EKSTRÜZYON. Matris deliği ürün kesitinin şeklindedir. Bu yöntemle çubuk, boru, şerit gibi uzun ürünler elde edilir.

Transkript

1 EKSTRÜZYON 1. İşlemin Esası ve Özellikleri Silindirik metal bir bloğun (takoz), bir kovan (alıcı) içine yerleştirilerek ıstampa yardımıyla uygulanan basma kuvveti etkisiyle, matris deliğinden geçirilmesine ekstrüzyon denir. Matris deliği ürün kesitinin şeklindedir. Bu yöntemle çubuk, boru, şerit gibi uzun ürünler elde edilir. Ekstrüzyonla örneğin mm çapında çubuklar, iç çapı 800 mm ye kadar ve 1,5-8 mm et kalınlığında borular ve daha pek çok karmaşık şekiller olmak üzere çeşitli kesit şekilleri elde edilebilmektedir. Ekstrüzyon işleminde, plastiklik özelliği olan malzemeler belirli profil kesitini taşıyan matris deliğinden püskürtülerek biçimlendirilmektedir. Böylelikle, çok çeşitli kesit şekillerinde profiller ile borular elde edilmektedir (Şekil).

2 Şekil: Çeşitli ekstrüzyon ürünleri ve bunların kesilmesiyle elde edilen parçalar

3 Ekstrüzyon işleminin avantajları; Karmaşık profil kesitlerinin elde edilebilmesi, Yüksek şekil değiştirme oranları, Yüksek ölçü ve biçim hassasiyetinin (±0,003 mm'ye) sağlanabilmesi Ayrıca, yüksek basınç etkisi altında, metalin plastiklik özelliği de yükselmekte ve haddeleme ile elde edilmesi mümkün olmayan kapalı kesit şekilleri gösteren profil çubuklar imal edilebilmektedir. Ekstrüzyonun dezavantajları; İşlemin büyük kuvvetler gerektirmesi, Yüksek sürtünme ve iç kayma etkileri göstermesi, Sınırlı boyda ürünler (6-7,5 m'ye, bazen 12 m'ye) elde edilebilmesi Ekstrüzyon işlemi, pekleşme etkilerini ortadan kaldırmak için daha ziyade sıcak uygulanmakla birlikte, özellikle yumuşak metallere soğuk olarak tatbik edildiği görülmektedir. Düşük ekstrüzyon sıcaklıkları ve akma gerilmesine sahip olan kurşun, kalay, bakır, alüminyum ve magnezyum alaşımları ile pirinç ve bronz gibi malzemeler ekstrüzyonun en çok uygulandığı metallerdir. Çeliğin akma gerilmesinin yüksek oluşu nedeniyle, yüksek sıcaklık ve basınç uygulamalarını gerektirmesi ve alıcı iç yüzeylerinde kaynama tehlikeleri oluşturması bu malzemenin ekstrüzyonunu zorlaştırmaktadır. Bununla birlikte, ekstrüzyon esnasında ergiyerek blok üzerinde yağlama etkisi yaratan fosfat tuzları veya cam kaplama kullanılmak suretiyle oldukça önemli miktarda çelik ekstrüzyon mamulleri de elde edilebilmektedir. Metal ısındıkça daha kolay ekstrüze edilebilir fakat diğer taraftan artan sıcaklık metalde, ekstrüzyon cihazında oksidasyon ile piston ve kalıpta yumuşamaya sebep olur. Ayrıca uygun bir yağlayıcı bulmak zorlaşır.

