تحقیق مقاله بررسی امکان‌ پذیری طراحی و ساخت قالب‌ های فورج مدولار ( Modular )

مقدمه:

برای بهینه سازی صنعتی و رونق اقتصادی، و ارتقاء و پیشرفت آموزشی و تکنولوژیکی و قدرت علمی و رقابت فرآورده‌های تولیدی در بازارهای جهانی نیاز به کسب دانش‌ جدید، آموزش و به کارگیری تکنولوژی و روش‌های مدرن در صنعت قالبسازی می‌باشد.

هم اکنون بیشتر قطعات مهم صنایع خودروسازی، و صنایع نظامی و موتورسیکلت، و ابزار آلات صنعتی و … به کمک صنعت آهنگری و قالب های فورج تهیه می‌شوند.

با توجه به آمار و ارقام و تحلیل‌های علمی و کاربردی صنعتی که انجام شده است، باید پروسه طراحی و ساخت قالب‌ های فورج که شامل طراحی علمی و محاسباتی قالب است و انتخاب مواد قالب و مراحل ساخت و ماشینکاری و عملیات حرارتی قطعات و مونتاژ قالب به شکل صحیح و علمی انجام شود تا قالب‌ها عمر و بازدهی مفیدی داشته باشند و محصولات تولیدی اشان نیز کیفیت مطلوب، عالی و استانداردی را پیدا نمایند.

آهنگری قدیمی ترین و اصلی ترین روش شکل دادن فلزات است. آهنگری به معنای تغییر شکل مواد با فشار بین قالبها، احتمالاً قدیمی ترین روشی است که توسط انسان به کار گرفته شده است تا فلزات را به شکل مناسبی در آورد. طی سالهای متمادی صنعت آهنگری مراحل پیشرفت را طی نموده است.

شکل دادن طبق DIN 8580 یعنی «تولید با روش تغییر شکل خمیری (پلاستیکی) یک جسم جامد که در آن جرم و نیز همبستگی آن حفظ شود.

طبق یک تقسیم بندی در روشهای شکل دادن براساس تنشهای غالب موجود در منطقه شکل دادن، شکل دادن با قالب بسته‌ آهنگری و شکل دادن با قالب باز در این تقسیم بندی روشهای شکل دادن، جزء زیر مجموعه‌های شکل دادن فشاری می باشند.

از قابلیت‌های روش فورج در تولید فرآورده‌های صنعتی می‌توان به کاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به کمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره کرد.

موضوع مورد بحث، بررسی امکان‌پذیری طراحی و ساخت قالبهای فورج مدولار می‌باشد یعنی انعطاف پذیر کردن قالب فورج، یا قطعه قطعه کردن قالب فورج، یعنی در ساخت قالب از چندین قطعه استفاده شود به صورت Modular. که از کنار هم قرار گرفتن آنها، کل قالب شکل می‌گیرد.

هدف این طرح آن است که یک قالب تنها برای تولید یک قطعه یا یک محصول نباشد، بلکه با جابه‌جا کردن مدولهای آن و جایگزین کردن مدول مناسب بتوان محصول دیگر را تولید کرد.

حتی اگر قسمتی از قالب دچار مشکل شد یعنی ترک بردار یا بشکند می‌توان مدول آسیب دیده را خارج کرد و مدول مناسب را در سرجای خود جازد. مهم آن است که این طرح باعث می شود، زمان طراحی فوق‌العاده کاهش یابد، و یک کاهش مهم در هزینه‌های ابزار ایجاد می‌شود.

این امر همچنین باعث تنوع در محصولات تولیدی خواهد شد و ما می توانیم در کوتاهترین زمان ممکن با تعویض قسمتهایی از قالب با مدولهای مناسب، محصول جدید دیگری را تولید کنیم و میزان تولیدات محصولها را نیز افزایش می دهد.

فصل اول:

صنعت فورج

فصل اول:

1- صنعت فورج

فورج و شکل دهی فلزات گداخته یا تحت فشار قرار دادن آنها، توسط قالب‌های فورج و یا پرس‌های هیدرولیک یا پنوماتیک و یا پتک های ضربه‌ای را صنعت فورجینگ می نامند.

اکثر قطعات صنعتی در صنایع مهم مانند ماشین سازی، خودروسازی و صنایع نظامی با روش فورج تهیه می‌شوند.

در روش فورجینگ (آهنگری) مواد کار با قابلیت کوره‌کاری، و در حالت گداخته، فرم لازم را می گیرند. این قطعات دارای مقاومت و استحکام بیشتری نسبت به قطعات مشابه ماشینکاری شده هستند.

