مقدمه:
برای بهینه سازی صنعتی و رونق اقتصادی، و ارتقاء و پیشرفت آموزشی و تکنولوژیکی و قدرت علمی و رقابت فرآورده‌های تولیدی در بازارهای جهانی نیاز به کسب دانش جدید، آموزش و به کارگیری تکنولوژی و روشهای مدرن در صنعت قالبسازی می‌باشد.
هم اکنون بیشتر قطعات مهم صنایع خودروسازی، و صنایع نظامی و موتورسیکلت، و ابزار آلات صنعتی و … به کمک صنعت آهنگری و قالب های فورج تهیه می‌شوند.
با توجه به آمار و ارقام و تحلیل‌های علمی و کاربردی صنعتی که انجام شده است، باید پروسه طراحی و ساخت قالبهای فورج که شامل طراحی علمی و محاسباتی قالب است و انتخاب مواد قالب و مراحل ساخت و ماشینکاری و عملیات حرارتی قطعات و مونتاژ قالب به شکل صحیح و علمی انجام شود تا قالبها عمر و بازدهی مفیدی داشته باشند و محصولات تولیدی اشان نیز کیفیت مطلوب، عالی و استانداردی را پیدا نمایند.
آهنگری قدیمی ترین و اصلی ترین روش شکل دادن فلزات است. آهنگری به معنای تغییر شکل مواد با فشار بین قالبها، احتمالاً قدیمی ترین روشی است که توسط انسان به کار گرفته شده است تا فلزات را به شکل مناسبی در آورد. طی سالهای متمادی صنعت آهنگری مراحل پیشرفت را طی نموده است.
شکل دادن طبق DIN 8580 یعنی «تولید با روش تغییر شکل خمیری (پلاستیکی) یک جسم جامد که در آن جرم و نیز همبستگی آن حفظ شود.
طبق یک تقسیم بندی در روشهای شکل دادن براساس تنشهای غالب موجود در منطقه شکل دادن، شکل دادن با قالب بسته آهنگری و شکل دادن با قالب باز در این تقسیم بندی روشهای شکل دادن، جزء زیر مجموعه‌های شکل دادن فشاری می باشند.
از قابلیت‌های روش فورج در تولید فرآورده‌های صنعتی می‌توان به کاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به کمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره کرد.
موضوع مورد بحث، بررسی امکان‌پذیری طراحی و ساخت قالبهای فورج مدولار می‌باشد یعنی انعطاف پذیر کردن قالب فورج، یا قطعه قطعه کردن قالب فورج، یعنی در ساخت قالب از چندین قطعه استفاده شود به صورت Modular. که از کنار هم قرار گرفتن آنها، کل قالب شکل می‌گیرد.
هدف این طرح آن است که یک قالب تنها برای تولید یک قطعه یا یک محصول نباشد، بلکه با جابه‌جا کردن مدولهای آن و جایگزین کردن مدول مناسب بتوان محصول دیگر را تولید کرد.
حتی اگر قسمتی از قالب دچار مشکل شد یعنی ترک بردار یا بشکند می‌توان مدول آسیب دیده را خارج کرد و مدول مناسب را در سرجای خود جازد. مهم آن است که این طرح باعث می شود، زمان طراحی فوق‌العاده کاهش یابد، و یک کاهش مهم در هزینه‌های ابزار ایجاد می‌شود.
این امر همچنین باعث تنوع در محصولات تولیدی خواهد شد و ما می توانیم در کوتاهترین زمان ممکن با تعویض قسمتهایی از قالب با مدولهای مناسب، محصول جدید دیگری را تولید کنیم و میزان تولیدات محصولها را نیز افزایش می دهد.
فصل اول:
صنعت فورج
فصل اول:
1- صنعت فورج
فورج و شکل دهی فلزات گداخته یا تحت فشار قرار دادن آنها، توسط قالبهای فورج و یا پرسهای هیدرولیک یا پنوماتیک و یا پتک های ضربه‌ای را صنعت فورجینگ می نامند.
اکثر قطعات صنعتی در صنایع مهم مانند ماشین سازی، خودروسازی و صنایع نظامی با روش فورج تهیه می‌شوند.
در روش فورجینگ (آهنگری) مواد کار با قابلیت کوره‌کاری، و در حالت گداخته، فرم لازم را می گیرند. این قطعات دارای مقاومت و استحکام بیشتری نسبت به قطعات مشابه ماشینکاری شده هستند.
زیرا در پروسه آهنگری مواد اولیه قطعات به هم فشرده شده و قطعات مهمی مانند، میل لنگ‌ها، دسته پیستون ها و … ساخته می‌شوند.
از قابلیت‌های روش فورج در تولید فرآورده‌های صنعتی می‌توان به کاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به کمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره کرد.
اکثر فلزات چکش خوار مانند فولادها، و آلیاژ‌های مس، آلیاژ‌های آلومینیوم و … قابلیت عملیات آهنگری را دارند.
چدن خاکستری جزء فلزاتی است که خاصیت آهنگری نداشته، زیرا امکان شکستگی در آن وجود دارد.
قابلیت کوره‌کاری و فورج قطعات فولادی، به مواد آلیاژی موجود در آنها بستگی دارد. هر چه مقداری کربن فولادها کمتر باشد، می‌توان حرارت شروع آهنگری را افزایش داد.
در پروسه فورجینگ با افزایش مقدار کربن در فلزات از قابلیت فرم‌گیری و آهنگری آنها کاسته می‌شود. همچنین فولاد‌هایی برای عملیات فورج مناسب می باشند که مقدار فسفر و گوگرد آنها از 1% بیشتر نباشد و اگر مقداری گوگرد در فولاد زیاد باشد باعث ایجاد و شکستگی و ترک‌هایی بر روی فولاد گداخته می‌گردد.
در ساخت قالبهای فورج از روشهای جدید تکنولوژی ماشینکاری و اسپارک استفاده می کنند، به این شکل که ابتدا محفظه قالبهای فورج را با روش سنتی ماشینکاری می‌کنند و اندازه نهایی را با ساختن الکترودهای مسی که شکل و ابعاد دقیق قطعه کار است، با عملیات اسپارک اورژن انجام می دهند.
البته مدلهای مسی (الکترودها) با روش کپی کاری گرافیت روی دستگاه سه بعدی کپی سازی طراحی و ساخته می‌شوند.
در طراحی و ساخت قالبهای فورج باید به قدرت بلوک‌ها، اسکلت قالبهای فورج، با توجه به فشار بالا، و مقدار تناژ لارم و نیزوی که برای تولید به کار می رود، توجه نمود.
بلوک‌ها و ساختمان قالب باید توانایی تحمل فشارهای عمودی (فشارهای پرسی) و فشارهای جانبی (عکس العمل داخلی قالب) را داشته باشند و در به کارگیری فولادهای آلیاژی با استفاده از جداول فولادها، بهترین انتخاب را انجام داد.
در عملیات حرارتی که شامل آبکاری و برگشت فولادهای قالب است، باید نهایت دقت و حوصله را به کاربرد و توجه کرد که عمق شیارهای پیرامون حفره‌ها و محفظه‌های مادگی قالب (محل فرار مازاد مولد اولیه قطعات کار) طوری محاسبه و تعیین شود که حجم اضافی مواد درون آن را پر کند و اضافه نیاید، زیرا باعث بازماندن درز قالب‌شده و از اندازه قطعه کار فورج شده، خارج می‌گردد.
قالب فورج معمولاً پس از ماشین کاری قطعات و سنگ زنی، مورد عملیات حرارتی قرار می‌گیرند و بعد از پرداخت کاری و مونتاژ نهایی در تولید به کار می روند. برای اقدام به تولید انبوه قطعات صنعتی که اکثراً دارای استحکام بالا و مقاومت‌های فشاری، کششی و برشی بالایی هستند، از روش فورج (آهنگری) و ماشینهای مخصوص (پرسهای فورج) و ابزار‌های دقیق (قالبهای فورج) استفاده می‌شود.
در روش فورجینگ قطعات و بلوک‌های قالب فورج از فولادهای گرم کار ساخته می‌شوند. حفره و محفظه قالب فورج باید اندازه دقیق قطعات تمام شده را دارا باشد تا ماده اولیه قطعات فورج شده با حجم و اندازه معین و در حالت گداخته و با حرارت دهی لازم در فضای قالب با فشار ضربه، فرم نهایی را بگیرند.
با استفاده از تجارب کاربردی در صنعت فورجینگ می‌توان کیفیت قطعات تولیدی فورج شده را افزایش داد.
مثلاً بعد از عملیات پرسکاری فورج قطعات فولادی، محیط و روش خنک کاری باید با بررسی های متالوژیکی انجام گیرد و مسائلی مانند نوع فولاد فورج شده و سختی پذیری و ضخامت مقطع آن در نحوه خنک کاری مؤثر است.
در مواردی سطح خارجی فولاد گداخته و اکسید شده و با لایه‌ای پوشیده می‌شود که قبل از شروع عملیات فرم دهی، باید لایه را جدا کرد و قطعات فولادی و گداخته را حتی المقدور و با دقت و به شکل آرام و یکنواخت سرد کرد تا از بوجود آمدن تنش و ایجاد ترک در قطعات جلوگیری شود تا محصولات تولید شده دارای مقاومت و استحکام بالایی باشند.
در صنعت فورجینگ از کوره‌های آهنگری معمولی و گاهی کوره‌های پیشرفته و مدرن برای حرارت دادن قطعات فورج استفاده می‌شود.
امروزه برای پرس کاری و جا‌به‌جائی قطعات فورج شده از تکنولوژی روبوت استفاده می‌شود که دارای ضریب حفاظتی عالی و راندمان تولید بالا می‌باشد. در مواردی، روش دستی را به کار می برند که از انبرهای مخصوص و بلند برای گرفتن و جا به جا کردن قطعات آهنگری استفاده می‌شود.
1-1- انواع عملیات آهنگری
عملیات آهنگری را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی کرد که از آن جمله عبارتند از:
1-1-1- از جهت درجه حرارت
الف. آهنگری سرد Cold Forging
آهنگری سرد در دمای محیط صورت می گیرد، یعنی درجه حرارت قطعه در حدود دمای اتاق است. پس تغییر فرم پلاستیکی فلز در دمای پایین تر از نقطه تبلور مجدد صورت می‌گیرد و همراه با کرنش سختی است.
ب. آهنگری داغ Hot Forging
دمای قطعه بالاتر از دمای تبلور مجدد می رود، یعنی دمای بیلت آنقدر بالا است که از ایجاد کرنش سختی در طی فرآیند آهنگری، جلوگیری می‌شود. Strain hardenning
ج. آهنگری نیمه داغ یا گرم warm Forging
در آهنگری گرم قطعه دارای دمای نسبتاً بالایی است ولی مقدار آن هنوز پایین تر از دمای تبلور مجدد است.
در برخی موارد برای مشخص شده مرز بین سه فرآیند فوق، نسبت تطابق دما تعریف شده است. نسبت دمای تغییر شکل فلز (T) به دمای نقطه جوش آن (Tm) به عنوان نسبت تطابق دما معرفی می‌گردد. هر دو دما برحسب کلوین باید باشد. +273 درجه سانتی‌گراد اگر T<0.3 TM باشد، فورج سرد، 0.30.5Tm باشد فورج داغ است. چون میزان تنش سیلان و کرنش سختی با افزایش دما کاهش می یابد. و نسبت به آهنگری سرد نیروی کمتری مورد نیاز است.
آهنگری گرم معمولاً برای کالیبره کردن و دستیابی به قطعات با ابعاد دقیق، بخصوص در مورد مواد آهنی گرفته می‌شود.
پس در فورج سرد، فلز بدون هیچگونه گرم شدن در دمای محیط فورج می‌شود. و در فورج گرم، دمای فلز در حدود دمای تبلور مجدد آن می‌باشد و در فورج داغ ماده جهت فورج تا دمای بالاتر از دمای تبلور مجدد گرم می‌شود.
در دمای تبلور مجدد تنش جریان ثابت است ولی بالاتر از آن دما تنش جریان تغییر می‌کند و در واقع فاز اتمی است که تغییر می کند، و در این دما ریز ساختار‌هابه هم می خورند یا تغییر می‌کنند و نا به جائی ها را تغییر می دهد که در فولاد 1300 می‌باشد. بنابراین افزایش دمای فلز در هنگام فورج باعث افزایش شکل پذیری آن و کاهش نیرو و انرژی می‌گردد. چون افزایش دما تنش سیلان فلز را کاهش می دهد.
2-1-1- از دید چگونگی تغییر شکل
فرآیند آهنگری با توجه به اینکه فلز در ضمن تغییر شکل از قسمتی و یا تمام جهات و سمت‌ها توسط قالب محبوس شده باشد به صورت زیر دسته بندی می‌شود:
الف- آهنگری با قالب باز open die
در این حالت برخی از سطوح قطعه آهنگری توسط قالب احاطه نمی شود و فلز آزادانه می تواند در آن جهت تغییر شکل دهد.