مقالات تجارت آلیاژ مقالاتی از فلزات پرکاربرد
آهنگری از گذشته تا امروز مورد استفاده قرار میگرفته است و از جمله صنایع بزرگ و پایه در جهان محسوب میشود. قطعات آهنگری شامل طیف گستردهای میباشد که در آنها استحکام بالا مورد نیاز است. البته معمولاً برای کارهای آهنگری با جزئیات بیشتر برای رسیدن به قطعه نهایی، ماشین کاری مورد نیاز است.
آهنگری چیست؟
در تعریف آهنگری به ضرباتی که برای ایجاد فشار محلی توسط یک چکش آهنی به صورت مستقیم و یا در قالب، برای شکل دادن به فلزاتزده میشود آهنگری یا Forging میگویند.
در گذشته فلزی که برای آهنگری مورد استفاده قرار میگرفت را به طور کامل داغ کرده تا سرخ و گداخته شود سپس با یک انبر آن را نگه داشته و چکش کاری میکردند تا به فرم مورد نظر دست یابند. گاهی نیز این فلز را داخل یک قالب قرار داده تا فلز گداخته شده و شکل قالب را به خود بگیرد. این کار از قدیمیترین روشهای آهنگری فلزات میباشد.
تاریخچه آهنگری
تاریخچه این فعالیت به گذشتههای دور برمیگردد. در آن زمان فرایندهای فلزی به صورت سنتی انجام میشد و آهنگر با استفاده از چکش و سندان به آهن فرم میداد. با گذشت زمان در قرن دوازدهم چکشهای دیگری که مسافت بالا بودند و قدرت زیادی داشتند موجب شد تا بتوانند از توان آب استفاده کرده و اندازه و مقدار آهنی که با آن آهنگری میکنند بزرگتر و بیشتر شود.
آهنگری به مرور تکامل یافت و در حال حاضر بسیاری از تجهیزات، ابزارآلات، مواد اولیه و محصولات و حتی فرایندهای تولید وابسته به فرایند آهنگری است. به طوری که امروزه میتوان آهنگری را صنعتی مدرن در نظر گرفت.
امروزه دیگر آهنگری مثل گذشته با نیروی دست و چکش انجام نمیشود و در آهنگری مدرن از نیروی پنوماتیک با فشار باد، هیدرولیک با فشار آب و یا بخار هوا استفاده میکنند که در این حالت میتوان نیروی زیادی اعمال کرد. فشار هیدرو لیک معمولاً در اهنگریهای هنری استفاده میشود.
انواع آهنگری
آهنگری رنج گستردهای از وزنها را شامل میشود که از وسایل سنگین، سختافزاری، ابزار دستی، سلاحهای لبهدار گرفته تا قطعات ریز و جواهر آلات.
اگر بخواهیم آهنگری را بر حسب درجه حرارت تقسیمبندی کنیم آهنگری به دو دسته آهنگری سرد cold forging و آهنگری گرم طبقهبندی میشود. آهنگری گرم خود شامل دو گروه آهنگری گرم Warm forging و آهنگری داغ Hot forging است که فلز را معمولاً درون کوره داغ میکنند.
1- آهنگری سقوطی
در آهنگری سقوطی چکش از ارتفاع بالا بر روی قطعه کار سقوط میکند و قطعه با توجه به قالب شکل میگیرد. دو نوع قالب آهنگری برای فرایند سقوطی وجود دارد:
- آهنگری قالب بسته که در آن کار کاملاً محصور است.
- آهنگری قالب باز که به صورت باز انجام میشود.
در آهنگری قالب باز با یک چکش بر روی قطعه کار که به صورت ثابت قرار گرفته ضربه زده شده و به آن شکل میدهد. در این حالت قالب به صورت کامل قطعه کار را پوشش نمیدهد. بنابراین برای رسیدن به شکل مورد نظر نیاز به چرخاندن و شکل دهی توسط اپراتور میباشد. در این حالت عموماً قالبها تخت هستند و فقط گاهی برای عملیات مخصوص قالب با شکل خاص مانند شکلهای گرد، مقعر یا محدب ساخته میشود.
