مختصری از فرایند آهنگری یا فورجینگ (اصول کلی، تجهیزات، روش ها و عیوب)

علم شکل دهی فلزات علمی است که در آن اصول و روش های تغییر شکل فلزات شکل پذیر، با اعمال نیرو به آن بررسی می شود. تمامی اجسام فلزی که در اطراف ما قرار دارند توسط یکی از روش های شکل دهی فلزات ساخته شده اند. شکل دهی در کنار ریخته گری و متالورژی پودر سه روش عمده و اصلی در ساخت و تولید محصولات فلزی می باشد، هرچند که شکل دهی فلزات قدمت دیرینه تری نسبت به دو مورد دیگر دارد. شکل دهی فلزات فرایندی کاملاً دینامیک است، به گونه ای که معمولاً از آن به عملیاتی سریع و غیر آرام تعبیر می شود.

از فرایندهایی که به وسیله آن ها می توان شکل دهی فلزات را انجام داد، می توان به فرایندهای آهنگری یا فورجینگ، کشش، نورد، اکستروژن یا روزنرانی، خمکاری، برشکاری فلزات، شکل دهی به کمک انفجار مخلوط گاز، شکل دهی الکترومغناطیسی، میکروفورمینگ و غیره اشاره کرد. در این نوشته به بیان شرح مختصری از فرایند شکل دهی فلزات به کمک آهنگری یا فورجینگ می پردازیم.

آهنگری حرفه تغییر شکل فلزات و ساخت ابزار از آن ها است. در این فرایند با کار بر روی فلز طی یک یا چند مرحله توسط پتک کاری یا پرس کاری، شکل مطلوب نهایی حاصل می شود. آهنگری از قدیمی ترین هنرهای فلزکاری محسوب می شود و منشاء آن به زمان های بسیار دور بر می گردد. در حقیقت در چندین هزار سال پیش فلزاتی مانند نقره و طلا بدون استفاده از قالب، آهنگری می شدند. اما از ۲۰۰۰ سال پیش استفاده از قالب جهت آهنگری قطعات مرسوم گردید. در این فرایند نیروهای بزرگی به کار گرفته می شود و لوازم کار اغلب سنگین هستند. اساساً آهنگری فرایند کارگرمی است که در آن تغییر شکل پلاستیک فلز تحت تاثیر تنش های فشاری بزرگ اتفاق می افتد.

تجهیزات آهنگری

این تجهیزات را می توان بر حسب اصول عملیات طبقه بندی کرد. در پتک های آهنگری، نیرو توسط یک وزنه سقوطی یا کوبه وارد می شود. این پتک ها دستگاه هایی با انرژی محدود هستند، چون تغییر شکل از انتشار انرژی جنبشی کوبه به دست می آید. پرس های آهنگری مکانیکی، دستگاه هایی با ضربه محدود هستند، چون طول ضربه پرس و بار قابل حصول در وضعیت های مختلف ضربه معرف کارایی آن ها هستند. پرس های هیدرولیک، دستگاه هایی با بار محدود هستند، چون کارایی آن ها برای اجرای عملیات شکل دادن عمدتاً با حداکثر ظرفیت بار محدود می شود.

متداول ترین دستگاه های آهنگری، پتک آهنگری است. دو نوع پتک اصلی عبارتند از: پتک تخته دار و پتک قدرتی. در پتک تخته دار، کوبه و قالب بالایی با چسبیدن غلتک های اصطکاکی به تخته، آن را بلند می کنند. وقتی تخته رها می شود، کوبه تحت تاثیر جاذبه سقوط می کند تا انرژی ضربه ای تولید کند. سپس بلافاصله تخته برای زدن ضربه دیگری بالا می رود. پتک قدرتی که در آن، کوبه در ضربه پایینی توسط بخار یا فشار هوا به اضافه ثقل، شتاب می گیرد، ظرفیت بیشتری دارد. بخار یا هوا همچنین برای بالا بردن کوبه در ضربه بالایی هم به کار برده می شود. ویژگی مهم پتک قدرتی این است که انرژی ضربه می تواند کنترل شود، در صورتی که در پتک تخته ای جرم و ارتفاع سقوط ثابت هستند.

