روزنرانی ضربهای
روزنرانی ضربهای (به انگلیسی: impact extrusion) یکی از انواع فرآیندهای اکستروژن (روزنرانی) است که برای شکلدهی مواد از طریق نیروی پرس و با سرعت بالا استفاده میشود. این فرآیند قابلیت این را دارد تا قطعاتی با شکل نزدیک به محصول نهایی (به انگلیسی: near-net shape) و تلرانس ابعادی مناسب تولید کند. روزنرانی ضربهای شامل روزنرانی مستقیم، معکوس و ترکیبی است که بر اساس جهت حرکت سنبه و جریان ماده نسبت به هم تقسیمبندی میشوند.[۱] این روش عمدتا بر روی موادی با استحکام کم مانند آلومینیوم، مس و... قابلیت انجام دارد. پارامترها و ویژگیهای مختلفی مانند سرعت سنبه، زاویه ورود قالب و... بر این فرآیند و خواص قطعه تولیدشده تاثیرگذار خواهند بود.
معرفی فرآیند
در فرآیند روزنرانی ضربهای، قطعه خام فلزی وارد قالب میشود و سپس یک سنبه، با نیروی چند صد تن و با سرعت بالا، به آن ضربه میزند. در نتیجه، ماده تحت فشار زیاد قرار گرفته و از طریق فضای موجود میان سنبه و قالب که تنها مسیر خروج است، جریان یافته و شکل داده میشود.[۲] این فرآیند بر اساس جهت حرکت سنبه و جریان ماده نسبت به هم، سه نوع اصلی دارد که عبارتاند از:[۳]
- روزنرانی ضربهای معکوس: جهت حرکت سنبه در خلاف جهت جریان ماده
- روزنرانی ضربهای مستقیم: جهت حرکت سنبه هم جهت جریان ماده
- روزنرانی ضربهای ترکیبی: جریان ماده در هر دو جهت
از آنجایی که در اکثر موارد ماده در دمای اتاق است، روزنرانی ضربهای را میتوان یک فرآیند شکلدهی سرد در نظر گرفت. تغییر شکل پلاستیک در دمای اتاق منجر به کرنش سختی میشود که دلیل آن حرکت نابجاییها در ساختار شبکه ماده است. این امر با افزایش استحکام و کاهش همزمان شکلپذیری همراه است. همچنین با توجه به انجام فرآیند در دمای اتاق، پس از فرآیند شکلدهی انقباض چندانی رخ نمیدهد و تلرانسهای ظاهری قطعه مطابق تلرانسهای قالب خواهد بود. بنابراین، در بسیاری از موارد نیازی به مراحل پردازش بیشتری نیست. [۴]
برای قطعات فنجانیشکل تولیدشده با روش روزنرانی ضربهای، حداکثر ارتفاع ممکن قطعه به عوامل مختلفی بستگی دارد. برای مثال در قوطیهای گرد ساخته شده از آلومینیوم غیر آلیاژی نسبت 10:1 بین ارتفاع و قطر داخلی قوطی را میتوان با یک مرحله روزنرانی ضربهای بهدست آورد. برای ساخت قوطیهای بلندتر ممکن است تعداد عملیات بیشتری نیاز باشد. ساخت قوطیهای مستطیلی نیز با این روش شدنی است اما به راحتی قوطیهای استوانهای نیست. [۵]
بررسیها نشان داده که در طول فرآیند روزنرانی نیرو تا حدی بالا رفته و پس از آن کاهش مییابد. در واقع نیروی اکسترود دارای یک قله است که با افزایش استحکام کششی ماده، افزایش مییابد و به ساختار ماده نیز حساس است. فنجانهای استوانهای جدار نازک با روزنرانی ضربهای معکوس، از آلیاژ ریختهگری اصلاحشده تشکیل میشوند و بهبود کارپذیری (به انگلیسی: Workability) قطعهکار با اصلاح دانهبندی بهدست میآید. همچنین در طول این فرآیند، یک خروج از مرکز δ غیرقابل اجتناب در فنجان رخ میدهد که به جنس قطعه کار وابسته نیست. مشخص شدهاست که از طریق حداکثر خروج از مرکز بدون ایجاد ترک میتوان کارپذیری قطعه کار را ارزیابی کرد. اگر چه روزنرانی ضربهای دارای مزایایی در تولید قطعات فنجانی شکل جدار نازک با بهرهوری بالاست، اما کاربرد آن به مواد با استحکام کم محدود میشود.[۶]
