فورجینگ آلومینیوم
فورجینگ آلومینیوم به فرم و شکل دهي فلزات گداخته يا تحت فشار قرار دادن آنها توسط قالبهاي فورج و يا پرس هاي هيدروليک يا پنوماتيک ضربه اي گويند.
جالب است بدانید خطوط فورجینگ آلومینات از دو دستگاه پرس فورج هیدرولیک تشکیل شده است. البته در قسمت اکستروژن آلومینیوم هم پرس های مختلف دیگری هم وجود دارد .
- پرس فورجینگ هیدرولیک 1000 تنی با کورس 80 سانتی متر.
- پرس فورجینگ هیدرولیک 3000 تنی با کورس 120 سانتی متر.
این دو پرس قابلیت فورجینگ قطعات آلومینیوم از وزن 200 گرم تا وزن 200 کیلوگرم را دارا می باشند. در کنار این دو پرس یک پرس ضربه ای 100 تن جهت Trim (برش) اضافه های فورج قرار گرفته است. ظرفیت تولید خط فورجینگ مجتمع تولیدی و صنعتی آلومینات بصورت میانگین بیت روزانه 4 تا 10 تن متغیر می باشد
لازم به ذکر است خط فورجینگ این مجموعه در شرف تمام اتوماتیک شدن قراردارد .
عملیات حرارتی فورج
خط عملیات حرارتی محصولات فورج شده دارای یک کوره بسیار بسیار پیشرفته است که تلفیقی از کوره های سولوشن و حمام نمک می باشد . قطعاتی با کمترین میزان تنش و پسماند را تا قطر 1000 میلیمتر و تا طول 2000 میلیمتر تحت عملیات حرارتی قرار می دهد. عملیات فورجینگ با آلیاژ های متنوع بسته به نیازهای مشتریان توسط دو پرس هیدرولیک 1000 تن آلمانی با ظرفیت واقعی تولید روزانه 5 تن و یک پرس هیدرولیک 3000 تن ایرانی با ظرفیت واقعی تولید روزانه 8تا12 تن در این خطوط به بهترین شکل ممکن انجام می پذیرد .
فورجینگ آلیاژهای آلومینیوم
از آنجا که تاکنون منابع و یا کتب تخصصی در خصوص صنعت فورج آلومینیوم در کشور به چاپ نرسیده است و تعداد مقالات ارائه شده در این زمینه بسیار اندک است، در این مقاله سعی بر آن داریم که این صنعت عظیم را بیشتر برای مخاطبین و علاقه مندان این حوزه معرفی نماییم. بنا داریم در این مطلب آموزشی ابتدا به چرایی و چگونگی شکل‌گیری این صنعت پرداخته و سپس دیگر زوایای این صنعت سنگین را معرفی نماییم .
از بخش های تخصصی آن مانند قابلیت فورج پذیری آلومینیوم، چگونگی طراحی و ساخت قالب های فورجینگ، تجهیزات تخصصی صنعت فورج آلومینیوم،روشهای مختلف و متنوع آن ، آلیاژهای تخصصی فورج پذیر آلومینیوم و بحث ایمنی در این صنعت آلومینیوم بپردازیم، با ما همراه باشید چون قطعا در پایان مطلب ارائه شده از سوی ما به آگاهی بسیار بالاتری در این خصوص آلومینیوم دست می یابید.
فورجینگ آلومینیوم ،چگونه پدید آمد؟
در ابتدای دهه 70 میلادی صنعت نوپای آلومینیوم کم کم به سمت فورجینگ آلومینیوم گرایش پیدا کرد . هرچند سهم صنعت فورج آلیاژهای آلومینیوم نسبت به دیگر روشهای تولید آلومینیوم اندک‌تر است . اما جالب است بدانید بخش بزرگی از قطعات حساس و کلیدی مورد استفاده در صنعت هواپیما سازی، حمل‌ونقل زمینی و دریایی به همین روش تولید می گردند. از همین رو اندیشمندان صنعت آلومینیوم به فکر راهکاری برای دستیابی به حد اعلای یکپارپگی قطعات تولید شده افتادند که البته این یکی از دلایل شکل گیری صنعت فورج آلومینیوم است.