زیرا در پروسه 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 کاهش هزینه و انبوهی تولید، و از معایب این روش به کمتر دقیق بودن قطعات تولید شده اشاره کرد.

اکثر فلزات چکش خوار مانند فولاد‌ها، و آلیاژ‌های مس، آلیاژ‌های آلومینیوم و … قابلیت عملیات آهنگری را دارند.

چدن خاکستری جزء فلزاتی است که خاصیت آهنگری نداشته، زیرا امکان شکستگی در آن وجود دارد.

قابلیت کوره‌کاری و فورج قطعات فولادی، به مواد آلیاژی موجود در آن‌ها بستگی دارد. هر چه مقداری کربن فولاد‌ها کمتر باشد، می‌توان حرارت شروع آهنگری را افزایش داد.

در پروسه فورجینگ با افزایش مقدار کربن در فلزات از قابلیت فرم‌ گیری و آهنگری آن‌ها کاسته می‌شود. همچنین فولاد‌هایی برای عملیات فورج مناسب می باشند که مقدار فسفر و گوگرد آن‌ها از 1% بیشتر نباشد و اگر مقداری گوگرد در فولاد زیاد باشد باعث ایجاد و شکستگی و ترک‌هایی بر روی فولاد گداخته می‌گردد.

در ساخت قالب‌های فورج از روش‌های جدید تکنولوژی ماشین‌کاری و اسپارک استفاده می کنند، به این شکل که ابتدا محفظه قالب‌های فورج را با روش سنتی ماشین‌کاری می‌کنند و اندازه نهایی را با ساختن الکترودهای مسی که شکل و ابعاد دقیق قطعه کار است، با عملیات اسپارک اورژن انجام می دهند.

البته مدلهای مسی (الکترودها) با روش کپی کاری گرافیت روی دستگاه سه بعدی کپی سازی طراحی و ساخته می‌شوند.

در طراحی و ساخت قالب‌های فورج باید به قدرت بلوک‌ها، اسکلت قالب‌های فورج، با توجه به فشار بالا، و مقدار تناژ لارم و نیزوی که برای تولید به کار می رود، توجه نمود.

بلوک‌ها و ساختمان قالب باید توانایی تحمل فشارهای عمودی (فشار‌های پرسی) و فشار‌های جانبی (عکس العمل داخلی قالب) را داشته باشند و در به کارگیری فولاد‌های آلیاژی با استفاده از جداول فولادها، بهترین انتخاب را انجام داد.

در عملیات حرارتی که شامل آبکاری و برگشت فولادهای قالب است، باید نهایت دقت و حوصله را به کاربرد و توجه کرد که عمق شیارهای پیرامون حفره‌ها و محفظه‌های مادگی قالب (محل فرار مازاد مولد اولیه قطعات کار) طوری محاسبه و تعیین شود که حجم اضافی مواد درون آن را پر کند و اضافه نیاید، زیرا باعث بازماندن درز قالب‌شده و از اندازه قطعه کار فورج شده، خارج می‌گردد.

قالب فورج معمولاً پس از ماشینکاری قطعات و سنگ زنی، مورد عملیات حرارتی قرار می‌گیرند و بعد از پرداخت کاری و مونتاژ نهایی در تولید به کار می روند. برای اقدام به تولید انبوه قطعات صنعتی که اکثراً دارای استحکام بالا و مقاومت‌های فشاری، کششی 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 بلوک‌های قالب فورج از فولاد‌های گرم کار ساخته می‌شوند. حفره و محفظه قالب فورج باید اندازه دقیق قطعات تمام شده را دارا باشد تا ماده 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 کاربردی در صنعت فورجینگ می‌توان کیفیت قطعات تولیدی فورج شده را افزایش داد.

مثلاً بعد از عملیات پرسکاری فورج قطعات فولادی، محیط و روش خنک کاری باید با بررسی های متالوژیکی انجام گیرد و مسائلی مانند نوع فولاد فورج شده و سختی پذیری و ضخامت مقطع آن در نحوه خنک کاری مؤثر است.

در مواردی سطح خارجی فولاد گداخته و اکسید شده و با لایه‌ای پوشیده می‌شود که قبل از شروع عملیات فرم دهی، باید لایه را جدا کرد و قطعات فولادی و گداخته را حتی المقدور و با دقت و به شکل آرام و یکنواخت سرد کرد تا از بوجود آمدن تنش و ایجاد ترک در قطعات جلوگیری شود تا محصولات تولید شده دارای مقاومت و استحکام بالایی باشند.

