شکل دهی فلز فرآیندی است که در آن اجزا با اشکال دلخواه با تغییر شکل مواد به صورت پلاستیک، با اعمال نیروی فشاری، نیروی خمشی یا برشی، نیروی کششی یا ترکیبی از این نیروها با هم، بدون افزودن یا حذف مواد، ساخته می شود.
انواع فرآیند شکل دهی
فرآیند شکل دهی به دو گروه طبقه بندی شده است. شکل دهی حجمی و شکل دهی ورق فلزی.
طبقه بندی دقیق فرآیند شکل دهی را در تصویر بالا مشاهده می کنید.
اکنون به طور مفصل با انواع آن آشنا می شویم.
1. شکل دهی حجمی
شکل دهی حجمی روشی برای تولید محصولاتی است که مساحت سطح آنها کمتر از نسبت حجمی است.
در اینجا برای انجام ماشینکاری، نیروهای کششی، نیروهای فشاری، نیروهای برشی یا ترکیبی از هر دو مورد بررسی قرار می گیرد.
این کار در ماشین هایی که دارای مجموعه ای از ابزار و قالب است انجام می شود. با استفاده از قالب، خروجی به شکل مورد نظر درمی آید و به کمک ابزار به قالب فشار وارد می شود تا ماده شکل دهی شود.
شکل دهی حجمی شامل فرآیندهایی به نام نورد، آهنگری، اکستروژن و کشش است.
1.1. نورد
نورد یک فرآیند شکل دهی معمولی است که برای تولید محصولات نیمه ساخته مانند میله ها، ورق ها و صفحات و محصولات تمام ساخته مانند نبشی ها و پروفیل ها استفاده می شود. نورد را می توان به دو صورت گرم و سرد انجام داد.
در این فرآیند بیلت به شکل تختال (اسلب) بین دو رول که در جهت مخالف می چرخند فشرده می شود و در نتیجه از ضخامت بیلت کاسته شده و به شکل جدیدی در می آید. غلتک های دوار تختال را به داخل می کشند و آن را فشرده می کنند. محصول نهایی اندازه کوچک شده بیلت است.
انواع دستگاه های نورد در طول زمان برای تولید محصولات با شکل های مختلف تکامل یافته اند که هر کدام در زیر توضیح داده شده است.
1.2 دستگاه نورد دو طبقه
دستگاه نورد دو طبقه از سه پایه مجزا با دو غلتک افقی که روی یکدیگر قرار گرفته اند ساخته شده است.
یک یا هر دو غلتک در این نوع دستگاه قابل تنظیم هستند. فلز از بین دو غلتک که با سرعت یکسان اما در جهت مخالف هم می چرخند عبور داده می شود.
1.3 دستگاه نورد سه طبقه
در مورد دستگاه نورد سه طبقه، سه غلتک وجود دارد که یکی روی دیگری قرار دارد. دو غلتک به طور هم زمان برای یک پاس استفاده می شوند. در این حالت جهت غلتک تغییر نخواهد کرد.
پس از این که دو غلتک بالایی برای اولین دور فشرده سازی استفاده شدند، این ورق برای فشردگی بیشتر به دو غلتک پایینی منتقل می شود. این چرخه تا زمانی که ضخامت مطلوب حاصل شود تکرار می شود.
1.4 دستگاه نورد چهار طبقه
دستگاه نورد چهار طبقه از دو غلتک کوچک برای کاهش ضخامت و دو غلتک پشتیبان بزرگ برای پشتیبانی غلتک های کوچک تشکیل شده است.
از آنجایی که سطح تماس ورق و غلطک با استفاده از غلطک های کوتاه کاهش می یابد، نیروی مورد نیاز غلطک کاهش می یابد.
غلتک های پشتیبان بزرگ برای کاهش خمش الاستیک غلطک های کوچک هنگام عبور ورق از بین آنها مورد نیاز است.
1.5 دستگاه نورد خوشه ای
دستگاه نورد خوشه ای از دو غلطک عملیاتی و چهار یا بیشتر غلطک پشتیبان تشکیل شده است.
تعداد غلطک های پشتیبان با توجه به نیاز غلطک های کاری (قطر کوچک) تعیین می شود. دستگاه های نورد خوشه ای معمولا در عملیات نورد سرد استفاده می شوند.
1.6 دستگاه نورد حلقه ای
نورد حلقه ای یک روش شکل‌دهی است که شامل نورد یک قطعه حلقه‌ای با دیواره ضخیم و قطر کمتر به یک حلقه با دیواره نازک و قطر بیشتر است.