فورجینگ آلیاژهای آلومینیوم با توانمندی بسیار بالای مکانیکی و دمایی خود هنگام تولید، عیب های قطعه را که باعث شکست زودرس می شود را تا حد بالایی از بین می برد و باعث صعود اجزای آلومینیوم به بالاترین حد استحکام خود می گردد. تولید به روش فورجینگ باعث می شود تمامی خواص مورد نظر قطعه از نظر فنی در تمام جهات آن تکثیر گردد.
با این روش، قطعات بسیار پیچیده و حساس در صنایع مختلف با ابزاری نه چندان پیچیده، امکان تولید می‌یابند.امروزه قطعاتی با طراحی بسیار دقیق و حساس مانند پره های آلومینیومی مربوط به توربین توان اضطراری بویینگ 777 ، بخشی از فریم ها و چارچوب های بدنه هواپیما، پیستون های خودروهای مسابقه ای، پیستون خودروهای لوکس و گرانقیمتی مانند میتسوبیشی و بسیاری از قطعات مهم دیگر در صنایع گوناگون با روش فورجینگ آلومینیوم ساخته می شود . بد نیست بدانید همین حالا پرس فورجینگ 50000 تن شرکت Alcoa در ایالت کلیولند آمریکا سفارشهای 2سال آینده خود برای قطعات بزرگ فورج از جنس آلومینیوم را از کشورها و صنایع مختلف دریافت و ثبت نموده است.
فورج پذيري Forgeability آلومینیوم
آلومینیوم در مقایسه با فلزاتی مانند نیکل ، تیتانیوم ، کبالت ، چدن ، آهن توانمندی فورجینگ بسیار بالاتری دارد، به عبارت دیگر آلومینیوم در مقایسه با بسیاری از آلیاژهای دیگر در فورجینگ بسیار منعطف تر می باشد. بسیاری از فلزاتی که در سطور بالا نام بردیم در عملیات فورجینگ دچار عارضه ای مانند ترکهای عمیق شده و چرخه تولید آنها عقیم می ماند.
جالب است بدانید که توانایی فورج تمامی آلیاژهای آلومینیوم با افزایش دمای فرایند زیاد می شود گرچه ذکر این نکته ضروری است که بعضی از آلیاژهای آلومینیوم برای فورجینگ بصورت بهینه و تکامل یافته نیاز به دما و فشار بالاتری نسبت به بقیه دارند. برای حصول بالاترین راندمان از خواص مکانیکی در فرایند فورجینگ آلومینیوم معمولا آلیاژهای سری 2000، 6000 و 7000 مبنای کار قرار می گیرند . اگر بخواهیم کمی در این زمینه پیش تر برویم آلیاژ 6082 و سری7000 پر کاربردترین ها در صنعت فورجینگ آلومینیوم هستند.
شاید برای شما قابل تامل باشد که دیگر سری آلياژهاي آلومينيم مانند 1000 و 3000 هم توانايي فورج را با توجه به موارد بالا دارند ولی با این تفاوت که این سری از آلیاژها کاربرد محدودی در صنعت فورجینگ آلومینیوم دارند . به این دلیل که در مقابل حرارت مقاومت کافی را از خود نشان نداده و خواص مکانیکی خود حین عملیات فورجینگ را تا حد قابل ملاحظه ای از دست می دهند.
شیوه های متنوع فورجینگ آلومینیوم
یکی از مزیت های مهم تولید قطعات آلومینیومی تخصصی به روش فورجینگ دسترسی به روشهای متنوع و متعدد برای حصول یک تولید ایده آل است. در فورجینگ می توان با استفاده از ابزار غیرپیچیده در قالب روشهای صریح و متعدد به تولید قطعاتی سخت و پیچیده دست یافت . آلیاژ های آلومینیوم با همه روش های فورج رایج تولید می شوند در اینجا سعی شده است تمامی روشها معرفی شوند.
