آهنگری

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از آهنگری (متالورژی))
پرش به: ناوبری، جستجو
یک چکش هیدرولیکی مورد استفاده در روش آهنگری

آهنگری (به انگلیسی: Forging) روشی برای شکل‌دهی قطعات فلزی است. در این فرایند، فلز با چکش‌کاری یا پرس کردن به شکل مطلوب درمی‌آید.

در فرایندآهنگری، نیرو بسته به نوع روش آهنگری به صورت ضربه‌ای، نیرو ثابت یا انرژی ثابت وارد می‌شود.

مزایا و معایب[ویرایش]

قطعات فورج شده نسبت به روش‌های دیگر تولیدی از استحکام و خواص مکانیکی عالی تری برخوردار می‌باشند. اکثر فلزات، قابلیت آهنگری و فورج شدن را دارا هستند. فلزاتی مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای کربنی و آلومینیوم و آلیاژهای آن، برنج، مس و آلیاژهای آن‌ها و… برای فورج مناسب می‌باشند.

انواع آهنگری[ویرایش]

Drop forging Gesenkschmieden.jpg
  • از لحاظ دمای آهنگری
آهنگری سرد (کار سرد)(به انگلیسی: Cold Forging)
آهنگری گرم (کارگرم)(به انگلیسی: Warm Forging)
آهنگری داغ(به انگلیسی: Hot Forging)
  • از لحاظ اعمال نیرو
آهنگری چکشی
در این روش یک چکش به طور سریع و مداوم ضربه‌هایی را به سطح فلز وارد می‌کند.
آهنگری پرسی
در این روش توسط یک دستگاه پرس، نیرو در یک مرحله و بصورت آهسته اعمال می‌شود.
  • از لحاظ نوع قالب
آهنگری با قالب باز
آهنگری با قالب بسته

فرایندهای آهنگری[ویرایش]

آهنگری با پرس سقوط آزاد[ویرایش]

قالب‌های فورج برای فرم دهی و شکل دهی فلزات در تولید انبوه استفاده می‌شود که گاهی با حرارت دهی قطعات کار و گاهی بدون حرارت دهی صورت می‌گیرد. قالب‌های فورج به دو دسته تقسیم می‌شوند:

قالب‌های بسته فورج (Impression Die forging)

قالب‌های باز فورج (Open Die forging)

آهنگری قالب باز[ویرایش]

این نوع آهنگری (فورج) همان روش صنعتگران قدیمی است با این تفاوت که در اینجا برای انجام این عمل از تجهیزات مکانیکی استفاده می‌شود. در این روش آهنگری در اثر ضربه چکش‌های مکانیکی، سطح شمشال بر اثر کم کردن ارتفاع آن، افزایش می‌یابد.

در روش فورج کاری سرد، عملیات تولیدی به صورت سرد انجام می‌گیرد که شامل خم کاری، کشش، کله زنی، نقش زنی و اکستروژن، پیچ زنی می‌شود که در این روش به نیروی بالاتری نسبت به فورج گرم احتیاج است. دقت ابعاد قطعات تولید شده با روش فورج سرد، بیش تر می‌باشد.

از این روش برای ساختن قطعات با اشکال، اندازه وجنسهای مختلف استفاده می‌شود. با این روش می‌توان جریان فلز وساختار دانه‌های آن را کنترل نمود ودر نتیجه به استحکام و چقرمگی خوبی دست یافت. از این روش برای تولید قطعاتی که در شرایط کاری تنش بالا و بحرانی کارمی کنند استفاده می‌شود.

از قطعات معروفی که امروزه با استفاده از این روش تولید می‌شود می‌توان به میل لنگ، شاتون، دیسکهای توربینها، چرخ دنده‌ها، چرخها و ابزارآلات اشاره نمود. فورج را می‌توان دردمای اتاق (فورج سرد) یا در دماهای بالاتر (فورج گرم و فورج داغ بسته به دما) انجام داد.

آهنگری قالب بسته[ویرایش]

در روش فورج گرم با قالب بستهٔ، قطعهٔ کار (لقمه) بین دو نیمه قالب قرار می‌گیرد و بر اثر نیروی فشاری یا ضربه ای پرس‌های هیدرولیکی یا مکانیکی یا چکش‌های سقوطی، فرم قالب را به خود می‌گیرد. برای ساخت این قالب‌های فورج، از فولادهای گرم کار که دارای چقرمگی و استحکام تسلیم بالایی باشند استفاده می‌کنند. گاهی بر اساس شکل و نوع قطعه برای رسیدن به فرم نهایی از چندین قالب و چند مرحله فورج کاری استفاده می‌شود، زیرا با یک عمل پرس کاری، تولید قطعه کامل، میسر نخواهد بود و قطعهٔ کار به مرور و طی چند مرحله باید شکل نهایی را کسب نماید.

