Kijk op extrusie

Kijk op extrusie

Citation for published version (APA):

Boerma, F. G. (1988). Kijk op extrusie. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0580). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1988

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

KIJK OP EXTRUSIE F.G. Boerma DI/D3 Vakgroep Produktletechnoiogle en -Automatisering. Laboratorium v. Omvormtechnologle. Afstudeerrichting: produktie techniek Afstudeerperiode: jan. tim mei 1988 Plaats: TU-Eindhoven

Begeleiding TV-Eindhoven:

dhr.M.Smeets

dhr.J.A.H.Ramaekers dhr.S.M.Hoogenboom

Begeleiding HTS Den Bosch:

dhr.Cornelissen dhr.Schamp

dhr.van Kempen

2

-SAMENVATTING

In dit verslag is beschreven hoe de uiteindelijke vorm en afmetingen van een extrusiegereedschap zijn bepaald, waarmee materiaalverplaatsingen van aluminium d.m.v. een

kijk-venster kunnen worden waargenomen. Hierbij is o.a. gebruik gemaakt van theoretische informatie over extrusiegereed-schappen. optredende perskrachten. aluminium en glas. Ook zijn enkele gegevens uit de praktijk (extruderen van koper OP

de TU) gebruikt. Het bepalen van de vorm. afmetingen en materiaal van het kijkvenster blijkt echter het grootste probleem te zijn. D.m.v. een aantal proefnemingen is echter toch een kijkvenster gevonden dat de hoge drukken en daarmee belastingen (die tijdens het extruderen optreden) op een aanvaardbare manier kan doorstaan.

Het uiteindelijk gekozen gereedschap (zie par.4.4. en 4.5.) bestaat uit een halve matrijs en een afsluitplaat (met

kijkvenster) die m.b.v. een boutkonstruktie met grote kracht tegen elkaar worden gedrukt. De vorm van het kijkvenster, dat in de afsluitplaat is aangebracht. is grotendeels conisch met aan billetzijde een cilindrisch gedeelte. Het voordeel van het gebruik van conisch glas is het altijd onder radiale druk staan tijdens het extrusieproces. M.b.t. de

eigenschappen van glas kan dit als gunstig worden ervaren. De tijdens extrusie optredende drukken kunnen echter zo hoog oplopen. dat het glas barsten gaat vertonen. Omdat, t.g.v. de radiale druk, deze barsten aIleen loodrecht op de

kijkrichting voorkomen. wordt bij een juiste belichting de zichtbaarheid van het billet niet of nauwelijks beinvloed. De overgang glas-zitting laat echter op het billet weI sporen na, maar beinvloedtde materiaalstroming niet of nauwelijks

(het raster blijft symmetrisch).

Video-opnamen. die gemaakt zijn tijdens het extruderen van aluminium. laten een redelijk goed zichtbare materiaal-stroming van het billet zien.

1.1. Korte omschrijving massier omvormen van sta!materiaal.

Op de Technische Universiteit te Eindhoven wordt o.a. ge-experimenteerd met het massief omvormen van stafmateriaal in koude toestand. Een voorbeeld van massief omvormen is te zien

in fig. 1. Een proefstuk (ook wel billet genoemd)

!ltempe! billet matrijs

. -

..

_.

fig.l."Massief omvormen."

met een diameter D wordt m.b.v. een stempel onder hoge druk door de matrijs met inwendige diameter d geperst. De

uiteindelijke diameter van het billet wordt hierdoor ook gereduceerd tot de diameter d.

Om een beter inzicht te krijgen in het verloop van het

proces. zoals het stromingsverloop van het materiaal tijdens het extruderen. worden op de TU proeven gedaan met koperen billets (29 rom in diam.) die in de langsrichting zijn

doorgezaagd. In een van de twee delen wordt m.b.v. de

schaafbank een raster aangebracht (b. v. lxl rom of 2x2 rom), dat later met zwarte inkt ingekleurd wordt (fig.2). Daarna worden de twee delen weer op elkaar geplaatst en door de matrijs

4

-hoe het materiaal zich door de matrijs heeft verplaatst.

M.b.v. deze methode kan de vervorming van een materiaalelemen-tje stap voor stap gevolgd worden bij het doorlopen van de matrijs. De stapgrootte is afhankelijk van de afmetingen van het raster. Het opmeten van zoln elementje bij elke stap kan informatie geven over de vervormingsgraad die het elementje heeft ondergaan. j I 1 ' , , ,

'-,-

+~-~:t.:±r , ! ; ; , I wi'

fig.2."Raster op het billet voor en na extrusie."

1.2. Op'drachtomschrijving.

Om een beter inzicht te krijgen in het stromingsverloop tijdens het proces. zou het gemakkelijk zijn als het raster. en daarmee de materiaalvervorming tijdens het proces bekeken kan worden. Op die manier kan een materiaaldeeltje continu

gevolgd worden in plaats van stap voor stap. De opdracht luidt dan ook: het ontwerpen en het (laten) maken van een gereedschap voor stafextrusie waarin, m.b.v. glas. het raster. en daarmee de vervorming van het te extruderen materiaal zichtbaar is. M.b.v. foto-. film- of videocamera zou het geheel dan opgenomen kunnen worden. Het moet ook mogelijk zijn om eenvoudig de inwendige afmetingen van de matrijs te veranderen, zoals de extrusieverhouding (- diD) of

de steenhoek (- 2.~: zie fig.i.>

Ook moet het mogelijk zijn om aluminium te extruderen. omdat aluminium. net als koper en staal, tijdens vervorming

verstevigt. Daarom kunnen proeven met aluminium als extrusiemateriaal als practisch voorbeeld dienen v~~r

2.1. Fund~entele opbouw van een extrusiegereedschap.

De vormgeving van het gereedschap samen met de optimale keuze van het te vervormen materiaal bepalen voor het belang-rijkste deel een goed verloop van het extrusieproces. In praktijk zijn hoge belastingen (stempeldrtikken tot en met 2500 N/mm~) van het gereedschap niet vreemd (zoals bij

extrusie van staal). Fig.3. laat de fundamentele opbouw zien van een gereedschap dat gebruikt wordt bij het massief

omvormen van stafmateriaal.

, - - - grondp 1 aat matrijs krimp-ring tussen-/ plaat drukplaat stempel grondplaat

I

~~~:a~~~~LL~~~~~~~~~~~~*=~~drukplaat uitwerper ' - - - -_ _ J

fig.3."fundamentele opbouw extrusie gereedschap." Dit gereedschap bestaat uit de volgende onderdelen:

- De drukplaat en de tussenplaat: deze ondersteunen de matrijs en verdelen de druk over de grondplaat.

De stempel: de stempel drukt het werkstuk door de

vormgevende opening van de matrijs. De stempel moet bestand zijn tegen de optredende persdrukken. Het precies passen van de stempel in de matrijs is van ondergeschikt belang.

6

-- De matrijs: de matrijs neemt het billet ~n zich op en vervormt deze. De vormgevende opening van de matrijs is bij stafextrusie rond maar kan ook een andere vorm hebben

~oals bij het extruderen van aluminium profielen) . De krimpring: Om er voor te zorgen dat de matrijs

tijdens het extruderen niet te veel OP trek wordt belast wordt deze meestal OP voorspanning gebracht m.b.v. een of twee krimpringen.

2.2. OPDOUW van extru8iegereedschap voor het extruderen van koper.

Voor het extruderen van koper (zie par 1.1.) wordt op de TV gebruik gemaakt van een gereedschap dat iets afwijkt van het gereedschap beschreven in par 2.1. Er is bijvoorbeeld geen uitwerper nodig omdat de hoeveelheid proefnemingen daarvoor

fig.4."Opstelling voor staf-extrusie van koper."

te gering zijn. Omdat koper. vergeleken met staal. gemakkelijk te verVOrmen is. is er ook geen gebruik gemaakt van een stempelhuis waar het stempel m.b.v. geleidingen op de juiste positie

t.o.v. de matrijs wordt gehouden (hierdoor treedt echter weI meer slijtage aan het gereedschap op). De opstelling van het geheel is te zien in fig.4. De stempel wordt gedeeltelijk in de matrijs geplaatst. waarna deze met de pers verder wordt

gedrukt. De vorm en een aantal afmetingen van dit gereedschap is te zien in fig.S.

4J 46

4J

29

4>20,5

t1>50

fig.5."Vorm en afmetingen van het gereedscnap gebruikt voor het extruderen van koper." In fig.5. is te zien dat de krimpring is vervangen door een conische ring waar de matrijs (ook conisch) is ingeperst. Op deze manier wordt de matrijs ook voorgespannen. De hydrauli-sche pers die voor deze proeven wordt gebruikt is van het merk Sack & Kiesselbach en kan een maximale perskracht berei-ken van 6.3 MN. Voor het extruderen van koper m.b.v. boven-staand gereedschap was een perskracht nodig van +/- 300 kN.

2.3. De matrije.

Een zeer belangrijk onderdeel van het extrusiegereedschap is de matrijs. De vorm en de afmetingen van de matrijs bepalen voor een groot gedeelte de eigenschappen van het

geextrudeerde produkt (zoals treksterkte. hardheid.

oppervlakteruwheid enz.). In fig.6. is een ongedeelde matrijs getekend. De belangrijkste delen van de matrijs zijn daarbij genoemd. Ongedeelde matrijzen worden gebruikt voor niet al te hoge perskrachten. die optreden bij 0.8<Qmax<1.0 (De grootte van de perskracht is afhankelijk van de grootte van Qmax

(-In(AOIA1)); zie H3) voor gemakkelijk vervormbare

staalsoorten. Dwarsgedeelde matrijzen (fig.6.a.) worden gebruikt voor zeer hoge perskrachten, die optreden bij

Qmax>1.0 of voor staalsoorten die moeilijk vervormbaar zijn. Langsgedeelde matrijzen worden tens lotte gebruikt als

o

8

-9

6

fig.6."Ongedeelde matrijs."

1) krimpring 6) vrijloopdiam.

2) matrijs 7) steenhoek intree radius

3) matrijsbinnendiam. (DO) 8) steenhoek uittree radius

4) steenhoek (2aL) 9) vloeirand

5) uittree diameter (01)

fig.6.a) "dwarsgedeelde matrijs." b) "langsgedeelde matrijs."

De matrijzen worden door radiale en tangentiale spanningen zwaar belast. Deze spanningen zijn weer afhankelijk van de axiale spanning die op een nog niet bekende wijze afhangt van de persdruk op de stempel.

Voor het bepalen van de belastingen die op het werkstuk uit-geoefend worden, is het noodzakelijk dat de totale omvorm-kracht en arbeid bekend zijn. Belangrijke grootheden die

invloed hebben op arbeid en kracht zijn o.a. de steenhoek. de verhouding tussen de matrijsbinnendiameter en de uittree-diameter (de extrusieverhouding DDID1: zie fig.6.). de lengte van het billet en het billetmateriaal. Voor het berekenen van de omvormkracht en arbeid zijn formules opgesteld die op de elementaire plasticiteitstheorie berusten. Bij het berekenen van de totale omvormkracht wordt uitgegaan van drie

componenten. die bij elkaar opgeteld kunnen worden. Deze componenten zijn:

1) De ideele arbeid Wid en bijbehorende kracht Fid.

2) De wrijvingsarbeid

Ww

en bijbehorende kracht

Fw.

3) De afschuifarbeid Wa en bijbehorend kracht Fa.

3.1. De ideele omvormarbeid en kracht.

De ideele omvormarbeid. waarbij geen rekening gehouden wordt met wrijving en afschuiving, wordt als volgt berekend (zie fig.?):

Uit het omvormgebied wordt een oneindig dunne ronde schijf

genomen. Naarmate de schijf zich verder in de omvormzone

ver-plaatst (van oPP. AD naar Al),

zal de diameter van de schijf. t.g.v. de radiale druk uitgeoef-end door de steenhoek op het materiaal. zich verkleinen. De

arbeid die nodig is om de dia-meter te verkleinen wordt nog eens vergroot omdat de schijf ook nog onder axiale druk staat. T.g.v. volumeinvariantie zal namelijk de dikte van de schijf groter worden. juist tegen de richting van de axiale druk in.

•

r

I

i Ao o _{3 2}

°3

t

1-I

Al ~ -z~

10

-De arbeid die nodig is voor het in di~eter verkleinen van de schijf is:

dWid - l)zdA .t5'r + AdAz .CS'z

Integreren van deze vergelijking tussen de grenzen AO en Al en verdere uitwerking geeft de volgende formule:

Wid -

V.afm.Cmax

Waarbij: V - volume van de omvormzone (tussen AO en AI). Qmax - In(AO/AI): AO is het materiaalintree opp. en

Al is het materiaaluittree opp. 6fm - de gemiddelde vloeispanning: (UfO + Ufl)/2.

6fO c vloeispanning van het extrusiemateriaal voor

vervorming.

~fl - vloeispanning van het materiaal na vervor-mingo Bij verstevigend materiaal is crfl>afO. Voor het quasistationaire deel van het extrusieproces in het bereik van de omvormzone kan gesteld worden:

W/V - FlAG

De verhouding arbeid (W) en volume (V) is gelijk aan de verhouding van de kracht (F). die deze arbeid moet

verrichten, en het oppervlak (AO) waarop deze Kracht staat. De ideele omvormkracht wordt dan:

F

i

d -

AO.lT

fm . Cmax

3.2. De arbeid en Kracht t.g.v. wrijving.

Bij het massief omvormen bestaat de wrijvingsarbeid uit twee delen nmI. de wrijvingarbeid t.g.v. de wand van de matrijs

(Wwm) en arbeid t.g.v. de wrijving tussen billet en

steen-hoek (Wws). Berekenen van de totale wrijvingsarbeid en Kracht kan m.b.v. de volgende formules:

Wws - V.O"fm.Qmax.2u lIin20<.

Fwll - AO.Gfm.Qmax.2u lIin2at

Waarbij: DO - intree-diameter matrijs

LO - lengte van het oorspronkelijk billet L = lengte van het billet na het proces

~ = wrijvingscoefficient tussen billet en matrijs

2CC:: - steenhoek

De totale wrijvingsarbeid is: Ww - Wwm + Wws De totale wrijvingskracht is: Fw - Fwm + Fws

3.3. Afschuifarbeid

en

kracht.

Plastische deformatie wordt gekenmerkt door afschuiving in de kristalroosters. In de deformatiezone tussen AO en Ai

treedt ook afschuiving op. Hiervoor is arbeid nodig. Voor het berekenen van deze arbeid kan gebruik worden gemaakt van de volgende formule:

Wa - 2.V.(jfm.C<

3

Omdat geldt W/V - F/A, wordt nu:

met Q( - tanoc..

Fa - 2. AO .crfm.~

3

3.4. De totale omvormkracht.

Bovenstaande formules voor het berekenen van de verschil-lende krachten zijn allen afgeleid van de arbeidsformuies.

die v~~r het berekenen van de belasting van het gereedschap

niet van toepassing zijn. Het berekenen van de totale

omvormkracht is weI belangrijk. De totale omvormkracht kan gevonden worden door de drie componenten bij elkaar op te

12

-tellen.

Ftot - Fid + Fw

+

Fa

Ftot kan gezien worden als de kracht die de pers moet leveren om een billet te extruderen. Ftot is hier theoretisch be-paald [lit.3]. In praktijk kunnen er natuurlijk afwijkingen optreden.

3.5. Invloed van versteviging OP de perskracht.

Versteviging van het te extruderen materiaal heeft een grote invloed op de benodigde perskracht. Vooral bij het koud

omvormen van metalen. waarbij de temperatuur vaak onder de rekristalisatietemperatuur van het materiaal ligt. speelt versteviging een grote rol. In de formules. die gebruikt worden voor het berekenen van de totale omvormkracht. wordt gesproken over de vloeigrens van het materiaal voor deforma-tie (~fO), na deformatie (~fl) en de gemiddelde vloeigrens

(Ufm). De gemiddelde vloeigrens kan worden berekend uit () fO enafl. De vloeigrens van het materiaal voor deformatie kan bepaald worden m.b.v. de stuik- of trekproef. Tevens kunnen m.b.v. deze proeven dekarakteristieke spanning (C) en de verstevigingsexponent (n) van het materiaal bepaald worden. Het precies berekenen van de vloeigrens na deformatie m.b.v. I"G _n

VI - C.€ [lit.2J is echter niet mogelijk omdat niet elk

elementair blokje in het materiaal dezelfde graad van deforma-tie heeft ondergaan (zie het raster van een geextrudeerd

bil-let (fig.l». Een globale berekening van de vloeigrens is met deze formule echter weI mogelijk. Uitgegaan wordt van een schuifspanningsloos blokje dat t.g.v. de diameterverkleining

(DO naar Dl) in radiale en tangentiale richting gestuikt en daardoor in axiale richting verlengd wordt (zie fig.B.). Het elementaire blokje in de omvormzonestaat onder een

tweedi-... -0;.

mensionale- of vlakspanningstoestand omdat het zich in axiale richting vrij kan bewegen (naar de uittreeopening van de

matrijs) terwijl er in radiale en tangentiale richting een drukspanning heerst. De vormveranderingen van het blokje in radiale en tangentiale richting worden als gelijk beschouwd:

Door invariantie van volume:

wordt: _{Eo - -2.}

'I'

Uit: i -

VJe

,~ + ,~ + ~)

kan de effektieve rek (l) berekend worden:

i - 2.

'r

Met:

'I' -

In(DO/D1)

DO en Dl zijn als bekend verondersteld. M.b.v. de vergelijking: Uf - C.t"

kan de vloeigrens van het geextrudeerde materiaal berekend worden. waarbij de materiaaleigenschappen:

C - karakteristieke spanning en n - verstevigingsexponent

m.b.v. stuik- of trekproeven kan worden bepaald.

3.6. Verband tussen persdruk en de druk op de matrijswand.

De perskracht veroorzaakt een druk tussen stempel en

billet. Door deze druk wordt het billet gestuikt. waardoor er een druk ontstaat op de matrijswand (zie fig.9.). De druk op de matrijswand en de steenhoek kan als voIgt worden bepaald:

Pe>e- - Pst - Cft 0 [ lit. 4. ] waarbij: Pc;:o(.. = de druk OP de matrij swand

Pst = de stempeldruk - perskracht/stempeloppervlak rrfO - vloeigrens van het te extruderen materiaal.

14

H4 KONSTRUKTIE VAN RET HALVE GEREEDSCHAP.

4.1. Doel, eisen en relaties.

Het doel van de uiteindelijke konstruktie is: De mogelijk-heid om halve billets. waarop een raster is aangebracht,

tijdens het extrusieproces te observeren door een kijkglas of een ander doorzichtig materiaal.

Omdat het berekenen en meten aan voorwaartsextrusie nog in experimentele fase is. zijn de eisen. die aan het gereedschap gesteld worden minimaal. Bepaalde eisen m.b.t. de extrusie-verhouding (DO/D1). de intreediameter (DO) en de steenhoek

(2~: zie fig.6) zijn niet gegeven. WeI moet het mogelijk

zijn om op een eenvoudige manier de steenhoek te kunnen veranderen. zodat geexperimenteerd kan worden bij

verschil-lende hoeken. Verder moet het gereedschap bestand zijn tegen de optredende belastingen en natuurIijk is het (gedeeltelijk) goed zichtbaar zijn van het raster tijdens het proces

gewenst.

Zoals in hoofdstuk 3 beschreven is. zijn belastingen op het gereedschap afhankelijk van verschillende grootheden.

Belangrijke grootheden zijn de extrusieverhouding DO/Dl (hiermee is Qmax - In(AOIA1) evenredig). de intreediameter DO, de steenhoek 20( en de vloeispanning van het te

extruderen materiaal. Bij de keuze van de eerste drie faktoren moet vooral rekening gehouden worden met:

1) de relatie tussen deze drie factoren samen met de vloei-spanning van het te extruderen materiaal en de persdruk. Bij het vergroten van bijv. de extrusieverhouding zal de

persdruk toenemen,

2) de relatie tussen deze drie factoren en de vorm en afme-tingen van het glas. Een grot ere intreediameter zal bij eventueel gebruik van een glasplaat (zoals in fig.S.) het raakoppervlak tussen het halve billet en het glas ook vergroten. Indien de druk van

het billet op de glasplaat onafhankelijk zou zijn van de intreediameter. zal de totale kracht (= druk x

oPP.) op de glasplaat echter weI groter zijn.

3) de relatie tussen persdruk en vorm en afmetingen van het gereedschap. Indien de persdruk groot is zal het gereed-schap ook zwaarder moeten worden uitgevoerd,

16

-4) de relatie tussen de persdruk en de vorm en afmetingen van het glas. Hogere persdrukken vragen om dikkere en mischien weI kleinere afmetingen van het glas,

5) de relatie tussen de afmetingen van het glas en de zicht-baarheid van het proces. Hoe kleiner de afmetingen van het glas des te kleiner het gedeeite van het proces dat zichtbaar is.

Bovenstaande relaties zijn in een schema (fig.10.) weergege-ven. vorm en afmetingen ~-____ ~ gereedschap persdruk DO, Dl, 2Ot, P - - -... eff ziehtbaar-heid proees vonn en afmetingen glas

fig.10. "schema van relaties."

In welke mate de verschillende relaties elkaar beinvloeden is niet geheel te zeggen. Het gebruik van een half billet in plaats van een heel maakt de zaak nog moeilijker. Het bepalen van de afmetingen DO. Dl en 20ckan ook niet zonder risico geschieden. Verder kan eventueel met behulp van experimenten

de vorm en afmetingen van het glas bepaald worden.

In het bovenstaande gedeelte wordt glas genoemd als doorzichtig materiaal. De mogelijkheid bestaat ook om daarvoor een doorzichtig kunststof te nemen.

4.2. Mogelijke oplossingen voor het bekijken van het extrusieproces.

Het bekijken van het extrusieproces kan mogelijk gemaakt worden door het gebruik van doorzichtig materiaal. Hiervoor kan glas of kunststof (bijv. perspex of lexan) gebruikt worden. Mogelijke oplossingen voor het bekijken van het billet tijdens het proces zouden kunnen zijn:

Het indirekt bekijken van het proces d.m.v. een glasfiber kabel waarop een monitor is aangesloten of d.m.v. een len-zensysteem waar een klein gedeelte van het proces wordt ver-groote

- Het direkt bekijken van het proces d.m.v. een glazen of kunststof plaat of oog.

De tweede oplossing lijkt de beste mogelijkheid omdat de eerste oplossing erg duur is en maar een zeer klein gedeelte van het billetoppervlak laat zien (glasfiber kabel).

Bovendien vraagt deze oplossing om een ingewikkelde konstruk-tie waarbij het de vraag is of het raster niet vervormd. wordt (lenzensysteem).

4.3. Matrijs tegen vlakke plaat.

Bij het ontwerpen van het gereedschap waarbij het proces direkt te zien is wordt uitgegaan van een halve matrijs waarop een vlakke plaat is gedrukt. Deze plaat kan gemaakt worden van glas. kunststof of een combinatie van metaal met een van deze twee (zie fig.12.). Een matrijs die

voor-zieningen bevat voor het bevestigen van glas lijkt m.b.t. de gemakkelijke uitwisselbaarheid (steenhoekverandering) geen goede oplossing. Het zou gunstig zijn als een matrijs met een andere steenhoek eenvoudig te vervaardigen is.

