فورج یا فورجینگ فلزات، در واقع شکل دهی فلزات طی مراحل متعدد است. به این شکل که فلزات تحت فشار و یا در حالت گداخته توسط قالب و به کمک پرس‌های هیدرولیک، پنوماتیک و یا پتک‌های ضربه ای شکل و فرم می‌گیرند. روش فورج فلزات برای بسیاری از قطعات مهم در صنعت خودروسازی و صنایع نظامی قابل استفاده است. در این مقاله از گروه صنعتی فیدار آروند سپاهان، قصد داریم به معرفی فورج و انواع روش‌های فورجینگ فلزات بپردازیم، با ما همراه باشید.
روش کلی فرآیند فورج
آهنگری قدیمی‌ترین روش شکل دهی فلزات است. که از قدیم در تمامی ملل و اقوام کاربرد داشته است. فورج یا فورجینگ فلزات در واقع همان روش مدرن و امروزی آهنگری قدیم است. فورجینگ فلزات فرآیندی است که طی آن به کمک نیرو و فشار زیاد، فلزات را به فرم و شکل مورد نظر تبدیل می‌کنند. نیرو و فشار به ابزار متفاوتی به قطعه فلزی اعمال می‌شوند. به عنوان مثال با استفاده از چکش یا پتک، پرس و غلتک می‌توان نیروهای فشاری را بر قطعه فلزی اعمال کرد. به همین دلیل لوازم یا قطعات دستگاه فورجکاری، اغلب بسیار سنگین هستند تا نیرو و فشار لازم جهت تغییر شکل قطعه را فراهم کنند.
قسمت مهمی از فرایند فورج فلزات، ساخت و استفاده از قالب‌های مخصوص هر قطعه است که باید دردستگاه فورج کاری قرار گیرند. به بیان دیگر این قالب‌ها، محل قرارگیری قطعه‌ای است که قرار است شکل خاصی به آن داده شود. قالب دارای دو نیمه است. قطعه اولیه که لقمه نامیده می‌شود، بر روی یکی از نیمه‌های قالب قرار داده می‌شود. ایجاد شکل جدید به لقمه مستلزم اعمال حرارت و نیرو بر آن است. این نیرو می‌تواند به آرامی و یا به طور ناگهانی و به صورت ضربه‌ای بر لقمه وارد شود. چکش یا پتک و پرس از تجهیزات اصلی دستگاه فورج هستند. از چکش برای ضربه زدن مکرر به لقمه، به منظور تغییر شکل آن استفاده می‌شود.
به منظور اعمال فشار مداوم بر روی قالب‌های فورج فلزات، از پرس استفاده می شود. پرس برای اعمال فشار، به یک نیروی محرکه 50000 تنی نیاز دارد تا فلز را به صورت عمودی در حفره‌های قالب با فشار بالا به صورت کنترل شده فشرده کند. پرس برای تغییر شکل فلز، بجای ضربه زدن مکرر، آن را به آرامی در قالب‌ها فشرده می‌کند.
مراحل اجرای فورج فلزات
همانطور که در بالا اشاره شد، فورج فلزات یک فرآیند چند مرحله‌ای است که در نهایت منجر به تغییر شکل و فرم دهی یک قطعه فلز می‌شود. در این قسمت صرف نظر از نوع و روش فورج ، مراحل کلی فورجینگ فلزات را به صورت خلاصه بررسی می کنیم:
- طراحی و ایجاد قالب: این مرحله برای فورج فولادی قالب بسته، الزامی نیست.
- برش دادن و گرم کردن:در این مرحله شمش فلزی که متناسب با ابعاد قطعه‌ی نهایی را برش خورده است و توسط کوره‌های عملیات حرارتی آن را گرم می‌کنند. توجه کنید که در این مرحله فقط تا حدی شمش فلز حرارت می‌بیند که خمیری شکل شود و نه به صورت مذاب و گداخته.
- عملیات آهنگری: پس از گرم شدن شمش فلزی، آن را با چکش کاری و فشرده سازی به شکل دلخواه تبدیل می‌کنند.
- تمیزکاری:به عملیات برداشتن مواد زائد (پلیسه و فلاش) از روی فلز شکل گرفته تمیزکاری می‌گویند.
- عملیات حرارتی: در این مرحله بدون تغییر شکل ظاهری، فلز مورد نظر را گرم کرده و سپس آن را سرد می‌کند. این کار باعث افزایش استحکام و مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت ماشین کاری می‌شود. اجرای این مرحله ضروری نیست و بستگی به نوع و روش فورج دارد.
- شات بلاست:یک تکنولوژی که در آن ذرات ریز (فلز، شن و سنگریزه) با سرعت بالا به سطح محصول فورج شده برخورد کرده تا آن را تمیز کنند.
