# [機製][OCW]Metal Extrusion and Drawing

Ectrusion是「擠製」、Drawing是「抽線」(不過好像比較少聽到這種講法)，兩個其實是差不多的製程，只是一個是擠過去，一個是拉過來。這兩種製程有一些共通的特性：

1. 是一種連續、分批的過程
2. 通常都是一次擠出或拉出很長的東西，最後再依照spec切出長度(像做壽司一樣！)
3. 都是做出「截面積相同」。

# Extrusion

擠製的構造大概長這樣：


1. pressing stem：推桿，負責把原料擠出去。有的時候會叫ram(~~衝撞車~~)


2. chamber：放原料的地方。
3. die：就模啊。控制斷面形狀。
4. dummy block：來坦各種壓力跟高溫的東西。之所以不直接用Pressimg Stem下去接觸的是因為++設備維護比較方便++：
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* 擠製都在很高溫的狀況下進行，如果料胚直接跟pressing stem接觸的話，很快就會因為前端損壞而整根pressing stem都要換掉，這樣很麻煩。
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* 解法：在dummy stem前端多放一塊dummy block，改由dummy block承受壓力跟高溫，如果壞掉就換一塊dummy block就好。

整個過程大概就是「用pressing stem把裡面的billet往die擠，擠出去之後die是什麼形狀就是什麼形狀。」

可以做的東西比如：
1. 鋁門窗的邊邊：或是那種一次要做很長的東西
2. ~~吳錫侃的口頭禪~~黑板扶手
>Fun Fact：老師在開放式課程影片裡面一直cue到的同學，後來變成了吳錫侃的研究生：剛好就是上學期吳班工材的助教！

3. 齒輪：可以像切壽司一樣

## 分類

1. 溫度來說，一樣是分Hot Extrusion跟Cold Extrusion。
2. 另外根據擠製的方向，有分Direct Extrusion(直接擠製)跟跟Indiresct Extrusion(間接擠製)。這兩種擠製方式為基礎，又有Laterial Extrusion跟Hydrostatic Extrusion兩種變形。

## 溫度區分

### Hot Extrusion

### Cold Extrusion

相較於熱作，好處有以下：

1. 因為有++加工硬化++，所以會比較硬

> 有的說法是說「機械性質會變好」，不過這樣講好像有點籠統。因為理論上來說韌性會變差。這樣韌性變差(冷擠)說機械性質變好，韌性變好(鍛造)也說機械性質變好，聽起來就有點怪。

2. 精密度比較高
3. 表面比較光滑：專業講法是improve surface finish
4. 生產速率比較快，價格比較低：因為不用加熱 & 冷卻，只要擠出去就好

## 方向區分



### Direct Extrusion

中文叫「直接擠製」，就是像擠牙膏一樣，把成品直接擠出來，成品跟擠壓方向相同。這種「成品輸出方向跟擠壓方向相同」的性質，又叫「向前擠製」(forward extrusion)。

直接擠製的模具如下：


1. 首要考慮的就是Extrusion Ratio，就是進去的截面與出去的截面的比。兩個面積差異越大，需要的力量就越大。

2. 如果把出口的地方放大，可以發現他不是平的，而是先有一個平的Land, 然後有個relief angle。

3. 跟擠牙膏一樣，不管怎麼擠，最後一定有剩下一點點擠不出來，叫做++butt++。這時候就要從另外一邊戳下來，然後把它回收。

隨著pressing stem的進程，直接擠製在過程中需要的力，大概像下面這樣：


不過為什麼是長這樣呢？首先想想在單一一次的擠製中，會受到哪些力：
1. 讓胚料形變的力：因為每一刻變形的胚料量都是那麼多，所以大致上是常數。
2. 胚料通過die的摩擦力：也是大致上是常數，因為每一瞬間經過die的金屬就是那麼多，die形狀又不會變。
3. chamber當中，胚料跟chamber之間的力：因為隨著胚料逐漸被擠出去，跟chamber的接處面積會越來越小，所以胚料跟管壁間的摩擦力就逐漸++因為接觸面積變小而減小++。

如果把這張圖畫條線：


* 紅線的部分表示的就是「使胚料變形 + die處的摩擦力」，大致上是常數。
* 而剩下的部分，就是「胚料與chamber的摩擦力」，隨著胚料的推進而減少(因為接觸面積變小了)

其中可以明顯知道1跟2這兩個力應該沒辦法節省：因為就是要通過die、就是要變形，胚料才會變成需要的形狀啊～

可是第3個力(也就是胚料跟chamber的摩擦力)是有機會省的，只要++胚料不要動++就好，像這樣的構造：


淺藍色的是胚料，中間那個中空的圓筒才是die。 這樣胚料就不會動，就可以少一些摩擦力。這就是++間接擠製++(indirect extrusion)

### Indirect Extrusion

「間接擠製」。就是像這樣，工件出來的方向，跟擠壓胚料的方向相反。這種性質又會叫backward extrusion


特徵就是推進的ram與die現在是一體的了。左邊的圖是剛剛就看過的。而把它做一點改變，像右邊一樣，就可以從把輸出的工件從實心變成空心。

雖然說這樣減少了摩擦力，但是多了一些事情需要擔心，比如：
1. ram變的比較脆弱：因為ram不是變細就是變成中空的，所以施加的力量不能太大。
2. ram的支撐：因為擠出來的東西跟ram在同一邊，兩個加起來重量就變重了。所以要想辦法做好支撐。

### Lateral Extrusion

就是輸出方向跟擠壓方向垂直的擠製方法：


不過前比較少用了。

### Hydrostatic Extrusion

找不到特別的中文翻譯，有人翻作「靜液壓擠製」。是直接擠製的改良版，改良的地方是：

1. 使用比chamber小的胚料
2. 多出來的空間填入高壓液壓油(1700MPa, 大概17000大氣壓)(!)，並用它作為推進的主力

兩個放在一起比較就會像是這樣：


左邊是一般的direct extrusion; 右邊是hydrostatic extrusion。可以發現本來應該充滿chamber的胚料被削減，多出來的空間填入了fluid。

到底為什麼沒事要這樣虐待自己呢？因為：

1. ++高壓之下，金屬延展性會變好++，所以這樣對加工來說就會變得比較容易。
2. 衍伸出來的另一個優勢是：++需要擠製脆性比較高的金屬的場合++，可以考慮用它。

但是也有設計上的難處，比如：

1. 因為是高壓，所以整個構造要可以耐高壓。
2. 要可以密封：不然高壓液壓油會從縫縫噴出去(sealing design要做好)。

### Impact Extrusion

在看這個之前先看看起來超超超紓壓的Hydraulic Press Channel

{%youtube 4h2Ed3BBAAA %}

(突然覺得小豬有點可憐 嗚嗚嗚)

然後再看看Impact Extrusion的示意圖：


就會發現他其實跟Hydraulic Press有87%像啊啊啊！

Impact Extrusion是一種cold extrusion，是在常溫之下進行加工的。加工方法就是把一個金屬billit用力打下去，然後瞬間高壓就會讓金屬往上噴，就做出需要的東西了。

很難歸類是在backward 或 forward extrusion，因為它兩個都可以做，像這樣：


## 其他議題

### 模具設計原則

主要的原則有下面幾個：

1. 盡量對稱
2. 避免尖銳的角：有角的地方盡量用圓角
3. 尺寸變化不要太大

### Spider Die


是針對「擠出中空管子」或是中空件做出的設計。

要做出中空的東西，以鑄造的想法來說就是中間要放砂心。不過就擠製的場合來說，因為阻力很大，所以要固定整根從頭貫穿到尾砂心是一件困難的事。

所以取而代之的是像這樣的構造：

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也就是只在die的出口處「架」上一個圓。這樣就可以擠出管子。