درحالی که حلقه با دیواره ضخیم فشرده می شود، ماده تغییر شکل یافته کشیده می شود و باعث افزایش قطر حلقه می شود.
1.7 آهنگری
آهنگری یک روش شکل دهی حجمی است که در آن نیروهای فشاری و کششی بر روی قطعه کار یا بیلت اعمال می شود تا با استفاده از یک جفت ابزار به نام قالب و پانچ به محصول نهایی تبدیل شود.
می توان از قالب های باز یا بسته برای آهنگری استفاده کرد. در بیشتر موارد، آهنگری قالب باز برای شکل دادن به مواد خام انجام می شود تا مناسب ماشین کاری یا شکل دهی بعدی شود.
در این فرآیند بیلت بین دو قالب فشرده می شود. قالب ها کانتور شکل هستند، با فشرده سازی بیلت بین یک جفت قالب، شکل روی بیلت ایجاد می شود و در نتیجه محصول نهایی به دست می آید.
1.7.1 آهنگری قالب باز
برای عملیاتی مانند کشیدن، نازک کردن، و غیره، آهنگری قالب باز با یک جفت قالب مسطح یا ساده انجام می شود.
آهنگری قالب باز یک فناوری حیاتی در صنایع مختلف است که انواع شکل ها را روی فلزات به ویژه فولاد و آلیاژهای آن را امکان پذیر می کند. این امر مستلزم یک قالب با دو طرف باز است که به قطعه کار اجازه می دهد در هنگام ضربه آزادانه به صورت افقی حرکت کند. این شیوه همچنین آهنگری قطعات بسیار بزرگ را امکان پذیر می کند.
1.7.2 آهنگری قالب بسته (Closed Die)
آهنگری قالب بسته با فشردن یک شمش مواد خام در حفره تولید شده بین دو قالب انجام می شود.
شکل دهی قالب بسته برای ساخت قطعات شیر، قطعات پمپ، چرخ دنده های کوچک، شاتون، آچارها و موارد دیگر استفاده می شود.
1.7.3 سکه زنی
فرآیند سکه زنی اعمال تنش فشاری به سطح ماده خام به منظور ایجاد اشکال منحصر به فرد از سنبه برجسته زنی است. مانند سکه ها و مدال ها
1.7.4 آهنگری قالب بسته (Impression Die)
روی قالب هایی که در این فرآیند استفاده می شود حفره های مختلفی وجود دارد که Impression نامیده می شوند. در این نوع آهنگری قالب بسته، سطوح قالب شکلی دارند که در حین فشرده سازی به قطعه کار منتقل می شود و جریان فلز را به شدت محدود می کنند. مواد اضافی خارج از فرورفتگی قالب به عنوان زائده یا پلیسه نامیده می شود که بعدا برداشته می شوند.
آهنگری قالب بسته (Impression) قادر به تولید محصولاتی با تلورانس های پایین نیست.
برای دستیابی به دقت موردنظر معمولا به ماشینکاری نیاز است.
در فرآیند آهنگری، با ماشینکاری قسمت هایی از قطعه که نیاز به پرداخت کاری دقیق دارند مانند سوراخ ها و رزوه ها، شکل مورد نظر را ایجاد می کنند.
1.7.5 آهنگری بدون زائده
در تکنیک آهنگری بدون زائده، قطعه کار در قالب کاملا محدود می شود و هیچ زائده ای تولید نمی شود. مقدار اولیه قطعه کار باید دقیقا مدیریت شود تا با حجم حفره قالب مطابقت داشته باشد.
این تکنیک برای ساخت قطعاتی با اشکال هندسی متقارن و همچنین مواد کاری مانند آلومنیوم، منیزیوم و آلیاژهای آن ها مناسب است.
1.7.6 آهنگری غلتکی
آهنگری غلتکی یک روش شکل دهی است که برای کاهش سطح مقطع میله استوانه ای یا مستطیلی با عبور دادن آن از مجموعه ای از غلتک هایی که در خلاف جهت هم می چرخند و دارای شیارهایی منطبق با شکل نهایی قطعه مورد نظر هستند استفاده می شود. اگرچه نورد و آهنگری را ترکیب می کند، اما در دسته آهنگری قرار می گیرد.
در این فرآیند، غلتک ها تا حدی بسته به میزان تغییر شکل می چرخند. محصولات آهنگری غلتکی در مقایسه با ماشینکاری، اغلب قوی‌تر هستند و ساختار دانه‌ای لازم را دارند.
