Prelucrarea prin extrudare

1

3. Prelucrarea prin extrudare.

3.1. Introducere

Extrudarea este un procedeu de prelucrare prin deformare plastic, la rece sau la

cald, asemntor tragerii. Acesta const n trecerea (mpingerea) forat a materialului,

datorit unei fore de compresiune mari, prin orificiul calibrat al unei filiere sau matrie de

extrudare. Procedeul se aplic materialelor care, n anumite condiii, nu pot fi trase,

adic nu este respect condiia tragerii n procesul de prelucrare:

i < (condiia tragerii) (1)

n care Ft este fora de tragere (de traciune);

Fr - fora de respingere;

t - efortul unitar la traciune;

r - rezistena de rupere a materialului supus tragerii.

n mod normal, pot fi extrudate toate materialele care au o bun plasticitate, permind obinerea unor

produse cu compactitate ridicat i o bun precizie dimensional i de form. Echipamentele utilizate n

procesul de extrudare sunt diferite celor folosite la tragere sau trefilare.

Cunoaterea procesului tehnologic de extrudare, a forei necesare desfurrii

operaiei, precum i a msurii n care proprietile mecanice ale semifabricatelor

obinute cresc, este deosebit de important, ndeosebi n ceea ce privee selecia

acestora n vederea utilizrii lor la diferite aplicaii i la selecia tehnologiei

economice de obinere a pieselor finite [1].

Cunoaterea echipamentelor specifice extrudrii permite formarea unei viziuni

de ansamblu privind desfurarea procesului de prelucrare i de stabilire a limitelor

i a tipului de semifabricate crora se poate aplica procesul.

Obiectivele acestui capitol sunt:

o Definirea operaiei de extrudare;

o Stabilirea forei necesare desfurrii procesului;

o Proprietile materialelor prelucrate prin extrudare;

o Prezentarea desfurrii procesului i a echipamentelor utilizate la

extrudare;

o Tipuri de semifabricate obinute n urma aplicrii acestor operaii;

o Aplicarea procedeului de extrudare la acoperirea cablurilor electrice

cu diferite materiale.

Durata medie de studiu individual: 50 minute.

Concluzie:

Obiectivele capitolului:

Durat

Prelucrarea prin extrudare

2

3.2. Principiul prelucrrii prin extrudare.

Materialul aflat, de obicei, sub forma unei bare cilindrice este introdus ntr-un container i este

mpins prin orificiul unei filiere care i atribuie semifabricatului forma, dimensiunile, precizia dimensional i

de form. Aa cum se poate

observa n figura 3.1, pe sabota

mainii de extrudat 1 este fixat

filiera 3 cu ajutorul inelului de

prindere 2. n contact cu aceast

filier se gsete containerul 4 n

care se gsete semifabricatul 6.

Acest semifabricat este mpins prin

filier cu o for F prin intermediul

poansonului 5.

ntocmai ca i n cazul

procedeelor de tragere sau trefilare,

produsele obinute se

caracterizeaz printr-o lungime

mare raportat la seciunea

acestora i printr-o mare diversitate a dimensiunilor i geometriilor seciunii transversale.

Avnd n vedere faptul c materialul nchis ntr-un container este supus unor presiuni ridicate,

acestea creeaz fore de compresiune orientate dup toate direciile (tridimensionale). Aceast stare

complex de tensiune permite realizarea, dintr-o singur operaie, a celor mai mari grade de deformare care

pot ajunge pn la 100 sau chiar mai mult.

Gradul de deformare se determin cu relaia:

=0

1, (2)

n care: S0 reprezint suprafaa seciunii transversale iniiale a semifabricatului;

S1 suprafaa seciunii transversale a semifabricatului extrudat.

Obinerea unor grade de deformare att de mari determin:

realizarea produsului finit ca urmare a unei singure treceri prin filier;

n timpul prelucrrii, materialul nu se poate rupe deoarece rezistena la compresiune este cu

mult mai mare dect rezistena la traciune;

cu ct este mai mare gradul de deformare, cu att mai mari sunt i forele de deformare;

presiunile specifice de pe suprafeele active ale poansoanelor i matrielor, pot atinge valori

care pot depi de cteva ori limita de curgere a materialului deformat putnd depi i

valorile de rezisten i de durabilitate ale sculelor;

permite reducerea stocului de semifabricate la o tipodimensiune (dimensiunea

containerului), simplificnd aprovizionarea i depozitare.