روش های آهنگری

معمولاً روش های اجرای فرایند آهنگری متفاوت و متنوع است، اما از مهم ترین روش های آهنگری می توان به مواد زیر اشاره نمود.

آهنگری قالب باز:

ساده ترین عمل آهنگری، آهنگری در قالب باز می باشد که تحت عنوان آهنگری در قالب تخت یا پرچ کاری نیز شناخته می شود. در این روش قطعه کار توسط دو قالب تخت تحت فشار قرار می گیرد، به گونه ای که می تواند بدون هیچ گونه محدودیت جانبی، موازی با فک های قالب جریان یابد. در آهنگری قالب باز جریان فلز محدود نمی شود و صنعتگر شکل مورد نظر را با چرخاندن و جابه جا کردن کار بین چکش و سندان در بین ضربات متوالی به دست می آورد. این تکنیک شکل دهی فلزات ارزان بوده و می توان آن را به منظور تولید تنوع وسیعی از قطعات ساده نظیر چهارگوش و استوانه در قالب های یکسان به کار گرفت. مهم ترین محدودیت در این فرایند وقوع پدیده بشکه ای شدن می باشد که در نتیجه اصطکاک زیاد میان قطعه و فک های قالب رخ می دهد.

آهنگری قالب بسته:

قرینه تکنیک فرایند آهنگری قالب باز، آهنگری در قالب بسته می باشد. معمولاً فرایندهای آهنگری قالب بسته به بیش از یک قالب جهت شکل دهی کامل قطعه نیاز دارد. از جمله فلزها و آلیاژهای مهندسی که می توانند به این وسیله آهنگری شوند، می توان به آلیاژهای فولاد، فولاد زنگ نزن، آلومینیوم و تیتانیوم اشاره کرد. آهنگری حدیده ای یا آهنگری در قالب بسته با به کارگیری قالب های شکل دار و کنترل جریان فلز توسط آن ها، موجب افزایش در دقت ابعادی قطعه نهایی می شود.

آهنگری سرد:

بیشتر عملیات های آهنگری در دماهای بالای ۲۳۰۰ فارنهایت (۱۲۶۰ درجه سانتیگراد) انجام می شود، اما یکی از انواع آهنگری، آهنگری سرد می باشد. آهنگری سرد مشتمل بر فرایندهای بسیاری از قبیل خمکاری، کشش سرد، کله زنی، اکستروژن و غیره برای رسیدن به دامنه وسیع شکل های مختلف قطعات می باشد. دمای فلزی که به این روش آهنگری می شود در محدوده دمای اتاق تا چند صد درجه می باشد. آهنگری سرد در کنترل های مکانیکی و قطعات سیستم تعلیق، ترمزهای ضد قفل، صنایع دفاعی و قطعات دیگر هنگامی که نیروی زیاد، تلرانس های دقیق و حجم تولید به عنوان یک عامل اقتصادی دخیل باشد، استفاده می شود.

آهنگری به روش نورد یک پارچه حلقوی:

این روش معمولاً توسط پانچ نمودن سوراخ در یک ضخامت دایره ای شکل از قطعه کار (شکلی همانند استوانه توخالی) و سپس رول کردن و به هم فشردن آن و تبدیل آن به یک حلقه ی نازک انجام می گیرد. شعاع حلقه می تواند هر اندازه ای، از مقادیری حدود اینچ تا ۳۰ فوت (۹ متر) باشد. آهنگری به این روش می تواند در دامنه وزن های کمتر از یک پوند (۴۵۳ گرم) تا بالای ۳۵۰ هزار پوند (۱۵۹ هزار کیلوگرم) انجام گیرد. این نوع آهنگری را برای قطعاتی که تحت پیچش و مقاومت فشاری می باشند مناسب است. از جمله این موارد می توان به چرخ دنده ها، یاتاقان های موتور هواپیما، یاتاقان چرخ، بوش دوار، مخازن تحت فشار و سوپاپ اتومبیل اشاره کرد.

مراحل اجرای فرایند آهنگری

با توجه به مطالب ذکر شده، مراحل زیر را می توان برای تولید به شیوه آهنگری متصور بود:

۱- آماده سازی اولیه و تمیزکاری
۲- حرارت دادن قطعه کار (آهنگری داغ)
۳- پوسته زدایی در صورت لزوم
۴- پیش گرم کردن و روغن کاری قالب ها (آهنگری داغ)
۵-آهنگری در قالب های مناسب و با توالی صحیح
۶- برداشتن ماده اضافی (پلیسه یا فلش)
۷- تمیزکاری
۸- کنترل ابعادی
۹- کم کردن ابعاد در صورت لزوم
۱۰- ماشین کاری برای رسیدن به ابعاد نهایی
۱۱- عملیات حرارتی در صورت لزوم
۱۲- بازرسی و کنترل کیفیت

عیوب آهنگری

عیوب آهنگری هنگامی ایجاد می شود که تغییرشکل حین فرایند آهنگری تنها به لایه های سطحی محدود باشد. در این شرایط مانند زمانی که ضربات پتک به طور سریع و سبک به قطعه وارد می شود، ساختار دندریتی شمش در داخل قطعه آهنگری شکسته نخواهد شد. لذا در قطعه نفوذ ناقص و عیوب ایجاد می گردد. از جمله عیوب در فرایند آهنگری عبارتند از:

ترک سطحی
ترک در پلیسه
لبه سرد
مواد زائد

امروزه ماشین آلات و تجهیزات آهنگری متنوعی وجود دارند که به کمک آن ها می توان قطعات کوچکی به اندازه یک مهره تا قطعات بزرگ مانند روتور توربین و قطعات کشتی و خودرو را ساخت. با توجه به کاربرد گسترده این روش ساخت و تولید مواد در عرصه های مختلف صنعت، دسترسی به مفاهیم قابل استناد در این حوزه به منظور رعایت موازین علمی در تولیدات بسیار حائز اهمیت می باشد. یکی از کتاب های کاربردی و قابل استناد در این حوزه، کتاب”Cold and Hot Forging; Fundamentals and Applications” است. این کتاب که در ۳۳۳ صفحه و ۲۳ فصل توسط Taylan Altan و همکارانش تالیف شده است، به بیان موارد زیر می پردازد:

فصل اول: فرایندهای شکل دهی فلزات در تولید
فصل دوم: فرایندهای آهنگری؛ متغیرها و تعاریف
فصل سوم: تغییرشکل پلاستیک؛ کرنش و نرخ کرنش
فصل چهارم: تنش سیلان و قابلیت آهنگری
فصل پنجم: تغییرشکل پلاستیک؛ قوانین تنش در حالت ترکیبی و سیلان
فصل ششم: دما و انتقال حرارت
فصل هفتم: اصطکاک و روان سازها
فصل هشتم: تحلیل معکوس برای اندازه گیری هم زمان تنش سیلان و اصطکاک
فصل نهم: روش های تحلیل برای عملیات آهنگری
فصل دهم: اصول ماشین های آهنگری
فصل یازدهم: پرس کاری و پتک کاری برای آهنگری سرد و داغ
فصل دوازدهم: ماشین های ویژه برای آهنگری
فصل سیزدهم: جداسازی و بریدن شمش ها
فصل چهاردهم: طراحی فرایندهای آهنگری قالب بسته
فصل پانزدهم: ساده سازی روش تخمین بار آهنگری در آهنگری قالب بسته
فصل شانزدهم: فرایندهای مدل سازی در آهنگری قالب بسته با استفاده از آنالیز المان محدود
فصل هفدهم: آهنگری سرد و گرم
فصل هجدهم: فرایندهای مدل سازی در آهنگری سرد با استفاده از آنالیز المان محدود
فصل نوزدهم: مدل سازی میکروساختار در آهنگری سوپرآلیاژها
فصل بیستم: آهنگری قالبی هم دما و داغ
فصل بیست و یکم: مواد به کار رفته در ساخت قالب
فصل بیست و دوم: شکست قالب در آهنگری سرد و داغ
فصل بیست و سوم: آهنگری با دقت بالا و پیشرفت های اخیر