.3 Cihaz A doğruluğu

Ekstrüderin kalitesi, ekstrüde edilen ürünlerin hassasiyetini doğrudan etkiler. Genel olarak ekstruderin gerilim kolonu, mükemmel ekipman sertliği ve hizalaması ile öngerilmeli entegre bir yapı olmalıdır. Hassas ekstrüzyon için kalıbın, ekstrüzyon tamburunun ve ekstrüzyon çubuğunun merkez sapmaları 0,2 mm'den az olmalıdır.