Fora necesar extrudrii se determin cu relaia:

= , [N] (3)

Fig. 3.1: Principiul prelucrrii prin extrudare

Prelucrarea prin extrudare

3

n care: p este presiunea de deformare a materialului [MPa];

A aria seciunii transversale a prii active a poansonului [mm2].

Presiunea de deformare se poate determina cu ajutorul relaiei:

= 1 +

0

1, [MPa] (4)

n care c reprezint limita la curgere a materialului n condiiile date ale deformrii;

coeficientul de frecare exterioar;

L lungimea semifabricatului iniial;

D diametrul semifabricatului iniial;

c coeficient ce ine seama de forma matriei.

Datorit strii favorabile de tensiune n materialul supus extrudrii i a posibilitilor de extrudare la

cald, este posibil i prelucrarea prin extrudare a aliajelor speciale care, n mod normal, prezint dificulti

de prelucrare prin forjare sau laminare.

Procedeul prezint dezavantajul

faptului c necesit fore mari de

deformare, inclusiv cele legate de forele

de frecare dintre material i suprafaa

containerului i dintre material i suprafaa

interioar a filierei. Prin urmare, procedeul

presupune utilizarea unor echipamente de

for mare, chiar dac, n ultima vreme,

forele de frecare pot fi reduse substanial

prin utilizarea unor lubrifiani foarte

eficieni n condiii severe de lucru.

Filiera este componenta instalaiei

de extrudare cea mai solicitat, fiind supus unor condiii extreme de temperatur, uzur fore de deformare.

n figura 3.2 este prezentat ansamblul filierei format din filiera propriuzis 1, inelul de strngere 2, care are

rolul de a prelua tensiunile de intindere generate de materialul extrudat n filier pe timpul desfurrii

procesului, i portfiliera 3, care permite fixarea ansamblului n instalaia de for.

Geometria filierei este asemenea celor utilizate la tragere i trefilare. Geometria seciunii

longitudinale, mai simpl dect a filierelor utilizate la tragere, se caracterizeaz printr-o raz de racordare i

o nlime mai redus a zonei de calibrare pentru evitarea creterii inutile a forei de extrudare. Forma i

dimensiunile transversale ale filierei determin caracteristicile dimensionale i de form ale produsului. De

obicei, filierele au un singur orificiu de extrudare dar, uneori, n anumite condiii, pot fi utilizate filiere cu mai

multe orificii de extrudare permind, n acest fel, creterea productivitii.

Pentru a face fa solicitrilor din timpul extrudrii, filierele se confecioneaz din oeluri nalt aliate.

Cele mai utilizate sunt oelurile aliate cu crom i wolfram.

n prezent, procedeul se aplic la obinerea unor semifabricate utilizate n industria de vrf, cum ar fi:

industria de automobile, industria aeronautic, industria electrotehnic etc.

Fig. 3.2: Filiera

Prelucrarea prin extrudare

4

3.3. Metode de prelucrare prin extrudare.

n funcie de relaia care exist ntre sensul aplicrii forei i sensul de curgere a materialului prin

filier, pot fi identificate trei metode de prelucrare prin extrudare, cum ar fi:

extrudarea direct;

extrudarea indirect;

extrudarea mixt.

3.3.1. Prelucrare prin extrudare direct.

Metoda de extrudare direct, prezentat n

figura 3.3, se caracterizeaz prin faptul c sensul

forei F care acioneaz asupra pistonului 2

pentru mpingerea materialului 3 prin filiera 1

este acelai cu sensul a de ieire a materialului

din filier (a se vedea faza I i faza II din figura

3.3). Pentru a se evita ieirea materialului pe

lng filier, aceasta trebuie s fie strns de

container (vezi fugura 3.1) fr a oferi

posibilitatea formrii unui joc dintre acestea.

Schema procesului de extrudare direct din

figura 3.3 ofer posibilitatea obinerii unor

semifabricate tubulare.

