مقدمه:

براي بهينه سازي صنعتي و رونق اقتصادي، و ارتقاء و پيشرفت آموزشي و تكنولوژيكي و قدرت علمي و رقابت فرآورده‌هاي توليدي در بازارهاي جهاني نياز به كسب دانش‌ جديد، آموزش و به كارگيري تكنولوژي و روش‌هاي مدرن در صنعت قالبسازي مي‌باشد.

هم اكنون بيشتر قطعات مهم صنايع خودروسازي، و صنايع نظامي و موتورسيكلت، و ابزار آلات صنعتي و … به كمك صنعت آهنگري و قالب هاي فورج تهيه مي‌شوند.

با توجه به آمار و ارقام و تحليل‌هاي علمي و كاربردي صنعتي كه انجام شده است، بايد پروسة طراحي و ساخت قالب‌هاي فورج كه شامل طراحي علمي و محاسباتي قالب است و انتخاب مواد قالب و مراحل ساخت و ماشينكاري و عمليات حرارتي قطعات و مونتاژ قالب به شكل صحيح و علمي انجام شود تا قالب‌ها عمر و بازدهي مفيدي داشته باشند و محصولات توليدي اشان نيز كيفيت مطلوب، عالي و استانداردي را پيدا نمايند.

آهنگري قديمي ترين و اصلي ترين روش شكل دادن فلزات است. آهنگري به معناي تغيير شكل مواد با فشار بين قالبها، احتمالاً قديمي ترين روشي است كه توسط انسان به كار گرفته شده است تا فلزات را به شكل مناسبي در آورد. طي سالهاي متمادي صنعت آهنگري مراحل پيشرفت را طي نموده است.

شكل دادن طبق DIN 8580 يعني «توليد با روش تغيير شكل خميري (پلاستيكي) يك جسم جامد كه در آن جرم و نيز همبستگي آن حفظ شود.

طبق يك تقسيم بندي در روشهاي شكل دادن براساس تنشهاي غالب موجود در منطقه شكل دادن، شكل دادن با قالب بسته‌ آهنگري و شكل دادن با قالب باز در اين تقسيم بندي روشهاي شكل دادن، جزء زير مجموعه‌هاي شكل دادن فشاري مي باشند.

از قابليت‌هاي روش فورج در توليد فرآورده‌هاي صنعتي مي‌توان به كاهش هزينه و انبوهي توليد، و از معايب اين روش به كمتر دقيق بودن قطعات توليد شده اشاره كرد.

موضوع مورد بحث، بررسي امكان‌پذيري طراحي و ساخت قالبهاي فورج مدولار مي‌باشد يعني انعطاف پذير كردن قالب فورج، يا قطعه قطعه كردن قالب فورج، يعني در ساخت قالب از چندين قطعه استفاده شود به صورت Modular. كه از كنار هم قرار گرفتن آنها، كل قالب شكل مي‌گيرد.

هدف اين طرح آن است كه يك قالب تنها براي توليد يك قطعه يا يك محصول نباشد، بلكه با جابه‌جا كردن مدولهاي آن و جايگزين كردن مدول مناسب بتوان محصول ديگر را توليد كرد.

حتي اگر قسمتي از قالب دچار مشكل شد يعني ترك بردار يا بشكند مي‌توان مدول آسيب ديده را خارج كرد و مدول مناسب را در سرجاي خود جازد. مهم آن است كه اين طرح باعث مي شود، زمان طراحي فوق‌العاده كاهش يابد، و يك كاهش مهم در هزينه‌هاي ابزار ايجاد مي‌شود.

اين امر همچنين باعث تنوع در محصولات توليدي خواهد شد و ما مي توانيم در كوتاهترين زمان ممكن با تعويض قسمتهايي از قالب با مدولهاي مناسب، محصول جديد ديگري را توليد كنيم و ميزان توليدات محصولها را نيز افزايش مي دهد.

 

 

 

 

 

فصل اول:

صنعت فورج

 

فصل اول:

1- صنعت فورج

فورج و شكل دهي فلزات گداخته يا تحت فشار قرار دادن آنها، توسط قالب‌هاي فورج و يا پرس‌هاي هيدروليك يا پنوماتيك و يا پتك هاي ضربه‌اي را صنعت فورجينگ مي نامند.