- ماشین کاری:برای رسیدن به سایز دقیق و براده برداری از ماشین کاری (CNC) استفاده می‌شود.
- بهبود سطح: عملیاتی است که بروی سطح محصول انجام می‌شود تا مقاومت در برابر خوردگی، پوسیدگی و… را افزایش دهند. در این مرحله عملیاتی همچون رنگ زدن، جلا دادن و استفاده از روکش‌های براق مصنوعی انجام می‌شود.
- بازرسی و کنترل کیفیت:بازرسی و کنترل کیفیت محصول فورج تولید شده توسط افراد متخصص در واحد کنترل کیفیت صورت می‌گیرد.
مزایای فورج فلزات
افزایش مقاومت و استحکام: در روش فورج به دلیل شکل دهی به وسیله فشار و چکش کاری مقاومت و استحکام در محصول نهایی افزایش می‌یابد و همچنین خلا در آن از بین می‌رود.
کیفیت و دقت بالا: در این روش قطعات فلزی با دقت بالا و اندازه‌های دقیق تولید می‌شوند.
افزایش طول عمر: به علت افزایش کیفیت ساختاری محصول، طول عمر قطعات تولید شده به روش فورج فلزات نیز افزایش می‌یابد.
کاهش هزینه‌های تولید: با استفاده از روش فورجینگ فلزات، هزینه تولید با توجه به کاهش ضایعات و افزایش سرعت تولید کاهش می‌یابد.
معایب فورج فلزات
دستگاه‌های گران قیمت: فورج فلزات، نیازمند تجهیزات و دستگاه‌های گران قیمت است.
نیازمند مهارت و تخصص: برای نظارت و تولید محصولات با کیفیت بالا و دقیق، به تکنسین خبره و افراد متخصص نیاز دارد.
ایجاد سر و صدا: فرآیند فورجینگ همواره با سر و صدا همراه است به همین علت در هنگام کار افرادی که در این محیط مشغول به کار هستند باید از وسایل ایمنی نظیر محافظ گوش استفاده کنند. همچنین برای جلوگیری از سر و صدا برای محیط اطراف باید از سازه‌های ضد سر و صدا استفاده کرد.
چه فلزاتی مناسب فورج کاری هستند؟
عملیات فورج فلزات را می‌توان برای بیشتر فلزات انجام داد. اما این فرایند در مورد فلزات و آلیاژهای خاصی مؤثرتر و مناسب‌تر است؛ از جمله:
- فولاد: فورجینگ فولاد، استفاده گسترده‌ای در صنایع خودروسازی، هواپیماسازی، صنایع دریایی و ساخت قطعات صنعتی دارد.
- آلومینیوم: فرایند فورج بر روی آلومینیوم در صنایع هواپیماسازی، خودروسازی و ساخت قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.
- تیتانیوم: تیتانیوم یک فلز سبک و مقاوم است که در برخی صنایع همچون هواپیماسازی، صنعت دفاعی و صنعت فضایی برای تولید قطعات پیچیده کاربرد دارد.
- نیکل: نیکل و آلیاژهای نیکلی برای تولید قطعاتی با خاصیت‌های مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت مکانیکی بالا استفاده می‌شوند.
- مس: فورجینگ بر روی مس در راستای تولید قطعاتی همچون لوله‌ها، سیم‌ها و قطعات الکتریکی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- آلیاژهای دما بالا (حاوی عناصر کبالت، نیکل یا مولیبدن)
- استنلس استیل
- کبالت
- برنج
نکته مهم: بر خلاف فلزات و آلیاژهای نامبرده، قطعات چدنی گزینه مناسبی برای فورجکاری نیستند. زیرا چدن به خودی خود آلیاژی ترد و شکننده است و قابلیت تحمل فشار و کشش را ندارد.
کاربردهای فورج فلزات
محصولات فورج نیز با توجه به نوع آهنگری که در مراحل تولید آن‌ها به کار رفته است از ویژگی‌ها و کاربردهای خاصی برخوردارند.
- ساخت قطعات هواپیماها مثل دنده، چرخ دنده و قطعات مربوط به فرود هواپیما، تولید شفت برای موتورهای جت، توربین هواپیما.
- ساخت قطعات و تجهیزات وسایل نقلیه مثل میل لنگ، اهرم، چرخ دنده، میله‌های اتصال، قلاب جرثقیل.
- ساخت ابزارهای مختلف برش‌کاری پر کاربرد در صنعت.
- تقویت ابزارهای صنعتی مثل پیچ و مهره و بولت.
- سکه و آچار فرانسه از معروف‌ترین قطعات تولیدی به روش فورج فلزات هستند.