برای اجرای رضایتبخش روزنرانی ضربهای، بدون بزرگ کردن نسبت جرم سنبه به جرم قطعه خام، لازم است نسبتهای روزنرانی در مقایسه با روزنرانی معمولی که فشار اعمالشده به صورت پیوسته است، کوچک باشد. بنابراین فرآیند روزنرانی ضربهای در ساخت قطعات کوچک قابل انجام است اما برای قطعات بزرگتر به دلیل نسبت روزنرانی بالاتر و در نتیجهی آن الزام استفاده از نسبت جرم سنبه به قطعه بزرگ، فرآیند غیرعملی خواهد بود.[۷]
مزایای فرآیند
از آنجایی که این یک روش سردکار است، نیازی به گرم کردن قطعه کار از قبل نیست و در زمان و هزینه صرفهجویی میشود و در عین حال میتوان از مزایای کار سرد بهرهمند شد. همچنین خود فرآیند نیز فرآیندی سریع است زیرا تنها یک ضربه برای شکلدهی ماده لازم است.
به علاوه هزینههای ابزارسازی آن کمتر است، در حالی که خود ابزارها نیز عمر طولانیتری نسبت به سایر تکنیکها دارند. از نظر کارایی، فرآیند روزنرانی ضربهای خروجی بالایی دارد، با حداقل مواد زاید.
از دیگر مزایای روزنرانی ضربهای میتوان به افزایش مقاومت در برابر خوردگی، چیدمان یکنواخت دانهها و ایجاد محصولات نهایی سبکتر اشاره کرد. علاوه بر این، قطعات تولید شده دقت ابعادی و پرداخت سطح خوبی دارند و برای دستیابی به محصول نهایی عمدتا نیازی به ماشینکاریهای بعدی نخواهد بود.[۳][۸]
مواد قابل استفاده در فرآیند
آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیوم، مس و آلیاژهای مس، فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی و فولادهای زنگنزن، تیتانیم، روی و منیزیم را میتوان با این روش اکسترود کرد. آلیاژهای آلومینیوم به خوبی با روزنرانی ضربهای سرد سازگار هستند. آلیاژهای با استحکام کمتر و انعطاف پذیرتر، مانند آلومینیوم 1100 و 3003، راحتترین آلیاژها برای اکسترود هستند. البته هنگامی که در محصول نهایی به خواص مکانیکی بالاتری نیاز باشد، از گریدهایی با قابلیت عملیات حرارتی استفاده میشود.[۹][۱۰]
برای مثال فشار نسبی در روزنرانی سرد برای پنج نمونه از آلیاژهای مختلف آلومینیوم آنیلشده به این صورت محاسبه شدهاست (آلیاژ 1100=1.0):[۹]
| گرید آلیاژ آلومینیوم | فشار نسبی روزنرانی |
|---|---|
| 1100 | 1.0 |
| 3003 | 1.2 |
| 6061 | 1.6 |
| 2014 | 1.8 |
| 7075 | 2.3 |
جنس ابزارهای فرآیند
فولادهای ابزار مورد استفاده در ساخت برخی قسمتهای قالب روزنرانی آلومینیوم:[۵][۹]
| ابزار | گرید فولاد (AISI) | سختی راکول (HRC) |
|---|---|---|
| قالب | W1 | 65-67 |
| اینسرتهای قالب | D2
L6 H13 |
60-62
56-62 48-52 |
| قسمت زیرین قالب | H11/H13
L6 H21 T1 |
48-50
50-52 47-50 58-60 |
| سنبه | S1
D2 H13 |
54-56
58-60 50-52 |
| نگهدارنده | H11/H13
4130/4140 |
42-48
36-44 |
کاربردهای فرآیند
قطعات تولید شده از روزنرانی ضربهای از قطعات فنجانی ساده مانند کاسههای فیلتر هوای فشرده، محفظه سوئیچها و پیستونهای ترمز گرفته تا قطعات پیچیده مانند سیلندرهای آیروسل، بطریهای آلومینیومی و قوطیهای آجدار، اتصالات الکتریکی، محفظههای موتور، قطعات لوازم خانگی، شفتهای پلکانی، پولیها و مبدلهای حرارتی را شامل میشود. [۵][۹] همچنین تیوبهای نگهدارنده آلومینیومی (مانند تیوب خمیردندان، چسب، رنگ و...) نیز با این روش تولید میگردند.
