بررسی امكان‌پذیری طراحی و ساخت قالبهای فورج مدولار
مقدمه:
برای بهینه سازی صنعتی و رونق اقتصادی، و ارتقاء و پیشرفت آموزشی و تكنولوژیكی و قدرت علمی و رقابت فرآورده‌های تولیدی در بازارهای جهانی نیاز به كسب دانش جدید، آموزش و به كارگیری تكنولوژی و روشهای مدرن در صنعت قالبسازی می‌باشد.
هم اكنون بیشتر قطعات مهم صنایع خودروسازی، و صنایع نظامی و موتورسیكلت، و ابزار آلات صنعتی و … به كمك صنعت آهنگری و قالب های فورج تهیه می‌شوند.
با توجه به آمار و ارقام و تحلیل‌های علمی و كاربردی صنعتی كه انجام شده است، باید پروسة طراحی و ساخت قالبهای فورج كه شامل طراحی علمی و محاسباتی قالب است و انتخاب مواد قالب و مراحل ساخت و ماشینكاری و عملیات حرارتی قطعات و مونتاژ قالب به شكل صحیح و علمی انجام شود تا قالبها عمر و بازدهی مفیدی داشته باشند و محصولات تولیدی اشان نیز كیفیت مطلوب، عالی و استانداردی را پیدا نمایند.
آهنگری قدیمی ترین و اصلی ترین روش شكل دادن فلزات است. آهنگری به معنای تغییر شكل مواد با فشار بین قالبها، احتمالاً قدیمی ترین روشی است كه توسط انسان به كار گرفته شده است تا فلزات را به شكل مناسبی در آورد. طی سالهای متمادی صنعت آهنگری مراحل پیشرفت را طی نموده است.
شكل دادن طبق DIN 8580 یعنی «تولید با روش تغییر شكل خمیری (پلاستیكی) یك جسم جامد كه در آن جرم و نیز همبستگی آن حفظ شود.
طبق یك تقسیم بندی در روشهای شكل دادن براساس تنشهای غالب موجود در منطقه شكل دادن، شكل دادن با قالب بسته آهنگری و شكل دادن با قالب باز در این تقسیم بندی روشهای شكل دادن، جزء زیر مجموعه‌های شكل دادن فشاری می باشند.
از قابلیت‌های روش فورج در تولید فرآورده‌های صنعتی می‌توان به كاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به كمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره كرد.
موضوع مورد بحث، بررسی امكان‌پذیری طراحی و ساخت قالبهای فورج مدولار می‌باشد یعنی انعطاف پذیر كردن قالب فورج، یا قطعه قطعه كردن قالب فورج، یعنی در ساخت قالب از چندین قطعه استفاده شود به صورت Modular. كه از كنار هم قرار گرفتن آنها، كل قالب شكل می‌گیرد.
هدف این طرح آن است كه یك قالب تنها برای تولید یك قطعه یا یك محصول نباشد، بلكه با جابه‌جا كردن مدولهای آن و جایگزین كردن مدول مناسب بتوان محصول دیگر را تولید كرد.
حتی اگر قسمتی از قالب دچار مشكل شد یعنی ترك بردار یا بشكند می‌توان مدول آسیب دیده را خارج كرد و مدول مناسب را در سرجای خود جازد. مهم آن است كه این طرح باعث می شود، زمان طراحی فوق‌العاده كاهش یابد، و یك كاهش مهم در هزینه‌های ابزار ایجاد می‌شود.
این امر همچنین باعث تنوع در محصولات تولیدی خواهد شد و ما می توانیم در كوتاهترین زمان ممكن با تعویض قسمتهایی از قالب با مدولهای مناسب، محصول جدید دیگری را تولید كنیم و میزان تولیدات محصولها را نیز افزایش می دهد.
فصل اول:
صنعت فورج
فصل اول:
1- صنعت فورج
فورج و شكل دهی فلزات گداخته یا تحت فشار قرار دادن آنها، توسط قالبهای فورج و یا پرس‌های هیدرولیك یا پنوماتیك و یا پتك های ضربه‌ای را صنعت فورجینگ می نامند.
اكثر قطعات صنعتی در صنایع مهم مانند ماشین سازی، خودروسازی و صنایع نظامی با روش فورج تهیه می‌شوند.
در روش فورجینگ (آهنگری) مواد كار با قابلیت كوره‌كاری، و در حالت گداخته، فرم لازم را می گیرند. این قطعات دارای مقاومت و استحكام بیشتری نسبت به قطعات مشابه ماشینكاری شده هستند.
زیرا در پروسة 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 كاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به كمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره كرد.
اكثر فلزات چكش خوار مانند فولادها، و آلیاژ‌های مس، آلیاژ‌های آلومینیوم و … قابلیت عملیات آهنگری را دارند.
چدن خاكستری جزء فلزاتی است كه خاصیت آهنگری نداشته، زیرا امكان شكستگی در آن وجود دارد.
قابلیت كوره‌كاری و فورج قطعات فولادی، به مواد آلیاژی موجود در آنها بستگی دارد. هر چه مقداری كربن فولادها كمتر باشد، می‌توان حرارت شروع آهنگری را افزایش داد.
در پروسة فورجینگ با افزایش مقدار كربن در فلزات از قابلیت فرم‌گیری و آهنگری آنها كاسته می‌شود. همچنین فولاد‌هایی برای عملیات فورج مناسب می باشند كه مقدار فسفر و گوگرد آنها از 1% بیشتر نباشد و اگر مقداری گوگرد در فولاد زیاد باشد باعث ایجاد و شكستگی و ترك‌هایی بر روی فولاد گداخته می‌گردد.
در ساخت قالبهای فورج از روشهای جدید تكنولوژی ماشینكاری و اسپارك استفاده می كنند، به این شكل كه ابتدا محفظة قالبهای فورج را با روش سنتی ماشینكاری می‌كنند و اندازه نهایی را با ساختن الكترودهای مسی كه شكل و ابعاد دقیق قطعه كار است، با عملیات اسپارك اورژن انجام می دهند.
البته مدلهای مسی (الكترودها) با روش كپی كاری گرافیت روی دستگاه سه بعدی كپی سازی طراحی و ساخته می‌شوند.
در طراحی و ساخت قالبهای فورج باید به قدرت بلوك‌ها، اسكلت قالبهای فورج، با توجه به فشار بالا، و مقدار تناژ لارم و نیزوی كه برای تولید به كار می رود، توجه نمود.
بلوك‌ها و ساختمان قالب باید توانایی تحمل فشارهای عمودی (فشارهای پرسی) و فشارهای جانبی (عكس العمل داخلی قالب) را داشته باشند و در به كارگیری فولادهای آلیاژی با استفاده از جداول فولادها، بهترین انتخاب را انجام داد.
در عملیات حرارتی كه شامل آبكاری و برگشت فولادهای قالب است، باید نهایت دقت و حوصله را به كاربرد و توجه كرد كه عمق شیارهای پیرامون حفره‌ها و محفظه‌های مادگی قالب (محل فرار مازاد مولد اولیه قطعات كار) طوری محاسبه و تعیین شود كه حجم اضافی مواد درون آن را پر كند و اضافه نیاید، زیرا باعث بازماندن درز قالب‌شده و از اندازة قطعه كار فورج شده، خارج می‌گردد.
قالب فورج معمولاً پس از ماشینكاری قطعات و سنگ زنی، مورد عملیات حرارتی قرار می‌گیرند و بعد از پرداخت كاری و مونتاژ نهایی در تولید به كار می روند. برای اقدام به تولید انبوه قطعات صنعتی كه اكثراً دارای استحكام بالا و مقاومت‌های فشاری، كششی 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 بلوك‌های قالب فورج از فولادهای گرم كار ساخته می‌شوند. حفره و محفظة قالب فورج باید اندازة دقیق قطعات تمام شده را دارا باشد تا مادة 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 كاربردی در صنعت فورجینگ می‌توان كیفیت قطعات تولیدی فورج شده را افزایش داد.
مثلاً بعد از عملیات پرسكاری فورج قطعات فولادی، محیط و روش خنك كاری باید با بررسی های متالوژیكی انجام گیرد و مسائلی مانند نوع فولاد فورج شده و سختی پذیری و ضخامت مقطع آن در نحوة خنك كاری مؤثر است.
در مواردی سطح خارجی فولاد گداخته و اكسید شده و با لایه‌ای پوشیده می‌شود كه قبل از شروع عملیات فرم دهی، باید لایه را جدا كرد و قطعات فولادی و گداخته را حتی المقدور و با دقت و به شكل آرام و یكنواخت سرد كرد تا از بوجود آمدن تنش و ایجاد ترك در قطعات جلوگیری شود تا محصولات تولید شده دارای مقاومت و استحكام بالایی باشند.
در صنعت فورجینگ از كوره‌های آهنگری معمولی و گاهی كوره‌های پیشرفته و مدرن برای حرارت دادن قطعات فورج استفاده می‌شود.
امروزه برای پرسكاری و جا‌به‌جائی قطعات فورج شده از تكنولوژی روبوت استفاده می‌شود كه دارای ضریب حفاظتی عالی و راندمان تولید بالا می‌باشد. در مواردی، روش دستی را به كار می برند كه از انبرهای مخصوص و بلند برای گرفتن و جا به جا كردن قطعات آهنگری استفاده می‌شود.
1-1- انواع عملیات آهنگری
عملیات آهنگری را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی كرد كه 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 پلاستیكی فلز در دمای پایین تر از نقطة تبلور مجدد صورت می‌گیرد و همراه با كرنش سختی است.
ب. آهنگری داغ Hot Forging
دمای قطعه بالاتر از دمای تبلور مجدد می رود، یعنی دمای بیلت آنقدر بالا است كه از ایجاد كرنش 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 شكل فلز (T) به دمای نقطه جوش آن (Tm) به عنوان نسبت تطابق دما معرفی می‌گردد. هر دو دما برحسب كلوین باید باشد. +273 درجه سانتی‌گراد 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 میزان تنش سیلان و كرنش سختی با افزایش دما كاهش می یابد. و نسبت به آهنگری سرد نیروی كمتری مورد نیاز است.
آهنگری گرم معمولاً برای كالیبره كردن 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 می‌كند و در واقع فاز اتمی است كه تغییر می كند، و در این دما ریز ساختار‌هابه هم می خورند یا تغییر می‌كنند و نا به جائی ها را تغییر می دهد كه در فولاد 1300 می‌باشد. بنابراین افزایش دمای فلز در هنگام فورج باعث افزایش شكل پذیری آن و كاهش نیرو و انرژی می‌گردد. چون افزایش دما تنش سیلان فلز را كاهش می دهد.
2-1-1- از دید چگونگی تغییر شكل
فرآیند آهنگری با توجه به اینكه فلز در ضمن تغییر شكل 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 شكل دهد.