Exemplu: n

acest mod se obin,

prin extrudarea

diferite tuburi

nfundate la un capt.

n cazul n care

semifabricatul de pornire este sub form de disc

se pot obine prin extrudare direct evi cu perei

subiri din plumb, aluminiu, cupru etc.

Extrudarea direct hidrostatic (figura 3.4) const n faptul c semifabricatul este mpins prin

orificiul filierei sub aciunea unui fluid aflat sub presiune i care este cuprins ntre container i semifabricat.

Prin urmare, materialul 4 aflat n containerrul 1 este nconjurat de fluidul 2. Pistonul 5, etanat de container

prin intermediul inelului de cauciuc 6, se deplaseaz datorit unei fore de acionare F i genereaz n fluid

o anumit presiune. Lichidul aflat sub presiune mpinge materialul prin filiera 3 determinnd deformarea

acestuia, atribuindu-i forma i dimensiunile dorite. Prin faptul c semifabricatul nu vine n contact cu pereii

containerului, extrudarea hidrostatic prezint o serie de avantaje i anume:

Fig. 3.3: Principiul extrudrii directe

Prelucrarea prin extrudare

5

fora necesar extrudrii este

mai mic datorit lipsei frecrii dintre

semifabricat i container i a lubrifierii mai

bune din timpul procesului;

semifabricatul fiind supus unei

fore de compresiune din toate direciile,

materialul se comport mai bine la deformare;

datorit reducerii frecrilor

dintre material i scule, durata de exploatare a

acestora este mult mai mare.

Datorit presiunilor de lucru foarte mari,

greu de realizat, metoda se folosete la

extrudarea materialelor cu deformabilitate

redus. Reuita extrudrii hidrostatice depinde

de valoarea presiunii i calitatea fluidului,

elemente care trebuie corelate cu materialul

extrudat.

3.3.2. Prelucrare prin extrudare indirect.

Metoda de extrudare indirect, prezentat n figura

3.5, se caracterizeaz prin faptul c sensul forei F care

acioneaz asupra pistonului 2 pentru extrudarea

materialului 3 prin filiera (containerul) 1 este opus sensului

b de ieire a materialului din filier (a se vedea faza I i

faza II din figura 3.5). n aceast situaie, ntre container i

poanson exist un spaiu care permite curgerea

materialului. Este evident c, pentru a facilita curgerea

uoar a materialului de sub poanson, acesta trebuie s

aib o geometrie adecvat.

Exemplu: n acest mod se

obin, prin extrudarea unor

semifabricate disc din aluminiu,

tuburile (flacoanele) de spray.

Datorit modului de desfurare a procesului de

extrudare, ntre cele dou metode (direct i ndirect) apar

i deosebiri mai importante. n primul rnd intereseaz mrimea i variaia forei de extrudare alturi de

dimeniunile produsului.

n cazul extrudrii indirecte fora de extrudare este mai mic i este constant, datorit frecrilor

reduse dintre semifabricat i container. Acest lucru nu este valabil pentru extrudarea direct. Prin extrudarea

Fig. 3.5: Principiul extrudrii ndirecte

Fig. 3.4: Extrudarea hidrostatic

Prelucrarea prin extrudare

6

indirect nu se pot realiza dect produse de seciune mic. Aceasta deoarece containerul i filiera au

seciune mare i perei groi ceea ce determin utilizarea unor dispozitive de dimensiuni mari i neeficiente,

greu de realizat i de adaptat la instalaia de for.

Cu toate c, din punct de vedere al forei de extrudare, extrudarea indirect este mai avantajoas,

celelalte dezavantage fac ca extrudarea direct s fie mult mai larg rspndit. n situaia n care extrudarea

se realizeaz la cald este necesar ca semifabricatul s fie nclzit, ceea ce face ca poansonul i containerul

s fie expuse intens la temperatur.

3.3.3. Prelucrare prin extrudare mixt sau combinat.

Metoda de extrudare mixt, prezentat n figura 3.6, se caracterizeaz prin faptul c n urma

acionrii pistonului 2 cu ajutorul forei F pentru mpingerea materialului 3 prin filiera 1, acesta curge att n

sensul a ct i n sensul b (a se vedea faza I i faza II din figura 3.6).

Procedeul de extrudare mixt sau combinat se aplic la obinerea unei game foarte mari de

produse a cror proprieti sunt deosebit de favorabile.