- ساخت قطعات توربین، لوازم خانگی و ...
انواع فورج فلزات
عملیات فورجینگ فلزات و فورجکاری را می توان به دو دسته کلی تقسیم‌بندی کرد:
- فورجکاری بر اساس روش‌های انجام کار و دقت اندازه گیری.
- فورجکاری بر اساس دما (فورج سرد، فورج گرم، فورج داغ، فورج هم دما).
انواع فورج فلزات بر اساس دقت اندازه
- آهنگری معمولی (Normal Forging)
آهنگری معمولی، یک فرآیند تولید است که در آن به کمک چکش‌کاری، فشرده سازی فلز شکل و فرم می‌گیرد و سپس ماشین کاری می‌شود تا به طرح نهایی تبدیل گردد.
- آهنگری دقیق (Precision Forging)
آهنگری دقیق، یک فرآیند نوآورانه برای تولید قطعات با کارایی بالا که بدون فلاش (مواد زائد) و تقریبا خالص است. بنابراین نیازمند ماشین کاری کمتری است و گاهی هم به ماشین کاری نیاز ندارد.
انواع فورج براساس دما
- فورج سرد (Cold Forging)
فرآیند فورج سرد نزدیک به دمای اتاق انجام می‌شود. این نوع فورج فلزات، از نظر دقت و کیفیت در بالاترین حد ممکن است.
- فورج داغ (Hot Forging)
در فرآیند فورج داغ فلزات، در دمای بالاتری (بین 950 تا 1250 درجه سانتی گراد) به فلزات شکل می‌دهند.
- فورج گرم (Warm Forging)
فورج گرم که با نام فورج نیمه گرم نیز شناخته می‌شود، به عنوان یک جایگزین برای فرآیند سرد می‌باشد. البته گاهی می‌توان از فورج گرم و سرد به صورت ترکیبی برای تولید یک قطعه استفاده کرد. در این فرآیند ابتدا شمش فلزی در دمای متوسط بین 700 تا 950 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود و معمولا برای موادی مانند فولاد آلیاژی که دیرتر سرد می‌شوند به کار می‌رود.
فورج فلزات چگونه باعث استحکام فلزات می‌شود؟
فورج فلزات چه از نوع گرم باشد چه سرد و چه از هر روش دیگری که انجام شود، مزایای زیادی نسبت به آهنگری قدیمی دارد. اگر چه شاید در نگاه اول روندی زمان‌بر و پر هزینه به نظر آید. یکی از مهم‌ترین نتایج فورج فلزات، افزایش استحکام قطعات تولید شده با فورج است. در این بخش به صورت مفصل این روند را بررسی می کنیم:
- فورجینگ، باعث تغییر شکل مولکول‌های فلز و پیش‌رویی به سمت ساختار مطلوب‌تر می‌شود و این امر منجر به استحکام بیشتر و بهتر فلز می‌گردد.
- در روش فورج، همزمان با گرم و فشرده شدن فلز،ترک‌های جزئی مهر و موم شده و فضاهای خالی موجود در بین مولکول‌های فلزبسته می‌شود.
- در مواردی که نیاز به مدیریت ناخالصی‌های موجود در فلز باشد، فورج کاری موجب تصفیه بیشتر فلز می‌شود.
- در روش فورج داغ، ناخالصی‌ها و آلودگی‌های موجود در فلز حذف می‌شود. کاهش و حذف آلودگی‌ها منجر به کاهش شدید آخال در قسمت‌های فورج شده می‌گردد. (آخال سرباره‌های ناشی از اکسیداسیون فولاد و مواد ترکیبی هستند که در حین تولید، وارد فولاد شده و باعث ایجاد نقاط تنش در محصول می‌شوند.)
جمع بندی
آهنگری حرفه‌ای قدیمی در فلزکاری است که منشاء آن به زمان‌های دور باز می گردد. ام از انجایی که دنیای صنعت هموراه ره به پیشرفت است، تقاضا برای تولید قطعات با کیفیت بالا و مستحکم افزایش می‌یابد. برخی از قوی‌ترین مقاطع فلزی را می‌توان به روش فورج فلزات تولید کرد. در این فرایند، برای شکل دادن به فلزات از نیروهای فشاری مثل چکش کاری، پتک یا غلتک استفاده می‌شود.
در روش فورجینگ فلزات، دو عامل نیرو و حرارت در شکل دهی قطعات مهم هستند. با پیشرفت علم و تکنولوژی ساخت قطعات با فورج با افزایش چشمگیری همراه شد. در این مقاله شرح مختصری برای آشنایی با فرایند فورج فلزات و انواع روش‌های ان دادیم.
