وبلاگ تخصصی ساخت و تولید (ماشین ابزار)

نورد گرم (Hot Rolling)

در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد انجام می شود. کاهش سطح سنگین از طریق نورد گرم یکی از روش‌های عمده تولید میله با سطح مقطع مستطیل ، گرد ، یا پیچیده‌تر است. این روش از طریق در هم شکستن ساختار ریختگی و ریز کردن اندازه دانه ، سبب بهبود خواص فلز ریختگی و در نتیجه همگنی بهتر و مقاومت و سفتی بیشتر آن می‌شود. در خلال نوردکاری و همچنین در بیشتر فرآیندهای آهنگری ، در مقایسه با اکستروژن، فشار و تغییر شکل در هر زمان معین به حجم کوچکی از فلز محدود می‌شود ، بنابراین می‌توان شمش‌های بسیار سنگین را با استفاده از دستگاه‌ هایی با ظرفیت بار متوسط تغییر شکل داد.

شمش به‌ صورت مداوم به داخل دستگاه نورد رانده می‌شود و معمولاً سرعت تولید زیاد است. در اینجا نیز مانند همه عملیات گرم‌ کاری سرعت عمل مسئله‌ ای حیاتی است. زیرا قطعه کار بر اثر سرد شدن سخت می‌شود. زمان لازم برای برگشت دادن تختال به قسمت ورودی غلتک‌ ها عامل محدودکننده سرعت است اما ، این مشکل برای اکثر اندازه‌ها ، با استفاده از غلتک‌ های دوطرفه ، رفع شده است. تختال‌ های بسیار کوتاه معمولاً توسط کارگر به عقب برگردانیده می‌شوند ، که این خود نیاز به کارگر را بسیار افزایش می‌دهد.

دستگاه نورد گرم برای تولید تختال یا شمشه از شمش‌ های فلزی ، به دستگاه نورد شمشه مشهور است و معمولاً دو غلتک بزرگ دارد ، که به‌ صورت قائم روی یکدیگر قرار دارند. در نتیجه به آن دستگاه نورد دو غلتکه می‌گویند و این در مقایسه با دستگاه‌های چهار غلتکه یا چند غلتکه است که عموماً در عملیات نورد سرد به‌کار می‌روند. از غلتک‌ هایی با طرح مخصوصی برای تولید محصولات گرم نوردیده طویل با مقاطع مختلف از قبیل گرد ، شش ضلعی ، ناودانی ، نبشی ، تیرآهن ، استفاده می‌شود. این مقاطع از نظر اقتصادی بسیار مهم‌اند ، زیرا مقدار تولید آن‌ ها زیاد است ، اما غلتک‌ های فوق را معمولاً به‌ طور تجربی و با درنظر گرفتن چند قانون کلی ، طراحی می‌کنند.

به‌ طور کلی مسئله عمده در این مورد نیز همانند آهنگری قالب بسته ، پر کردن قالب است ، که درباره آن مبانی نظری مختصری وجود دارد. در اینجا ارزیابی بارهای کاری برای این قبیل شرایط پیچیده موردنظر نیست ، اما می‌توان با استفاده از اطلاعات نظری موجود برای نورد ساده قطعه‌ ای تخت با سطح مقطع مشابه تخمین‌ های تقریبی زد.

نورد سرد (Cold Rolling)

در دمایی پایین تر از دمای تبلور مجدد ماده نوردیده اتفاق می افتد. نورد سرد تمسه پهن ، مناسب‌ترین فرآیند فلزکاری برای تجزیه و تحلیل نظری است و نظریه نورد سرد بسیار توسعه یافته است. بنابراین برخلاف وضعیت کار در فرآیند های کشش عمیق و تولید لوله های کوتاه ، در نورد ، بار یکنواخت می‌ ماند و اثرات شروع و توقف کار روی بار اعمالی کم است.

