شکل دهی فلزات و روش های آن

شکل دهی فلزات یکی از مهم ترین روش های تولید قطعات فولادی است. به طور کلی محصولات میانی فولادی که برای تولید قطعات مختلف مورد استفاده قرار می گیرند از طریق فرآیندهای شکل دهی مانند نورد، کشش، فورج، پرس و …. تولید می شوند محصولات میانی که در مقاطع مختلف مانند ورق، لوله ها، تیرآهن ساده ، میلگردها، ناودانی و پروفیل و مقاطع جانبی از اصلی ترین محصولاتی هستند که در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارند.

شکل دادن فلزات صنعتی

به طور کلی پس از استخراج آهن و فولاد سازی در کوره های کنورتور، فولاد مذاب آماده تبدیل به انواع محصولات فولادی می شود. ریخته ‌گری فولاد به دو صورت شکل ریزی و شمش ریزی انجام می‌ شود، در ریخته ‌گری شکل ریزی، محصول معمولا هندسه پیچیده‌ ای دارد به همین دلیل در قالب های مخصوص به صورت شکل نهایی ریخته گری می ‌شود، فرآیند شکل دهی فلزات با ماشین کاری تکمیل می شود و قطعه به دقت ابعادی مورد نیاز می رسد.

به منظور دستیابی به خواص مکانیکی ایده آل، یک مرحله عملیات حرارتی بر روی قطعه انجام می شود. با استفاده از روش شمش ریزی، فولاد مذاب به صورت یکی از مقاطع بیلت، بلوم یا اسلب (تختخال) ریخته می شود که سطح مقطع این محصولات مربع یا مستطیل و از نظر ابعاد متفاوت است. از میلگردهای فلزی در تولید میلگرد های آجدار و ساده و قطعاتی مانند نبشی، ناودانی، سپری و … استفاده می شود.

همچنین از قسمت بلوم که ابعاد بزرگتری نسبت به بیلت دارد در ساخت لوله های مانیسمان استفاده می شود. در تولید ورق ها بیشتر از صفحات استفاده می شود و برای تولید این مقاطع از فرآیندهای مختلف شکل دهی فلزات استفاده می شود که مهمترین این فرآیندها نورد است که بیشترین کاربرد را در ایجاد این مقاطع دارد. سایر فرآیندهای تشکیل فلز عبارتند از فورج، کشش، پرس.

فرآیند شکل دهی فلزات

کشش سیم

فرآیند کششی فرآیندی است که طی آن فلز توسط نیروی کششی از قالب بیرون کشیده می شود. بیشتر جریان فلز در قالب توسط نیروی فشار ناشی از اثر متقابل قالب با قطعه کار حاصل می شود. قطعات با تقارن محوری معمولاً با کشش تغییر شکل می دهند. فرآیند کاهش قطر سیم، میله یا مفتول توپر در اثر کشیدن سیم، کشش سیم، میله و یا مفتول نامیده می شود.

سیم‌هایی که به روش نورد تهیه می شود را مفتول می گویند. مفتول ماده اولیه ای است که برای تولید سیم هایی با قطر کمتر از یک سانتی متر استفاده می شود. عملیات کشیدن معمولاً در سرما انجام می شود، اگرچه تغییر شکل در شرایط گرم زیاد است. در زیر نمونه هایی از فرآیندهای شکل دهی فلزات مورد استفاده در صنایع مختلف آورده شده است.

کشش تسمه

تسمه یک محصول نورد تخت با عرض کمتر از ۶۱۰ میلی متر و ضخامت بین ۰٫۱۳ تا ۷۶٫۴ میلی متر است. تسمه ها پس از نورد گرم، فرآیند آنیل و سپس اسید شویی خنک می شوند. بسته به ضخامت مورد نیاز، نورد سرد در چند مرحله انجام می شود.

زمانی که یک نوار فلزی با عرض w0 و ضخامت اولیه h0 از طریق یک قالب گوه ای شکل با همان شیب به سمت خط مرکزی کشیده می شود، این فرآیند شکل دهی فلزات، کشش تسمه نامیده می شود. اگرچه کشش تسمه یک فرآیند تولید رایج نیست، اما موضوعی است که به طور گسترده در مکانیک نظری فلزکاری مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجایی که w0 بسیار بزرگتر از t0 است، تنش صفحه در طول کشش رخ می دهد و عرض تسمه تغییر نمی کند.

کشش لوله

لوله ‌ها یا استوانه ‌های توخالی که با فرآیندهای شکل دهی فلزات مانند اکستروژن و نورد تولید می ‌شوند، معمولاً توسط فرآیند کشش تکمیل و پرداخت می‌شوند. اگرچه هدف اصلی از این عملیات کاهش قطر و ضخامت لوله است، اما در موارد نادر افزایش ضخامت رخ می دهد.

به طور کلی کشش لوله را می توان به چهار دسته تقسیم کرد: کشش لوله بدون توپی، کشش لوله توسط سمبه، کشش لوله توسط توپی ثابت و کشش لوله توسط توپی شناور.

در تمام این روش ها، یک انتهای لوله با فشار توسط دو فک نیم دایره ای باریک می شود و این انتهای باریک از درون قالب کششی عبور می کند و توسط ابزاری که روی کالسکه ماشین بسته می شود، محکم گرفته می شود. سپس کالسکه‌ی کشش لوله را از قالب بیرون می کشد.

خم کاری

شکل دهی فلزات در ساخت قطعات بسیار مهم است. بسیاری از قطعات مصرفی، از سینی های غذاخوری گرفته تا پانل های دیوار پارتیشن صنعتی، با استفاده از روش های شکل دهی فلزی ساخته می شوند. در واقع شکل دهی ورق روشی برای تبدیل ورق تخت به شکل دلخواه بدون شکستگی یا نازک شدن شدید ورق به صورت موضعی است. یکی از فرآیندهای تشکیل ورق خم کاری است. خم کاری فرآیندی است که در اکثر روش های شکل دهی فلز وجود دارد. از کاربردهای این فرآیند می توان به تولید ناودانی و نبشی پرسی اشاره کرد.

آهنگری

آهنگری یکی از روش های شکل دهی فلزات است. این فرآیند بر روی فلز کار می کند تا با چکش یا فشار دادن به شکل مفیدی تبدیل شود. آهنگری یکی از قدیمی ترین هنرهای فلز کاری است که ریشه آن به دوران باستان باز می گردد.

در واقع چندین هزار سال پیش فلزاتی مانند نقره و طلا بدون استفاده از قالب آهنگری (آهنگری باز) می شدند. اما از سال ۲۰۰۰ استفاده از قالب برای آهنگری قطعات رایج شد. ساخت ماشین آلات و جایگزینی آنها با بازوی آهنگر در دوران انقلاب صنعتی آغاز شد.

امروزه انواع ماشین آلات و تجهیزات آهنگری وجود دارد که می توان از آنها برای ساخت قطعات کوچک به اندازه گردو به قطعات بزرگ مانند روتور های توربین و قطعات کشتی و خودرو استفاده کرد.

کشش عمیق

از جمله فرآیندهای شکل دهی فلزات می توان به کشش عمیق اشاره کرد. کشش عمیق نوعی فرآیند فلز کاری است که برای شکل دادن به صفحات مسطح و تبدیل آن‌ها به محصولات فنجانی شکل مانند وان حمام، سینک ظرفشویی، لیوان، محفظه‌ های پوسته ‌ای و گل گیر خودرو استفاده می شود.

اکستروژن (روزن رانی)

اکستروژن یکی از مدرن ترین فرآیندهای شکل دهی فلزات است. اولین فرآیند شامل اکستروژن لوله های سربی در اوایل قرن ۱۹ بود. اکستروژن به طور کلی برای تولید مقطع نامنظم استفاده می شود، اگرچه میله های استوانه ای یا لوله های توخالی ساخته شده از فلزات نرم را می توان با استفاده از این فرآیند تغییر شکل داد.

امروزه امکان اکسترود فلزات و آلیاژ هایی مانند آلومینیوم، روی، فولاد و آلیاژهای مبتنی بر نیکل وجود دارد. فرآیند اکستروژن بسته به تجهیزات مورد استفاده به دو دسته اصلی اکستروژن مستقیم و اکستروژن غیر مستقیم تقسیم می شود که در حال حاضر بیشترین کاربرد این فرآیند در صنعت آلومینیوم می باشد.

انواع فرآیند اکستروژن

نورد

نورد فرآیندی است که در آن تغییر شکل پلاستیک فلز با عبور دادن آن از میان غلتک ها رخ می دهد. امروزه استفاده از غلتک یکی از رایج ترین روش های شکل دهی فلزات است. یکی از مزایای این روش ظرفیت تولید بالای آن است. به طوری که می توان روزانه صدها تن فلز را نورد کرد. محصول نورد ممکن است محصول نهایی یا مراحلی از شکل دهی فلز باشد.

محصولات کارخانه نورد شامل ورق، میلگرد ساده، میلگرد آجدار، تیرآهن، هاش، سپری، نبشی فابریک و ناودانی فابریک می باشد. طبقه بندی عملیات نورد می تواند بر اساس دستگاه‌ های نورد یا دمای نورد باشد. از نظر دمای کاری نورد به دو دسته نورد سرد و نورد گرم تقسیم می شود.

نورد سرد

نورد سرد معمولاً برای تولید ورق ها و تسمه هایی با سطح بالایی و دقت ابعادی استفاده می شود. نورد سرد نیز یکی از فرآیندهای شکل دهی فلزات برای تقویت آن است. از مهمترین کاربردهای محصولات نورد سرد می توان به اتومبیل، تجهیزات خانگی مانند یخچال، اجاق گاز، ماشین‌ های ظرفشویی و لباس شویی، دستگاه‌های الکتریکی، مخازن، و تجهیزات ساختمانی اشاره کرد.

صفحات نورد سرد ابتدا با نورد گرم تا کمترین ضخامت ممکن (حدود ۱٫۵ میلی متر) تولید می شوند، سپس پس از اسیدشویی ضخامت کاهش یافته و در برخی موارد با فرآیند نورد سرد تغییر شکل می دهند. علاوه بر کاهش ضخامت و رساندن قطعه به دقت ابعادی مورد نظر، حذف نقطه تسلیم از ورق فولادی از دیگر کاربردهای نورد سرد است.

در واقع، از آنجایی که وجود نقطه تسلیم شرایط تغییر شکل ناهمگنی را در فرآیندهای شکل دهی فلزات (به ویژه کشش عمیق) ایجاد می ‌کند، حذف آن از اهمیت بالایی برخوردار است. انجام کار مکانیکی نورد که اصطلاحا به نورد باز پخت (آنیل) معروف است، نقطه برش را از بین می برد.

تراز کردن صفحات نورد یکی دیگر از کاربردهای نورد سرد است که به موجب آن با استفاده از فرآیند نورد، تراز نورد (که شامل دو مجموعه غلتک با قطر کم است) انحنای ناشی از فرآیندهای قبلی را حذف می کند. در واقع، در این فرآیند، دو مجموعه غلتک با قطر های کوچک گذاشته می شود تا ردیف های بالایی و پایینی از یکدیگر منحرف شوند. وقتی ورق داخل ترازگر می رود، به طرف بالا و پایین تغییر شکل پیدا کرده و وقتی از غلتک ‌ها خارج می شود صاف می شود.

نورد گرم

نورد گرم به عنوان اولین فرآیند کار گرم مورد استفاده برای شکل دهی فلزات از اهمیت بالایی برخوردار است. دستگاه های نورد گرم از دو غلتک دو طرفه با قطر بیش از ۶۰ تا ۱۴۰ سانتی متر تشکیل شده است. مهمترین ویژگی فرآیند نورد گرم از نورد سرد دمای آن است. در واقع نورد یک قطعه در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد را نورد گرم می نامند. زیرا در فرآیند نورد گرم، فاصله زمانی بین کار مکانیکی و فرآیند تبلور مجدد بسیار کوتاه است، بنابراین قطعه همزمان تحت تأثیر کار سرد قرار می گیرد و بلافاصله متبلور می شود.

از مهمترین مزایای نورد گرم می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ظرفیت تغییر شکل بسیار بالای ماده به دلیل کاهش تنش سیلان در اثر افزایش دما
پس از ایجاد تغییر شکل، ماده به ساختار میکروسکوپی اولیه خود باز می گردد

در ازای این مزایا، محدودیت هایی وجود دارد، از جمله:

اکسیداسیون در اثر دمای بالا

حساسیت به شکل پذیری به گرما، به ویژه فولادی که در محدوده دمایی ۲۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد شکننده می شود.

افزایش نقش ضریب اصطکاک

با توجه به چینش غلتک های نورد، فرآیند به چند دسته تقسیم می شود. دلیل استفاده از چند غلتک یدکی کاهش قطر غلتک کاری است و با کاهش قطر غلتک کاری سطح تماس آن با ماده کاهش پیدا میکند به همین دلیل اصطکاک فرآیند کاهش می یابد. همچنین وجود غلتک های نگهدارنده از خم شدن غلتک جلوگیری می کند و این امر به بهبود دقت ابعادی محصول به دست آمده کمک می کند

تولید مقاطع نازک با فرآیندهای چند غلتکه میسر می‌باشد، همچنین در نوع سه غلتکه نورد به صورت رفت و برگشتی انجام می‌ گردد، ورق از پایین وارد، خم می ‌شود و در مسیر بر عکس از بین دو غلتک بالایی خارج می‌ گردد.

امروزه انواع فرایند های شکل دهی فلزات و شناسایی کامل آن برای ساخت و تولید انواع قطعات فلزی در صنعت ضروری است. بنابراین دانستن دقیقتر این موضوع صنعت و صنعت گران را به سمت تولید قطعات با کیفیت بهتر سوق می دهد.

قابلیت تغییر شکل دائمی فلزات یکی از ویژگی های اصلی آن است و تولید ورق ، سیم ، مفتول ، تیر آهن ، میل گرد، لوله و به طور کلی فلزات از کاربردهای این علم می باشد. با توجه به اینکه شکل دهی فلزات مهمترین روش ساخت و تولید فلزات است، آشنایی کامل با این روش ضروری است.

شکل دهی فلز یک اصطلاح کلی برای گروه بزرگی است که طیف وسیعی از فرآیندهای تولید را شامل می شود. در فرآیندهای شکل دهی فلز، فلز پردازش شده به صورت پلاستیکی تغییر شکل می دهد تا هندسه مورد نظر را به آن بدهد. برای تغییر شکل پلاستیکی فلز، نیرویی بیش از مقاومت ماده مورد نیاز است.

در شکل دادن فلزات دمای عملیاتی که از نظر مکانیکی و معدنی مورد توجه قرار می گیرد و همچنین آشنایی کامل با خواص مکانیکی مواد مانند تنش، کرنش و کرنش از مباحث مهم می باشد. در این نوشتار سعی کردیم شما را با اصول شکل دهی فلزات آشنا کنیم امیدواریم مورد توجه بوده باشد.

لینکدین آهنات را دنبال کنید.