فورج با قالب حفره دار و قالب بسته[ویرایش]

در فورج با قالب حفره دار قطعه خام توسط نیروهای فشاری پرس به شکل حفره‌های قالب در می‌آید. توجه شود که مقداری از ماده بین دو نیمه قالب به صورت زائده باقی می‌ماند. زائده نقش بسیار مهمی در جریان ماده در قالب‌های حفره دار ایفا می‌کند. این زائده کوچک سریعاً خنک می‌شود و به سبب مقاومت اصطکاکی، مادة داخل حفره‌های قالب را تحت فشار بالا قرار می‌دهد و باعث پر شدن کامل حفره‌های قالب می‌شود.

مراحل شکل دهی بیلت در قالب حفره دار مقداری از مادة اضافی به صورت زائده در بین دو نیمة قالب باقی می‌ماند. بریده ماده خام (بلانک) ممکن است از فرایندهایی نظیر ریخته‌گری، متالورژی پودر، برشکاری یا فورج بدست آمده باشد. این بلانک روی نیمة پایینی قالب قرارمیگیرد و با پایین آمدن نیمة بالایی قالب به تدریج شکل می‌گیرد.

از فرایندهای ماقبل شکل دهی نظیر باریکسازی ولبه زنی برای توزیع ماده به قسمتهای مختلف بلانک استفاده می‌شود. در باریکسازی ماده از یک ناحیه به سمت بیرون دور می‌شود و در لبه زنی در یک ناحیه جمع می‌گردد. سپس قطعه توسط فرایند لقمه کاری و با استفاده از قالبهای لقمه زنی به صورت ظاهری شاتون درمیآید. درآخرین عملیات فورج، قطعه توسط قالب‌های حفره دار شکل نهایی را به خود می‌گیرد. در انتها زائده برشکاری می‌شود.

فورج سرد[ویرایش]

در فورج سرد به نیروهای فوق‌العاده بزرگی برای شکل دادن قطعه نیاز است و مادة خام بایستی به اندازة کافی قابلیت چکش خواری داشته باشد. اما قطعة تولیدشده با این روش دارای سطح پایانی و دقت ابعادی خوبی است. در فورج داغ به نیروی کمتری نیاز است ولی قطعات تولیدی با این روش دارای سطح پایانی و دقت ابعادی چندان خوبی نیستند. معمولاً قطعات تولیدی توسط فورج به عملیات اضافی (پایانی) جهت تبدیل شدن به قطعه مناسب کاروحصول دقت مطلوب نیاز دارند.

با استفاده از روش فورج دقیق می‌توان این عملیات را به حداقل رساند. قطعه‌هایی که با استفاده از فورج تولید می‌شود را نیز می‌توان با سایر روشها نظیر ریخته‌گری، متالورژی پودر و ماشین کاری تولید نمود وهمانطورکه انتظارمیرود هرکدام ازاین روشها دارای مزایا و محدودیتهای مربوط به خود از نظر استحکام ، چقرمگی، دقت ابعادی سطح پایانی و نقصهای ساختاری هستند.

فورجینگ افقی[ویرایش]

در این دستگاه‌ها سر میله یا لوله ای را که می‌خواهند به شکلهای معین درآورند، گرم و در قالب‌های پرس می‌کوبند و به عبارتی قطر یک لوله به طور موضعی با اعمال ضربات چکش یا فشردن پرس در جهت محور میله افزایش می‌یابد.

آهنگری نوردی (آهنگری غلطکی)[ویرایش]

فرآیندی است که در آن، ضمن کاهش ضخامت انواع میله‌های گرد یا مستطیلی، طول آنها افزایش می‌یابد. این روش به منظور تهیه قطعاتی مانند محور چرخ اتومبیل، میله‌های با مقطع متغیر بکار می‌رود. دستگاه دو غلطک نیم استوانه دارد که بر روی آن شیارهایی با مقاطع مورد نظر ایجاد شده است.