1.7.7 آهنگری دورانی
در آهنگری دورانی، شکل توسط یک قالب مخروطی که به طور همزمان می چرخد و به قطعه کار فشار وارد می کند روی مواد اعمال می شود. برای پشتیبانی از کار از قالب پایینی استفاده می شود.
در این روش قالب بالایی دوران می کند و قالب پایینی به آهستگی به طرف قالب بالایی حرکت می‌کند تا حفره قالب به طور کامل پر شود. البته در برخی موارد ممکن است قالب پایینی نیز دوران کند. در این فرایند قالب بالایی در امتداد محور ثابت است اما حول محور خودش حرکت مداری ایجاد می‌کند. این فرایند تقریبا کم سر و صدا است.
دیسک‌ها و قطعات مخروطی و پوشش‌های انتهای یاتاقان‌ها از انواع قطعاتی است که با این روش تولید می شود.
1.7.8 آهنگری هم دما (ایزوترمال)
آهنگری هم دما یک تکنیک آهنگری داغ است که در آن قطعه در طول فرآیند شکل‌دهی در دمای بالا نگه داشته می‌شود. قالب های آهنگری نیز در همان دمای بالا نگه داری می شوند. با از بین بردن سردی قطعه در تماس با سطوح قالب سرد، فلز به راحتی جریان می یابد.
این روش نسبت به آهنگری سنتی پرهزینه تر است و معمولا برای فلزاتی که آهنگری آن ها سخت است مانند تیتانیوم، سوپرآلیاژها و قطعاتی با اشکال پیچیده استفاده می‌شود. برای جلوگیری از اکسیداسیون سریع مواد قالب، عملیات در محیط خلا یا بی اثر انجام می شود.
1.8 اکستروژن
اکستروژن یک روش شکل دهی حجمی است که در آن فلز تحت فشار از داخل قالب با شکل خاص رد شده تا سطح مقطع دلخواه ایجاد شود.
اکستروژن به دو روش انجام می شود. اکستروژن مستقیم و اکستروژن غیر مستقیم.
1.8.1 اکستروژن مستقیم
در اکستروژن مستقیم بیلت در اثر اعمال فشار رام از قالبی با سطح مقطع کوچکتر عبور می‌کند تا به شکل محصول مورد نظر تبدیل شود.
محصولات اکسترود شده شامل لوله ها، قوطی ها، فنجان ها، چرخ دنده های سایز کوچک، شفت و غیره می باشد.
1.8.2 اکستروژن غیرمستقیم
قالب به جای اینکه روی محفظه نصب شود، روی رام نصب می شود. فلز از طریق سوراخ رام و در جهت مخالف حرکت آن جریان می یابد زیرا توسط رام فشرده می شود.
به دلیل اینکه در این روش بیلت و محفظه با یکدیگر حرکت می‌کنند، نیروهای اصطکاکی بین آنها کاهش می‌یابد، بنابراین در اینجا نیروی رام کمتر از اکستروژن مستقیم است.
1.9 اکستروژن ضربه ای
اکستروژن ضربه ای یک فرآیند سرد برای شکل دهی فلزات است که آهنگری را با اکستروژن تلفیق می کند. به طور خلاصه، اکستروژن ضربه ای معکوس روشی است برای شکل دهی قطعات فلزی توخالی با ضربه زدن به یک بیلت فلزی، که در داخل یک قالب استوانه ای یا مربعی محصور شده است، به طوری که فلز را در فضای بین پانچ و قالب جابجا می کند. فاصله (گپ) بین پانچ و داخل قالب تعیین کننده ضخامت دیواره قطعه نهایی است.
1.10 اکستروژن هیدرواستاتیک
در روش اکستروژن هیدرواستاتیک، بیلت در طول فرآیند توسط سیال درون محفظه احاطه می شود و سیال با حرکت رو به جلو رام تحت فشار قرار می گیرد. به دلیل وجود سیال، در داخل محفظه اصطکاک وجود ندارد و اصطکاک در سوراخ قالب نیز حداقل است. هنگام کار در دماهای بالا باید از سیالات و روش های خاصی استفاده شود.
شکل پذیری یک ماده زمانی افزایش می یابد که فشار هیدرواستاتیکی روی آن وجود داشته باشد و اصطکاکی نباشد. در نتیجه، این روش ممکن است در فلزاتی که برای روش های اکستروژن سنتی بسیار شکننده هستند، استفاده شود.
این روش بر روی فلزات شکل پذیر با نسبت های کاهش بالا امکان پذیر است.