Exemplu: Imaginea extrudrii mixte din fig: 3.5 arat modul n care se

obineau, din aluminiu, tuburile de past de dini.

Fig. 3.6: Principiul extrudrii ndirecte

Prelucrarea prin extrudare

7

Acest procedeu se aplic, de

asemenea, la obinerea supapelor motoarelor

cu ardere intern, palete de turbin i

nenumrate uruburi cu cap cilindric i cu loca

hexagonal pentru cheie (figura 3.7).

n acest din urm caz, semifabricatul 3

este aezat n containerul 2 i este mpins prin

filier cu ajutorul poansonului special 1

conducnd la formarea tijei, n acelai timp cu

formarea locaului hexagonal pentru cheie.

3.4. Acoperirea cablurilor prin

extrudare.

Unele cabluri electrice izolate, lucrnd

n condiii severe de coroziune sau solicitri

mecanice, se protejeaz ntr-o manta metalic,

de obicei de plumb. Acoperirea cu nveli

metalic sau cu un material izolator plastic

continuu se face prin extrudare.

n containerul 2 (figura 3.7) se aeaz

materialul 3 destinat acoperirii cablurilor. Prin

elementul de ghidare 4 i concentric prin filiera

5 se deplaseaz cu viteza Vm cablul ce urmeaz

a fi acoperit. Pistonul 1 acionat cu o for F

mpinge materialul de acoperire cu o vitez Ve

prin spaiul dintre cablu i suprafaa interioar a

filierei. Grosimea stratului depus pe cablu

depinde de diferena dintre diametrul interior al

filierei i diemetrul cablului. Pentru o acoperire

corect a cablurilor este necesar ca Vm=Ve. n

condiiile n care Vm>Ve, cablul va rezulta

neacopeit, iar n situaia n care Vm

Prelucrarea prin extrudare

8

3.5. Factori de influen a procesului de extrudare.

Pentru ca procesul de extrudare s se desfoare n cele mai bune condiii i s se obin

semifabricate fr defecte este important a se cunoate modul n care principalii factori, fora de extrudare,

temperatura de lucru, viteza de deformare i lubrifierea influeneaz desfurarea acestui proces.

Fora de extrudare depinde de metoda de extrudare, materialul prelucrat (plastic sau cu

deformabilitate sczut), gradul de extrudare, temperatura de lucru, forele de frecare dintre material i

scule etc. Fora de extrudare este mai mic la extrudarea invers fa de extrudarea direct prin faptul c

suprafaa de frecare relativ este mai mic. Cu toate acestea fora de extrudare este ridicat ceea ce face

utilizarea unor instalaii care dezvolt fore de lucru mari.

Temperatura de extrudare determin fora de extrudare. Extrudarea la cald se aplic tuturor

materialelor i aliajelor. La alegerea temperaturii de extrudare trebuie s se in seama c aceasta s fie

ntotdeauna sub temperatura de topire sau cea de apariie a fragilitii la rou a materialului extrudat. n

practic, pentru reducerea la maxim a a uzurii sculelor i pentru a facilita o lubrifiere mai bun a suprafeelor

de contact dintre scule i materialul de extrudat, procesul trebuie s se desfoare la o temperatur ct mai

mic, n condiiile n care se pstreaz o plasticitate corespunztoare a materialului. Trebuie, n acelai

timp, s se in seama de efectul termic puternic al deformrii plastice la grade mari de deformare.

Viteza de deformare poate influena att presiunea de deformare la extrudare, ct i starea termic

a semifabricatului. La o cretere de 10 ori a vitezei, presiunea de deformare poate crete cu pn la 50%.

La materialele greu deformabile, care necesit temperaturi nalte de prelucrare, extrudarea trebuie

s se fac cu o vitez mare pentru a nu se rci materialul atrgnd dup sine creterea rezistenei la

deformare a materialului. Alegerea vitezei optime se face prin ncercri, innd seama de gradul de

deformare, presiunea de lucru i de temperatur.

Lubrifierea are rolul de reducere a forei de extrudare pe seama reducerii forelor de frecare dintre

semifabricat i scule. Structura materialului lubrifiat corespunztor i extrudat arat mult mai echilibrat.