اكثر قطعات صنعتي در صنايع مهم مانند ماشين سازي، خودروسازي و صنايع نظامي با روش فورج تهيه مي‌شوند.

در روش فورجينگ (آهنگري) مواد كار با قابليت كوره‌كاري، و در حالت گداخته، فرم لازم را مي گيرند. اين قطعات داراي مقاومت و استحكام بيشتري نسبت به قطعات مشابه ماشينكاري شده هستند.

زيرا در پروسة آهنگري مواد اوليه قطعات به هم فشرده شده و قطعات مهمي مانند، ميل لنگ‌ها، دسته پيستون ها و … ساخته مي‌شوند.

از قابليت‌هاي روش فورج در توليد فرآورده‌هاي صنعتي مي‌توان به كاهش هزينه و انبوهي توليد، و از معايب اين روش به كمتر دقيق بودن قطعات توليد شده اشاره كرد.

اكثر فلزات چكش خوار مانند فولاد‌ها، و آلياژ‌هاي مس، آلياژ‌هاي آلومينيوم و … قابليت عمليات آهنگري را دارند.

چدن خاكستري جزء فلزاتي است كه خاصيت آهنگري نداشته، زيرا امكان شكستگي در آن وجود دارد.

قابليت كوره‌كاري و فورج قطعات فولادي، به مواد آلياژي موجود در آن‌ها بستگي دارد. هر چه مقداري كربن فولاد‌ها كمتر باشد، مي‌توان حرارت شروع آهنگري را افزايش داد.

در پروسة فورجينگ با افزايش مقدار كربن در فلزات از قابليت فرم‌گيري و آهنگري آن‌ها كاسته مي‌شود. همچنين فولاد‌هايي براي عمليات فورج مناسب مي باشند كه مقدار فسفر و گوگرد آن‌ها از 1% بيشتر نباشد و اگر مقداري گوگرد در فولاد زياد باشد باعث ايجاد و شكستگي و ترك‌هايي بر روي فولاد گداخته مي‌گردد.

در ساخت قالب‌هاي فورج از روش‌هاي جديد تكنولوژي ماشين‌كاري و اسپارك استفاده مي كنند، به اين شكل كه ابتدا محفظة قالب‌هاي فورج را با روش سنتي ماشين‌كاري مي‌كنند و اندازه نهايي را با ساختن الكترودهاي مسي كه شكل و ابعاد دقيق قطعه كار است، با عمليات اسپارك اورژن انجام مي دهند.

البته مدلهاي مسي (الكترودها) با روش كپي كاري گرافيت روي دستگاه سه بعدي كپي سازي طراحي و ساخته مي‌شوند.

در طراحي و ساخت قالب‌هاي فورج بايد به قدرت بلوك‌ها، اسكلت قالب‌هاي فورج، با توجه به فشار بالا، و مقدار تناژ لارم و نيزوي كه براي توليد به كار مي رود، توجه نمود.

بلوك‌ها و ساختمان قالب بايد توانايي تحمل فشارهاي عمودي (فشار‌هاي پرسي) و فشار‌هاي جانبي (عكس العمل داخلي قالب) را داشته باشند و در به كارگيري فولاد‌هاي آلياژي با استفاده از جداول فولادها، بهترين انتخاب را انجام داد.

در عمليات حرارتي كه شامل آبكاري و برگشت فولادهاي قالب است، بايد نهايت دقت و حوصله را به كاربرد و توجه كرد كه عمق شيارهاي پيرامون حفره‌ها و محفظه‌هاي مادگي قالب (محل فرار مازاد مولد اوليه قطعات كار) طوري محاسبه و تعيين شود كه حجم اضافي مواد درون آن را پر كند و اضافه نيايد، زيرا باعث بازماندن درز قالب‌شده و از اندازة قطعه كار فورج شده، خارج مي‌گردد.

قالب فورج معمولاً پس از ماشينكاري قطعات و سنگ زني، مورد عمليات حرارتي قرار مي‌گيرند و بعد از پرداخت كاري و مونتاژ نهايي در توليد به كار مي روند. براي اقدام به توليد انبوه قطعات صنعتي كه اكثراً داراي استحكام بالا و مقاومت‌هاي فشاري، كششي و برشي بالايي هستند، از روش فورج (آهنگري) و ماشين‌هاي مخصوص (پرس‌هاي فورج) و ابزار‌هاي دقيق (قالب‌هاي فورج) استفاده مي‌شود.

در روش فورجينگ قطعات و بلوك‌هاي قالب فورج از فولاد‌هاي گرم كار ساخته مي‌شوند. حفره و محفظة قالب فورج بايد اندازة دقيق قطعات تمام شده را دارا باشد تا مادة اوليه قطعات فورج شده با حجم و اندازه معين و در حالت گداخته و با حرارت دهي لازم در فضاي قالب با فشار ضربه، فرم نهايي را بگيرند.

با استفاده از تجارب كاربردي در صنعت فورجينگ مي‌توان كيفيت قطعات توليدي فورج شده را افزايش داد.

مثلاً بعد از عمليات پرسكاري فورج قطعات فولادي، محيط و روش خنك كاري بايد با بررسي هاي متالوژيكي انجام گيرد و مسائلي مانند نوع فولاد فورج شده و سختي پذيري و ضخامت مقطع آن در نحوة خنك كاري مؤثر است.

در مواردي سطح خارجي فولاد گداخته و اكسيد شده و با لايه‌اي پوشيده مي‌شود كه قبل از شروع عمليات فرم دهي، بايد لايه را جدا كرد و قطعات فولادي و گداخته را حتي المقدور و با دقت و به شكل آرام و يكنواخت سرد كرد تا از بوجود آمدن تنش و ايجاد ترك در قطعات جلوگيري شود تا محصولات توليد شده داراي مقاومت و استحكام بالايي باشند.

در صنعت فورجينگ از كوره‌هاي آهنگري معمولي و گاهي كوره‌هاي پيشرفته و مدرن براي حرارت دادن قطعات فورج استفاده مي‌شود.

امروزه براي پرس‌كاري و جا‌به‌جائي قطعات فورج شده از تكنولوژي روبوت استفاده مي‌شود كه داراي ضريب حفاظتي عالي و راندمان توليد بالا مي‌باشد. در مواردي، روش دستي را به كار مي برند كه از انبرهاي مخصوص و بلند براي گرفتن و جا به جا كردن قطعات آهنگري استفاده مي‌شود.

1-1- انواع عمليات آهنگري

عمليات آهنگري را مي‌توان از جنبه‌هاي مختلف دسته‌بندي كرد كه از آن جمله عبارتند از:

1-1-1- از جهت درجه حرارت

الف. آهنگري سرد Cold Forging

آهنگري سرد در دماي محيط صورت مي گيرد، يعني درجه حرارت قطعه در حدود دماي اتاق است. پس تغيير فرم پلاستيكي فلز در دماي پايين تر از نقطة تبلور مجدد صورت مي‌گيرد و همراه با كرنش سختي است.

ب. آهنگري داغ Hot Forging

دماي قطعه بالاتر از دماي تبلور مجدد مي رود، يعني دماي بيلت آنقدر بالا است كه از ايجاد كرنش سختي در طي فرآيند آهنگري، جلوگيري مي‌شود. Strain hardenning

ج. آهنگري نيمه داغ يا گرم warm Forging

در آهنگري گرم قطعه داراي دماي نسبتاً بالايي است ولي مقدار آن هنوز پايين تر از دماي تبلور مجدد است.

در برخي موارد براي مشخص شده مرز بين سه فرآيند فوق، نسبت تطابق دما تعريف شده است. نسبت دماي تغيير شكل فلز (T) به دماي نقطه جوش آن (Tm) به عنوان نسبت تطابق دما معرفي مي‌گردد. هر دو دما برحسب كلوين بايد باشد. +273 درجه سانتي‌گراد اگر T<0.3 TM باشد، فورج سرد، 0.3<T/Tm<0.5 فورج گرم و T>0.5Tm باشد فورج داغ است. چون ميزان تنش سيلان و كرنش سختي با افزايش دما كاهش مي يابد. و نسبت به آهنگري سرد نيروي كمتري مورد نياز است.

آهنگري گرم معمولاً براي كاليبره كردن و دستيابي به قطعات با ابعاد دقيق، بخصوص در مورد مواد آهني گرفته مي‌شود.

پس در فورج سرد، فلز بدون هيچگونه گرم شدن در دماي محيط فورج مي‌شود. و در فورج گرم، دماي فلز در حدود دماي تبلور مجدد آن مي‌باشد و در فورج داغ ماده جهت فورج تا دماي بالاتر از دماي تبلور مجدد گرم مي‌شود.

در دماي تبلور مجدد تنش جريان ثابت است ولي بالاتر از آن دما تنش جريان تغيير مي‌كند و در واقع فاز اتمي است كه تغيير مي كند، و در اين دما ريز ساختار‌هابه هم مي خورند يا تغيير مي‌كنند و نا به جائي ها را تغيير مي دهد كه در فولاد 1300 مي‌باشد. بنابراين افزايش دماي فلز در هنگام فورج باعث افزايش شكل پذيري آن و كاهش نيرو و انرژي مي‌گردد. چون افزايش دما تنش سيلان فلز را كاهش مي دهد.

2-1-1- از ديد چگونگي تغيير شكل

فرآيند آهنگري با توجه به اينكه فلز در ضمن تغيير شكل از قسمتي و يا تمام جهات و سمت‌ها توسط قالب محبوس شده باشد به صورت زير دسته بندي مي‌شود:

الف- آهنگري با قالب باز open die

در اين حالت برخي از سطوح قطعه آهنگري توسط قالب احاطه نمي شود و فلز آزادانه مي تواند در آن جهت تغيير شكل دهد.

شكل 1: آهنگري با قالب باز

مشخصه اين نوع آهنگري را مي‌توان به ترتيب زير بيان نمود:

- اشكال متنوع زيادي قابل توليد است.

- دقت ابعادي پايين و محصول ماشين كاري مي‌شود.

- كيفيت صافي سطوح پايين است.

- قالب‌ها و ماشين‌ها ارزان هستند.

ب. آهنگري با قالب بسته closed Die

در اين نوع فرآيند، تمام سطوح قطعه آهنگري توسط قالب محيط مي‌شود. اين نوع آهنگري خود به دو دسته تقسيم مي‌شود كه عبارت است از:

1. آهنگري دقيق

همان آهنگري در قالب بسته بدون فلش است.

در اين حالت فلز كاملاً در داخل قالب محبوس است و حجم قطعه كاملاً كنترل شده است به گونه‌اي كه هيچگونه ماده اضافي وجود ندارد.

نام ديگر آهنگري دقيق همان شكل دادن پرسي بدون فلش است.شكل دادن پرسي بدون فلش از طريق يك قالب بسته آهنگري كه در آن انجام مي‌شود.

شكل 2: شكل دادن پرسي بدون فلش

ويژگي‌هاي اين نوع آهنگري را مي‌توان چنين بر شمرد:

- دقت ابعادي و تلرانس‌ها بالا است.

- صافي سطوح مناسب است.

- مقدار ماشين كاري كم بوده و يا اصلاً نيازي به آن نيست.

- هزينه توليد قطعات و دور ريز مواد كمتر ست.

- اتلاف كمتر مواد

- خواص استحكام بهتر

پس در اين روش ماده خام اوليه با حجم دقيق و كنترل شده بين دو نيمه قالب شكل گيرد و هيچ گونه دور ريز مواد نداريم.

واضح است كه نحوه طراحي قالبها و نيز ميزان حجم بيلت، نقش مهم و حساسي را در روش فوق‌ ايفاء مي‌كند.

چون ميزان تنش سيلان و كرنش سختي با افزايش دما كاهش دما كاهش مي يابد بنابراين نسبت به فورج سرد، در فورج گرم نيروي كمتري نياز مي‌باشد. در فورج دقيق فلزات آهني، اگر دماي قطعه بالاتر از دماي تبلور مجدد باشد، تمايل ماده به اكسيد شدن بسيار زياد بوده و از اين رو دستيابي به ابعاد دقيق بسيار مشكل است.

از طرف ديگر اگر دماي قطعه خيلي پايينتر از نقطه تبلور مجدد باشد، هر چند ممكن است به ابعاد دقيق دست يافت و ليكن بدليل بالا بودن تنش سيلان و وجود كار سختي نيروي لازم براي تغيير فرم بشدت افزايش مي يابد.

حتي ممكن است به علت كاهش شديد قابليت چكش خواري، منجر به گسيختگي ماده گردد. اما فورج گرم، شرايط بين دو فرآيند فوق را دارا است.

2. آهنگري معمولي