پشت سر هم قرار دادن چندین دستگاه نورد امری متداول است و مسئله اساسی در این مورد این است که کشش تسمه ، در فاصله بین دستگاه‌ های نورد در محدوده کوچکی قرار گیرد تا ضخامتی یکنواخت حاصل شود. با کاهش ضخامت تختال ، بر طول آن افزوده می‌شود و سرعت خروجی تسمه ممکن است به مقادیر بسیار بالایی تا حدود 250 متر بر ثانیه برسد. کنترل کشش توسط انسان از طریق تنظیم سرعت‌ های نسبی غلتک‌ ها در قفسه‌ های مجاور هم ممکن است ، اما در حال حاضر در کارخانه‌ های بزرگ نورد ، برای انجام این کار از کامپیوتر استفاده ‌می‌شود. به علت سرعت‌ های بالا و تولید بسیار زیاد دستگاه‌ های نورد ، برنامه عبور مناسبی که بر مبنای خواص ماده ، پذیرش تسمه توسط غلتک‌ ها و ظرفیت بار دستگاه تعیین شود از لحاظ اقتصادی بسیار اهمیت دارد.

اکستروژن سرد (Cold Extrusion)

در اکستروژن سرد نیاز به گرم کردن مواد اولیه قبل از شروع کار وجود ندارد و این عمل در دمای اتاق یا نزدیک به آن صورت می پذیرد. از جمله مزایای اکستروژن سرد نسبت به اکستروژن گرم، کاهش اکسیداسیون سطح، حصول استحکام بالا به واسطه انجام کار سرد، سطح تمام شده با کیفیت و غیره می باشد. روانکاری در اکستروژن و آهنگری سرد شبیه روانکاری در هنگام کشش سرد لوله است، ولی به علت افزایش سطح زیاد در خلال عمل اکستروژن، در این حالت روانکاری باید خیلی شدیدتر باشد. برای این عملیات پوشش‌های تبدیلی لازم است، مگر آن که از روانکاری هیدروستاتیکی کمک گرفته شود. تنها راه دیگر پوشش دادن قلع یا نقره بر روی سطح فلز است. چسبیدن و پوسته شدن بزرگ‌ترین محدودیت اکستروژن سرد محسوب می‌شود، اما مسئله مهم کاهش دادن نیروها تا حد ممکن است. زیرا در اکستروژن سرد تنش‌های بسیار بالایی پدید می‌آیند. اما، در این مورد نیز همانند عمیق‌کشی، سیلان و گسیختگی را می‌توان از طریق روانکاری در سطوح معین کنترل کرد. این مطلب به ویژه برای پر کردن صحیح قالب اهمیت دارد.

اکستروژن گرم (Hot Extrusion)

در اکستروژن گرم مواد قبل از اکسترود شدن، گرم می شوند. میزان گرم کردن در مواد مختلف متفاوت می باشد. اکستروژن گرم نیاز مبرمی به روانکاری دارد. از جمله مواد مورد استفاده برای روانکاری در اکستروژن گرم عبارتند از:

• گرافیت
• شیشه
• نمک های غیر آلی

در این مورد گرافیت، حتی در دماهای بالا بسیار مؤثر است، زیرا تماس با هوا در عمل کم بوده و لذا اکسایش گرافیت قابل ملاحظه نیست. اگر مواد روانکار به‌صورت صفحه‌ای درآورده شود که در خلال کار به آرامی نرم یا ذوب شده و هنگام عبور فلز از داخل قالب پوشش نازک یکنواختی (50μm) بر سطح قطعه تشکیل دهد، امکان اکستروژن قطعات طویل وجود دارد. شیشه به‌عنوان ماده‌ای که صفحه یاد شده از آن ساخته می‌شود بیشترین مصرف را دارد. اگرچه از نمک‌های غیرآلی گوناگونی که نقطه ذوب مناسبی داشته باشند نیز می‌توان در این مورد استفاده کرد. بازالت نیز برای این منظور مناسب می باشد.

اکثر اکستروژن‌های روانکاری شونده با شیشه، با استفاده از قالب‌های تخت (180 درجه) انجام می‌گیرد، اما چنانچه از قالب‌های مخروطی (150-120 درجه) استفاده شود، نیروی کمتری لازم است و فلز و شیشه بهتر سیلان می‌یابند. قالب‌های مخروطی امکان به‌وجود آمدن عیوب زیرسطحی را نیز کاهش می‌دهند اما از لحاظ صنعتی این قالب‌ها مطلوب نیستند، زیرا مقدار فلز پس مانده یا زائد در آن‌ها زیاد است، مگر آن که قطعه فلزی یک بار مصرف، به‌عنوان پشت بند، در پشت شمشال قرار داده شود.

یکی از مسائل فرعی مهم در اکستروژن اجتناب از اکسایش در خلال گرمایش در کوره یا در حین انتقال شمشال به پرس اکستروژن است. در این مورد از پوشش‌های شیشه ای یا سایر پوشش‌های محافظ می‌توان استفاده کرد. اما معمولاً شمشال‌ها را در کوره‌ای با محیط کنترل شده گرم می‌کنند.

اکستروژن ضربه ای (Impact Extrusion)

در روش اکستروژن ضربه ای قطعه‌ای از آلومینیم یا فلز نرم دیگری به مواد روانکار آغشته شده، در قالب کم‌عمقی قرار می‌گیرد. سپس این قطعه در معرض ضربه بسیار سریع سنبه‌ای قرار می‌گیرد که بر نوک آن دماغه‌ای تعبیه شده است. بین این دماغه و قالب لقی معینی وجود دارد. فلز از اطراف سنبه به‌صورت فیلم نازکی سیلان می‌یابد.

اکستروژن ضربه ای عموماً به دو روش انجام می شود:

روش اول:

قطعه‌ای از آلومینیوم یا فلز نرم دیگری به مواد روانکار آغشته شده، در قالب کم‌عمقی قرار می‌گیرد. سپس این قطعه در معرض ضربه بسیار سریع سنبه‌ای قرار گرفته که بر نوک آن دماغه‌ای تعبیه شده است. بین این دماغه و قالب لقی معینی وجود دارد. فلز از اطراف سنبه به‌صورت فیلم نازکی سیلان می‌یابد. این عمل بسیار سریع است و در زمانی کوتاه می‌توان مقادیر زیادی از این لوله‌ها را تولید کرد. با طراحی مناسب، می‌توان حلقه یا پله‌ای در قالب تعبیه کرد تا فرآورده در یک ضربه کامل شود، و فقط رزوه کردن آن باقی بماند.

روش دوم:

این روش معمولاً فرآیند هوکر (Hooker) نامیده شده و عمل اکستروژن پیش‌رونده‌ای است که اصولاً مشابه اکستروژن معمولی لوله با یک سنبه متصل به صفحه فشاردهنده است. اما با سرعتی بسیار بالا عمل می‌کند. در این فرآیند بهتر است از ورقه‌های کاسه‌ای شکل استفاده شود. این فرآیند لوله‌سازی با جدار ضخیم، در مقایسه با اکستروژن معکوس به فشار کمتری احتیاج دارد، و برای تولید لوله‌های مسی و برنجی به‌کار می‌رود. لوله‌های ته بسته را که ضخامت جدار آن‌ها به تدریج کم می‌شود می‌توان به این طریق تولید کرد.

اگرچه اصول اکستروژن ضربه‌ای از سال‌ها قبل شناخته شده بود ولی تولید لوله‌هایی با جدار بسیار نازک از قبیل محفظه‌های انعطاف‌پذیر خمیر دندان و برخی دیگر از وسایل خانگی به این طریق از حدود سال 1920 توسعه یافت.

مزایای اکستروژن ضربه ای

خواص مکانیکی فرآورده‌های حاصل از اکستروژن ضربه‌ای خوب است، و یکی از مزایای قابل توجه فرآیند آن است که قطعاتی با شکل‌های پیچیده را می‌توان در یک عمل، بدون نیاز به عملیات ماشین‌کاری تولید کرد.

قطعات اکستروژن شده آلومینیمی تا قطر (110mm (4.5in و طول ((350mm (14in را می‌توان به شکل‌های گوناگون با دندانه‌های داخلی یا خارجی ساخت.

پس مانده شمشال را می‌توان به‌صورت فلانج یا قطعات دیگر شکل داد.

آهنگری قالب باز (Open-Die Forging) مشخصاً برای قطعات بزرگ با اشکال نسبتاً ساده ای که بین قالب های ساده در پرس هیدرولیک بزرگ یا پتک قدرتی شکل داده می شوند، به کار می رود. مثال هایی از قطعاتی که در آهنگری قالب باز ساخته می شوند عبارت است از:

• محورهای پروانه (ship propeller shafts)
• حلقه ها (rings)
• لوله های توپ (gun tubes)
• دیگ های بخار (pressure vessels)

به علت بشکه ای شدن میله، اندازه گیری کرنش عرضی طبیعی مشکل است، ولی افزایش طول به دقت قابل اندازه گیری می باشد. با استفاده از رابطه ثابت بودن حجم ، می توان نوشت:

SHAPE  \* MERGEFORMAT   یا     SHAPE  \* MERGEFORMAT

با جایگزین کردن در اولین معادله، ضریب ازدیاد طول به دست می آید:

SHAPE  \* MERGEFORMAT

اگر S=1 باشد، تمام تغییر شکل خود را به صورت پخش نمایان خواهد کرد، در صورتی که اگر S=0 باشد، کلیه تغییر شکل صرف ازدیاد طول خواهد شد. مشاهده شده است که S عمدتاً به نسبت گاز b/w_o طبق را به زیر بستگی دارد:

SHAPE  \* MERGEFORMAT

معادله ابتدایی معمولاً تحت عنوان « قانون پخش » نامیده می شود

SHAPE  \* MERGEFORMAT

که در آن β = نسبت پخش = w₁/w_o و γ = ضریب فشار = h₁/h_o

دامنه های حدی ویژه ای از این متغیر ها وجود دارند که باید بررسی شوند. چون فقط آن بخش از سطح که تحت گاز است در هر زمان تغییر شکل داده می شود، خطر ایجاد لبه های سطحی در مرحله ای که قسمت آهنگری را از قسمت آهنگری نشده قطعه جدا می کند، وجود دارد. برای شکل دادن هر شکل هندسی معین با ابزار، تغییر شکلی بحرانی وجود دارد که این لبه ها را تولید می کند. ویستریش و شوت (Wistreich & Shutt) توصیه کردند که نسبت فشار h_o/h₁ نباید از 1.3 بیشتر شود. چون آهنگری قالب باز اکثراً بر قطعات بزرگ انجام می شود، اطمینان از اینکه شمشال به طور کامل تا مرکز تغییر شکل کرده باشد مهم است. توصیه می شود که نسبت گاز b/h از 1.3 کمتر نباشد، تا تغییر شکل ناهمگن را به حداقل برساند.

بار لازم برای آهنگری یک قطعه صاف در قالب های باز از رابطه زیر تخمین زده می شود:

SHAPE  \* MERGEFORMAT

که C ضریب قید برای پذیرفتن تغییر شکل ناهمگن است. یادآوری می  شود که مقاومت تغییر شکل با Δ=h/L زیاد می شود. هیل (Hill) میدان های خط لغزش را برای آهنگری با شرایط مختلف Δ بنا کرد که نتایج آن با رابطه زیر بیان می شود:

C = 0.8 + 0.2 h/b = 0.8 + 0.2 Δ

آهنگری قالب بسته (Closed-Die Forging)

در آهنگری قالب بسته قطعه بین دو نیم قالب که اثر شکل نهایی قطعه بر آن ها نقش بسته، تغییر شکل پیدا می کند. در این روش قطعه تحت فشار زیاد در یک حفره بسته تغییر شکل می دهد و بنابراین قطعات آهنگری شده دقیقی با حدود مجاز ابعادی ظریف قابل تولید هستند.

در فرآیند آهنگری قالب بسته، پلیسه نقش مهمی در کنترل پر کردن قالب و ایجاد بارهای آهنگری زیاد دارد. معمولاً تغییر شکل در آهنگری قالب بسته خیلی پیچیده است و طراحی مراحل میانی برای ایجاد قطعه دقیق نهایی به تجربه و مهارت زیادی نیاز دارد. موفقیت کلی عملیات آهنگری به درک مفهوم تنش جریان ماده، شرایط اصطکاکی و جریان ماده برای ارائه بهترین شکل هندسی قالب ها بستگی دارد. مشکل ویژه این روش ممانعت از سرد شدن سریع قطعه توسط قالب های سردتر از قطعه است.