آهنگری پر انرژی (آهنگری سریع)[ویرایش]

در این روش آهنگری، شکلدهی فلز با نیروی بسیار زیاد در مدت زمان کوتاهی در قالبهای بسته در حالتهای گرم و سرد انجام می‌شود. قطعه کار مورد استفاده باید دارای قابلیت شکل دهی زیاد باشد تا در هنگام عملیات آهنگری در آن شکست بوجود نیاید. با استفاده از این روش می‌توان قطعات را در یک مرحله تولید نمود. همچنین با این روش می‌توان قطعاتی را تولید کرد که تولیدشان با روشهای دیگر آهنگری، مشکلاتی دارد. از طرفی تولید قطعه با دقت ابعادی زیاد کمترین مقدار ماشینکاری همراه است. لازم است ذکر شود که این روش بیشتر برای تولید قطعات متقارن بکار می‌رود. از دیگر محدودیت‌های این روش، این است که برای تولید قطعات فولادی از قبیل فولا ضد زنگ و فلزات مقاوم در برابر حرارت تا وزن ۲۵ پوند مناسب است.

آهنگری قرار[ویرایش]

در این فرایند با استفاده از یک حدیده و وارد کردن ضربات مکرر، می‌توان قطر لوله یا میله را کم کرد. به عنوان مثال به منظور تنگ کردن و شکل دادن دهانه مخزن گاز از این روش استفاده می‌شود.

سکه زنی به روش فورج[ویرایش]

سکه زنی اساساً یک فرایند فورج قالب بسته برای شکل دادن سکه‌ها، مدال‌ها وجواهرات می‌باشد. برای رسیدن به ابعاددقیق به فشارهایی تا پنج یا شش برابر استحکام ماده نیاز است. دراین فرایند از مواد روانکار نمی‌توان استفاده نمود زیرا باعث پرشدن حفره‌های قالب شده ودر این فشارهای اعمالی رفتار غیرقابل تراکم داشته واز شکل دهی دقیق قطعه جلوگیری می‌کنند. از فرایند سکه زنی با فورج برای ایجاد دقت ابعادی روی سایر قطعات نیزاستفاده می‌شود. این فرایند، اندازه کردن نامیده می‌شود. فرایند اندازه کردن به همراه فشارهای بالا و تغییر شکل قطعه می‌باشد. حک کردن حروف و اعداد روی قطعات را می‌توان با فرایندی شبیه به سکه زنی با سرعت انجام داد.

آهنگری کله زنی گرم[ویرایش]

آهنگری شعاعی[ویرایش]

آهنگری چرخشی[ویرایش]

طراحی قالب‌های فورج[ویرایش]

طراحی فالبهای فورج به دانش زیادی دربارة خواص استحکام، چکش خواری، حساسیت به نرخ تغییرشکل و دما، اصطکاک و شکل قطعه نیاز دارد. اعوجاج قالب تحت بارهای بالاخصوصا در تولید قطعات با تلرانس کم قابل ملاحظه می‌باشد. مهمترین قانون در طراحی قالب این است که قطعه در هنگام عملیات فورج در جهتی که دارای کمترین مقاومت است جریان می‌یابد.

بنابراین قطعه (شکل میانی) بایستی به گونه ای شکل داده شود تا تمامی حفره‌های قالب پر شود. در شکل دهی اولیه قطعه، ماده نباید به آسانی به سمت زائده حرکت کند.

الگوی جریان دانه‌ها بایستی مطلوب باشد و لغزشهای شدید بین قطعه و قالب بایستی به حداقل برسد تا فرسایش کاهش یابد.انتخاب اشکال نیازمند تجربة زیادی بوده و شامل محاسبات سطوح مقطع در هر موقعیتی از فورج می‌باشد. از آنجاییکه ماده در این فرایند تحت تغییرشکلهای مختلفی در مناطق مختلف حفره‌های قالب می‌باشد، خواص مکانیکی بستگی به موقعیت فورج دارد.

در اغلب قطعات فورج شده، خط جدایش Parting line درست در مکان بزرگترین سطح مقطع قطعه قرار دارد. در قطعات متقارن خط جدایش معمولاً خط مستقیمی در مرکز قطعه می‌باشد اما در قطعات پیچیده این خط در یک صفحه قرار ندارد. این قالب‌ها به گونه ای طراحی می‌شوند تا هنگام کار قفل شده و از حرکتهای عرضی قالب جلوگیری شود. در این حالت تعادل نیروها و هم محوری قطعات قالب حفظ می‌گردد. بعد از آنکه قالب پر شد به مواد اضافی. اجازه داده می‌شود که به داخل سیمراهه Gutter راه پیدا کند. این موضوع باعث می‌شود که این مواد اضافی باعث بالا بردن فشار قالب نشوند. معمولاً ضخامت زائده Flash برابر۳٪ بیشترین ضخامت قطعه فورج کاری می‌باشد. طول تکة مسطح Land معمولاً دو تا پنج برابر ضخامت زائده می‌باشد. در طی سالها چند طراحی مختلف برای سیمراه ارائه شده است. در اغلب قالبهای فورج به زاویة شیب Draft angle مناسب برای بیرون آمدن قطعه از قالب نیاز می‌باشد. قطعه در هنگام خنک شدن هم از نظر طولی و هم از نظر شعاعی منقبض می‌شود بنابراین زوایای شیب داخلی بزرگتر از زوایای شیب خارجی ساخته می‌شوند . انتخاب صحیح اندازة شعاعها و گوشه‌ها به منظور اطمینان خاطر از جریان آرام فلز به داخل حفره‌ها و افزایش عمر قالب بسیار مهم است.