از این قالبهای باز میتوان دیسکها، بلوکها، سیلندرها، قطعات پهن، قطعات گرد، صفحهای، هنری و بعضی شکلهای سفارشی دیگر را ساخت. همچنین از عملیات قالب باز میتوان برای افزایش استحکام با تغییر جهت دانهبندی استفاده کرد.
کارهایی مثل دندانهدار کردن و تغییر شکل پیوسته از کاربردهای آهنگری پرتابی قالب باز است. معمولاً برای رسیدن به ضخامت مناسب یک قطعه، از این روش استفاده میکنند. در این روش هنگامی که به ضخامت مناسب رسیدند با استفاده از فرایند لبه زنی یعنی متمرکز کردن ماده با یک قالب مقعر، آن را به عرض مناسب میرسانند. این فرایند معمولاً در انتهای قطعه انجام میشود. Fullering نیز از دیگر فرایندهای مشابه برای آهنگری باز میباشد، در این روش با استفاده از یک قالب محدب قطعه را نازک میکنند. کلیه این فرایندها نهایتاً قطعه را برای فرایندهای آهنگری آماده میکند.
2- آهنگری قالب بسته
آهنگری قالب بسته یا آهنگری قالب چاپی، فرآیندی است که در آن فلز داخل قالب قرار گرفته و تحت ضربه چکش، جریان یافته و حفرههای قالب را پر میکند. در این فرآیند، مواد اضافی از کنارهها خارج شده و فلش (Flash) ایجاد میشود. فلشها به دلیل خنک شدن سریعتر، از خروج بیشتر فلز جلوگیری کرده و به پر شدن کامل قالب کمک میکنند. پس از اتمام عملیات، فلشها حذف میشوند.
پیشرفت فناوریهایی مانند گرمایش القایی، سیستمهای تغذیه مکانیکی و اتوماسیون، باعث بهبود عملکرد آهنگری قالب بسته شده است. یکی از انواع این روش، آهنگری بدون فلش است که در آن از ایجاد مواد اضافی جلوگیری میشود و در نتیجه، هدررفت مواد که معمولاً ۲۰ تا ۴۵ درصد است، کاهش مییابد. با این حال، این روش به طراحی پیچیدهتر، روانکاری بهتر و دقت بالاتر در قرارگیری قطعه نیاز دارد.
اگرچه هزینه اولیه آهنگری قالب بسته به دلیل طراحی و ساخت قالبها بالا است، اما در تولید انبوه بهصرفه بوده و به همین دلیل در صنایعی مانند خودروسازی کاربرد گستردهای دارد. همچنین قطعات تولیدشده با این روش، نسبت به قطعات ریختهگری یا ماشینکاریشده، استحکام به وزن بیشتری دارند.
قالبهای مورد استفاده معمولاً از فولادهای ابزار و آلیاژهای مقاوم ساخته میشوند تا در برابر ضربه، سایش و دماهای بالا مقاومت کافی داشته باشند. همچنین استفاده از روانکنندهها برای کاهش اصطکاک، جلوگیری از انتقال حرارت و تسهیل جداسازی قطعه از قالب ضروری است.
3- آهنگری پرسی
این نوع آهنگری معمولاً با اعمال مداوم و آهسته فشار انجام میگیرد و از ضربه لحظهای که آهنگری سقوط چکشی انجام میدهد متفاوت است.این عملیات به صورت سرد و گرم انجام میشود.در این نوع آهنگری میتوان به فلز مورد نظر شکل قطعه نهایی را داد. برخلاف آهنگری سقوط چکشی که فقط سطح را تحت تاثیر قرار میدهد در آهنگری به این روش میتوان علاوه بر سطح فشرده سازی قسمت داخلی را هم کنترل کرد.
آهنگری پرسی معایبی دارد.از جمله این معایب میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- زمان طولانی تماس قطعه با قالب.
- زمانبر بودن فرایند به دلیل مقدار و مراحل طولانی
سرد شدن سریع قطعه. زیرا قالب در تماس بیشتری با قطعه میباشد.
- انتقال حرارت بیشتر از محیط اطراف.
- انعطاف پذیری کمتر و در نتیجه سرد شدن و قویتر شدن قطعه.
- ترک خوردگی قطعه در نتیجه عدم انعطاف پذیری.
- استفاده از قالبهای گرم برای کاهش تلفات و بهبود جریان سطح.
- نیاز به گرم شدن قطعه.
این روش مزایایی هم دارد.این مزایا شامل موارد زیر میباشند:
- اقتصادیتر بودن آهنگری پرسی در نرخ تولید بالا.
- دقت ابعادی بالاتر.
- انجام کار بیشتر روی قطعه نسبت به هدر رفت در آهنگری با چکش.
- محدودیت در اندازه دستگاه آهنگری پرسی و در نتیجه تولید قطعه با هر اندازه دلخواه.
- درجه بالای یکپارچگی مکانیکی و جهتگیری بهتر.
- محدود کردن اکسیداسیون لایههای بیرونی قطعه.
آهنگری پرسی برای آهنگری قالب بسته و قالب باز قابل استفاده است. در قالب بسته معمولاً زاویه کمتری نسبت به آهنگری سقوطی داشته و دقت ابعاد بیشتر است.
آهنگری پرسی یک حالت تکامل پیدا کرده است و پرسهای قویتر با ابعاد بیشتر، انعطاف پذیری بهتر، نظارت بر سیستمها و سنسورهای حرارتی را دارد.
4- آهنگری میله
آهنگری میله فرایندی است که در آن ضخامت نوار گرد یا تخت کاهش یافته و طول آن افزایش مییابد. آهنگری در این حالت توسط دو غلطک استوانهای انجام میشود که دارای یک یا چند شیار هستند. در این حالت نوار گرم وارد غلطکها شده و رولها چرخانده و نوار شکل میگیرد و از طریق دستگاه رول میشود. سپس قطعه مجدداً به شیارها انتقال یافته و وارد میشود. این حالت تا زمانی که به اندازه مورد نظر برسیم ادامه مییابد.
در این روش هیچ ضایعات و فلاشی وجود نداشته و ساختار دانهای آن مطلوب می باشد. از جمله محصولاتی که با این روش ساخته میشوند محورها و اهرمهای مخروطی شکل هستند.
5- آهنگری سرد
در این فرایند نیروی بسیار بزرگی برای شکل دهی لازم است و ماده خام باید چکش خواری بالایی داشته باشد. قطعه تولید شده با این روش نسبت به آهنگری داغ دارای سطح پایانی و دقت ابعاد بهتری میباشد.
قطعه هایی که از این روش تولید میشوند میتوان با سایر روشها مانند ریختهگری، متالوژی، پودر و ماشین کاری نیز تولید کرد که هر کدام دارای مزیتها، محدودیتها و ویژگیهای استحکامی و دقت ویژه خود هستند.
6- سکه زنی
سکه زنی جز فرایندهای آهنگری قالب بسته شمرده میشود. در این روش که برای شکل دادن به سکهها، مدالها و جواهرات استفاده میشود فشاری تا حدود ۵ یا ۶ برابر استحکام ماده مورد نیاز است.
در سکه زنی از روان کنندهها استفاده نمیشود زیرا حفرههای قالب را پر کرده و از شکلدهی قطعه جلوگیری میکند. از این فرایند سکه زنی در آهنگری برای کارهایی با دقت بالا استفاده میشود. هک کردن حروف و اعداد روی فلزات نیز به روش سکه زنی انجام میشود.
مزایای آهنگری
آهنگری باعث تغییر شکل بافت داخلی شده و شکل قطعه به گونهای تغییر میکند که بافت آن پیوسته باشد، در نتیجه ویژگیهای قطعه بهبود مییابد. قطعه تولید شده در آهنگری نسبت به کارهای ریختگری و ماشین کاری قویتر است. علاوه بر این آهنگری هزینههای کمتری نسبت به سایر فرایندها نظیر ریختهگری دارد. این هزینهها شامل هزینههای زمان تولید، زمان تدارک برای بازسازی قطعات، ضایعات، خرابی و مسائل مربوط به کیفیت است.
به طور کلی آهنگری دارای مزایای طولانی مدت نسبت به فرایندهای ریختهگری و ساخت میباشد که میتواند هزینههای کوتاه مدت را جبران کند.
معایب آهنگری
همان طور که گفته شد آهنگری به دو صورت گرم و سرد انجام میشود. در مقایسه آهنگری سرد و آهنگری گرم میتوان گفت، آهنگری گرم باعث میشود مشکلاتی که در هنگام عملیات ثانویه مانند ماشین کاری در آهنگری سرد (کار سختی) پیش میآید از بین برود. البته گفتنی است که آهن و فولاد تقریباً همیشه به صورت داغ آهنگری میشوند.
کار سختی فرایندی اتفاقی است که در هنگام آهنگری سرد رخ میدهد و موجب میشود که عملیات ثانویه بر روی قطعه مشکلتر انجام گردد. زمانی کار سختی، مشکلی ایجاد نمیکند که برای رسیدن به ویژگیهای مطلوب از عملیات حرارتی استفاده شود که عموماً این عملیات نسبت به اهنگری سرد ارزانتر هستند. در این حالت فلزاتی مانند آلومینیوم و تیتانیوم که تمایل به سخت شدن دارند، در حرارت بالا ساخته میشوند و سپس کارسختی روی آنها انجام میگیرد. آهنگری با توجه به فرایندهایی که انجام میدهد شامل هزینههایی میباشد. از جمله این هزینهها میتوان به هزینه تجهیزات و ماشین آلات، ساختمان مورد نظر برای اداره امکانات و پرسنل اشاره کرد.
معایب آهنگری داغ
در آهنگری داغ علاوه بر هزینههای گفته شده به یک کوره با درجه حرارت بالا که برای گرم کردن شمشها مورد استفاده قرار میگیرد، نیاز است که جزء هزینهها محسوب میشود. به علت اندازه چکشها و پرسهای قوی که در فرایند تولید مورد استفاده قرار میگیرند و خطراتی که کار با فلز داغ ایجاد میکند، ساختمان ویژه برای اداره امور، ضروری است. باید به این نکته توجه شود که در مورد آهنگری که به صورت سقوطی انجام میشود امکانات باید به گونهای باشد که شوکهای ایجاد شده و ارتعاشهای تولید شده توسط چکشها را جذب کند.
هنگامی که در آهنگری از قالبها استفاده میشود قالبها دقیقاً باید به همان شکلی باشند که مورد نیاز است و عملیات حرارتی باید با دقت روی آنها انجام شود زیرا این قطعات قرار است نیروهای زیادی را تحمل کنند.
فرایند آهنگری
در فرایند آهنگری یک قطعه که اصطلاحاً لقمه نامیده میشود در قالب قرار گرفته و نیرویی به آن وارد میشود، این نیرو معمولاً حالت ضربهای داشته و به صورت آرام اعمال میشود و در نتیجه قطعه داغ و گداخته فرم قالب را به خود میگیرد. و فلز اضافی به حفره فلاش وارد میشود که بعد از جدا شدن قطعه این فلز اضافی دور ریز محسوب میشود.
در پروسه آهنگری گرم که فرایندی گرم است فلزات مختلف حرارت مختلفی برای آهنگری دارند. در این روش فلز گداخته شده و در کوره به حرارت مناسب میرسد سپس در قالب گذاشته میشود و بر اثر فشار و دما، فرم قالب مشخص را میگیرد. قطعات آهنگری شده خواص مکانیکی و استحکام بالایی دارند. تقریباً بیشتر فلزات قابل آهنگری میباشند اما آلومینیوم، فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی، مس، برنج و آلیاژ آنها برای آهنگری مناسب هستند.
برخی از فلزها به دلیل داشتن برخی از خواص و همچنین ضعیف بودن در انتقال حرارت شرایط ویژه، قالب ویژه و خط تولید مخصوص خود را دارند. در این گونه فلزها نظیر تیتانیوم، قطعه و قالب باید با یکدیگر هم دما باشند و این خود روشی جدید در آهنگری محسوب شده و نیاز به طراحی مخصوص دارد.
دما
فرایندهای آهنگری میتوانند در دماهای مختلف انجام شوند.
1- در صورتی که درجه حرارت ۷۰ درصد دمای ذوب باشد آهنگری از نوع داغ است.
2- در صورتی که درجه حرارت بین ۳۰ تا ۷۰ درصد دمای ذوب باشد آهنگری از نوع گرم است.
3- در صورتی که کمتر از ۳۰ درصد دمای ذوب باشد، که معمولاً همان دمایایدهآل محیط هست، آهنگری سرد است.
اگر آهنگری به روش داغ انجام شود تغییر شکل سریعتر بوده و در فلزی که تغییر شکل مییابد کار سختی از طریق فرایند تبلور مجدد از بین میرود، اما در این روش کیفیت سطح کاهش یافته و دقت ابعاد نسبت به روش گرم و سرد کمتر میشود.
در آهنگری به روش سرد برعکس آهنگری به روش داغ کیفیت سطح بهبود یافته و دقت ابعاد قطعه بالاتر میباشد، اما این روش معمولاً باعث کار سختی میشود.
در نتیجه اگر ما نیاز به کیفیت سطح و ابعاد دقیقتر داریم باید از روش آهنگری سرد استفاده کرده و اگر نیاز به کار سختی مناسب داریم باید از روش گرم استفاده کنیم.
قالب های آهنگری
در تولیدات انبوه، قالبهای آهنگری برای فرم و شکل دادن به قطعه، گاهی با حرارتدهی و گاهی بدون حرارتدهی استفاده میشوند. قالبها را میتوان در سه گروه تقسیم بندی کرد:
1- قالب بسته گرم آهنگری Impression Die forging
در این روش قطعه کار بین دو قالب قرار گرفته و بر اثر فشار یا ضربههای هیدرولیکی یا مکانیکی و یا چکشهای سقوطی شکل قالب را به خود میگیرند. از فولادهای گرم که دارای استحکام تسلیمی بالا و چقرمگی بالا باشند، در این قالبها استفاده میشود.
در این روش برای رسیدن به شکل نهایی و قطعه مورد نظر گاهی لازم است از چند مرحله و چند نوع پرس استفاده شود تا قطعه مورد نظر ساخته شود.
2- آهنگری با قالبهای باز یا آزاد Open Die forging
در این حالت آهنگری معمولاً فلز بین سطوح صاف میباشد که شکل خاصی ندارند. این قالبها کاملاً ساده هستند و قطعه در این حالت بین دو سطح چرخانده شده و نیروی فشار به آنها وارد و آن را پرس میکند.
در این روش میتوان قطعات بزرگ که حتی تا ۱۵۰ تن وزن دارند نیز تولید کرد.
روش آهنگری غلتکی نیز در این گروه قرار میگیرد، در این حالت یک سوراخ در ورق ایجاد شده و بعد از نورد کردن، فشردن و ضربه زدن حلقه با قطر بیشتر و ارتفاع کمتر به دست میآید، این شیوه در واقع از روشهای نورد کردن به دست میآید. با این روش میتوان رینگها را تولید کرد، رینگهایی که در این روش تولید میشود بین نیم گرم تا ۱۸۰ تن وزن دارند.
3- قالبهای آهنگری قالب بسته Flashless die forging
این روش مشابه ریختهگری تحت فشار میباشد، اما در این روش نسبت به ریختهگری تحت فشار دما پایینتر است و دو فک قالب بر روی قطعه اولیه فشار وارد کرده و قطعه نهایی را ایجاد میکنند. در این نوع آهنگری نیاز به ماشین کاری و دیگر فرایندهای تکمیلی نیست.
طراحی قالب
طراحی قالب نیاز به دانش زیادی در مورد خواص مواد نظیر استحکام، حساسیت به تغییر شکل و دما، اصطکاک و چکشخواری دارد.
در طراحی قالب باید به این نکته توجه کرد که قطعه در هنگام عملیات در جهتی که کمترین مقاومت را دارد حرکت میکند. پس قطعه باید تمام حفرههای قالب را پر کند و نباید به آسانی در جهت اشتباه حرکت نماید. الگوی جریان در این حالت باید به گونهای باشد که لغزشها بین قطعه و قالب در کمترین حالت باشد تا فرسایش صورت نگیرد. انتخاب این اشکال نیاز به محاسبات پیشرفته سطح مقاطع داشته و در نتیجه تجربه زیادی را میطلبد.
در این حالت خواص مختلف بستگی به موقعیت آهنگری دارد. در بیشتر قطعات آهنگری خط جداکننده در بزرگترین سطح قطعه قرار دارد، اما در قطعاتی که متقارن هستند، خط تقارن معمولاً خط مستقیمی در وسط قطعه میباشد. البته باید توجه شود که در قطعات پیچیده این خط در یک صفحه قرار نمیگیرد و در این حالت تعادل نیروها و محورها حائز اهمیت است.
طراحی راهگاه و خروج مواد اضافی در قالب آهنگری
بعد از اینکه قالب پر شد، مواد اضافه خارج میشوند. اگر این مواد خارج نشوند، سبب افزایش فشار قالب خواهند شد. معمولاً ضخامت این مواد اضافه ۳ درصد بیشتر از ضخامت قطعه آهنگری است. طول قطعه ایجاد شده نیز معمولاً دو تا ۵ برابر ضخامت مواد اضافه میباشد.
برای افزایش عمر قالب بهتر است که زوایای داخلی و خارجی قالب به گونهای طراحی شوند که قالب دارای شیب مناسب باشد و قطعه هنگام خنک شدن و انقباض، به راحتی از قالب خارج گردد. در این حالت زوایای داخلی قالب حدود ۷ تا ۱۰ درجه و زوایای خارجی آن حدود ۳ تا ۱۰ درجه در نظر گرفته میشوند تا جریان آرام فلز به داخل حفرهها انجام شده و عمر قالب افزایش یابد. اگر این اندازهها کوچکتر باشند، حرکت فلز با مشکل مواجه شده و موجب فرسایش قالب به علت تمرکز تنش و حرارت میشود.
در آهنگری قطعات پیچیده بهتر است به جای قالب یکتکه از قالبهای چندتکه استفاده شود، زیرا این قالبها مزایای متعددی دارند:
- کاهش هزینه نسبت به ساخت یک قالب پیچیده و بزرگ
- امکان استفاده مجدد از قطعات قالب در ساخت قالبهای مشابه
- قابلیت تعویض آسان قطعات فرسوده یا شکسته بدون نیاز به ساخت مجدد کل قالب
روان کارها (روان کننده ها)
روان کنندهها از مواردی هستند که در آهنگری حائز اهمیت میباشند. روانکارها مزیتهایی دارند:
- جلوگیری از چسبیدن قطعات به قالب
- کاهش میزان اصطکاک و سایش که موجب حرکت سریعتر جریان فلز به داخل حفرهها شده و میزان نیروی مورد نیاز را کاهش میدهند.
- روان کننده ها به عنوان واسط حرارتی بین قطعه و قالب عمل میکنند زیرا قطعه مورد نظر داغ و قالب تقریباً خنک میباشد، بنابراین با پایین آمدن نرخ خنک شوندگی قطعه حرکت جریان فلز را بهبود میبخشند.
در آهنگری از روان کنندههای مختلف و به حالتهای متفاوت استفاده میشود. در آهنگری داغ قالب به روانکار آغشته شده و در آهنگری سرد قطعه به روانکار آغشته میشود. این روانکارها در آهنگری داغ شامل پودر شیشه، گرافیت، دیسولفید مولبیدن میباشند. روان کنندهها و یکنواختی ضخامت آنها روی محصول نهایی و کیفیت آن اثر زیادی دارند.
جمعبندی
با توجه به آنچه گفته شد آهنگری فرایندی است که روی فلزات مختلف انجام شده و از گذشته تا امروز در صنایع گستردهای کاربرد دارد. در صنعت آهنگری میتوان از طیف گستردهای از فلزات استفاده کرد و قطعاتی با کیفیتها و سایزهای مختلف تولید نمود.
آهنگری به حالتهای مختلف گرم، سرد و داغ مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین در روشهای مختلف به وسیله چکش، سقوط چکش و در قالب و بدون قالب، در شرایط باز یا محصور میتواند انجام گردد.
هر یک از این روشها با توجه به محصول نهایی مورد نیاز انتخاب میشود. فرایندهای آهنگری میتواند در درجه حرارتهای مختلف انجام و به شکلهای مختلف مورد استفاده در صنایع قرار گیرد.