در صنعت فورجینگ از کوره‌های آهنگری معمولی و گاهی کوره‌های پیشرفته و مدرن برای حرارت دادن قطعات فورج استفاده می‌شود.

امروزه برای پرس‌کاری و جا‌به‌جائی قطعات فورج شده از تکنولوژی روبوت استفاده می‌شود که دارای ضریب حفاظتی عالی و راندمان تولید بالا می‌باشد. در مواردی، روش دستی را به کار می برند که از انبرهای مخصوص و بلند برای گرفتن و جا به جا کردن قطعات آهنگری استفاده می‌شود.

1-1- انواع عملیات آهنگری

عملیات آهنگری را می‌توان از جنبه‌های مختلف دسته‌بندی  کرد که 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 پلاستیکی فلز در دمای پایین  تر از نقطه تبلور مجدد صورت می‌گیرد و همراه با کرنش سختی است.

ب. آهنگری داغ Hot Forging

دمای قطعه بالاتر از دمای تبلور مجدد می رود، یعنی دمای بیلت آنقدر بالا است که از ایجاد کرنش 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 شکل فلز (T) به دمای نقطه جوش آن (Tm) به عنوان نسبت تطابق دما معرفی می‌گردد. هر دو دما برحسب کلوین باید باشد. +273 درجه سانتی‌گراد اگر T<0.3 TM باشد، فورج سرد، 0.30.5Tm باشد فورج داغ است. چون میزان تنش سیلان و کرنش سختی با افزایش دما کاهش می یابد. و نسبت به آهنگری سرد نیروی کمتری مورد نیاز است.

آهنگری گرم معمولاً برای کالیبره کردن 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 می‌کند و در واقع فاز اتمی است که تغییر می کند، و در این دما ریز ساختار‌هابه هم می خورند یا تغییر می‌کنند و نا به جائی ها را تغییر می دهد که در فولاد 1300 می‌باشد. بنابراین افزایش دمای فلز در هنگام فورج باعث افزایش شکل پذیری آن و کاهش نیرو و انرژی می‌گردد. چون افزایش دما تنش سیلان فلز را کاهش می دهد.

2-1-1- از دید چگونگی تغییر شکل

فرآیند آهنگری با توجه به اینکه فلز در ضمن تغییر شکل 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 شکل دهد.

مشخصه این نوع آهنگری را می‌توان به ترتیب زیر بیان نمود:

اشکال متنوع زیادی قابل تولید است.

دقت ابعادی پایین و محصول ماشین کاری می‌شود.

کیفیت صافی سطوح پایین است.

قالب‌ها و ماشین‌ها ارزان هستند.

ب. آهنگری با قالب بسته closed Die

در این نوع فرآیند، تمام سطوح قطعه آهنگری توسط قالب محیط می‌شود. این نوع آهنگری خود به دو دسته تقسیم می‌شود که عبارت است از:

آهنگری دقیق

همان آهنگری در قالب بسته بدون فلش است.

در این حالت فلز کاملاً در داخل قالب محبوس است و حجم قطعه کاملاً کنترل شده است به گونه‌ای که هیچگونه ماده اضافی وجود ندارد.

شکل 2: شکل دادن پرسی بدون فلش

ویژگی‌های این نوع آهنگری را می‌توان چنین بر شمرد:

دقت ابعادی و تلرانس‌ها بالا است.

صافی سطوح مناسب است.

مقدار ماشین کاری کم بوده و یا اصلاً نیازی به آن نیست.

هزینه تولید قطعات و دور ریز مواد کمتر ست.

اتلاف کمتر مواد

خواص استحکام بهتر

پس در این روش ماده خام اولیه با حجم دقیق و کنترل شده بین دو نیمه قالب شکل گیرد و هیچ گونه دور ریز مواد نداریم.

واضح است که نحوه طراحی قالبها و نیز میزان حجم بیلت، نقش مهم و حساسی را در روش فوق‌ ایفاء می‌کند.

چون میزان تنش سیلان و کرنش سختی با افزایش دما کاهش دما کاهش می یابد بنابراین نسبت به فورج سرد، در فورج گرم نیروی کمتری نیاز می‌باشد. در فورج دقیق فلزات آهنی، اگر دمای قطعه بالاتر از دمای تبلور مجدد باشد، تمایل ماده به اکسید شدن بسیار زیاد بوده و از این رو دستیابی به ابعاد دقیق بسیار مشکل است.

از طرف دیگر اگر دمای قطعه خیلی پایینتر از نقطه تبلور مجدد باشد، هر چند ممکن است به ابعاد دقیق دست یافت و لیکن بدلیل بالا بودن تنش سیلان و وجود کار سختی نیروی لازم برای تغییر فرم بشدت افزایش می یابد.

حتی ممکن است به علت کاهش شدید قابلیت چکش خواری، منجر به گسیختگی ماده گردد. اما فورج گرم، شرایط بین دو فرآیند فوق را دارا است.

آهنگری معمولی

همان آهنگری قالب بسته با فلش است یعنی شکل دادن پرسی با فلش می‌باشد. در این نوع فرآیند، ماده آهنگری بین قالب ها (معمولاً دو نیمه قالب) شکل می یابد تا قطعه نهایی حاصل شود. واژه قابلیت شکل گیری برای بیان شکل دادن پرسی آسان یا سخت مواد به کار می رود.

این اصطلاح تغییر شکلهای قابل تحمل بدون شکست و نیز تنشهای تسلیم و دمای تغییر شکل را مشخص می‌کند.

در شکل دادن با قالبهای بسته آهنگری معمولی، با اضافه مواد کار می‌شود و مواد اضافی به صورت زائده نازک بین دو نیمه قالب در می آید که در انتهای آهنگری توسط قالب دیگری بریده می‌شود.

حجم قطعه کار تمام شده از حجم مواد اولیه کمتر است. اضافه مواد باید از محفظه قالب بسته بتواند خارج شود، برای این منظور یک مسیر فلش و یک حفره آزاد فلاش در اطراف محفظه اصلی قالب ایجاد می‌شود.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 3: مسیر فلاش و حفره آزاد فلاش

مشخصات این نوع آهنگری عبارتند از:

دقت ابعادی و تلرانس ها متوسط است و در نتیجه نسبت به آهنگری دقیق ماشین‌ها ساده و ارزان ترند.

معمولاً ماشین کار می‌شود.

تنشهای وارده نسبت به قطعات مشابه در آهنگری دقیق کمتر است، و در نیتجه سایش قالب کمتر و عمر آن بیشتر است.

محاسبه ابعاد شمش می تواند تا حدودی تقریبی باشد، چون مواد اضافی به داخل کانال پلیسه هدایت می‌شود.

مسیر و حفره آزاد فلاش باید به دقت طراحی شوند. نکته مهم در آن نسبت مسیر فلاش است - نسبت عرض مسیر به ضخامت مسیر – زیرا این کار بر ارتفاع قد کشیدکی مواد در قالب بسته آهنگری و تنشهای ایجاد شده موقع شکل دادن تأثیر دارد.

اعمال تنش بالا به قالب، خطر شکستگی آن را در پی دارد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 4: نسبت مسیر فلاش

شکل 5: روابط در مرحله شکل دادن

شکل 5 ارتباط تنش  (تنش فشاری)، ارتفاع قد کشیدگی و نیروی شکل دادن را به نسبت مسیر فلاش برای ماتریال C15 در دمای تغییر شکل 1000 نشان می دهد. این نمودار نشان می دهد که با افزایش نسبت مسیر فلاش، نیروی شکل دادن و تنش به مقدار زیاد بالا می رود، در صورتی که ارتفاع قد کشیدگی مواد در قالب بسته آهنگری فقط در حد کمی بیشتر می‌شود.

فصل دوم:

تجهیزات آهنگری

فصل دوم:

2- تجهیزات آهنگری

یک واحد از سیستم آهنگری می تواند شامل تجهیزات زیر باشد:

1. ماشین برش شمش             2. کوره 3. دستگاه انتقال شمش

4. ماشین پرس یا چکش 5. پرسهای سوراخکاری و برش زائده.

6. کوره عملیات حرارتی  7. ماشین های تمیز کاری Machines Sand blasting

1-2- چکشها و پرسهای فورج

در صنعت فورج برای فرم دهی و شکل دادن قطعات آهنگری و فورج، از چکشها و پرسهای آهنگری استفاده می‌شود که در انواع گوناگون پرسهای مکانیکی فورج، پرس‌های هیدرولیکی فورج، چکش‌ها و پتک‌های پنوماتیکی ساخته می‌شوند.

1- Hammers (چکشها):

با قدرت ضربه‌ای خوب هم در فورج قالب باز و هم در قالب بسته استفاده می‌شود. و نسبتاً هزینه کمتری نسبت به تجهیزات متشابه دارد، Hammer ها قطعه را با سرعت زیادی تغییر شکل می دهند. بنابراین کنترل کورس پرس و نیرو و سرعت در فورج مفید است. اگر زاویه طرح به کار رفته در قالب در حدود 5 تا 7 درجه باشد میتوان از Hammer در Close-Die استفاده کرد. چکشها معمولاً برای عملیات مقدماتی در فورج استفاده می‌شوند.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 6: اجزاء اصلی چکش ضربه‌ای با سیستم فعال سازی بخار هیدرولیک.