De plaat uit fig.lla. moet met een bepaalde kracht tegen de oplegvlakken van de matrijs gedrukt worden. Indien deze

kracht te klein is. wordt de plaat. tijdens het extruderen. door de druk van binnenuit (t.g.v. het billet) opgelicht en billetmateriaal krijgt de kans om tussen plaat en

matrijsoplegvlakken te vloeien. Om dit tegen te gaan moet de aandrukkracht en de vlaktedruk van de plaat tegen de

oplegvlakken hoog genoeg zijn.

Zoals in par 2.3. beschreven is. kan voor de vorm van de matrijs een keuze gemaakt worden uit drie voor de hand

lig-- 18

-gende oplossingen nmi. de ongedeelde. dwarsgedeelde en langsgedeelde matrijs. Omdat het hier echter om een half onderdeel gaat. komt het gebruik van een ongedeelde matrijs het gunstigste uit. In fig.lla. is namelijk te zien dat een

I

F

F

I

®

·

@

"

-

f--·

AANLEGOPPERVLAK

a

F

"'-I

_·

/

F

®

I

@

·

F

f

b

c.

fig.lla,b.c."Verschillende soorten halve matrijzen tegen viakke plaat."

ongedeelde matrijs een aandrukkracht (matrijs tegen vlakke plaat) nodig heeft in een richting terwijl bij de andere twee matrijsvormen krachten vereist zijn in twee richtingen (hor. en vert.). Verder moeten de aanlegoppervlakken van de beide delen van een gedeelde matrijs precies in een vlak liggen, zodat er geen kieren of ongelijkmatige viaktedrukverdelingen tussen matrijs en de plaat ontstaan (t.a.v. het eventueel tussenvloeien van het extrusiemateriaal). V~~r het veranderen van de steenhoek moet de ongedeelde matrijs in zijn geheel door een nieuwe vervangen worden. De hoeveelheid werk die nodig is. om zo'n matrijs te maken. zal echter niet veel verschillen met het opnieuw maken van het steenhoekdragende gedeelte van een gedeelde matrijs.

De plaat. die tegen de matrijs aanligt. kan uit verschillen-de materialen bestaan in verschillenverschillen-de vormen. Een

mogelijkheid om door deze plaat heen te kijken moet echter weI aanwezig zijn. Hieronder staan een aantal mogelijke oplos-singen waaraan gedacht is.

1) De plaat bestaat in het geheel uit doorzichtig materiaal zoals glas. kunststof of een combinatie van die twee. Deze plaat kan eventueel ondersteund worden door een metalen strip met een kijkgat erin (fig.12a.)

2) Een metalen plaat waar een ring in is gemonteerd. Deze ring is om het kijkglas gekrompen (zie fig.12b).

3) Een metalen plaat met een conisch gat waarin een glazen of kunststof conus is ingedrukt (fig.12c.).

a b c

fig.12a,b,c."Mogelijke uitvoeringen vlakke plaat." De mogelijkheden 1 en 3 kunnen het gemakkeIijkst uitgevoerd worden. De beste oplossing kan eventueel met behuip van experimenten worden bepaald. MogeIijkheid 2 is iets moeilijker te realiseren ..

Om de matrijs tegen de bovenstaande plaat (afsluitplaat) te drukken zijn kleminrichtingen nodig. Deze kleminrichtingen worden besproken met glas als afsluitplaat. Het vervangen van

glas door een ander soort afsluitplaat is mogelijk. Andersom vaak niet (t.g.v. de eigenschappen van gIas) .

20

-4.4. Verschillende principes van inklemming.

Het eerste principe waaraan gedacht is, is te zien in fig.13. De glasplaat wordt tegen de matrijs gedrukt door vier (evt. meer) bouten. die met schroefdraad verbonden zijn

aan twee ringen. Een goede zichtbaarheid van het

extrusieproces. doordat een groot deel van de binnenkant van de matrijs te zien is. kan een voordeel genoemd worden.

Nadeel is echter dat het glas, door druk van binnenuit.

zwaar op buigen wordt belast ( vergeleken met de andere twee principes). Het tweede nadeel is. dat de dikte van het glas een bepaalde maximale waarde kan hebben.afhankelijk van de afmetingen van de ring.

4

₅

₁

₂

₃

1) (glas)plaat 2) hoekprofiel 3) imbusbout 4) matrijs 5) ring

Principe twee (fig.14.) is een beter ontwerp m.b.t. het buigen van het van het glas. Hier wordt. net zoals bij het gereedschap op de TU (voor koperextrusie). gebruik gemaakt van een conische ring. Door de coniciteit wordt de halve matrijs (halve conus) tegen het glas aan gedrukt. die weer opgesloten wordt door de andere helft van de conus. Een klein rond kijkgat zorgt ervoor dat er genoeg zicht is op het

belangrijkste gedeelte van het extrusieproces nml. dear waar het materiaal door de steenhoek vervormd wordt. Nadeel: er is dus maar een klein gedeelte van het extrusieproces zichtbaar. Ook kan bij deze konstruktie de glasdikte maar een bepaalde maximale waarde aannemen afhankelijk van de diameter van de

conische ring.

1 4

1} (glas) p laat 2) conische ring 3) matrijs (conisch) 4) opsluitplaat (coniech)

22

-Het derde principe (fig.15.) is een konstruktie waarvan de dikte van het glas onafhankelijk is van de afmetingen van de konstruktie zelf (zoals bijv. de diam.van een ring). Bij gebruik van dikkere glasplaten kan de afstand tussen

opsluitring (2) en opsluitplaat (3) eenvoudig worden vergroot (evt.door toepassing van Iangere bouten). Het nadeel van deze konstruktie is weer dat aIleen een klein. maar weI belangrijk deel van het extrusieproces te zien is. Het kijkgat mag niet zo groot worden dat deze de konstruktie verzwakt of de

glasplaat te veel op buiging wordt belast.

1) matrijs 2) opsluitring 3) opsluitplaat 4) (glas)plaat

3

~) tussenstrip 6) 1mbusbouten

6

4.5. Keuze inklemprincipe en beschrijving van de verschillende onderdelen.

Een keuze uit deze drie principes is niet moeilijk.

Het derde principe lijkt de beste oplossing voor het probleem omdat de konstruktie eenvoudig is en de verschillende

onderdelen gemakkelijk vervangbaar zijn. Experimenten met glas. doorzichtig kunststof of comhinaties van die twee met andere materialen is met deze konstuktie ook goed mogelijk. Het gereedschap bestaat uit de volgende onderdelen:

1) De matrijs:

Uit par.4.1. blijkt dat veel afhangt van de keuze van de inwendige afmetingen (DO. DO/D1. 2~) van de matrijs. Ook de hoogte van de matrijs moet groot genoeg zijn om een

stationaire materiaalstroming te krijgen (bij het begin van het extruderen gedraagt de materiaalstroming zich anders dan bij verder verloop van het proces). Gekozen is voor een

matrijs die in verhouding iets kleiner is dan de matrijs die gebruikt wordt voor het extruderen van koper. 20 worden de krachten t.g.v. de inwendige druk tegen het glas verkleind. De uitwendige diameter van de matrijs is groter gekozen dan de matrijs die gebruikt wordt voor het extruderen van koper al treden er bij het omvormen van aluminium kleinere

perskrachten op (t.g.v. een lagere vloeigrens en een kleinere afmetingen). In par. 2.3. is vermeld dat de radiale en

tangentiale spanningen waarop de matrijs belast wordt afhankelijk zijn van de axiale spanningen. Het is niet

duidelijk in welke mate deze spanningen weer afhankelijk zijn van de persdruk. Het berekenen van deze spanningen is daarom een moeilijke zaak. Het gebruik van een halve matrijs maakt de zaak nog gecompliceerder. Berekenen met de computer kan een oplossing bieden. Het is echter eenvoudiger om een overgedimensioneerde matrijs in praktijk uit te proberen.

2) De opsluitring:

Omdat het gebruik van krimpringen bij deze konstruktie niet mogelijk is. zal de opsluitring gedeeltelijk zijn werk

overnemen. De inwendige diameter van de ring is iets kleiner dan de uitwendige diameter van de matrijs zodat de matrijs in de opsluitring geklemd zit. De uitwendige diameter is gekozen uit het aanbod van stafmateriaal dat op de TV aanwezig is, natuurlijk gelet op afstanden tussen de boutgaten.

- 24

-3) De opsluitplaat:

De opsluitplaat. eigenlijk bedoeld als vlakke plaat. kon uit hetzelfde stuk stafmateriaal gehaald worden als de opsluitring. Vandaar die vorm en afmetingen. In de