4 Öyle bir minimum sıcaklık seçilmeli ki metal kolayca deforme olabilsin. Max. sıcaklık sıcak büzülmenin başladığı sıcaklık olup saf malzeme için bu ergime sıcaklığıdır. Ekstrüzyon işlemindeki büyük deformasyon dolayısıyla iç ısınma büyük değerler ulaşır, bundan dolayı max. sıcaklık ergime veya sıcak büzülme sıcaklığının emniyetli bir şekilde altında seçilmelidir. Çeliklerin ekstrüzyonda sıcaklık C, kalıp, kap, piston 350 C dır. Ekstrüzyon basıncı MPa dır. Yüksek sıcaklık ve basınç, yağlamayı (cam ile) gerektirir. Alüminyum ekstrüzyonda basınç daha düşük olduğundan yağlamaya gerek duyulmaz. Demir olmayan metal ve alaşımlarından çok karmaşık kesitli her türden profil çubuklar ve borular elde edilebildiği halde, çelik profiller için biçim ve boyutlar sınırlıdır ve içi boş profillerin elde edilmesi mümkün olamamaktadır. Piston hızının artışı ekstrüzyon basıncında artışa yol açar. Hızdaki 10 misli artış basınçta yaklaşık %50 artışı gerektirir. Düşük ekstrüzyon hızı daha çok soğumaya neden olur. Bu artış etkili olursa direk ekstrüzyonda pistonun ilerlemesi ile gerekli basınç azalmaz, bilakis artar. Bu nedenle yüksek ekstrüzyon hızı istenen yüksek mukavemetli alaşımlar için yüksek sıcaklık gerekli olur. Her metal ve alaşım için uygun ekstrüzyon hızı ve sıcaklığı denenerek elde edilir. Ekstrüzyon işleminin dört parametresi vardır: 1-) Kalıp Açısı (α) 2-) Ekstrüzyon Hızı 3-) Metal Takoz Sıcaklığı (T0) 4-) Yağlama (μ) Ekstrüzyon hızı ve sıcaklığı iyi ayarlanmalıdır aksi halde elde edilen plastik malzemede şişmeler meydana gelebilir.

5 2. Ekstrüzyon İşleminin Uygulanması Ekstrüzyon işlemi direk, endirek olarak iki şekilde uygulanmaktadır. Bunlardan direkt ekstrüzyon daha geniş uygulama alanı bulmaktadır. Endirekt ekstrüzyon ise sürtünme kayıplarının daha az oluşu ile dikkati çekmektedir. Çünkü burada bloğun bağıl hareketi söz konusu olmamaktadır.

6 Direkt ekstrüzyon, tutucu tarafından taşınan matris alıcının bir ucunda bulunur. Alıcının diğer tarafından basan ıstampa takoz malzemesinin matris deliğinden geçmesini sağlar. Istampayı korumak amacıyla, ıstampa ile takoz arasına bir ön levha konur. İşlem bitice takozun bir miktarı alıcı içinde kalır. Direkt ekstrüzyon Endirekt ekstrüzyonda matris ıstampanın ucuna tespit edilmiştir. Bu yöntemde ıstampanın içi deliktir. Böylece, ıstampanın alıcı içine doğru hareketinde basılan çubuk matris ve ıstampa deliğine girer. Endirek ekstrüzyon Direk ekstrüzyonda matris deliğinde geçen ürünle ıstampanın hareket yönü aynı, endirekt ekstrüzyonda ise terstir.

7 Direkt ekstrüzyonda, alıcı iç yüzeylerindeki yüksek sürtünme etkisi ve bloğun dış yüzeylerinin daha önce soğuması sonucu iç kısım daha hızlı akmaktadır (Şekil). Şekil. Ekstrüzyonda malzeme akışı Akış olayı, ekstrüzyon tipi ve oranı, malzeme türü, yağlama ve matris şekli ile ilgilidir. Burada, homojen olmayan deformasyonun sonucu olarak, püskürtülen çubuğun son kısmının içinin boş ve hatalı çıkmasını önlemek amacıyla, bloğun %20-30'luk kısmından itibaren ekstrüzyon işleminin durdurulması gerekmektedir. Endirekt ekstrüzyonda, bu firenin çok daha az (7,5 10) olduğu görülmektedir. Ancak, bu yöntemde ıstampa kesiti daha zayıf olduğundan püskürtülen çubuk kesitinin ve ekstrüzyon oranının daha küçük tutulması; ayrıca preste daha karmaşık konstrüksiyona gidilmesi gerekmektedir. Direkt ekstrüzyon işlemi, sürtünme etkilerinin daha fazla oluşu nedeniyle daha büyük kuvvetler altında gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 78).

8 Şekil 78. Ekstrüzyon basıncının değişimi. Ekstrüzyon esnasında, blok kesitinin birim alanına gelen kuvvete "ekstrüzyon basıncı", elde edilen çubuk kesitinin, blok kesitine oranına "ekstrüzyon oranı", çubuğun matristen çıkış hızına da "ekstrüzyon hızı" denmektedir. Seçilen malzeme türü ve ekstrüzyon oranına bağlı olarak, verilen bir pres kapasitesine karşılık, püskürtülebilecek bir minimum çubuk kesiti bulunacaktır. Ekstrüzyon oranı genellikle 15:1 ile 50:1 arasında değişmekte; bazı özel hallerde 500:l 'e kadar yükseldiği de görülmektedir. Düşük ekstrüzyon oranları, malzemenin yetersiz şekillendirilmesi anlamına geleceği ve bu düşük mekanik özellikler sağlayabileceği için tercih edilmemektedir.

9 3. Ekstrüzyon Donanımı Matris malzemelerinin aşınmaya, ısıya, eğmeye karşı dayanımlı; özellikle karmaşık profil kesitleri için sünek olması istenmektedir. Ekstrüzyon matrisi, basit yuvarlak şekilli ve delikli bir levhadır (Şekli 79). Delik şekli aynen profil kesitini göstermekte olup; giriş kenarları yuvarlatılarak şekillendirmenin kolaylaştırılıp, aşınmanın azaltılmasına çalışılmaktadır. Geçiş uzunluğunun (5 10 mm) eşit olduğu matrislerde sürtünme direncinin her taraftan aynı olması gerekmektedir. Bunun için; profil kesitinin ağırlık merkezi ile ıstampa ekseni çakıştırılmağa çalışılır ya da geçiş uzunluğu kısmen değiştirilerek (Şekil 80), geçiş delikleri simetrik düzenlenerek (Şekil 81) ve denge deliği açılarak ıstampanın dengeli zorlanmasına çaba gösterilir. Şekil 82' de 180 açılı bir düz matris gösterilmektedir. Bu, çok kullanılan basit bir matris tipi olmakla birlikte her malzeme türü için uygun düşmemektedir. Özellikle sert malzemeler için ve boru ekstrüzyonunda konik matris tipleri kullanılmaktadır (Şekil 83). Minimum basınç değerlerine karşılık matris açısı 90 civarında olmakla birlikte, pratikte civarında seçilmektedir.

10 Figure 2.1: Extrusion dies, with parts. Figure 2.2: Set of dies. (Aluminum Extrusion Technology, Pradip K. Saha. ASM International)

11 Ekstrüzyonda Yağlama ve Kusurlar Ekstrüzyon basıncı, metalin aktığı kap ve kalıp duvarlarındaki yağlamaya büyük ölçüde bağlılık gösterir. Ekstrüzyon esnasında oluşan kusurlar, metalin deforme oluş şekliyle ilgilidir. Şekilde ekstrüzyon işleminde deformasyon farklılıkları görülmektedir. a) Homojen bir deformasyonu gösteriyor. Kap ile metal arasında iyi bir yağlama durumu mevcut olup sürekli bir yağ filmi vardır. b) Sürtünme katsayısı büyümüştür. Kalıp kenarında ölü bir bölge oluşmuş, bölge içindeki metal hareketsizdir. Orta kısımlardaki metal rahatlıkla deforme olurken kenar kısımları şiddetli bir kesme deformasyonuna uğrar. Bu deformasyon için fazladan iş yapılmış olur ki buna fazladan iş denir. c) Metal kap ara yüzeyindeki sürtünme katsayısı büyüdükçe metalin akışı merkeze doğru artar ve bir ara kesme yüzeyi oluşur bu durum soğuk kap dolayısıyla metal yüzeyinin hızlı soğumasıyla da ortaya çıkar. d) Yapışmalı sürtünme durumu kap metal arasında oluşursa metal kesme bölgesi boyunca ayrılır ve dış kabuk kap içinde kalır. Alüminyum, bakır, kurşun, magnezyum ve çinko ile bu metallerin alaşımlarının sıcak ekstrüzyonu yağlamasız yapılabilir.

12 Ayrıca çeşitli demir dışı metallerle alaşımlarının sıcak ekstrüzyonunda kullanılabilen yağlayıcılar aşağıda verilmiştir. Alüminyum : Grafit Berilyum : Grafit, mobilden disülfit Bakır : Mineral yağ + grafit Nikel : Cam Titanyum : Cam Örneğin nikel gibi alıcı ve matrise yapışma meyli olan malzemelerin sıcak ekstrüzyonunda takoz bakır veya yumuşak çelikle kaplanır. Takozla alıcı ve matris arasında yumuşak ve ince bir metal filminin bulunması yağlayıcı rolü oynadığı gibi takozun çevreden zarar görmesini veya örneğin zehirleyici veya radyoaktif bir takozun çevreye zarar vermesini de önler. Karbonlu ve düşük alaşımlı çeliklerin sıcak ekstrüzyonunda yağlayıcı olarak grafit veya cam, paslanmaz çeliklerde ise yalnız cam kullanılır. Camla yağlama tekniği ilk olarak Fransa'da geliştirilmiştir. Cam çok iyi bir yağlayıcı olduğu gibi yüksek sıcaklıkta viskozitesini kaybetmez ve ayrıca takozla alıcı ve matris arasında bir ısıl engel oluşturarak takozun soğumasını yavaşlatır. Camla yağlamada matris girişine genellikle dairesel bir cam blok konur. Bu blok ekstrüzyon sırasında sıcaklığın etkisiyle önce yumuşar, sonra metalle matris arasında ince bir tabaka halinde yayılarak optimum bir matris geometrisi oluşmasını sağlar. Matris malzemesi olarak, sinterlenmiş karbürden sert metaller, % 10 W içeren treatman çelikleri ve yüksek sıcaklıklar içinde %12 Cr ve %12 Ni'li ostenitik çelikler kullanılmaktadır. Matris malzemelerinin tok ve çalışma sıcaklığında dayanımlarının yüksek olması gerekir. Özellikle karmaşık şekilli matrislerde tokluk sertlikten çok önem kazanır. Brinell sertliği genellikle kgf/mm 2 arasındadır ve nadir olarak 450 kgf/mm 2 ye yükselir. Çok yüksek çalışma sıcaklıklarının söz konusu olduğu hallerde ostenitik çelikler kullanılır. Fakat bu tür çelikler su verilerek sertleştirilemedikleri için matris malzemesi önce soğuk dövülmelidir. Sert metallerden de matris malzemesi olarak faydalanılmaktadır. Istampaların da yüksek basınç, eğme, sıcaklık ve aşınma etkilerine karşı dayanımlı olması gerekir. Istampalar için Cr-W alaşımlı tretman çelikleri kullanılmaktadır.

13 Malafalar ile alıcı iç gömleği içinde, püskürtülen malzemenin türü ve yapılan işin güçlüğüne göre, değişen oranlarda C, Si, Mn, Cr, W ve Ni içeren alaşımlı çelikler kullanılmaktadır. Malafalar tamamen sıcak metalle çevrelenmiş olduklarından, özellikle çaplarının küçük olması halinde, hızla ısınırlar. Takozların delinmesi sırasında malafaya basma ve eğme gerilmeleri etki eder. Ekstrüzyon sırasında ise metal ve malafa arasında önemli bir sürtünme vardır. Alıcılar, ekstrüzyon sırasında, iç basınçla ısıl gerilmelerin etkisinde kalır. Silindir iç yüzeyinin kısa sürede hasara uğraması nedeniyle, alıcı gövdesinin içine özel çelikten yapılmış değiştirilebilir bir gömlek geçirilir.

14 EKSTRÜZYON KUSURLARI 1. Ürünün yüzeyinde çatlak oluşması: Sebebi: Takoz sıcaklığı yüksek, sürtünme yüksek, ekstrüzyon hızı yüksek veya takoz sıcaklığı düşük, matris yatak uzunluğu boyunca metal yapışırsa uygulanan kuvvet bir yükselir bir alçalır. Bu da çatlamaya neden olur. 2. Ürünün içinde oksit birikmesi: Metal takoz sıcak iken, soğuk olan alıcıya değince oksit oluşur ve yüksek sürtünme sebebiyle oksit malzeme akarken ürünün içine girer. Önlemek için ıstampanın önüne ön levha konur çapı biraz küçük tutulur. Böylece oksit alıcıda kalır. 3. Ürünün merkezinde çavuş işareti (») (chevron) çatlaklarının oluşması: Sebebi: (h/l) oranıdır. Bu oran büyüdükçe şekil değiştirme homojenliğini kaybeder. Ortada ikincil çeki gerilmeleri adı verilen hidrostatik çekme gerilmesi doğar. Bu ise çavuş işaretli (») çatlaklarının doğmasına neden olur. Chevron Çatlağı Örnekleri h/l oranı büyüdükçe şekil değişimi giderek homojenliğini kaybeder. Ekstrüzyon oranı küçüldükçe ve giriş açısı büyüdükçe h/l oranı büyür. Bu oranın büyümesi matris bölgesinde ikincil çekme gerilmelerinin oluşmasına yol açarak ok şeklinde çatlaklara sebep olur. Bu çatlaklar kalıntı ve boşluk içeren takozlarda daha kolay oluşur. Chevron çatlaklarına eğilim iki plastik bölgenin birleşmemesinden kaynaklanıyor. Plastik bölge matris açısının düşürülmesiyle ve kesit düşürmenin arttırılmasıyla genişletilebiliyor.

15 Otomotiv endüstrisinde, Birçok şaft, şaft benzeri ürünler ve bağlantı elemanları ileri yönde ekstrüzyonla üretilir. Bu parçaların bazıları araçların güvenliği nedeniyle kritik parçalardır ve hatasız üretilmiş olmalıdır. Bu hatalar dışarıdan görülebilen kusurlar veya dışarıdan görülemeyen içsel hatalar olabilir. (Chevron çatlakları gibi) Malzeme: AlZnMgCuAg Merkezi Patlaklar (Chevron Çatlakları) Malzeme:100Cr6

16 4. Ekstrüzyonda Özel Yöntemler Demir olmayan metal ve alaşımından boruların imalatı ekstrüzyon yöntemi ile gerçekleştirilmektedir (Şekil 84). Boru imalatı için, ilk aşamada bloğun ortası delinip daha sonra ıstampa ile borunun püskürtülmesine geçilir. Diğer bir yöntem ise, delme işleminin önceden uygulanıp (döküm, preste veya matkapla delme) ekstrüzyon tezgahında sadece borunun püskürtülmesi işleminin gerçekleştirilmesidir. Ayrıca, özel yayıcı matrisler kullanmak suretiyle malafa kullanımından kaçınılabilir. Bu takdirde, çevresel olarak kısmî püskürtmeler gösteren malzeme, matris çıkışına doğru birleşip kaynak edilerek boru kesiti elde edilmektedir. Kurşun borular içinde malafalı donatım kullanılmakta, alıcıya ergiyik kurşun konarak ( kg) pres ile püskürtülmektedir. Şekil 84. Boru ekstrüzyonu a-malafa ayrı, l-stampa, 2-Blok, 3-Alıcı, 4-Matris, 5-Yayıcı, 6-Mandrel. b-stampa üzerinde, c-yayıcı (spider) uygulaması

17 Şekil 85.Kablo gömleği ekstrüzyonu Kablo gömleğinin ve diğer plastik mamullerin ekstrüzyonu içinde Şekil 85 ve 86 da ki donatımlar (ekstrüder) kullanılmaktadır.

18 Ekstrüderler, plastik tabaka, film ve boru, sentetik elyaf v.b. mamuller ile plastik parçaların enjeksiyonu ve ekstrüzyonla kaplama gibi işlemler için çok değişik tip ve kapasitelerde imal edilmektedirler. DARBELİ EKSTRÜZYON Ekstrüzyon işleminin diğer bir yaygın uygulanma tarzı da püskürtme (darbeli) ekstrüzyonudur Şekillendirilecek malzeme matris boşluğuna yerleştirilerek ekstrüzyon kuvveti hızla hareket eden ıstampa vasıtasıyla darbeli olarak uygulanır. Böylece malzeme ıstampa çevresinde ıstampanın hareketine aksi yönde akarak yükselir ve tüp şeklini alır. Matris boşluğu ile ıstampa arasındaki fark tüpün et kalınlığını belirler. Tüpün et kalınlığının çapına oranı gibi küçük bir değere kadar inebilir. Darbeli ekstrüzyon, çoğu kez soğuk ekstrüzyon sınıfına dâhil edilen bir üretim yöntemidir. Bu yöntemle et kalınlığı, çapına kıyasla küçük tüp şeklinde parçalar üretilir (Şekil 87). Direk darbeli ekstrüzyonda ıstampanın ucunda çapı üretilecek tüpün iç çapına eşit bir malafa vardır. Ön şekil verilmiş olan hammaddeye ekstrüzyon kuvveti hızla hareket eden ıstampa vasıtasıyla darbeli olarak uygulanır. Şekil 87 Püskürtme ile ekstrüzyon ile tüplerin imali (1-2-3)

19 Şekil 87'den de görülebileceği üzere, açık veya kapalı kalıplarda; ileriye ya da geriye ekstrüzyon şeklinde uygulanma tarzları bulunmaktadır. Diş macunu, pomad, krem v.b. tüpleri ile kap şeklindeki tüpler ve yine kap biçimli kalın kesitli çelik parçalar, bölgesel yığma ve şekillendirme gerektiren otomotiv sanayi ile ilgili birçok parça, özel civata ve bağlantı elemanları, v.b. parçalar için çok yaygın bir uygulanma alanı bulmaktadır. Darbeli ekstrüzyona en iyi örnek diş macunu tüpüdür.

20 Şekil: Diş Macunu Tüpü darbeli ekstrüzyon Şekil: Diş Macunu Tüpü darbeli ekstrüzyon Diş macunu tüpünün darbeli ekstrüzyonla üretimi

21 Darbeli ekstrüzyon işlemleri yüksek hızlı mekanik preslerde yapılır. Bu yöntem genellikle bir soğuk şekil verme ise de, yüksek şekil değiştirme hızı nedeniyle, işlem sırasında önemli sıcaklık yükselmesi olur. Yöntem, demir olmayan metal ve alaşımları ile yumuşak çeliğe soğuk olarak uygulanabilmektedir. Ayrıca, püskürtme ile yığma bir arada gerçekleştirilebildiğinden, yığma işlemindeki yığma oranı sınırlaması sorun olmaktan çıkmakta ve pek çok değişik türden parçanın imalatına olanak vermektedir. Darbeli ekstrüzyonla kurşun, kalay, alüminyum, bakır gibi yumuşak metaller şekillendirilebilir. Derin kapların derin çekilmesi, ancak birkaç kademeli şekillendirme ve ara tavlamalar ile gerçekleştirilebilirken, püskürtme ekstrüzyonu ile bir defada son biçime ulaşılabilmektedir. Örneğin, alüminyum tüpler için 0,04 1,5 mm'ye kadar kalınlıkta ve çap mm' lik boyutlarda imalat gerçekleştirilebilmektedir.