همه چیز درباره‌ی فورجینگ (Forging)

فورجینگ معروف به آهنگری عملیات کار بر روی فلزات است که مراحل اصلی آن شامل شکل‌دهی، تغییر فرم و فشرده‌سازی فلز می‌شود. فرآیند فورجینگ را با توجه به نوع فلز و طراحی محصول نهایی در مدل‌های گرم یا سرد اجرا می‌کنند. به عبارتی، عملیات فورجینگ از روش‌های محبوب شکل‌دهی به فلزات با روش‌های گرم و سرد است که آن را می‌توان بر روی اکثر فلزات اجرا کرد. همچنین، قطعات نهایی حاصل از جوش فورجینگ دارای خواص متالورژیکی و مکانیکی مطلوبی هستند و میزان سختی و مقاومت آن‌ها در سطح بالایی قرار دارد. در ادامه با انواع فورجینگ و مشخصات آن‌ها آشنا خواهید شد.

انواع فورجینگ

فورجینگ را از جنبه‌های مختلف طبقه‌بندی کرده‌اند که یکی از آن‌ها، محدوده دمایی است. فورجینگ ازنظر محدوده دمایی شامل گرم و سرد می‌شود. فلزات در فورجینگ سرد تا حدی در معرض گرما قرار می‌گیرند که کارپذیر شوند. در مقابل، فلزات در فورجینگ گرم تا نزدیکی نقطه ذوب تحت حرارت قرار می‌گیرند. دسته‌‌بندی دیگر مربوط به روش‌های آن می‌شود. در ادامه با روش‌های مختلف فورجینگ آشنا خواهید شد.

فورجینگ سرد

فلزات در فورجینگ سرد (Cold Forging) جهت تغییر شکل در دمای اتاق یا کمی بالاتر از آن قرار می‌گیرند. همچنین، دمای فلز نهایتا تا سه دهم دمای تبلور مجدد آن پیش می‌رود. این مدل فورجینگ، روش مناسبی برای شکل‌دهی فلزات نرم همچون مس و آلومینیوم است. علاوه بر این، فورجینگ سرد نوعی اصطلاح کلی است که شامل فرآیند کشش، کله‌زنی، ضرب‌زدن، پانچ کردن و نورد رزوه می‌شود. از مزایای فورجینگ سرد نیز می‌توان به کاهش پردازش محصولات نهایی، بهبود ثبات ابعادی و هزینه مناسب آن اشاره کرد.

فورجینگ گرم

قطعات در فورجینگ گرم در دمایی بیش از دمای تبلور قرار می‌گیرند و همین‌طور، گرما از قطعات به قالب‌ها منتقل می‌شود. در این روش، فلزات مستحکم را در سایزهای مختلف می‌توان به راحتی شکل داد. همچنین، پروسه فورجینگ گرم بسیار آسان و مقرون به صرفه است؛ از‌این‌رو، بسیاری از قطعات فلزی را با این فرآیند به اشکال موردنظر خود تبدیل می‌کنند. به این ترتیب، عملیات فورجینگ گرم همان‌طور که از نامش پیداست با اعمال حرارت باعث شکل‌دهی به فلزات می‌شود.

فورجینگ در نورد و فورجینگ با نورد حلقه‌ای

فورجینگ در نورد (Roll Forging) این‌گونه است که قطعه را گرم کرده و سپس، از بین دو غلتک که در خلاف جهت یکدیگر حرکت می‌کنند، عبور می‌دهند. شکل و اندازه قطعه نیز با توجه به اشکال هندسی در غلتک‌ها مشخص می‌شود. در پایان، قطعه نهایی با کمی چرخش غلتک‌ها در زمان عبور قطعه فلزی به دست می‌آید. شایان ذکر است، مراحل فورجینگ در نورد با فورجینگ با نورد حلقه‌ای (Rolled Ring Forging) فرق دارد. در فورجینگ با نورد حلقه‌ای، قطعه پیش از شروع به کار شبیه یک دونات میان تهی می‌شود و سپس، تحت حرارت قرار می‌گیرد تا کارپذیر شود.

در شروع مدل نورد حلقه‌ای نیز قطعه میان دو غلتک تحت عنوان idler roll و driver roll قرار گرفته و غلتک‌های محوری نیز همزمان شروع به چرخش می‌کنند تا فشرده شود. با به حرکت درآمدن idler roll قطر قطعه بیشتر شده و دیواره‌های آن نازک‌تر می شود. رول‌های محوری هم به کنترل پهنای حلقه می‌پردازند. در آخر، حلقه نوردشده نوعی بیضی فاقد درز است که در مواردی نظیر چرخ دنده، یاتاقان، سوپاپ و کلاچ مورداستفاده قرار می‌گیرد. بعلاوه از مزایای فورجینگ با نورد حلقه‌ای می‌توان به مقاومت بالای محصولات نهایی، ماشین‌کاری کم، الگوی پایداری دانه‌بندی و قابل‌استفاده برای طیف گسترده‌ای از مواد اشاره کرد.

فورجینگ قالب باز

فورجینگ قالب باز (Open Die Forging) یکی دیگر از انواع فورجینگ است که آن را با نام فورجینگ سقوطی (Drop Forging) هم می‌شناسند. در این نوع فورجینگ، قطعه تحت حرارت قرار می‌گیرد تا برای انتقال به مراحل بعد آماده شود. سپس، قطعه را بدون اینکه به صورت کامل وارد قالب کنند به فرآیند بعدی هدایت می‌کنند و تا هنگامی که به شکل قالب دربیاید در داخل آن باقی مانده و کوبیده می‌شود. به این ترتیب، مراحل فورجینگ قالب باز ساده است؛ اما باید با دقت زیادی انجام بگیرد تا قطعه نهایی ازنظر شکل و ابعاد کیفیت قابل‌قبولی داشته باشد.

فورجینگ قالب بسته

فورجینگ قالب بسته (Closed Die Forging) با نام آهنگری قالبی (Impression Forging) نیز شناخته می‌شود. در این فورجینگ، دو نیمه قالب به طرف یکدیگر حرکت می‌کنند تا قطعه محصور شود. مراحل انجام آن نیز این‌گونه است که قطعه از قبل گرم‌شده را در قالب پایینی تعبیه می‌کنند. سپس، نیروی به وجود آمده بر اثر سوار شدن دو نیمه قالب، قطعه را تحت فشار قرار می‌دهد تا به شکل نهایی تبدیل شود. درضمن، انجام فورجینگ قالب بسته نسبت به سایر روش‌ها پرهزینه‌تر است؛ اما در عوض محصول نهایی دقت، کیفیت و مقاومت فوق‌العاده‌ای دارد.

فورجینگ آپست

فورجینگ آپست (Upset Forging) که به کله‌زنی هم معروف است به دو حالت سرد و گرم انجام می‌گیرد. در این فورجینگ با وارد کردن ضربه، سطح مقطع قطعات افزایش می‌یابد. درواقع، قسمت انتهایی قطعات با ضربات پشت‌سرهم تحت فشار قرار می‌گیرند تا نهایتا، سطح آن‌ها افزایش یابد و به شکل موردنظر تبدیل شوند. فورجینگ آپست معمولا جهت تولید پیچ و مهره و همین‌طور، میخ‌های مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد.

فورجینگ ایزوترمال

در فورجینگ ایزوترمال (Isothermal Forging) یا هم‌دما، قطعات در طی فرآیند آن در بالاترین دمای ممکن قرار می‌گیرند. این کار با حرارت‌دهی قالب تا دمای کارپذیری فلز صورت می‌گیرد. همچنین، سطح تماس قطعات و قالب‌ها در فورجینگ ایزوترمال از بین می‌رود که این حالت به بهتر شدن خصوصیات و ویژگی‌های آن‌ها کمک می‌کند. بنابراین، فرآیند فورجینگ ایزوترمال یا هم‌دما با بهبود عملکرد قطعات همراه خواهد بود.

فورجینگ چند جهته

فورجینگ چند جهته (Multidirectional Forging) نوعی عملیات فورجینگ گرم جهت ساخت قطعات پیچیده است. در این عملیات، ابتدا یک میله فولادی را در دمای اتاق وارد دستگاه فورجینگ می‌کنند. میله در حین وارد شدن با سیم پیچ‌های القایی تا محدوده دمایی 1093 الی 1315 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌بیند. سپس، قطعه گرم‌شده از راه فورج چندجهته رد می‌شود و قوس‌هایی به صورت افقی و عمودی بر روی آن به وجود می‌آیند.

عملیات فورجینگ بر روی چه فلزاتی انجام می‌شود؟

همان‌طور که اشاره شد، عملیات فورجینگ قابل‌اعمال بر روی اکثر فلزات است. یکی از معروف‌ترین انواع فورجینگ مربوط به میلگرد است که به آن فورجینگ میلگرد می‌گویند. اما فلزات آورده‌شده در قسمت زیر رایج‌ترین فلزات برای فورجینگ هستند:

• مس
• برنج
•  نیکل
• فولاد
• کبالت
• تیتانیوم
• مولیبدن
• آلومینیوم
• فولاد زنگ‌نزن

فرآیند فورجینگ چه مراحلی دارد؟

به‌طورکلی، فرآیند فورجینگ شامل مراحل فشرده‌سازی، آنیلینگ، شکل دادن، افزایش سختی قطعه و تمپرینگ می‌شود که در ادامه به معرفی یکایک آن‌ها پرداخته‌ایم:

فشرده سازی

فشرده‌سازی یکی از مهم‌ترین مراحل فورجینگ یا آهنگری است. در فورجینگ بدون در نظر گرفتن سرد یا گرم بودن روش آن نیاز به اعمال یک نیروی زیاد با کمک قالب، وزنه سنگین یا پتک است تا قطعه کار برای شکل‌دهی آماده شود. ضمن اینکه فلزات سخت و سنگین پیش از فورجینگ باید تحت عملیات حرارت‌دهی قرار بگیرند؛ اما فلزات نرم همچون مس، برنج و آلومینیوم نیازی به حرارت‌دهی ندارند و آن‌ها را می‌توان به حالت سرد آهنگری کرد.

آنیلینگ

آنیلینگ (Annealing) یا آنیل کردن یکی از بخش‌های مهم عملیات فورجینگ است که به منظور افزایش انعطاف‌پذیری و کاهش سختی فلز انجام می‌گیرد؛ درواقع، با آنیلینگ می‌توان کارپذیری قطعات فلزی را به صورت چشمگیری بهبود بخشید. در این فرآیند، فلز با چندین روش مانند گرمایش القایی تا دمایی فراتر از دمای تبلور گرم می‌شود و مدتی در این وضعیت باقی می‌ماند. سرعت خنک کردن فلز بعد از آنیل نیز به مدل فلز و مشخصات آن بستگی دارد.

شکل دادن

زمانی که فلز تا حدی منطف شد که امکان شکل‌دهی آن وجود داشت تحت فرآیندهای مختلفی جهت تبدیل شدن به شکل نهایی قرار می‌گیرد. از این فرآیندها می‌توان به چکش‌کاری، آسیاب کردن، قالب‌گیری، فشرده‌سازی و خم‌کاری اشاره کرد. در این فرآیندها، قطعات فلزی با قرارگرفتن در تنش‌های مختلف به شکل موردنظر تولیدکنندگان تبدیل می‌شوند.

افزایش سختی قطعه

میزان سختی قطعه فورج‌شده به فرآیندش بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال، قطعات ساخته‌شده با فورجینگ سرد دارای سختی بالاتری نسبت به قطعات فورج گرم هستند. به‌طورکلی، قطعات در فورجینگ، فشرده شده و تغییر شکل می‌دهند و ساختار دانه‌بندی آن‌ها نیز در راستای شکل‌دهی دچار تغییر می‌شود. این پروسه موجبات افزایش مقاومت قطعات در برابر خستگی را فراهم می‌کند و درکل، خواص مکانیکی آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

تمپرینگ

فرآیند تمپرینگ (Tempering) یا تمپر کردن با هدف افزایش استحکام فلز صورت می‌گیرد. این فرآیند منجر به تنش در قطعه کار می‌شود و عملیات آن شامل گرم کردن، شکل دادن، خنک کردن و گرم کردن مجدد است. از مزایای تمپرینگ می‌توان به بهبود سختی و چقرمگی، جوشکاری بهتر، افزایش انعطاف‌پذیری، کاهش شکنندگی و همین‌طور، بالا رفتن مقاومت قطعات در برابر سایش و اصطکاک اشاره کرد.

معایب و مزایای جوش فورجینگ

جوش فورجینگ همچون سایر فرآیندهای مربوط به صنعت فولادسازی مزایا و معایب مختص به خود را دارد که در اینجا به بررسی آن‌ها پرداخته‌ایم. از مزایای جوش فورجینگ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سرعت بالا
• مقرون به صرفه بودن
• مقاومت به خستگی بالا
• کیفیت بالای سطوح قطعات
• نداشتن محدودیت در طراحی
• قابلیت بازیابی قطعات تولیدی
• استقامت بالا در جهت فورج‌شده
• امکان کار با ضخامت‌های مختلف
• امکان ساخت قطعات با طراحی پیچیده

محدودیت‌ها و معایب جوش فورجینگ به شرح زیر است:

• نیاز به دقت و حساسیت زیاد
• نیاز به داشتن مهارت و تجربه بالا
• تاثیرپذیری از دمای محیط (فورجینگ گزینه ایده‌آلی برای مناطق گرمسیری است)

دستگاه فورجینگ چیست و از چه اجزایی تشکیل شده است؟

دستگاه فورجینگ با برخورداری از قابلیت ایجاد فشار گاز می‌تواند فرآیند جوش را طبق استانداردهای تعریف‌شده این حوزه انجام دهد. به عبارتی، حرارتی که توسط دستگاه بر روی قطعات اعمال می‌شود ناشی از فشار بالای گاز است. از اجزای دستگاه فورجینگ هم می‌توان به پمپ تحت ‌فشار هیدرولیکی، مشعل، مانومتر و شیلنگ مخصوص اشاره کرد. قابلیت ایجاد فشار پمپ هیدرولیکی آن حدود 350 الی 700 بار است و یک مخزن روغن سه لیتری هم دارد. علاوه بر این، وزن دستگاه جوش فورجینگ در مدل‌های مختلف به حدود 15 کیلوگرم می‌رسد.

نکات ایمنی هنگام استفاده از دستگاه جوش فورجینگ

در هنگام استفاده از دستگاه جوش فورجینگ باید به نکات ایمنی توجه کامل داشته باشید. استفاده صحیح از کپسول‌های گاز و هوای تحت فشار یکی از این نکات است. همچنین، فاصله منطقه انجام جوشکاری با کپسول باید حداقل 14 متر باشد. سایر تجهیزات جوشکاری و شکل‌دهی به فلزات نیز باید از کیفیت و ایمنی لازم برخوردار باشند تا کار به بهترین حالت ممکن صورت بگیرد. در آخر اینکه فرآیند فورجینگ را به افراد متخصص و مجرب بسپارید. این فرآیند از حساسیت بالایی برخوردار است و افراد مبتدی از عهده آن برنمی‌آیند. به این ترتیب، برای گرفتن نتیجه بهتر فروجینگ‌کار متخصص استخدام کنید.