پرسهای مکانیکی و پیچی: mechanical and screw presses

2- پرسهای مکانیکی و پیچی در همه جا برای فورج قالب بسته استفاده می‌شود. این نوع پرس مناسبترین دستگاه برای فورج با سایز متوسط، حجم زیاد می‌باشد. پرسهای مکانیکی و پیچی با پرسهای مکانیکی در کنترل نرخ فشار اختلاف دارند که می‌تواند در تغییر شکل زیاد آلیاژهای Al استفاده شود. حالت پیشرفته تری که در این نوع پرسها می‌توان استفاده کرد، سیستمهای کنترل پرس می‌باشد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل 7: یک پرس پیچ که در عملیات پرس کاری فورج مورد استفاده قرار می‌گیرد.

3- پرسهای هیدرولیکی: متد اولترین نوع پرسی می باشند که آرامتر از پرسهای مکانیکی یا پیچی عمل می‌کند و برای تولید قطعات با close-die بزرگ و قطعات خیلی بزرگ استفاده از پرسهای هیدرولیکی مناسب می‌باشد. تغییر شکل بدست آمده در پرسهای هیدرولیک قابل کنترل تر از پرسهای مکانیکی و پیچی می‌باشد.

بنابراین پرسهای هیدرولیکی انتخاب خوبی برای کنترل نرخ فشار برای کمترین مقاومت تغییر شکل قطعه فورج، کاهش فشار مورد نیاز زاویه طرح دقیق و راحت بدست آوردن شکل مورد نیاز می‌باشد. از انواع پرسهای هیدرولیک که دستگاههای با قدرت بالا می باشد، پرس 50000ton می‌باشد که سرعت و فشار آن قابل کنترل است و دارای قابلیت برنامه‌ریزی می‌باشد.

کمترین زاویه طرح مورد استفاده در این نوع پرسها برای آلیاژ AL زاویه   درجه می‌باشد، که برای پرسهای هیدرولیک دقیق زاویه بین  تا.5 درجه و برای زاویه طرح داخلی بین .5  تا 1  درجه می باشد.

2-2- نمودار گردشی اجراء عملیات مختلف در فرآیند آهنگری داغ برای تولید یک قطعه

طراحی و ساخت قالب

نصب قالب روی ماشین آهنگری

گرم گردن قالب

روغن کاری قالب

عملیات آهنگری

تهیه بیلت

گرم کردن بیلت

برش مواد زائد

عملیات حرارتی

تمیز کاری

ماشینکاری

3-2- اجزا سیستم فورج

< >ماده خام یا لقمه (Billet) قالبشرایط تماس بین قطعه و قالب نواحی تغییر شکل، نحوه جریان فلز و میزان پیچیدگی شکل هندسی. تجهیزات فورج مانند پرس و چکش، کوره و تجهیزات روانکاری. محصولات و خواصی که باید داشته باشد. کارخانه و محیط کار.شناخت پارامتر‌های فوق و اثر آنها بر فرآیند فورجینگ در موفقیت فرآیند و راندمان بالا و بهره‌وری بسیار مؤثر است. از این رو جهت بالا‌بردن بهره‌وری فرآیند تمامی عوامل باید شناسایی و بررسی شوند. و با کمی نمودن Quantify پارامترهای هر جزء اثر شان به صورت کمی بیان شود. تمامی عوامل موثر بر فرآیند فورج در نهایت اثر خود را برروی سه پارامتر:

1. نیروی فورج  2.انرژی فورج    3. جریان فلز می گذارند.  جهت جمع بندی و بررسی عوامل دخیل در یک سیستم فورج، پارامترهای مؤثر به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

فصل سوم:

اصول آهنگری

فصل سوم:

3- اصول آهنگری

1-3- مراحل اصلی در شکل دادن پرسی با فلش

سه طریق شکل دادن، سرکوبی، پهن کردن و قد کشیدن مواد وجود دارد.

سرکوبی: بلندی اولیه قطعه خام بدون هر گونه افزایش زیاد عرضی و در حالیکه مسیر لغزش زیاد نیست، در امتداد دیواره قالب کاهش می یابد. اصولاً مواد موازی با جهت حرکت قالب جریان می یابد.