معمولاً شعاع‌های کوچک غیرمطلوب می‌باشد، چراکه جریان فلز را با سختی مواجه کرده، فرسایش قالب را بالا م قالب می‌شود یبرد (به دلیل ایجاد تمرکز تنش و حرارت) قوس‌های کوچک همچنین سبب ایجاد ترک‌های ناشی از خستگی می‌شود. در بنابراین مقدار این قوسها تا آنجاییکه طراحی قطعة فورج کاری اجازه می‌دهد باید بزرگ باشد.

در فرایند فورج، خصوصاً برای قطعات پیچیده می‌توان از قالب‌های چندتکه به جای قالب‌های یک تکه استفاده نمود. این موضوع باعث کاهش هزینه‌های ساخت قالب‌های مشابه می‌شود این تکه‌ها (مغزها) را می‌توان از مواد پراستحکام تر و سخت‌تر ساخت و در صورت فرسایش و شکست این تکه‌ها می‌توان آنها را به راحتی می‌توان تعویض نمود.

جنس قالب‌ها[ویرایش]

اغلب عملیات فورج خصوصاً در مورد قطعات بزرگ، در دماهای بالا انجام می‌شود؛ بنابراین مواد قالب بایستی:

الف) دارای استحکام و چقرمگی در دماهای بالا باشند

ب) سختی پذیر بوده و بتوان آنها را به صورت یکنواخت سخت کاری نمود

ج) در مقابل شوکهای حرارتی و مکانیکی مقاوم باشند

د) در مقابل سایش به سبب پوسته شدن در فورج داغ مقاوم باشند

انتخاب جنس قالب به فاکتورهایی نظیر: ابعاد قالب، ترکیب و خواص قطعه، پیچیده بودن قطعه، دمای فورج، نوع فرایند فورج، هزینة مواد قالب و تیراژ قطعه بستگی دارد. همچنین انتقال حرارت از قطعة داغ به قالب فاکتور مهمی می‌باشد از مواد ی که معمولاً در ساخت قالبهای فورج استفاده می‌شود، می‌توان به فولادهای دارای کرم، نیکل، مولیبدن و وانادیم اشاره نمود.

روانکارها[ویرایش]

روانکارها به شدت بر میزان اصطکاک و سایش تأثیر می‌گذارند؛ بنابراین در مقدار نیروها و جریان فلز به داخل حفره‌ها موثرند. همچنین به عنوان حایل حرارتی بین قطعة داغ و قالب نسبتاً خنک عمل کرده، باعث پایین آمدن نرخ خنک شوندگی قطعه و بهبود جریان فلز می‌گردد. نقش مهم دیگر روانکار عملکردن به عنوان عامل جدایش و جلوگیری کننده از چسبیدن قطعه به قالب می‌باشد.

در فرایند فورج از روانکارهای مختلفی می‌توان استفاده نمود در فورج داغ از گرافیت، دیسولفید مولیبدن استفاده می‌شود. در فورج داغ معمولاً قالب مستقیماً به روانکار آغشته می‌شود، در فورج سرد قطعه به روانکار آغشته می‌شود. روش کاربرد و یکنواخت نمودن ضخامت روانکار روی بلانک در کیفیت محصول مهم است.

آهنگری آلیاژهای مهندسی[ویرایش]

آهنگری فولادهای کربنی و آلیاژی[ویرایش]

آهنگری فولادهای زنگ نزن[ویرایش]

آهنگری آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت[ویرایش]

آهنگری آلیاژهای آلومینیم[ویرایش]

آهنگری مس و آلیاژهای مس[ویرایش]

نگارخانه[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • William F. Smith, Principles of Materials Science and Engineering, Mcgraw-Hill College, ۱۹۹۵.