 

طراحی قطعه در آهنگری

طراحی قطعه ای برای تولید به روش آهنگری قالب بسته پیش بینی های زیر را ایجاب می کند:

1.       حجم و وزن قطعه

2.       تعداد مراحل و نظم انجام عملیات پیش شکل دادن

3.       ابعاد پلیسه در قالب های پیش شکل و نهایی

4.       شرایط بار و انرژی لازم برای هر یک از عملیات آهنگری

طراحی پیش شکل (perform) مشکل ترین و بحرانی ترین مراحل در طراحی آهنگری است. طراحی صحیح پیش شکل ، جریان بی عیب و پر شدن کامل قالب و حداقل ضایعات را تضمین می کند. موفقیت در این زمینه به شناخت کلی جریان فلز حین آهنگری بستگی دارد. با اینکه جریان فلز فقط شامل دو نوع جریان اصلی اکستروژن ( جریان موازی با جهت حرکت قالب ) است؛ در بیشتر عملیات آهنگری هر دو جریان به طور همزمان رخ می دهند. تعیین سطوح خنثی گام مهمی در شناخت جریان فلز است. فلز از سطح خنثی در جهتی عمود بر حرکت قالب جریان می کند.

در طراحی یک پیش شکل چنین متداول است که مقاطع کلیدی در قطعه آهنگری در نظر گرفته شده و پیش شکل بر مبنای جریان فلز طراحی می شود. بعضی ملاحظات کلی عبارتند از:

1.       سطح هر مقطع در امتداد طول باید مساوی مساحت مقطع نهایی به اضافه پلیسه باشد.

2.       کلیه شعاع های مقعر روی پیش شکل باید از شعاع های واقع بر قطعه آهنگری شده نهایی بزرگتر باشند.

3.       سطح مقطع پیش شکل باید بلند تر و باریک تر از سطح مقطع نهایی باشد تا جریان بر آمده کردن (upsetting) را قطعی تر کند و جریان اکستروژن را به حداقل برساند.

جریان در مرحله نهایی و به طور آرمانی باید از جانب به طرف حفره قالب و بدون برش اضافی در مرز قطعه با قالب باشد. این نوع جریان، اصطکاک، با آهنگری و سایش قالب را به حداقل می رساند.

بازکشش (Redrawing)

به کاهش دادن یک ظرف با کشیدن قطعه ای برای کمتر شدن قطر و زیاد شدن ارتفاع آن گفته می شود. بازکشش به دو روش اصلی انجام می شود که عبارتند از:

• بازکشش مستقیم یا منظم
• بازکشش معکوس یا غیر مستقیم

در بازکشش مستقیم سطح خارجی اولیه ظرف به سطح خارجی ظرف باز کشیده شده تبدیل می شود. شکل زیر قسمت الف باز کشش مستقیم توسط یک حلقه بازفشاری را نشان می دهد. توجه شود که فلز باید دو دفعه خم شود و در شعاع های قالب و منگنه خم و راست شود. کار سختی زیادی که در این فرآیند به وجود می آید توسط طراحی فرآیند مطابق قسمت ب کمتر از حالت الف می گردد. بدین ترتیب با اینکه هنوز فلز، تحت همان تعداد خمش قرار می گیرد، ولی زاویه ای که از درون آن خم می شود از 90 درجه کمتر است و بار منگنه کاهش می یابد. عیب طراحی نشان داده شده در قسمت ب از شکل زیر، این است که ظرف کشیده شده باید در مرحله اول با یک گوشه مخروطی ساخته شود. این نوع ظرف کشیده شده نمی تواند در تمام فلزات بدون کمانش تولید شود. ضخامت حلقه بازفشاری به کار رفته در بازکشش مستقیم، توسط درصد کاهش بازکشش تعیین می شود. برای کاهش های کوچک، حلقه بازفشاری به کار نمی رود.