afsluitplaat zijn tien gaten geboord zodat de plaat bevestigd kan worden aan de opsluitring.

4) De stempel:

De vorm van de stempel is hetzelfde als de stempel die

gebruikt wordt bij extrusie van koper. Er is aIleen een helft afgefreesd.

5) De tussenstrip:

De tussenstrip is bedoeld als bepaler v~~r de grootte van het kijkgat. Terwijl in de opsluitplaat een gat zit van 30mm. kan het gat dat in de tussenplaat zit kleiner gekozen worden om buigspanningen in de glasplaat te onderdrukken. Indien de glasplaat te dun is kan de tussenstrip ook als opvulling dienen. Bij het gebruik van andere afsluitplaten kan de tussenstrip ook weggelaten worden.

6) De bouten:

Gebruikt worden tien bouten M12 kwaliteit 12.9. De toelaatbare spankracht is volgens Dubbel 66700N met een maximaal toelaatbaar aanhaalmoment van 135 Nm. Voor het aandrukken van de glasplaat tegen de matrijs kunnen deze bouten meer dan voldoende spankracht leveren (zie bij-lage 1.1.2.~

Onderdelen 1 tim 5 zijn getekend op bijlage .6.

De onderdelen zijn gemaakt door dhr Smeets. die meer ervaring heeft met het maken van extrusiegereedschappen.

De glasplaat voor het gereedschap is de meest kritische onderdeel van de gehele konstruktie. De eigenschappen van glas zorgen ervoor dat het bepalen van de juiste glasdikte problemen kan geven.

5.1. Druk-. trek- en buigsterkte van glas.

Volgens het boek Roh- und Werkstoffe der Glastechnik [lit.6.J is de druksterkte van glas vele malen hoger dan de

trek-sterkte (+/- 15x). Voor berekeningen gebruikt men vaak de waarde 900 MFa als de drukspanning die glas maximaal kan hebben. Bij trekbelastingen spelen microscheurtjes een

belangrijke rol. Omdat glas zeer gevoelig is voor kerven, en omdat microscheurtjes (-kerven) altijd weI voorkomen, is de kans groot dat glas bij een Kleine trekspanning al breekt. Door deze lage trekspanning is de toelaatbare buigspanning van glas ook veel Kleiner (+/- 50 tot 180 N/mm ). De

samenstelling van het glas heeft invioed op de mechanische eigenschappen. Bijvoorbeeld de hoeveelheid siliciumoxide

(hoofdbestanddeel van glas) bepaalt'in belangrijke mate de grootte van de toelaatbare drukspanning. terwijl bijv. calciumoxide en bariumoxide de elasticiteitsmodulus weer verhogen. De mechanische eigenschappen kunnen verbeterd worden door het glas thermisch of chemisch te harden.

5.2. Hardheid.

In tabel 1 (uit het boek Metals. Ceramics and Polymers) zijn de hardheden van een aantal materialen verwerkt. Hierin is te zien dat de hardheid van glas. vergeleken met aluminium en aluminiumlegeringen. vele malen groter is. Met de hardheid wordt hier de statische hardheid bedoeid. waarbij de afdruk. die een indruklichaam (bijv. Kogel) achterlaat op het

materiaal wordt gemeten. Van de dynamische hardheid. waarbij de krasgevoeligheid van een materiaal wordt bedoeid. is

nauwelijks informatie over te krijgen. Gezien de statische hardheid zal het aluminium (vooral Al 99.5) tijdens het

extruderen weinig krassen op het glas achterlaten (de stempel misschien weI) .

26 -- -- -- -- -- -- ---- - " " --,- ---~-.-.---"Ie:als Alumir;:_'I~ allo} IA1Zr. "!S-Cu) \liid <::eel (O]'uC)

&.:.1: ~lt'a; inc .. ~eel

0 0 " ecl. Er.31) Cir.Amics TUng,len c.aT~·.:k WC ('~H;.(;I WC () ~ < co':>alt A:~m;';a, ,4.!"03 (!;~rd ;'Dodj~mgl Bo[or) ca I !:>ide

BJ'o'l niTr,de (~,;,)~ azide, cubic)

D'"'T.ond

G!_f.st's

Sil;ca

S(}c.;.~1ime

B)!0~liic,n~ (I("l\-e'ransionl

H ,-t..' :,r..il1'Plirs ?o\,l\r~ne 1".:< ",,::n:: ~-me:L.,;rylale ('PeTspc).', Condition Annealed Cold rolled Annealed Precipitation hardened ~ormalised Cold rolled ~oTmalised Quench.:-d \830 'CI (full) marten,ilic) Tempered 1150 ·C) Sinlered 20'C 750·C Hardness 20 .40 60 170 120 200 200 900 750 1;()0 .. 2~OO 1500 1000 -1500 400-500 2500-3700 7500 6()oJO-l 0 000 700-750 540-- S80 550-600 17 16

tabel 1. "hardheid van een aantal materialen."

4.3. Vlakheid.

Om bij het inspannen van het glas een goede

drukver-deling te krijgen moet de glasplaat en de oplegvlakken zeer vlak zijn. Het blijkt echter dat glas helemaal niet zo vlak is als men zou vermoeden. Volgens een folder van Pieterman Hardglas (fabrikant van kijkglazen) zal het dikteverloop over een glas (afhankelijk van de diameter) niet meer bedragen dan O.3mm. Omdat glas niet of nauwelijks elastisch vervormd

voordat er breuk optreed, kan een dikteverloop van O.lmm al fataal zjjn.

Daarom zal tussen het glas en de matrijs. en tussen glas en tussenstrip een gemakkelijk te vervormen materiaal (een soort pakking) geplaatst moeten worden om de slechte drukverdeling door ongelijkheid enigzinds op te heffen.

5.4. Bewerkbaarheid van glas.

Ongehard glas kan verschillende bewerkingen ondergaan, zoals:

smelten boren zagen slijpen schuren polijsten.

Enkele van deze bewerkingen beinvloeden de doorzichtbaarheid nadelig (boren. zagen en slijpen), andere bewerkingen zijn juist bedoeld om de doorzichtbaarheid na een vorige bewerking weer te bevorderen (schuren en polijsten). De ruwheid van het glasoppervlak heeft natuurlijk ook invloed op de sterkte van

het materiaal (kerfwerking). Chemisch of thermisch gehard glas is helemaal niet meer te bewerken.

De meeste van deze bewerkingen kunnen uitgevoerd worden door Centrale Technische Dienst op de TU.

- 28

-H6 ALUMINIUM ALS EXTRUSIEMATERIAAL.

6.1. Extrudeerbare metalen.

Veel metalen zijn min of meer extrudeerbaar. Een aantal zijn zo goed extrudeerbaar. dat hun toepassing waar mogelijk de voorkeur verdient. Dit zijn aluminium. aluminiumlegeringen en koper. Evenals technisch zuiver koper. dat dezelfde goede

omvormeigenschappen als aluminium heeft. zijn ook enkele koperlegeringen (zoals messing) voor dit doel bijzonder goed

geschikt. Zelfs lood. zink en tin zijn vanwege hun geringe treksterkte en grote duktiliteit zeer goed koudomvonmbaar. Deze materialen worden meestal gebruikt voor het maken van dunwandige bekers en hulzen. Staal is eveneens extrudeerbaar. Grote vervormingen zijn echter niet bereikbaar. tenzij in meerdere stappen, met tussentijds zachtgloeien.

6.2. Aluminium en aluminium legeringen.

Vanwege zijn bijzonder goede eigenschappen laat aluminium en Al-legeringen zich zeer goed koud omvormen. De te bereiken extrusieverhouding is groot, terwijl de benodigde perskracht relatief weinig is. De keuze van het soort aluminium of

Al-legering hangt af van de mechanische eigenschappen die het uiteindelijke produkt moet hebben. Het beste laat zich zuiver aluminium. van de kwaliteit 99.5. omvormen. Indien er hogere eisen gesteld worden aan de sterkte van het produkt kan het gebruik van uithardbarekneedle~eringe~zoals AIMg5, die zich aIleen in zachte vorm goed omvormen laat, uitkomst bieden. Het benutten van het verstevigingsgedrag van aluminium is vaak noodzakelijk omdat op een andere manier dan koud omvormen geen verhoging van de treksterkte bereikt kan worden.

De verschillend hardheidstoestanden van aluminium en Al-legeringen worden, m.b.v. codering leveringstoestanden volgens AFNOR en astm. in eerste instantie aangegeven door

letters. Een nauwkeuriger indeling wordt verkregen door aan deze letters cijfers toe te voegen. Het eerste cijfer na de letter geeft een bepaalde warmtebehandeling, koudvervorming of een comhinatie van beide aan. Het tweede en eventueel volgende cijfers geVen een variatie van deze behandelingen

deze codes. In de tabel op bijlage 2.2.2. staan van enkele aluminiumsoorten de gemiddelde mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur.

6.S. Aluminium gebruikt voor het extruderen achter glas.