一個可能的問題是：die上面的支架不是會讓擠出來的東西整個分離嗎？答案是不會。因為++die的支架後面有縮口，可以增加壓力，所以一出去之後，分流的熔融金屬就又融為一體++。就像是這樣：

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而且中間沒不會有空氣進去，所以合起來的過程，幾乎就像是超完美的焊接。

注意事項是++不能用潤滑劑++。如果潤滑液摻進去，縫就會卡到潤滑液而留下痕跡。

### 潤滑

主要是用++玻璃粉末++來潤滑。

### Defect

最常見比如說管子擠出來有裂縫、表面有洞等等等

# Drawing

Drawing在這裡是「抽線」的意思。順帶一提Drawing這個字在鈑金裡面也會出現，不過內涵不太一樣。總之之後就知道了。


Drawing的過程大致上就是：

1. 胚料(比如說一個bar)過去
2. ++從另外一邊拉出來++

可以把一根棒棒(bar)拉成一條線(wire)。

有一個小細節要注意的是，在Extrusion中，胚料通過die時受到的是壓力;在Drawing中，胚料受的力++仍然是壓力++(不然胚料後面就過不去die了嘛～)(我都把他想像成是胚料在die那邊撞車)。

然後因為整個過程跟Extrusion根本沒差多少，所以就連構造都一模模一樣樣：


什麼land什麼relief angle都有。

相較於擠製，拉線可以避免一些擠製會帶來的問題，也有一些不一樣特點：
1. ++避免buckling跟folding++：用擠的有可能胚料在chamber裡面就產生缺陷;但是用拉的可以避免這個問題。
2. 相應的，++產出速度會被材料的降伏應力限制++：因為至少不能把它拉斷嘛。

## 分類

### Bar Drawing

算是基本款的Drawing，把一根棒子拉過die讓他變細：


後面的各種製程概念也都大同小異，目的都是把一跟棒子/棒材/線材拉細。

### Tube Drawing

通常是一種++冷加工++，把管子拉成半徑更小的管子。在中間加一根mandrel可以達成這個目的：


因為是冷加工，所以會有冷加工的那些好處：尺寸可以精密控制、表面光滑度好、改變機械性質等等。

### Tube Sinking

把Tube Drawing中間不加mandrel就直接拉。


因為要固定中間的心軸畢竟也是一件很費力的事，所以乾脆直接把他去掉。好處是可以比較省力，缺點就是尺寸會稍微不精確。

在實際的設備上，可以用一種叫Draw Bench的機器作：

{%youtube GZAtEGyTQMk %}

就是暴力把管子拉過一個比較小的洞。這裡是個簡單的手動Draw Bench，而工廠裡面當然就是用機器去拉。

### Plug Drawing

把心軸換成浮動性的塞子，像這樣：


有點像是浴缸的塞子，不過是有縫的塞子。設計成胚料「流」過去的時候會剛好維持在中間，就有die的效果了。

### Wire Drawing

把棒材抽成線材~~抽一次不夠細，你有抽兩次嗎?~~。某些程度來說wire drawing跟bar drawing是同一回事，只是重複次數不一樣而已。

通常wire drawing是像這樣一次會拉很多道(multi-stage wire drawing)。下面的小方塊是die，所以一次可以拉出很多不同尺寸的線。只有最右邊的馬達負責傳動，其他都是負責被拉。


這樣還是很難懂這是什麼，所以這裡附了影片：

{%youtube jkZuetCFnls %}

每經過一個輪子，就被拉伸一次。可以比較一下前後粗細的差異：

|before||
|---|---|
|after||

如果是像空心管這種不能捲起來的話，可以用Draw Bench去拉(這個影片跟剛剛那個tube sinking的是同一個)

{%youtube GZAtEGyTQMk %}

## 其他議題

### 模具材料

* 碳化鎢：為了耐磨耗。聽起來好貴。
* Dimand Die：在die內部跟胚料接觸的地方鍍上一層鑽石。一樣是考量耐磨耗。