انواع روش های فورجینگ شامل :
- فورجینگ قالب باز یا دستی (open-die (or hand) forging)
- فورجینگ قالب بسته (closed-die forging)
- آپست کردن-پرچ سازی (upsetting)
- رول فورجینگ (roll forging)
- فورجینگ اربیتال یا چرخشی (orbital (rotary) forging)
- فورجینگ دورانی (spin forging)
- مندرل فورجینگ (mandrel forging)
- رینگ رولینگ (ring rolling) و اکستروژن پیشرو و پسرو.
اساسا انتخاب یک روش کارآمد تابعی است از طراحی قطعه ، حساسیت عملکردی قطعه ، مختصات مکانیکی و آلیاژی قطعه ، تجهیزات در دسترس تولید و البته آیتم بسیار مهم هزینه . کلا برای تولید به روش فورجینگ، زمانی که در طراحی و مختصات فنی و الزام های قطعی تولید به بن بست برنخوریم . حصول امکانات و ابزار و دست یابی به یکی از ده ها روش متنوع و جذاب فورجینگ آلومینیوم صعوبت چندانی ندارد.
مراحل کار فورجینگ آلومینیوم
بصورت معمول در تمامی روشهای فورجینگ آلیاژهای آلومینیوم مراحل زیر اجرا می گردد:
آماده سازی استوک (لقمه) :
یا همان قطعه اولیه ، قطعاتی که با این روش ساخته می شود معمولا از استوک یا لقمه ای که بوسیله فرایندهای دیگر مانند برش ورق و یا اکسترود و یا ریخته گری آماده شده اند شکل می‌گیرند. معمولا لقمه ها قبل از شروع عملیات پیش گرم به کمی پلیسه گیری و یا تمیز کاری نیاز دارند.
پیش گرم کردن :
دمای لقمه یک آیتم بسیار بسیار حیاتی و مهم در فرآیند فورجینگ آلومینیوم است. بوسیله گرم کردن آلومینیوم یک لایه پوشش سخت اکسید روی آن پدید می آید. تشکیل این لایه خود محدود کننده است و باعث می شود که به لقمه آلومینیومی به اندازه فولاد منبسط نشود. دماهای پیش گرمایش مناسب به نوع آلیاژ بستگی دارد.
گرم کردن قالب:
دمای قالب دومین آیتم حیاتی و حساس این فرآیند آلومینیوم است. قالب ها همواره برای عملیات بایستی پیش گرم شوند که البته این مسأله در خصوص قالب بسته حساس تر است. دمای قالب فورج آلومینیوم آنقدر حیاتی و مهم است که حتما طی دستورالعمل استاندارد باید دمای قالب قبل از شروع عملیات و حین اجرای عملیات بازرسی و ثبت گردد.
روان کاری:
روان کاری قالب و قطعه کار دیگر مرحله حساس از یک عملیات بهینه است، شیوه و زمان روانکاری بایستی مطابق استاندار و منطبق با مختصات فنی محصول و فرایند انجام شود همچنین ناگفته نماند که نوع روان کننده ها هم بسیار مهم است و از هر راون کننده ای که در بازار در دسترس است نمی توان برای عملیات فورج آلومینیوم استفاده کرد.
فرآیند فورجینگ آلومینیوم:
با حضور ناظر کیفی فورج و ناظر ایمنی کارگاه عملیات فورج اصلی در میان تدابیر شدید ایمنی آغاز می گردد. تمامی مراحل بایستی مطابق استاندارد پیش رود . میزان فشار، میزان حرارت قطعه کار و قالب و مدت زمان درگیری پرس با قطعه کار تماما از پیش تعریف شده و عاری از هرگونه نظر و سلیقه شخصی است. در خصوص مباحث ایمنی در صنعت فورج در بخش پایانی مقاله سخن خواهیم گفت.