Om de konstruktie en daarmee het glas (of kunststof), zo min mogelijk te belasten. is de keuze van een zo'n zacht mogelijk aluminium van groot belang. Het liefst zou v~~r aluminium 1050A in leveringstoestand 0 (zie tabel bijlage 2.1.2.)

gekozen worden. met een trekvastheid van 80 N/mmL en een niet genoemde 0.2-rekgrens (ook weI zacht aluminium genoemd). Uit navraag bij Hamel metaal b.v. bleek dat dit soort aluminium niet in de gewenste dikte van 16 mm of groter verkrijgbaar was. In het materiaalomvormlaboratorium op de TV bleek echter nog een aluminium plaat te staan van een zeer gemakkelijk omvormbaar soort. Waarschijnlijk gaat het hier om een plaat aluminium-2S-HH-Half Hard (code die gebruikt wordt op de TU; afkomstig uit de Duitse industrie). die te vergelijken is met de AFNOR legering 1200-0 (AI99). De resultaten van een

stuikproef. die op dit materiaal uitgevoerd is. zijn te zien

OP bijlage 2.2.1. M.b.v. de grafiek op bijlage 2.2.2. zijn de karakteristieke spanning C. de verstevigingsexponent n en de voordeformatie Eobepaald. M.b.v. van deze gegevens kunnen berekeningen van perskracht en druk gemaakt worden. Uit deze plaat (afm. 2.0xl.5xO.02 m~ zullen in het vervolg

proefstukjes, voor eventuele experimenten met het "halve" gereedschap. gehaald worden.

30

-H7 PROEFNEMINGEN

Om inzicht te krijgen in de problemen die op kunnen treden bij het extruderen van een half billet. zijn een aantal proeven gedaan met het gereedschap. Deze proefnemingen zijn gericht OP het verkrijgen van een juiste combinatie tussen soort billetmateriaal en de vorm. afmetingen en soort

materiaal van het kijkvenster. Bij deze proeven is ten eerste gelet OP de invloed van de billetdruk (tijdens het

extruderen) OP het gebruikte kijkvenstermateriaal. Ten tweede is geprobeerd het vloeien van het billetmateriaal tussen de matrijsoplegvlakken en de opsluitplaat (zoals het billet in fig.a. OP bijlage 3.4 gedaan heeft) te voorkomen door de grootte van de drukplaatjes en het aanhaalmoment van de imbusbouten te varieren (zie bijlage 3.1.).

7.1. Proeven met vlakglas.

Als eerste proefneming is een glasplaat ingespannen met een dikte van 19mm (lxb - 72x64mm). Helaas is deze glasplaat al redelijk snel kapot gegaan. ondanks het nemen van een aantal voorzorgsmaatregelen. Na nog enkele proefnemingen die OP

dezelfde manier afliepen. is van verder gebruik van een glasplaat maar afgezien. Dit ook vanwege de grote hoeveel-heden invloedsfactoren die een rol spelen bij het inspannen van glas. Bovenstaande proefneming en de belangrijkste

invloedsfactoren zijn beschreven in bijlage 3.2. 7.2. Proefnemingen met woodsmetaal

en

perspex.

In plaats van een glazen plaat zijn proeven gedaan met een plaat (blok) perspex van 30mm dik (lxb - 72x64mm). Omdat perspex gemakkelijk elastisch vervormt (i.p.v. bros breken zoals glas) was het inspannen van de plaat geen probleem. Als billetmateriaal werd v~~r woodsmetaal gekozen. dat zeer

gemakkelijk plastisch vervormbaar is. Uit de eerste proef bleek dat het perspex geschikt was voor het extruderen van dit materiaal. Het vertoonde (bijna) geen krassen en

vervormde (tijdens de proef) aIleen elastisch. Bij deze proef was echter weI sprake van het tussenvloeiverschijnsel.

Verhoging van het aanhaalmoment en verkleining van de

aandrukplaatjes zorgden uiteindelijk voor onderdrukking van dit verschijnsel.

Pm

Van deze combinatie is een video-opname gemaakt, die echter door o.a. het uitlopen van het inkt (waar het raster mee

ingekleurd was), niet helemaal gelukt was.

Belangrijke punten bij deze proefneming zijn te zien op bijlage 3.3.

7.3. Proefnemingen met het extruderen van aluminium achter perspex.

Met dezelfde opstelling als gebruikt voor woodsmetaal. is nu geprobeerd aluminium (beschreven in par.6.3.) te extruderen. Het perspex bleek echter niet bestand tegen de veel hogere drukkrachten die bij deze proefneming optraden en werd niet aIleen elastisch maar ook plastisch vervormd. Bij het bekijken van het billet is ook duidelijk te zien dat de druk van het billetmateriaal tegen de opsluitplaat (hier van perspex) niet gelijkmatig is verdeeld, maar dat er zones zijn met hogere drukken (zie ook bijlage 3.4.).

Van verdere proefnemingen met perpex of een ander doorzichtig kunststof in combinatie met aluminium, is aigezien en ook afgeraden.

Voor meer informatie zie bijlage 3.4.

7.4. Proefnemingen met het extruderen van aluminium achter conisch glas.

Ais laatste zijn proefnemingen gedaan met een conisch kijkglas (zoals beschreven in par.4.3.). Het gebruik van

conisch glas heeft een voordeel: tijdens het extruderen

Pr bouwt het billetmateriaal een

r---,

Pr

fig.16. "Conisch glas onder druk."

axiale drukspanning OP (Pm), die .het glas in de zitting drukt

(fig.16.). Hierdoor worden op het glas radiale drukspanningen (Pr) opgebouwd. die er samen met de wrijving voor zorgen dat het

glas niet verder in de zitting wordt gedrukt. Het conische glas wordt dus bijna aIleen op druk

belast. dat m.b.t. de eigenschappen van glas niet geheel ongunstig is. Voor deze proeven werden glazen

32

-stoppen gebruikt (gemakkelijk verkrijgbaar). die normaal voor het afsluiten van erlenmeyers dienen (afmetingen zie bijlage 6.8). Deze stoppen worden eerst voorbewerkt. in de zitting

geperst en daarna nabewerkt. De plaats van het kijkglas

t.o.v. de matrijs is te zien in fig.17. Op deze plaats is het mogelijk om een belangrijk deel (de vervorming bij de

steenhoek) van het proces te bekijken.

De resultaten van proeven met het conische kijkglas zijn gunstig. Invloeden van de overgang tussen glas en billet zijn weI zichtbaar. maar verstoren de verplaatsing van het

materiaal niet (raster blijft symmetrisch; zie bijlage 4.1.). Vanwege de hoge drukkracht die het glas ondergaat (meer dan 30 kN; zie bijlage 1.1.4. ). is de kans groot dat het glas op enkele plaatsen scheuren vertoont. Omdat deze scheuren echter

loodrecht op de kijkrichting staan. en zich in axiale richting door de hoge radiale drukken niet uit kunnen

breiden. is hiervan bij een juiste b~lichtiDg weinig te zien.

•

,

t

l

materiaal-stroom

"

,

"

_r

r-a

•

_t I :f ig .17. "Zichtbare gedee 1 te van het proces."

fig .18. "5cheuren in glas."

Ook is een video-opname gemaakt van het extruderen achter conisch glas. Vooral in het begin is het proces goed te volgen. Vanwege het aanlaten (het achterblijven) van

aluminium op het glas en het dunner worden van de

rasterlijnen (vanwege de deformatie worden de rasterlijnen langer maar ook dunner) wordt de zichtbaarheid iets

verminder.d. Meer informatie over de video-opname zie bijlage.5 .• meer informatie over de proef zelf zie

bij-lage 3.5.

H8 ENKELE MODELLEN

Zoals in de inleiding stond vermeld. wordt het raster van een geextrudeerd billet vergeleken met rekenmodellen, die de studenten aan de TU hebben gemaakt. Bijlage 4.2. laat

bijvoorbeeld zien hoe. m.b.v. het model gebruikt voor draadtrekken [lit.2. par.11.51. een materiaalstromings-patroon (materiaalstromingsplaatje) voor stafextrusie kan worden gemaakt. Het gaat hier echter om een eenvoudig model, waarbij geen rekening gehouden wordt met de verschillende materiaaleigenschappen (zoals versteviging) of wrijving. Benodigde gegevens voor het maken van een stromingspatroon zijn dan ook DO. Dl en 2~. Op bijlage 4.3. is een uitdraai gegeven van het programma FARM (Finite element Analysis of Rigid-plastic Metal forming). die stromingsplaatjes berekent m.b.v. de personal computer Atari 520ST+. M.b.v. dit

programma kunnen ook stromingspatronen berekend worden van materialen met verschillende verstevigingsfactoren (n). De uitdraai op bijlage 4.3. is verkregen door het invoeren van een aantal afmetingen, die gebruikt zijn voor het extruderen achter glas (DO-25 mm; Dl=16 mm; 2oL-90o) en de verstevigings-factor van het gebruikte aluminium (n-O.24). Het programma

laat de vervorming van het billet in verschillende stappen zien. Tevens geeft het programma informatie over bijv. de snelheidsverdelingen en equivalente rekken in het materiaal.

Vergeleken kunnen deze twee model len worden met de prak-tijk die voor woodsmetaal en aluminium gegeven zijn op bijlage 4.1.

- 34

-CONCLUSIE

Het m.b.v. een kijkvenster willen bekijken van materiaal stromingen, die plaatsvinden bij het extruderen van

aluminium, is geen eenvoudig probleem. De hoge drukken

(>150 N/mm1), die optreden tijdens dit proces, zorgen ervoor dat het kijkvenster (het meest kritieke onderdeel van de construktie) zwaar belast wordt. De eigenschappen van het kijkvenstermateriaal bepalen voor een groot deel wat weI en niet mogelijk is. Om te kijken wat weI mogelijk is. zijn proeven ondernomen.

De proeven die gedaan zijn m.b.v. het gereedschap beschreven in par.4.4. en 4.5. hebben de volgende resultaten opgeleverd.

Vlakglas als kijkvenster is niet bestand tegen het met grote kracht inklemmen in het gereedschap. Door de altijd weI optredende (hoge) puntbelastingen en buigende

momenten gaat het glas snel kapot.

Perspex (en waarschijnlijk ook andere doorzichtige

kunststoffen zoals lexan) is niet bestand tegen de hoge drukken die optreden bij het extruderen van aluminium. WeI is het mogelijk om een gemakkelijker te vervormen materiaal

(zoals woodsmetaal) achter perspex te extruderen.

Conisch glas is beter geschikt als kijkvenstermateriaal. Vanwege de radiale drukken die rond het glas opgebouwd worden is de kans OP breuk kleiner. Indien er echter toch een barst optreed, dan is deze bijna altijd loodrecht op de kijkrichting. Bij een juiste belichting van het venster is deze breuk nauwelijks te zien. Een nadeel bij gebruik van conisch glas is de overgang glas-zitting aan de zijde waar het billet zich verplaatst. Deze overgang is weI zichtbaar

OP het billet. maar beinvloedtde materiaalstroming niet of nauwelijks (het raster blijft symmetrisch) .

Het gekozen inklemprincipe biedt voordelen. Bovenstaande proeven zijn gemakkelijk uit te voeren. Door het varieren van het aanhaalmoment en de grootte van de drukpIaatjes kan het vIoeien van het billetmateriaal tussen de matrijsoplegvlakken en de afsIuitpIaat eenvoudig worden tegengegaan. V~~r het veranderen van de matrijsafmetingen moet eerst een nieuwe matrijs gemaakt worden. De invloed die deze verandering heeft op de grootte van de optredende drukken moet m.b.t. de

maximaal toelaatbare belasting van het conische glas nog worden nagegaan. In welke mate het niet symmetrisch zijn van het billet invloed heeft op het materiaalstromingspatroon is ook nog niet bekend.

Video-opnamen ZlJn m.b.v. de juiste apparatuur (zie bij-lage.5) gemakkelijk te maken. Speciale belichting is hiervoor niet nodig. WeI moet rekening gehouden worden met de

opspantafel van de pers. die tijdens het persen naar boven wordt verplaatst (i.p.v. de perskop naar onder). Hierdoor kan het kijkgat, tijdens het extruderen. uit het beeld

36

-LIJST VAN GEBRUIKTE LlTERATUUR.

Ti tel:

1) Dubbel - Taschenbuch fur den Maschinenbau (15de druk) 2) Plastisch bewerken van metalen.

3) Lehrbuch der Umvormtechnik.

4) Beanspruchsgerechte Auslegung von FlieBzpreBwerkzeugen mit numerischen Berechnungsmethoden.

5) The use of glass in engineering. 6) Roh- und Werkstoffe der Glastechnik. 7) Technische Plasticiteitsleer. 8) Werkstoff-Fuhrer Kunststoffe. 9) Methodisch ontwerpen. auteur(s) : W.Beitz. K.-H.Kuttner. dr.ir. J.A.H.Ramaekers ir. L.J.A.Houtackers fr. P.B.G.Peeters. Kurt Lange. VU The Cuong. D.S.Oliver Autorenkollektiv. Prof.dr.P.C.Veenstra Ir. S.Hoogeboom. Carl Hanser Verlag HTS-diktaat

van aluminium (half hard).

M.b.v. de formules gegeven in H3 kunnen de verschillende componenten gevonden worden die samen de totale perskracht opleveren. De totale perskracht die hierroee bereken~

wordt. is nodig om een heel billet te extruderen. Voor een half billet wordt dan ook de helft van elk component genomen. Dit geldt echter niet voor het berekenen van de kracht t.g.v. de wandwrijving. Dit component wordt in zijn geheel genomen omdat anders de wrijvingskracht t.g.v. het aanwezig zijn van de vlakke plaat wordt verwaarloosd.

Gegevens benodigt voor het berekenen van de totale perskracht zijn:

DO - 25 mm D1 -= 16 mm

2 ... 90°

L - 40 mm (- billethoogte)

Voor het massief omvormen van stafmateriaal wordt in het algemeen een wrijvingscoefficient van 0.04 tot 0.08 genomen

(uit lit.3. blz.263). Gekozen is voor U - 0.08 (veilige kant).

Qrnax == In(AO/A1) AO - 1T..D02 14 - 491 mm'! Ai "" 7f..D12 14 .., 201 mm2 Berekening effO: Qrnax .., 0.893 CJ f 0 == C. ( Eo + ~ )n ...

cr

0 . 2 (0.2% rekgrens van A 199.5)

met Eo= 0.028 (zie bij lage 2.2.1.) fa 0.002 (0.2% == 0.002)

waarbij voor A199.5: C - 139 N/mm1

n .., 0.24 (zie bijlage 2.2.2.> erfO - 139x(0.028 + 0.002f·2.~ 60 N/mm2.

Berekening <1f1:

a t l == C.(£o+l)n

met

Eo-

0.028

~= 2.1n(DO/D1) == In(AO/A1) -= Qrnax = 0.893

C en n als bij <rtO

2-BIJLAGE 1.1. 2.

dfm - (~fO +6fl)/2

- (60+136}/2 - 98

N/mm2

Ideele omvormkracht

voor een heel billet: Fid - AO.Gfm.Qmax - 491x98xO.893 - 42969 N

it

Voor een half billet: Fid - 2148~ N

Kracht t.g.v. wandwrijving

voor een heel en een half billet:

Fwm - 7r.DO.u.O"fO.L - ~x25xO.08x60x40

Fwm -

1~080 N

Kracht t.g.v. steenhoekwrijving voor een heel billet:

Voor een half billet:

Fws - AO.dfm.2.u sin20C - 491x98x2xO.08 - 7699 N :* FWs - 38~0 N Kracht t.g.v. afschuifarbeid voor een heel billet:

V~~r een half billet

Fa - 2.AO.qfm.~ 3 - 2x491x98xl 3 = 32079 N

...

Fa - 16039 N it-

*'" .

~

Ftot - Fid + Fwm + Fws + Fa (half billet) 21485 + 15080 + 3849 + 16039

- Berekening etempeldruk op de billet en de drukkracht van het extrueiemateriaal op de afeluitplaat (glaeplaat).

De totaal benodigde perskracht wordt over het stempelopper-vlak verdeeld. Het stempelopperstempelopper-vlak van een halve stempel met een diameter DO-25mm is: AO - 7r.252/8 = 245 mm~

De persdruk wordt dan: p - Ftot/AO - 56453/245

p - 230 N/mm1

Volgens par.3.6. is de druk OP de matrijswand: P~- Pst - afO invullen: afO - 60 N/mm2

Pst - p - 230 N/mm1

geeft: P« - 230 - 60 - 170 N/mm2

Gesteld is. dat de druk op de afsluitplaat even groot is als de druk op de matrijswand. Indien het drukoppervlak even groot is als het geprojecteerde billetoppervlak (zie fig.a.) en de druk over dit oppervlak gelijkmatig verdeeld is. dan

"2S

opp .//1' - 25x40 +

20.5x4.5

+ 3.5x16

=

1148 mm2

fig. a. "Het geproj ecteerde billetoppervlak."

is de totale drukkracht op de plaat: Fp

=

P x oPp. == 170.1148 .., 195160 N De toelaatbare spankracht van bout en M12 kwal. 12.9 is volgens lit.1. blz.1400 66700 N. Maximaal toelaatbare aandrukkracht die tien M12 bouten kunnen leveren is:

10x66700 = 667000 N. Deze kracht is vele malen groter als de kracht die het billetmateriaal op de plaat uitoefent.

I

t

BI JLAGE 1. 1. 4.

Drukkrachtberekening van het billetmateriaal op conisch glas.

De drukkracht die hier wordt berekend is aIleen t.g.v. de druk die het billetmateriaal (aluminium) op het glasoppervlak uitoefent. Omdat het billetmateriaal niet het gehele glas-oppervlak raakt en omdat de materiaaldruk bij het intreden van de vrijloopdiameter (zie fig.6. blz.8.) gelijk aan nul gesteld kan worden. is voor het berekenen van de totale

drukoppervlak uitgegaan van het gearceerde gedeelte in fig.b .

.. 103.9 I

1

I opp.2 • 4.5x(11.5-4.5) - 31.5 opp.3 - 4.5x4.5/2 .. 10.1

l

,

,

~--~~~~~~~~--4-~--~ } - -t-"

~~;---~'----I­

I

•

• 4

,

t 1.1) IT) opp.4 -= 3.5xll.5 totaa 1 opp.· A

fig.b."Drukoppervlak conisch glas."

De totale drukkracht die op het conisch glas staat is:

Fe - A.P~ - 185.8x170 - 31586 N

.. 40.3 mm2 - 185.8 mm2.

Omdat deze drukkracht niet precies berekend kan worden. kan bij benadering gezegd worden dat OP het conische glas ongeveer een drukkracht staat van 30 kN.

- Berekening epankracht alB funktie van het aanhaalmoment. Uit lit.1. blz.376 is. v~~r het berekenen van de spankrachtl aanhaalmoment van een bout, de volgende formule gehaald:

, u

Ma - Fv. [O,16.P

+

O,5.u.d2

+

O,25.u.(Da + Di)] waarbij: Ma - aanhaalmoment bout

Fv - spankracht bout P - spoed schroefdraad

d2 - flankmiddelijn schroefdraad Da - buitendiameter boutkop

Di - diameter gat waar bout in geplaatst wordt I

u - schroefdraadwrijvingscoefficient

H

u - wrijvingscoefficient onder de boutkop. Voor M12 geldt: P - 1.75

d2 - 10.863 rom Da - 18 rom Di = 12.4 rom

Ais wrijvingscoefficienten zijn gekozen: u = 0.17

u' = 1.16xO.17 - 0.20 un - 0.16 Ma - Fv x [0.16x1.75 + 0.5xO.20x10.863 + 0.25xO.16x(18+12.4)] - Fv x 2.566 Nrom Fv - Ma x 1000/2.566 [N] Ma in Nm.

Fv als funktie van Ma is uitgezet in de grafiek op bijlage 1.2.2 .• voor 1 bout en voor 6 bouten bij elkaar.

BIJLAGE 1.2.2.

r

F;,.

1000

( N)

6

bou~e.V'l

150 J4fO 130

l10

110 1

9

0

80

10

60

50

qO

1

bou+

lO 2.0 10

No.

I

N

VY1 \ =t>

0

₁₀

_1..0

_.30

_lIO

₅₀

₆₀

₇

0

80

ringen worden in eerste instantie aangegeven door letter~. Een nauwkeu-riger indeling wordt verkregen door aan deze letters eijfers toa te voegen. Het eerste er;fer na de letter geeft gen bepaalde warmtebehandeling. koudvervorming of een c~rl1binahe van beide aan.

Het tw~ede en de eventueel volge,de cijfers geven een varia!ie van dt;ZC

behandehngen aan. tabel A Symbool Cmschrijv;0q --~.---- ---

--

.---F o H

Ml'lteria<l' .. ~')aIS g9~a::-r;c.eerdH.

In de;:e i()l3stanIJ heel, het materiaaf na het warm verwerken (blJlj. W,lrnl.':a:sen 01 ,;:xtrtlsiepersen) geen verdere warrr',e-behMdblill1J of koud, -?IVorming ondergaan.

VO!X rnate, laal In rleze loestand geleverd. worden geen

nauw-keurige mec!~<:"isch-:; t.;igenschapen gegeven.

Delp. toestiwd ir. ni .. t nauwkeurige~ te specifieeren zodat aan

;1e1 s~'mbool "F . yee~ cijfers toegevoegel worden. Maleriaal is gegloeid 'gekristallisaerd).

In deze toestand is ret matariaal zacht an gemakkelijk te vervormen. Na het .litgloeien he eft het materiaal dus geen bewerk::-g meer ondergaan. Deze toestaro '~H, r:et,er· der gespecificeerd v. :orden. zodat aan het sym::,ool . '0" geen cijfers toegevoegd v. ~rden.

Malariaal is hardar gemaakt door koudvervormel ~ .

-(Bljli. walsl';!/,:. trekkal"l.

De maniar van verhar1an en de hardheidsgradl'" worden nauwkeuriger aangedllid d.m.v. de cijfers vol!;encl op ret sym boo! . ·H". Zie hiervoo. label B en C.

---M-at-erTa-al-he-e~ft:-:-e-e-n-·.·.-· a-rm--:-te~b:-e~h:-a-n-d-:-e-:-"ng ondergaan 01"-d~

-mechanisc!;e, eigenschappen te verbeteren.

Dit kan tevens gecoMbineerd worden met een koudevervor-mlng. Om de verschillende behandelrngen nauwkeuriger aan te duiden. wordt het symbool "r' gevolgd

door een eijfer.

T Meerdere eiifers kunnen toegevoegd worden om kleine

va-riaties aan te geven. Zie hiervoor tabel 0,

100

De warmtebehandeHngen kunnen bestaan uit veradelen. at-schnkken, volveredelen. e.d.

Symbool Omschrijving

---_._,---Materiaal is aileen door koudvervor..,en op de juiste hard heid en sterkte gebl :lcht. Na het kOL.dvarvormen heett rnen

H·1 dus geen gloeien of stabiliseren ml?~r t0t;'g~past.

[;e., ciifer volgend op het symbool ' H·1" geeft de JUiste ha, :;~e:d:;gr::!.:::d aan. Zie hiervoor taoel C.

Matsr::tal is na het koudvervormen Joor gloeien op de

iu~s~e hardh.~id en sterkte gebracht. Door hel koudllt!r" or-H-2 rr.~n is hot mat.~riaaf harder geworden dan gevri1rtgd 'Hurdt

Doer dit materia,~1 te gloeien brengt men het tert:g 00 de juiste ~,ardheid en stEll kte.

H-3

Een eijfer volgend op het symbool'H-2" geeft de hardhs!cs-graad aan.

Z,e hlervoor tnbel C.

- - - .. ---.---~

Maleriaal is na het koudvervormen . gestabiliseero orn het de ;uiste hardheid en sterkte Ie ge', f'n.

000' het koudvervormen is hel ol1'l~rmaa: iets harder dan gevraagd word!. Door hel mater ieai te vE!rhitten bi; een lage temperatuur (stabiliseren) wcrdt he! or: ve jUlste hardheid en sterkte gebracht.

Deze aanduiding wordt aileen gebr'Jlkt v)Or legeringen die, indian zij niet zijn gestabiliseerd, fa:"gzaam zar.hter worden blj kamertemperatuur; dit veroorzaakt een geringe daling van de rekgrens en treksterkte en een verhoging van de rek. Het "stabiliseren" veroorzaakt snel helzeltde effect en maakt het materiaal stabiel.

Een cijfer volgend op het symbool"H-3" geeft de hardheids-graad aan.

Zie hiervoor tabel C.

101

....

aluminium en aluminiumlegeringen

gemiddelde mechanlsche eigenschappen bij

kamertemperatuur

. 0

'qgering leverings trell· AFNOR toesland vastheid

newton

strek- rek (5.651 elasti- afschuif- 8rinell gren& cileits sterkte hardheid

0.2 modulus newton 10/1000 -m-m'-' -...!!!wtC!n_. % kg/mm1 -m~ _kg 1050A 0 H12 H14 H16 H18 80 10C 120 141") '65 - 1 OlrJA--- 0.-·----H12 f-114 1199 H12 2014 20f7A 2024 2030 3003 3004 106 HId H18 H12 H~ .1 H16 H18 o T4 T6 o T4 o T4 T4 o H14 H18 o H14 H36 c; H~4 100 120 80 100 1.20 110 130 150 175 200 420 480 200 42(1 200 460 420 115 160 220 180 240 260 130 190 mm2 85 100 120 140 45 1 .. 1 J 6800 55 65 75 85 95 20 25 28 32 40 -45-- - ::.-.7.-::-::---1.-=9:--. 70 lGO 10 19 26 23 .. -. ----.----_._.- - -.-~-.. -45 . QUOO 1 'ft) 20 22 lOG 10 26 - - - _ . ----_._--20 6700 15 7 95 13 110 10 130 8 150 7 100 280 430 100 2e1 100 320 280 140 190 200 230 160 20 18 12 20 18 20 18 12 40 8 7 22 8 7 7 7400 7400 7300 7100 6900 6900 691)0 70 80 90 IOU 260 290 290 290 75 100 110 110 125 140 22 28 32 38 44 45 Ins 135 45 !~C 45 120 105 28 40 54 45 62 70 aluminium f!n aluminiumlegeringen

gemiddt"Ide . :hanische eigenschappen bil

kamertempel ... uur

legering leverings trek· AFNOR toestand I/clstheid

newton strek grans 0.2 5005 o H'" .~ H14 H36 H38 5093 0 H22 5086 0 5754 6060(~) 6061 6081 6082 7020 H34 o H34 T4 T5 T51 o Til Te o T4 T6 T6l T6 T6S T5-T6 120 1 (~~; 160 180 21.) newton 3OC' • 40 330 240 270 l:?O 330 ~~:O 220 270 150 220 100 100 ~90 SO 170 130 120 60 230 130 310 270 110 50 240 140 320 280 280 180 320 280 340 290 380 320 rek ,5.65) % 30 13 8 7 22 8 23 10 22 14 18 28 23 13 40 26 14 28 12.5 10 12 elastl-CI:;;!S moc)us kg. -m2 afschuif s:erkte reNton ' -'...,m1 70 '00 '80 '05 '10 BrineU harQh~'d 10/1000 ko 26 34 40 44 50 - - - . .

....

-J(I -:-200 180 65 c... ~ 90 80 t" ):01 160 190 ,30 1M: no ~or 200 80 160 210 200 220 €::J 75 68 65 :0 65 9fi 30 65 90 90 105 95 en M

....

- - - _ . 7051 T4 370 250 H3 -~OO 75 -7075 T6 540 480 ;-200 340 150 107

kl-

...

~.~

D

;:;

*/,4

6

vo

c..

-

-

6"

u, -;

F(N)

_A

H

er-

_e

_r""

_{E ..}

\ 7

,!>o 0 1.. \"b. ,

'/;1)./

_7'.\0

_{0.0'1'" 0.0-,'2.}

'2A 00 (:) _1.*",1)

z...t.)("

80 -'2. b.O~ 0 ••• ft

~!)O _{1,)0). r "L~ f?~}

_..

_{c., O"\~} 0.1

In.

'\010 0 >o1..{ 1. '. lIS' 0)0.>. y O·2.,)fI _o.

,''-) \Doo _)~'I (0). S'

'I>

'-I

O·"P .. €.;.l't&

Cf (t>oo

_>'}."

'" Z

~ t'LO) _o·t.,.'f e>.4C,S

fr

"9°0

1a

s,.

~

. '.6

Hr.O;) 0.148 c. ')1)&

~co

_{4'1·4 .}

I\,'I ,.~. Ii o.l6 o .s.P&