از این فرآیند در تولید بدنه و درب باتریها نیز استفاده میشود. گفته میشود با روزنرانی ضربهای، میتوان تا پنج برابر قطعات بیشتری نسبت به کشش عمیق ساخت، در حالی که استفاده از مواد نیز بسیار بیشتر است.[۱۱]
از روزنرانی ضربهای سرد همچنین میتوان در تولید قطعات فنجانیشکل با دیوارههای دو فلزی (به انگلیسی: bimetallic)، از جنس دو فلز غیرمشابه، استفاده کرد.[۱۲]
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ "Impact extrusion quickly creates parts of near-net shape". THUNDERBIRD METALS (به انگلیسی). Retrieved 2022-11-15.
- ↑ «What Is Impact Extrusion?». OneMonroe (به انگلیسی). ۲۰۲۰-۰۷-۲۸. دریافتشده در ۲۰۲۲-۱۱-۱۵.
- 1 2 Editor، Suzanne (۲۰۲۱-۱۰-۰۶). «Impact Extrusion Process». Clinton Aluminum (به انگلیسی). دریافتشده در ۲۰۲۲-۱۱-۱۵.
- ↑ "Impact extrusion". www.neuman.at (به انگلیسی). Retrieved 2022-11-15.
- 1 2 3 Bay, N. (1997-11-01). "Cold forming of aluminium—state of the art". Journal of Materials Processing Technology (به انگلیسی). 71 (1): 76–90. doi:10.1016/S0924-0136(97)00152-0. ISSN 0924-0136.
- ↑ Natori, Keiko; Utsunomiya, Hiroshi; Tanaka, Tatsuya (2021-11-01). "Forming of thin-walled cylindrical cup by impact backward extrusion of Al-Si alloys processed by semi-solid cast and ECAP". Journal of Materials Processing Technology (به انگلیسی). 297: 117277. doi:10.1016/j.jmatprotec.2021.117277. ISSN 0924-0136.
- ↑ Shutt, A.; Turner, T. W. (1963-07-01). "Extrusion by a true impact process". International Journal of Mechanical Sciences (به انگلیسی). 5 (3): 267–273. doi:10.1016/0020-7403(63)90053-5. ISSN 0020-7403.
- ↑ Cole, B. N.; Davies, R.; Austin, E. R.; Bakhtar, F. (1965-06). "Paper 36: High Speed Impact Extrusion of Metals". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Conference Proceedings (به انگلیسی). 180 (9): 328–347. doi:10.1243/PIME_CONF_1965_180_256_02. ISSN 0367-8849.
{{cite journal}}: Check date values in:|date=(help) - 1 2 3 4 Semiatin، S.L. (۲۰۰۵). ASM HANDBOOK. ج. ۱۴A. ASM International. doi:10.31399/asm.hb.v14a.9781627081856.
- ↑ Wagener, H.-W.; Hosse-Hartmann, J.; Friz, R. (2003-04-23). "Deep Drawing and Impact Extrusion of Magnesium Alloys at Room Temparature". Advanced Engineering Materials. 5 (4): 237–242. doi:10.1002/adem.200300329.
- ↑ «Producing battery cases and lids efficiently». www.schulergroup.com. دریافتشده در ۲۰۲۲-۱۱-۱۵.
- ↑ Ciupik, L. F.; Mstowski, J. (1983-08-01). "Cold Impact Extrusion-Mechanism of Formation of a Bimetallic Wall". Journal of Engineering for Industry (به انگلیسی). 105 (3): 210–214. doi:10.1115/1.3185890. ISSN 0022-0817.