Aceasta deoarece lubrifierea conduce la o mare uniformizare a deformaiei. Condiiile de lucru, n special la

cald, impun utilizarea unor lubrifiani care s reziste la presiuni mari de strivire, s prezinte o bun stabilitate

i pasivitate fa de materialul prelucrat.

Pe lng lubrifianii universali, cum ar fi grafitul i bisulfura de molibden, se utilizeaz lubrifiani

speciali care, pentru oeluri, sunt de natur vitroas pe baz de sticl i ali compui similari.

Aplicarea necorespunztoare a procesului face ca semifabricatele s dobndeasc anumite defecte

dintre care cele mai importante sunt:

fisurile transversale discontinue puin adnci datorate extrudrii cu vitez mare i la temperaturi

ridicate;

inelele care sunt fisuri transversale continui, la intervale regulate caracteristice materialelor cu

limit la elasticitate ridicat;

coaja de palmier apare la materialele cu tenacitate i ductilitate suficient, ea fiind rezultatul

unei fisuri transversale la nivelul filierei, fisur care, mai apoi, se rotete datorit unui cuplu

format dintr-o tensiune superficial i o compresiune la centru;

defectele interioare sunt generate de frecarea dintre material i container aparnd sub form

de:

Prelucrarea prin extrudare

9

REZUMAT:

o porozitatea este rezultatul frecrii exterioare mari i a presiunii mici din straturile

interioare ale materialului care afneaz materialul;

o tubajul apare atunci cnd forele de frecare exterioare mari antreneaz materialul din

zona interioar puin solicitat formnd goluri alungite n sensul extrudrii;

o cavitile vrf de lance apare atunci cnd raportul dintre coeficientul de frecare extern

i cel intern este foarte mare fcnd ca deplasarea materialului n zona central s fie

mai mare genernd tensiuni de ntindere ce depesc rezistena de rupere a

materialului producnd rupturi interioare transversale care se deformeaz i se lrgesc.

Definii procedeul de prelucrare prin extrudare?

Din ce este format filiera i care sunt materialele utilizate la realizarea ei?

Cte tipuri de procedee de extrudare cunoatei?

n ce const extrudarea direct?

n ce const extrudarea hidrostatic?

n ce const extrudarea indirect?

n ce const extrudarea mixt sau combinat?

Aplicaii ale procesului de prelucrare prin extrudare?

Cum se descfoar procesul de acoperire a cablurilor ?

Care sunt factorii ce influeneaz procesul de extrudare?

Tipuri de lubrifiani utilizai la extrudare?

Menionai defectele care pot aprea n materialele extrudate.

Cursul prezint procedeul de prelucrare prin extrudare. Pentru aceasta este necesar

cunoaterea principiului extrudrii, a forei de extrudare, a metodelor de extrudare,

alturi de echipamentele utilizate n acest scop. Este prezentat avantajul extrudrii

indirecte n raport cu extrudarea direct. Avantajele extrudrii n raport cu a tragerii

sau a trefilrii face ca acest procedeu s aib o larg aplicabilitate. Prin urmare, este

prezentat utilizarea procedeului la obinerea uruburilor cu loca hexagonal i la

acoperirea cu material metalic sau din plastic a cablurilor electrice. Pentru aplicarea

corect a extrudrii este necesar cunoaterea factorilor care influeneaz

desfurarea procesului i a defectelor care pot aprea n material, n caz contrar.

[1]. S. Doma, Selecia i proiectarea materialelor, Editura U.T. Pres, Cluj-Napoca,

2006.

[2]. L. Brnduan, R. Orban, Proiectarea Tehnologiilor de Prelucrare prin Achiere pe

Maini Unelte Universale., Editura TODESCO, Cluj-Napoca, 2002.

[3]. A. Nanu, Tehnologia materialelor, EDP-Bucuresti, 1986.

[4]. N. Vintila, Tehnologia metalelor, Litografia Institutului Politehnic Cluj, Vol. I, 1978.

[5]. I. Mlureanu, C. Bejinaru, Tehnologia Materialelor, Editura Gh. Asachi, Iai, 1999.

[6]. A. Palfalvi, Tehnologia materialelor, EDP-Bucuresti, 1982.

Bibliografie:

ntrebri i discuii: