شکل دهی فلزات (Metal Forming)

تمام اجسام فلزی اطراف ما توسط یکی از روش های شکل دهی فلزات ساخته شده اند.

امروزه شكل دهي فلزات به عنوان يكي از روش هاي مهم ساخت و توليد قطعات محسوب مي شود. از اين رو شناخت هر چه دقيق تر آن، صنعت گران را به سمت توليد قطعات با كيفيت بالاتر سوق مي دهد. توانایی تغیر شکل دائمی فلزات یکی از اصلی ترین ویژگی های آنها به حساب می آید.تولید ورق ، سیم ، مفتول ، تیر آهن ، میل گرد، لوله ، و به طور کلی شکل دهی فلزات مدیون این قابلیت است . با توجه به اینکه شکل دادن فلزات مهمترین روش ساخت و تولید فلزات است ، آشنایی کامل با این روش بسیار ضروری است.

فورجینگ

نورد (ROlling) :

در این روش تغییر شکل پلاستیک فلز از طریق عبور آن از بین غلتک ها صورت می گیرد . تاریخ نورد ، به شکل امروزی آن ولی به صورت بسیار ساده تر به آغاز سده ی هفتم میلادی بر میگردد . به این صورت که دو غلتک چدنی ، در یک چهار چوب چوبی قرار داده می شد و فلز هایی مانند قلع و سرب را نورد می کردند . هرچند بیش از این ، از غلتک ها برای صاف کردن و فشردن مواد استفاده میشد.

پس از آن کوشش شد از غلتک های بزرگ تر و سنگین تر استفاده شود و گشتاور لازم برای به چرخش در آوردن آنها به وسیله ی نیروی اسب ویا پره های آبی تامین شود . ایده ی ایجاد شیار روی غلتک ها ، به منظور شکل دادن به مقاطع میله ها و تیرها نیز به همین دوران بر میگردد.

قفسه های دو غلتکه به سرعت مسیر تکاملی خود را طی کردند و علاوه بر فلزات نرم نورد گرم فولاد نیز امکان پذیر شد. پس از پیدایش ماشین بخار و از بین رفتن مشکل تامین نیرو ، قفسه های نورد بزرگتر شدند و موتور هایی با توان بسیار بالا ، در اندازه ی 15000 اسب برای نورد های سنگین شمش های فولادی به کار گرفته شدند.

نورد یکی از رایج ترین و متداول ترین روش های شکل دهی فلزات است ، به طوری که بیش از 80 % از فراورده های فلزی در سطح جهان با این روش تولید می شوند. از مازیای این روش ظرفیت تولید بالای آن است ، بطوری که می توان روزانه چند صد تن فلز را نورد کرد . محصول نورد ممکن است فراورده ی پایانی ویا مراحلی از شکل دادن فلز باشد . از جمله محصولات نورد می توان به آنواع ورق ، تیر آهن ، میلگرد ، پروفیل با نقاطع H ، I ، T اشاره کرد

Rolling

شکل دادن نوردی پیوسته به روش شکل دادن تسمه نوارها گفته می شود.این فرایند عملا ً اتوماتیک است.عمل ساخت ابزار و آماده سازی مناسب ماشین آلات تنها یک بار انجام می شود. در شکل دادن نوردی پیوسته هزینه های حمل،قدرت وآزمایشگاهی به نحو قابل توجهی کمتر از هزینه های شکل دادن با اهرم پرسی است.

با این وجود،به علت ابزارکاری گران شکل دادن نوردی اقتصادی نیست مگراینکه تولید مورد لزوم بزرگتر از حدود 25000 فوت طولی باشد. هنگام شکل دادن نوردی پیوسته،تسمه نوار بایستی از درون تعدادی از غلتکها عبور کند.هر کدام از غلتکها نقش مهمی در ایجاد شکل نهایی بازی می کنند. برای اینکه تسمه نوار اندکی کشیده شود ،قطر غلتکها که معمولاً حدود 5 اینچ است ، به هنگام پیشرفت نوار به اندازه 5/0 تا 1 در صد افزایش می یابد. بازگشت فنری به وسیله زیاد خم کردن وسپس بازگشت خمشی به شک مورد نظر کنترل می شود.

غلتکها باید طوری طرح شوند تا از سختکاری مفرط تسمه در هر عبور (کالیبر)

جلوگیری شود.

نمونه هایی از قطعات نوردی پیوسته عبارتند از:

لوله درزدار،اجزاء قاب پنجره و غربال،کناره های چرخ دوچرخه ، قالب فلزی

شکل دادن با بستر لاستیکی

در شکل دادن با تشک لاستیکی، قطعه کار را بین ماتریس پایینی و یک تشک لاستیک لایه ای در یک ظرف متصل به کوبه بالایی نگهداری می شود. تحت فشار 1000تا 2000 psi،لاستیک باسانی جریان پیدا می کند ،و با اعمال نیروی هیدرو دینامیکی صفحه خام در اطراف ماتریس شکل می گیرد.

مارفرمینگ

مارفرمینگ، برای کشش های عمیق تر از فرایند تشک لاستیکی و دارای چین خوردگیکمتر به کار می رود.فشار نگه دارنه قطعه خام بطور اتوماتیک بوسیله سیال هیدرولیکی تنظیم می شود.

فرایند هیدرو فرم

فرایند هیدروفرم برای کشیدن عمیق قطعات دارای اجزاءتیز مناسب است.

در این فرایند از یک دیافراگم پلاستیکی خم شویی استفاده می شود که بوسیله فشار روغن تقویت می شود.سر پوش گنبدی شکل پایین آورده می شود تادیا فراگم بتواند قطعه کار نشده را بپوشاند و سپس فشار اولیه روغن اعمال می شود. وقتی سنبه بال آورده می شود فشار روغن فلز را شکل می دهد.

شکل دادن هیدرو دینامیکی

شکل دادن هیدرو دینامیکی ،همراه با مارفرمینگ و هیدرو فرمینگ فرایند های انحصاری هستند.

شکل دادن هیدرو دینامیکی ،از فشار روغن یا آب استفاده کرده بر قطعه کار نشده نیرو اعمال می کند و آن را به شکل محفظه قالب در می آورد.این فرایند تنها برای شکل دادن قطعات تو خالی بکار می رود ولی آنچه را که در سایر روشها ممکن است به چندین مرحله نیاز داشته باشد ، این فرایند در یک عمل تمام می کند.

شکل دادن انفجاری

شکل دادن انفجاری از انرزی ذخیره شده در مواد منفجره شیمیایی استفاده می کند.

در فرایند مذکور یک بار منفجره در تانک آبی که محتوی قطعه کار وا ماتریس است منفجر می شود.

موجهای ضربه ای حاصل از انفجار در سراسر مایع منتشر می شوند و با نیروی کافی به قطعه کار ضربه وارد کرده آن را درون ماتریس داخلی یا مادگی می رانند .

شکل دادن الکترو هیدرولیکی

شکل دادن الکتروهیدرولیکی از خیلی جهات شبیه به شکل دادن انفجاری است با این تفاوت که نیرو از تخلیه یک گرو خازن دارای ولتاز زیاد واقع در زیر آب به دست می آید.این تخلیه بین دو الکترودی صورت میگیرد که ممکن است در بعضی موارد به وسیله یک سیم تحت کشش قرار داشته باشند. هنگام تخلیه سیم یا آب یونیزه

می شود.انبساط بخار فلز یا مایع یونیزه شده یک ضربه فشاری قوی ایجاد می کند

که بطور شعاعی به طرف خارج حرکت کرده ،قطعه کار را تغییر شکل می دهد .

شکل دادن چرخشی مرسوم

شکل دادن چرخشی مرسوم ضخامت دیواره ماده را تغییر نمی دهد. این ماده در معرض تنشهای کمپرس سختکاری قرار می گیرد .بسیاری از قطعاتی که باش کل دادن چرخشی مرسوم تولید می شوند ممکن است با کشیدن نیز ساخته شوند ، انتخاب بین این دو فرایند به خواص ماده،کمیت تولید ، هزینه های ابزار،و پرداخت سطحی نیاز دارد.

شکل دادن چرخشی برشی

شکل دادن چرخشی برشی از تکنیک شکل دادن چرخشی استفاده می کند ولی متضمن فشردن و اکسترود کردن شدید فلز نیز می شود . کاهش ضخامت صفحه خام در فولاد کم کربن تا 90 درصد گزارش شده است . کاهش ضخامت با سرد کاری و تغییرات بعضی از خواص فلز همراه است.مزیت اصلی این فراین آن است که قطعات بزرگ وسنگین دارای متقارن چرخشی میتوانند در یک زمان کوتاه با اتلاف فلز کم وبا خواص مکانیکی بهتر تولید شوند. از موارد استعمال اصلی شکل دادن برشی می توان تولید قطعات فضایی نظیر قطعات ریختگی برشی در تولید ریختگی موتورراکت و مخروطهای دماغه موشک را نام برد.

اوسفرمنیک(شکل دادن اوستنتی )

نوعی عمل گرم کاری جدید که نوید بیشتری برای تولید قطعات فولادی پر استقامت می دهد،فرایند اوسفرمینک باشکل دادن اوستنیتی است .

اوسفرمینک ترکیبی از فرایندهای گرمکاری و عمل آوردن حرارتی است که برای بهبود سفتی، مومت کششی ،قابلیت انعطاف و سختی فولادهای معین طرح شده اند.اصولاً فرایند اوسفرمینک عبارت است از گرم کردن قطعه کار تا درجه حرارت اوستنتی شدن ،کار کردن برروی آن در فاز اوستنتی تاشکل مورد نظر ،و به دنبال آن آب دادن برای تکمیل عمل تبدیل به مارتیزیت . به طور کلی دمای اوسفرمینک اولیه حول F1000 دور می زند.چون فلز در حال عمل تغییر شکل سرد می شود لذا قبل از اینکه عمل تبدیل مارتنزیتی شروع شود بایستی همه عملیات کار کردن کامل شده باشند. فرایند فلزهای فلزکاری که در عملیات اوسفرمینک بکار می روند عبارتند از :

نورد ،اکستروزن ،شکل دادن چرخشی برشی،شکل دادن انفجاری،و غیره

فولادهایی که میتوانند بنحو موفقیت آمیزی به روش اوستنیتی تغییر شکل حاصل کنند آنهایی هستند که دیاگرام T_I دارای یک منطقه اوستنتی هستند. به طور کلی فولادی که اوسفرم می شود بایستی حد اقل 10/0 درصد کربن داشته باشد.از عواملی که مربوط به شیمی فولاد می شوند می توان پارامترهای زمان و درجه حرارت را نام برد. تبدیل ازاوستنیت به پرلیت در بالاتر از F 1100 نسبتاً سریع رخ می دهد . بنابراین، عمل گرمکاری بایستی نسبتاًبه سرعت کامل شود. درجه حرارت اوسفرمینک بر اساس نسبتهای مقاومت سیلان و مقاومت کششی که به نوبه خود به درجه حرارت مربوط می شوند ،انتخاب می گردد .

درجه حرارت های بالا ترنیرو های گرمکاری و نیز مقدار زمان مجاز برای تکمیل عمل را کاهش می دهد. وقتی که فولاد در درجه حرارت های اوسفرمینک پایین تر تغییرشکل زیادی می یابد،افزایش بسیار شدیدی در مقاومت فولاد ایجاد می شود .

اکستروزن Extrusion

اکستروزن فرایندی است که بوسیله آن می توان قطعات واشکالی را تولید کرد که تقریباً با هر روش ساخت دیگر غیر ممکن است . اکستروژن یکی از جوان ترین فرآیند های شکل دهی فلزات محسوب می شود. به طوریکه اولین فرآیند مربوط به اکستروژن لوله های سربی در آوایل قرن نوزدهم است . به طور کلی اکستروژن برای تولید اشکال با سطح مقطع نا منظم به کار گرفته می شود ، اگرچه میله های استوانه ای یا لوله های تو خالی از جنس فلزات نرم می توانند با استفاده از این روش تغییر شکل یابند.

در اکستروزن، بیلتی (شمشال) با سطح مقطع مدور را وارد استوانه ای جدار ضخیم کرده و به وسیله یک پتک یا سنبه پرس می کنند .سپس این فلز را تحت تاثیر نیروی زیاد وارد سوراخ حدیده ماشین کاری شده نموده و به شکل دلخواه بیرون می آورند. بسیاری از فلزات آهنی که اکسترود می شوند عبارتند از:

آلومینیم ، سرب ، روی و قلع. بعضی از فولاد ها نیز اکسترود می شوند ولی به علت بالا بودن دماهای مورد نیاز ، حدیده و مواد آستری مخصوصی نیاز دارند. فولاد گرم را اکثراً قبل از اکستروزن در شیشه پودر شده نورد می کنند و میگذارند تا شیشه ذوب شده بصورت یک ماده روان کننده ( ضد اصطکاک )از سایش حدیده بکاهد.

اکستروژن به دو دسته ی اکستروژن مستقیم و اکستروژن غیر مستقین انجام می شود.

فرآیند اکستروژن بر حسب دما به دو دسته ی گرم و سرد تقسیم بندی می شود.

کشش (Drawing)

عملیات کشیدن به فرایندی که در آن فلز از درون قالب به وسیله ی نیروی کششی ، خارج شود اطلاق می شود . بیشتر سیلان فلزدرون قالب توسط نیروی فشاری که از اثر متقابل فلز با قالب ناشی می شود ، صورت می گیرد . معمولا قطعات با تقارن محوری توسط فرآیند کشش تغییر شکل می بابند.

دو نوع عملیات کشش داریم :

کشش سیم و کشش مفتول

کاهش قطر یک سیم ، میله یا مفتول تو پر در اثر کشیدن به کشش سیم ، میله ، یا مفتول مشهور است. عملیات کشیدن معمولا به شکل سرد انجام میشود.

هرگاه یک تسمه ی فلزی از میان یک قالب گوه ای شکل با شیب یکسان به سوی خط مرکزی کشیده شود ، به این فرآیند کشش تسمه گفته می شود.

كشيدن ميله، مفتول، يا سيم

اصولي كه در كشيدن ميله،‌ مفتول يا سيم به كار گرفته مي شوند،‌ يكسان هستند. با اين تفاوت كه مفتولها و ميلههايي كه نمي توانند كلاف شوند روي ميزهاي كشش توليد مي شوند. در حقيقت گيرههاي فك كشش مفتول را گرفته و به وسيلهي يك مكانيزم هيدروليكي حركت مي كنند. سرعت ميزهاي كشش مي تواند تا حدود 150 سانتي متر بر ثانيه و كشش ميزها تا حدود 135 متغيير باشد.

امروزه جهت انجام فرايند كشش سيم از تجهيزات مختلفي استفاده مي شود. در بعضي از كارگاههاي شكل دهي اين فرايند به سادهترين وجه صورت مي پذيرد. واضح است كه با اين روش توانايي نازك كردن مفتول و يا سيم هاي ضخيم وجود ندارد. اگر چه اين روش در بسياري از كارگاه هاي شكل دهي مرسوم است ولي در صنعت كاربردي ندارد.

قالب هاي كشش

براي توليد سيم طي فرايند كشش از قالب يا حديده هاي كشش استفاده مي شود. زاويه ي ورودي قالب آنقدر بزرگ است كه فضاي مناسبي براي ورود سيم و روان ساز به وجود آورد. در حقيقت،‌ نقش اصلي در كشش را طول تماس سيم با قالب كه ارتباط مستقيم با زاويه ي قالب دارد، ‌بازي مي كند. دهانهي ورودي و خروجي قالب به صورت استوانه است. نقش اين دو قسمت ورود و خروج سيم است. از آنجا كه تمام تغيير شكل در قالب صورت مي پذيرد،‌ نيروهاي وارد شده به قالب زياد است. به اين دليل امروزه بيشتر قالب هاي كشش با طول عمر بالا را از جنس كاربيد تنگستن مي سازند.

كشش تسمه

تسمه يكي از محصولات نورد تخت است كه پهنايي كمتر از 610 ميلي متر و ضخامت بين 13/0 تا 76/4 ميلي متر دارد. تسمه هاي پس از نورد داغ، ‌عمليات آنيل و سپس اسيدشويي،‌ نورد سرد مي شوند. بسته به ميزان ضخامت درخواستي نورد سرد در چند مرحله انجام مي شود. هرگاه يك تسمه ي فلزي با پهناي و ضخامت اوليه از ميان يك قالب گوهاي شكل با شيب يكسان به سوي خط مركزي كشيده شود، ‌به اين فرايند كشش تسمه گفته ميشود. با اين كه كشش تمسه فرايند توليد متداولي نمي باشد،‌ ولي مسئله اي است كه در مكانيك نظري فلزكاري در باره آن مطالعات زيادي شده است. از آنجا كه است لذا در حين كشش حالت كرنش صفحه اي به وجود مي آيد و پهناي تسمه تغيير نمي كند.

كشش لوله

لولهها يا استوانه هاي توخالي كه توسط فرايندهاي شكلدهي مانند اكستروژن و نورد توليد مي شوند معمولا توسط فرايند كشيدن به شكل نهايي در آمده و پرداخت سطح مي شوند. اگر چه هدف اصلي از اين فرايند كاهش قطر و ضخامت لوله است،‌ ولي در موارد نادري افزايش ضخامت نيز ايجاد مي شود. به طور كلي مي توان فرايند كشش لوله را به چهار دسته كشش لوله بدون توپي،‌ كشش لوله توسط سمبه، كشش لوله توسط توپي شناور تقسيم بندي كرد. در كليه ي اين روشها يك انتهاي لوله‌، با پرس كاري توسط دو فك نيم گرد باريك مي شود و اين انتهاي باريك شده از قالب كشش عبور داده و توسط ابزاري كه روي كالسكه دستگاه بسته شده محكم گرفته مي شود. سپس كالسكهي كشش لوله را از داخل قالب بيرون مي كشد.

كشش لوله بدون ميله توپي

در فرايند كشش لوله بدون توپي كه در مواردي به آن فروكش نيز اطلاق مي شود، ‌لوله از داخل تكيه گاهي ندارد و با نيروي كششي از درون قالب كشيده ميشود.از نكات برجسته دراين روش افزايش ضخامت لوله،‌ كاهش قطر و سطح داخلي غير يكنواخت لوله پس از عمل فروكشي است.

كشش لوله توسط توپي ثابت

توپي ها قطعات خيلي سختي هستند كه تحت تاثير تنش تغيير شكل نمي دهند. اين قطعات براي ثابت نگاه داشتن قطر داخلي لوله در هنگام كشيده شدن از قالب درون لوله گذاشته مي شوند. توپي ها ممكن است استوانه اي و يا مخروطي باشند. توپي،‌ شكل و اندازه ي قطر داخلي را تحت كنترل دارد و لوله هايي كه از اين طريق كشيده مي شوند، ‌دقت ابعادي بالاتري نسبت به فرايند فروكشي دارند كه در آن از توپي استفاده نمي شود.

كشش لوله توسط توپي شناور

همان گونه كه قبلاً گفته شد استفاده از توپي هاي ثابت محدوديت هايي را به وجود مي آورند. براي رهايي از اين محدوديتها از توپي شناور (غير ثابت) استفاده مي شود. در حقيقت در اين فرايند توپي وارد لوله شده و به همراه لوله از درون قالب عبور مي كند. توپي در اثر اصطكاك با لوله و عدم امكان خارج شدن از درون قالب، در جاي خودش مستقر مي شود. ولي از آنجا كه انتهاي آن به جايي بسته نشده است، هنگامي كه اصطكاك در اثر سيلان ماده بشدت افزايش يابد، ‌حركت كوچكي در سر جاي خود خواهد كرد اين حركت جزيي مانع چسبيدن توپي به لوله مي شود. اگر چه در اين فرايند هنوز اصطكاك يكي از مشكلات عمده است،‌ ولي اين توپيها مي توانند تا 45 درصد كاهش سطح مقطع ايجاد كنند، در حالي كه اين عدد براي توپي هاي ثابت به ندرت از 30 درصد تجاوز مي كند. با توجه به پايين تر بودن نيروي مزاحم اصطكاك،‌ به نيروي كششي كمتري در مقايسه با كشيدن لوله با توپي ثابت نياز است.از ويژگيهاي مهم استفادهاز توپي هاي شناور براي كشيدن لوله، ‌كشيدن و كلاف كردن لوله هاي بلند مي باشد.

كشش لوله توسز سنبه ي متحرك

هدف از انجام اين فرايند كاهش ضخامت و افزايش طول لوله است و سعي مي شود كه قطر لوله تغيير جدي پيدا نكند. بدين منظور قبل از وارد كردن لوله به قالب بك ميله صلب (سنبه) در آن وارد مي شود و لوله و ميله ي صلب همزمان از درون قالب عبور مي كند. در كشيدن لوله با سنبه متحرك، ‌قستي از نيروي كشش توسط نيروي اصطكاك تامين مي شود. چون سنبه با سرعتي معادل سرعت خروج لوله از قالب حركت مي كند و اين سرعت از سرعت فلز محبوس در مجراي قالب بيشتر است؛‌ بنابراين يك نيروي اصطكاكي مقاوم به حركت سنبه جلو، در سطح مشترك بين سنبه و لوله وجود دارد. اگر چه نيروي اصطكاكي ديگري كه در سطح مشترك بين لوله و قالب ثابت ايجاد مي شود و به سمت عقب است وجود دارد.

آهنگری (Forging)

آهن گری کار بر روی فلز به منظور تبدیل آن به یک شکل مفید توسط پتک کاری و یا پرس کاری می باشد . آهنگری از قدیمی ترین هنر های فلز کاری نحسوب می شود و منشا آن به زمان های بسیار دور بر میگردد. در حقیقت در چندین هزار سال پیش فلزاتی مانند نقره و طلا بدون استفاده از قالب ، آهنگری می شدند. اما از 2000 سال پیش استفاده از قالب جهت آهنگری قطعات مرسوم گردید. تولید ماشن آلات و جایگزینی آن با بازوی آهنگر از دوران انقلاب صنعتی آغاز گردید . امروزه ماشین آلات و تجهیزات آهنگری متنوعی وجود دارند که به کمک آنها می توان

Machine Forging

شکل دهی فلزات (Metal Forming)

شکل دهی فلزات (Metal Forming)

مطالب مشابه :

دانلود جزوه اصول شکل دادن فلزات (دانشگاه آزاد اسلامی واحد بروجرد)

آشنایی با اصول شکل دادن فلزات

دانلود جزوه شکل دهی فلزات

شکل دهی فلزات (Metal Forming)

شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو