فرآیندهای شکل دادن حجمی فلزات
فرآیند تغییر شکل حجمی Bulk Deformation Process
به عملیات تغییر شکل بر روی قطعاتی که دارای سطح بیرونی کوچکی نسبت به حجم قطعه باشند فرآیند تغییر شکل حجمی میگویند. در تمامی فرآیندهای تغییر شکل حجمی ضخامت یا سطح مقطع تغییر پیدا میکند. فرآیند تغییر شکل حجمی فلزات عبارتند از:
1) آهنگری Forging
2) نورد Rolling (مسطح و فرمدار)
3) اکستروژن
4) کشش
1) آهنگری
به خانوادهای از فرآیندها اطلاق میشود که تغییر شکل پلاستیک قطعه با استفاده از نیروهای تراکمی صورت میگیرد. میل لنگ، شاتون، دیسکهای توربین، چرخدندهها با استفاده از عملیات آهنگری ساخته میشودند.
آهنگری را با توجه به دمای قطعه و یا نوع قالب به دو دسته یا به دو گروه تقسیم میکنند:
I) طبقهبندی بر اساس دما،
- سردکاری
- گرمکاری
- داغکاری
II) طبقهبندی بر اساس قالب عملیات،
- قالبهای باز
- قالبهای فرمدهی یا فلاش
- قالبهای بسته
2) نورد
نورد فرآیند کاهش ضخامت یا تغییر سطح مقطع یک قطعه کاری بلند از طریق اعمال نیروی تراکمی توسط مجموعهای از غلتکها میباشد.
عملیات نورد بیشتر به صورت نورد مسطح یا فرمدار میباشد.
انواع عملیات نورد عبارتند از:
I) صفحات فلزی: معمولا برای صفحاتی استفاده میشود که ضخامت آنها بیشتر از 6 میلیمتر است و معمولا برای ساخت بدنهی کشتی، بویلرها، پلها و تیرآهن به کار میرود.
II) ورقهای فلزی: این حالت برای ورقهایی با ضخامت کمتر از 6 میلیمتر است که معمولا برای ساخت بدنهی خودرو، ظروف نگهداری غذا و لوازم اداری استفاده میشود.
روشهای مختلف نوردکاری
1) نورد فرمدهی: برای ساخت تیرآهن، ریل قطار به کار میرود.
2) نورد رینگ: در این عملیات رینگهایی با قطر کم و ضخامت زیاد به رینگهایی با قطر زیاد و ضخامت کم تبدیل میشود.
3) نورد پیچدنده: در این عملیات انواع پیچهای مختلف بدون برادهبرداری و با سرعت بالا تولید میشود. این پیچها دارای مقاومت بالا و سطح صاف میباشند.
3) اکستروژن
فرآیند شکلدهی نسبتا جدیدی هست. این فرآیند یک فرآیند پیوسته و پایدار است. در این روش یک قطعهی توپر استوانهای در یک محفظهی قالب قرار میگیرد و به کمک نیروی سمبه از روزنهی قالب بیرون رانده میشود. قالب ممکن است مدبر یا به شکل دیگری باشد. پرسهای که در اکستروژن استفاده میشودند مکانیکی یا هیدرولیکی هستند و عمدتا برای آلیاژهای Al، Cu، Mg، Ti به کار میروند. این روش شامل فرآیندهای سرد، گرم و داغ میباشد و برای تولید قطعات صاف با سطح مقطع ثابت مانند میله، قطعات توپر و توخالی و قطعات باریک به کار میرود.
اکستروژن دارای مزایای زیر است:
1- نرخ تولید بالا
2- تلورانس ابعادی و سطح تمام شده بسیار خوب
3- صرفهجویی در ماده و هزینهی ماشینکاری
4- استقامت کششی بالا به خاطر کرنش سختی
5- دارا بودن ساختار دانهای مناسب که باعث بالا بردن استحکام قطعهی اکسترود شده میباشد.
فرآیندهای اکستروژن
1) اکستروژن مستقیم: در این روش با اعمال نیرو از پشت، بیلت نسبت به دیوارهی قالب میلغزد و در جهت حرکت سمبه به جریان میافتد. استحکاک بین دیوارهی قالب و قطعه باعث افزایش نیروی سمبه میشود.
2) اکستروژن غیرمستقیم: در این فرآیند قالب به سمت ماده حرکت کرده و جهت حرکت جریان مواد بر خلاف جهت حرکت قالب است. در این حالت نیروی لازم برای تغییر شکل قطعه کمتر از اکستروژن مستقیم است.
3) اکستروژن هیدرواستاتیک: در این فرآیند محفظهی قالب را با یک نوع سیال پر میکنند. در نتیجه استحکاک بین بیلت و دیوارهی محفظهی قالب وجود ندارد. در این حالت نیرو از طریق یک سیال واسط به بیلت منتقل میشود.پ
4) اکستروژن ضربهای: نوعی اکستروژن غیرمستقیم و برای تولید قطعات توخالی به کار میرود مانند قوطیهای دارو و نوشابه.
4) کشش میله، سیم و لوله
کشش فرآیندی است که مساحت سطح مقطع یک میله یا سیم را با کشیدن آن توسط یک نیروی کششی از میان قالب همگرا کاهش میدهد. معمولا این عمل در دمای اتاق صورت میگیرد (شبیه اکستروژن). حداکثر قطر میلهای که به کار میرود 150 میلیمتر است و حداقل آن 0.01 میلیمتر.
توجه به این نکته ضروری است که سرعت کشش میله و سیم با عبور از قالب به تدریج زیاد میشود و دامنهی آن بین 0.5 تا 50 متر بر ثانیه (m/s) میباشد.
ساختمان قالب کشش
1- قسمت ورودی قالب
2- زاویه شروع
3- منطقهی یاتاقان
4- منطقهی آرامساز
شکل
محدودیتهای فرآیند کشش
1- برای جلوگیری از پارگی میله یا سیم نیروی کشش باید کمتر از مقاومت کششی محصول باشد. در نتیجه کاهش در سطح مقطع یک میله یا سیم به کمتر از 30% میرسد (قالب به قالب)
2- یکی از رایجترین معایب کشش ایجاد ترکهای مرکزی در طول میله یا سیم است که به خاطر تغییر شکل یکنواخت به وجود میآید. این ترکها با نسبت Δ کنترل میشود.
Δ=a/b=d1+d2/d1-d2(a)
A : طول قوس بین نقاط واقع شده در میان سطح تماس میله و قالب است.
B : طول قوس میله و قالب است.
D1 : قطر میله هنگام ورود به قالب است.
D2 : قطر میله هنگام خروج از قالب است.
فرآیند شکلدهی ورق فلزی
محصولاتی که با استفاده از این فرآیندها ساخته میشودند بسیار متنوعاند. شکلدهی ورقهای فلزی یا پرسکاری یکی از مهمترین فرآیندهای فلزکاری محسوب میشود.
فاکتورهای مهم در شکلدهی فلزات
1) ازدیاد طول (Elongation): ازدیاد طول یکنواخت یکی از فاکتورهای مطلوب در شکلدهی ورق فلزی میباشد (هرچقدر n بزرگتر باشد آن فلز برای شکلدهی مناسبتر است).
Б=k£^n
2) ازدیاد طول در نقطهی تسلیم (Yield Point Elongation): فولادهای کمکربن رفتار خاصی از خود نشان میدهند که با آن ازدیاد طول در نقطهی تسلیم میگویند. این نوع ازدیاد طول به خاطر تاثیر نامناسب در سطح قطعه و ایجاد اشکال در پوشش ورق در مراحل بعدی مناسب نیست.
شکل
3) ناهمگونی: این خاصیت به هنگام عملیات تولید به وجود میآید. آرایش مناسب دانههای تشکیلدهندهی فلز به هنگام تولید آن از اهمیت خاصی برخوردار است.
4) اندازهی دانهها: اندازهی دانهبندی ورقهی فلز به دو دلیل حائر اهمیت است: 1) تاثیر آن در خواص مکانیکی، 2) تاثیر آن در ظاهر قطعات
5) تنش باقیمانده (Residual Distress): در تولید قطعات به علت تغییر شکل غیر یکنواخت تنش باقیمانده یا پسمان میتواند وجود داشته باشد که وجود آن ممکن است باعث ایجاد ترکخوردگی تنشی گردد.
6) بازگشت: قطعهی تولیدشده با ورق به علت ضخامت کم تحت اثر کرنش کمی قرار دارد که احتمال بازگشت آن در مراحل بعدی به خصوص خمکاری زیاد است.
7) چینخوردگی (Wrinkling): چینخوردگی در اثر عدم تقویت طول یا سطح قطعه کاهش ضخامت و یا عدم یکنواختی ضخامت قطعه به وجود میآید.
برش ((Shearing
فرآیند برش به برش قطعات فلزی در اثر تنش برشی که به وسیلهی منگنه و قالب اعمال میشود اطلاق میگردد. متغیرهای عمده در فرآیند برش شامل موارد زیر است:
1- نیروی برش
2- سرعت برش
3- روانکار
4- جنس منگنه و قالب
5- شعاع گوشهها منگنه و قالب
6- فاصلهی بین منگنه و قالب
نیروهای برشی
P=0.7(UTS)*t*L à UTS= استحکام نمایی کششی
T= ضخامت ورق
L= طول لبهی برش
محمد رضا ابراهیمی
محمد رضا ابراهیمی