تمیزکاری:
قطعات فورج شده آلومینیوم معمولا بلافاصله پس از عملیات با روش های مخصوص تمیز کاری می شوند تا روانکار اضافی از روی قطعه کار تمیز شده و سطح خوب با رنگ طبیعی آلومینیوم حاصل شود.
همه آلیاژ های آلومینیوم به جز آلیاژ های سری 1000، 3000 و 5000 با محلول، کوئنچ و روش های ایجینگ مصنوعی، برای رسیدن به ویژگی های مکانیکی نهایی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند. عملیات حرارتی رکنی انکار ناپذیر برای دستیابی به مشخصات فنی قابل قبول محصول فورج است، تولید یک محصول فورجینگ بدون اجرای عملیات حرارتی فقط تولید ضایعات با شکل و شمایل بهتر است.
بازرسی:
بازرسی قطعات به دو صورت انجام می گیرد ، بازرسی حین فرآیند که شامل روش های SPC و SQC می شود و برای تعیین برآورده ساختن ویژگی های بحرانی محصول تولیدی و این که آیا فرآیند های فورجینگ تحت کنترل هستند، انجام می گیرد. بازرسی های نهایی معمول برای قطعات شامل چک های ابعادی، تأیید عملیات حرارتی و تست های غیر مخرب می شود.
قالب فورجینگ،قلب تپنده یک فورج دقیق
قالب فورجینگ بعنوان اساسی ترین و مهم ترین ابزار تولید تلقی می گردد . در طراحی قالب های فورجینگ ، خواص فیزیکی ، تکنولوژیکی ، قابلیت آهنگری و میزان تاب و تقلای مواد اولیه قالب در فرایند دمادهی باید بدقت رصد شود. در ساخت قالبهای فورجینگ مهم ترین آیتم هایی که در طراحی و انتخاب فولاد لحاظ می گردد میزان توان و استحکام فولاد در مقابل ضربه و فشار و میزان مقاومت و تقلای آن در شرایط دمایی بالا می باشد.
این قالب ها معمولا بگونه ای طراحی و ساخته می شوند که قبل از ترمیم اولیه توان 10000 تا 20000 مرتبه پتک کاری و یا همان ضربه پرس اصلی را داشته باشند. ذکر این نکته بدیهی است که اگر طراحی و ساخت قالب با کمترین میزان خطا انجام شده باشد . ولی فرایند پیش گرم آن بخوبی و مطابق استاندارد انجام نشود بسرعت با قالبی شکسته و حتی صدمات جانی به نیروهای خط فورج روبرو خواهیم بود.
تجهیزات فورج
قطعات تخصصی که با استفاده از صنعت فورجینگ تولید می گردند با ماشین الات بخصوص این رویه تولید ساخته می شوند که انواع چکش های صنعتی و پرس های بادی و هیدرولیکی را شامل می شوند.
چکش Hammer :
یکی از تجهیزات تخصصی صنعت فورج آلومینیوم است که با قدرت ضربه‌ای مناسب هم در روش فورج open-die و هم در روش فورجینگ close-die استفاده می شود و نسبتاً هزینه کمتری در بخش راه اندازی و نگهداری و تعمیرات نسبت به تجهیزات متشابه در این صنعت دارد. اگر چه قدرت مورد نیاز برای فورج آلومینیوم معمولاً بیشتر از فولاد است .
Hammer ها قطعه را با سرعت زیادی تغییر شکل می‌دهند، بنابراین کنترل کورس پرس، نیرو و سرعت در فورج آلیاژ آلومینیوم مفید است، چون حساسیت آنها نسبت به نرخ کشش بستگی به مراحل تغییر شکل سریع دارد. از Hammer ها معمولاً برای عملیات مقدماتی در فورج استفاده می‌شود.
پرس های تکنیکی و پیچ دار Mechnaical and screw presses :
یا پرس های مکانیکی و پیچی در همه جا برای فورج close- die آلیاژ آلومینیوم استفاده می شود. این نوع پرس مناسب ترین دستگاه برای فورج آلیاژ آلومینیوم با سایزهای متوسط و حجم سفارشات بالا می باشد، ایمنی مناسبی دارد و از نظر هزینه های نگهداری و تعمیرات در زمره تجهیزات پر هزینه به حساب می آید .
پرسهای مکانیکی و پیچی با ترکیب عمل ضربه و فشار برای آلیاژهای آلومینیوم خاصیت جریان یافتن آنرا بهتر از Hammer عمل می‌کند. پرسهای پیچی با پرسهای مکانیکی در کنترل نرخ فشار اختلاف دارند که می‌تواند در تغییر شکل زیاد استفاده شود.
پرس های هیدرولیکی :
متداولترین نوع پرس می‌باشند که آرامتر از پرسهای مکانیکی یا پیچی عمل می کند ولی برای تولید قطعات با close-die بزرگ و قطعات خیلی بزرگ استفاده از پرسهای هیدورلیکی مناسب تر می‌باشد.
تغییر شکل بدست آمده در پرس های هیدرولیکی قابل کنترل تر از پرسهای مکانیکی با پیچی می باشد. بنابراین پرس های هیدرولیکی انتخاب خوبی برای کنترل نرخ فشار برای کمترین مقاومت تغییر شکل آلیاژ آلومینیوم یا شکل قطعه فورج ، کاهش فشار مورد نیاز زاویه طرح دقیق و راحت بدست آوردن شکل مورد نیاز می‌باشد.
از انواع پرس های هیدرولیکی که دستگاههایی با قدرت بالا می‌باشد، پرس ۵۰۰۰۰ تن می باشد که سرعت و فشار آن قابل کنترل است و دارای قابلیت برنامه ریزی می باشد. این توانایی ها که شامل کارکرد کمترین زاویه طرح مورد استفاده در این نوع پرسها برای آلیاژ آلومینیم زاویه ۳ درجه می باشد، که برای پرسهای هیدرولیک دقیق زاویه بین ۰ تا ۵/۰ درجه و برای زاویه طرح داخلی بین ۵/۰ تا ۱ درجه می باشد.
در مجموع با توصیفات بالا در حال حاضر گرایش به پرس های هیدرولیکی بسیار بیشتر است تا بقیه تجهیزات ذکر شده دانش آنها فراگیر تر و در دسترس تر است و قطعات یدکی آنها سهل الوصول تر است.
ایمنی در صنعت فورجینگ آلومینیوم
صنعت فورجینگ آلومینیوم یکی از صنایع پر ریسک و پر خطر محسوب می گردد و بایستی در هنگام تولید بالاترین استانداردهای ایمنی رعایت گردد. در اولین گام برای راه اندازی یک خط تولید ایمن و تولید بی خطر بایستی توسط متخصصین ایمنی خط تولید و دستگاه ها و کوره ها از نظر ایمنی تائید گردند. در گام بعدی بکارگیری یک ناظر ایمنی تخصصی برای خط تولید فورج آلومینیوم است که از ابتدای فرایند تولید تا خاموش نمودن دستگاه ها پای خط حضور دائم داشته باشد.
این نکته از آن منظر اهمیت دارد که فورجینگ آلومینیوم تمرکز و انرژی زیادی را از اپراتورها و کارگران خطوط تولید می گیرد و این وظیفه ناظر تمام وقت ایمنی است که با تمرکز فراوان فقط و فقط موارد ایمنی را تحت کنترل داشته باشد. کارگران خط کوره های پیش گرم حتما بایستی به البسه نسوز مجهز باشند و استفاده از دستکش های عایق یکی از اصلی ترین نکات ایمنی برای کارگران کوره های پیشگرم است.
استفاده از عینک های ایمنی مقاوم در برابر حرارت هم یکی دیگر از نکات اصلی ایمنی در صنعت فورج است.کارگران و اپراتورهای اصلی بخش کوبش نیز باید با دستکش های مخصوص فعالیت نموده و گوشی های صداگیر خلبانی را برای جلوگیری از آسیب به شنوایی استفاده نمایند.