1.11 کشش مفتول یا سیم کشی
فرآیند سیم کشی برای ساخت سیم هایی با قطر کم از میله ها با کاهش قطر آن ها و کشش طول آن ها با استفاده از نیروی کششی انجام می شود.
از سیم کشی برای ساخت تارهای موسیقی استفاده می شود. لوله سازی کششی می تواند برای ساخت لوله های بدون درز استفاده شود.
در این فرآیند، یک میله از میان سوراخ قالب کشیده می شود تا ضخامت مورد نظر سیم را ایجاد کند و سطح مقطع آن را کاهش دهد.
2. شکل دهی ورق فلزی
شکل‌دهی ورق فلزی شامل اعمال نیروهای کششی و برشی برای ساخت ورق‌ها، صفحات و نوارها به شکل دلخواه با استفاده از مجموعه‌ای از ابزارها است. پانچ و قالب به عنوان ابزار در فرآیند ساخت استفاده می شوند.
شکل دهی ورق فلز با عملیات خم کاری، کشش، برش، پولک زنی و سوراخکاری همراه است.
در روش شکل‌دهی ورق از تکنیک‌های تغییر شکل پلاستیک ورق مانند کشش عمیق، برشکاری، خم کاری، لبه زنی، فلنج زنی، حلقه زنی، شکل‌دهی کششی/کشش و مهر زنی استفاده می‌شود.
2.1 کشش عمیق
کشش عمیق یک فرآیند ورق کاری است که در آن ورق فلز با استفاده از نیروهای کششی و فشاری بدون تغییر ضخامت به یک شکل فنجان مانند توخالی تبدیل می شود.
در این فرآیند، ورق روی دهانه قالب قرار می گیرد و با پانچ به سمت داخل فشار وارد می شود. ورق گیر برای صاف نگه داشتن ورق روی سطح قالب استفاده می شود.
در بسیاری از موارد، تغییر مورد نیاز برای ایجاد قطعه مورد نظر قابل توجه خواهد بود (نسبت کشش بسیار بالا است). در چنین مواردی، شکل دهی کامل قطعه نیاز به بیش از یک مرحله کشش عمیق دارد.
2.2 خم کاری ورق
خم کاری ورق، فشار آوردن فلز حول یک محور مستقیم تعریف می شود. فلز روی لبه داخلی صفحه خنثی فشرده می شود در حالی که در لبه های خارجی در طول عملیات خمش کشیده می شود. ضخامت ورق فلز در اثر خمش تغییر نمی کند.
2.3 کشش یا شکل دهی کششی
شکل دهی کششی یک فرآیند شکل دهی ورق فلزی است که در آن ورق فلز به طور همزمان کشیده و خم می شود تا شکل آن تغییر کند.
ورق در دو انتها توسط گیره ها نگه داشته می شود و سپس با پانچ کشیده می شود و این باعث می شود که ورق بالاتر از نقطه تسلیم خود تحت فشار قرار گیرد و به شکل دلخواه دربیاید.
هنگامی که کرنش برداشته می شود فلز دچار تغییر شکل پلاستیکی شده است. تاثیر ترکیبی کشش و خم کاری باعث می شود که قطعه برگشت فنری کمتری داشته باشد.
کاربردهای فرآیند شکل دهی فلز
تکنیک شکل دهی فلز برای تولید لوله های بدون درز، میله ها و حلقه های توربین و همچنین برای ساخت کوره های پخت سیمان استفاده می شود.
از فرآیند شکل دهی می توان برای تولید یاتاقان ها، صفحات، ورق های فولادی و قطعات متعدد خودرو استفاده کرد.
از این روش برای ساخت اجزای موشک و هواپیما و همچنین برای ساخت لولا، پیچ و مهره و میخ استفاده می شود.
مزایای فرآیند شکل دهی فلز
- استحکام قطعه افزایش می یابد
- ضایعات مواد کمتر است
- قطعات کوچکتر را می توان با استحکام بالا تولید کرد
- قطعات تولید شده در ابعاد دقیق هستند
- پرداخت سطح عالی
- بهبود خواص مکانیکی
معایب فرآیند شکل دهی فلز
- نیاز به نیروهای مکانیکی بالایی وجود دارد
- سختی کرنشی ماده محدودیتی برای میزان شکل دهی است
- این فرایند برای مواد شکننده کاربرد ندارد
- همچنین گاهی اوقات از عملیات حرارتی در شکل دهی فلزات استفاده می شود
