فورج کاری چیست و انواع روش های فورجینگ کدامند؟

فورج (Forge) به معنای کوره آهنگری، آهنگری کردن و کوبیدن است. فورجینگ فلزات یعنی آهنگری فلزات؛ فرآیندی که در آن با استفاده از نیروهای فشاری، فلزات را به فرم و شکل مورد نظر تبدیل می‌کنند. آهنگری یکی از مهمترین روش‌های فلزکاری در صنعت تولید مقاطع فلزی، به ویژه در صنایع آهن و فولاد است. نیروهای فشاری با استفاده از چکش یا پتک، پرس و غلتک بر قطعه فلزی وارد می‌شود. لوازم یا قطعات دستگاه فورجکاری، اغلب بسیار سنگین هستند.

در بخشی از دستگاه‌های فورجکاری نیز قالب‌هایی را می‌بینیم. این قالب‌ها، محل قرارگیری قطعه‌ای است که قرار است شکل خاصی به آن داده شود. قالب دارای دو نیمه است. قطعه اولیه که لقمه نامیده می‌شود، بر روی یکی از نیمه‌های قالب قرار داده می‌شود. ایجاد شکل جدید به لقمه مستلزم اعمال حرارت و نیرو بر آن است. این نیرو می‌تواند به آرامی و یا به طور ناگهانی و به صورت ضربه‌ای بر لقمه وارد شود.

چکش (پتک) و پرس از تجهیزات اصلی دستگاه فورج هستند.

از چکش برای ضربه زدن مکرر به لقمه، به منظور تغییر شکل آن استفاده می شود. تا زمانی که دارای نیروی محرکه 50000 پوندی برای وارد کردن ضربات ضربه ای با فشار بالا باشد، یک چکش می تواند فلز را به شکلی بکوبد.

به منظور اعمال فشار مداوم بر روی قالب های آهنگری، از پرس استفاده می شود. پرس برای اعمال فشار، به یک نیروی محرکه 50000 تنی نیاز دارد تا فلز را به صورت عمودی در حفره های قالب با فشار بالا به صورت کنترل شده فشرده کند. پرس برای تغییر شکل فلز، بجای ضربه زدن مکرر به آن، فلز به آرامی در قالب ها فشرده می‌کند.

انواع فورج

عملیات فورج کاری را می توان به دو دسته کلی تقسیم‌بندی کرد:

1. فورجکاری بر اساس دما (سرد، گرم و داغ).
2. فورجکاری بر اساس نوع دستگاه و روش‌های انجام کار (مثل آهنگری قالب باز، بسته، حلقه ای و غیره).

هر یک از این دو دسته در ادامه توضیح داده شده است.

 صنعت هواپیما: ساخت قطعات حیاتی هواپیماها مثل دنده، چرخ دنده و قطعات مربوط به فرود هواپیما، تولید شفت برای موتورهای جت، توربین هواپیما.

• تجهیزات مربوط به وسایل نقلیه مثل میل لنگ، اهرم، چرخ دنده، میله‌های اتصال، قلاب جرثقیل.
• ساخت ابزارهای مختلف برش.
• تقویت ابزارهای صنعتی مثل پیچ و مهره و بولت.

عملیات آهنگری را می‌توان برای بیشتر فلزات انجام داد. اما این فرایند در مورد فلزات و آلیاژهای خاصی مؤثرتر و مناسب‌تر است؛ از جمله:

• فولاد
• آلومینیوم
• تیتانیوم
• برنج و مس
• استنلس استیل
• آلیاژهای دما بالا (High-temperature alloys) که حاوی عناصر کبالت، نیکل یا مولیبدن هستند.

بر خلاف فلزات و آلیاژهای نامبرده، قطعات چدنی گزینه مناسبی برای فورجکاری نیستند. زیرا چدن به خودی خود آلیاژی ترد و شکننده است.

بر اساس دمایی که در زمان کار بر قطعه وارد می‌شود، فرایند فورجینگ در سه دسته طبقه‌بندی می‌گردد:

1. فورجینگ داغ: قطعه تا حدی حرارت داده می شود که دمای آن بالاتر از دمای تبلور مجدد می رسد.
2. فورج سرد: فرم دادن به قطعه، در دمای محیط و طی چند مرحله انجام می‌شود. محصولاتی به دست آمده از فورج سرد، به لحاظ ابعادی دقیق‌تر هستند. دیگر مزیت این روش آن است که به دلیل دمای پایین، بر روی سطح مقطع تولید شده، اکسید ایجاد نمی‌شود.
3. فورج گرم: روشی تعدیل یافته از Forging سرد و داغ است. در این روش، قطعه تا زیر دمای تبلور مجدد حرارت داده می‌شود.

فورجینگ ورق آلومینیوم و به طور کل، مقاطع آلومینیومی به روش سرد انجام می‌شود. این روش همچنین برای ایجاد اشکال مختلف و تولید ورق آجدار آلومینیوم کاربرد دارد. فورج سرد برای قلع و سرب نیز مناسب است؛ اما برای مقاطع فولادی مناسب نیست.

 فورجینگ به روش‌های مختلفی انجام می‌شود؛ برخی از متداول‌ترین این روش‌ها عبارتند از:

1. فورجینگ قالب بسته (Closed die forging).
2. فورجینگ قالب باز (Open die forging).
3. رول فورجینگ (Roll forging).
4. فورجینگ حلقه (Ring Forging).
5. آهنگری (فورج) دقیق (Precision Forging).

از میان روش‌های نامبرده، سه روش اول متداول‌تر است.

1- فورجینگ قالب بسته

در آهنگری قالب بسته، لقمه (قطعه اولیه) در قالب موجود در دستگاه قرار داده می‌شود. لقمه به طور کامل یا جزئی توسط قالب پوشیده می شود. سپس دو قالب به سمت یکدیگر حرکت می کنند. لقمه‌ای که گرم شده و اندازه و شکل‌شان نزدیک به اندازه و شکل مورد نظر است، در قالب پایینی قرار داده می‌شود. هنگامی که عملیات شروع می‌شود، ضربه قالب بالایی بر روی مقطع فلزی، آن را به شکل مورد نظر تبدیل می‌کند.

فورج قالب بسته دارای ویژگی‌ها و مزیت‌های زیر است:

1. دقت ابعادی این روش بالاست.
2. سرعت تولید در این روش بالاست.
3. محصولی همگن با ویژگی های مکانیکی عالی تولید می شود.
4. تغییر شکل قطعه فلزی در حین عملیات را می‌توان به طور کامل کنترل کرد. همین ویژگی سبب شده است تا از این روش، برای تولید قطعات صنعتی با شکل‌های پیچیده استفاده شود.
5. پرتی مواد کم است؛ از این رو، آهنگری قالب بسته روش بسیار خوب و با اهمیت در شکل دهی متریال گران مثل تیتانیوم است.
6. از این روش می توان برای ساخت قطعاتی که اندازه آنها از چند اونس تا 60000 پوند متغیر است، استفاده کرد.

2- آهنگری قالب باز

در آهنگری قالب باز، لقمه به طور کامل توسط قالب ها محدود یا مهار نمی شود. ابتدا لقمه را با حرارت دادن گرم می کنند. سپس آن را بین قالب بالاییِ متصل به سنبه و قالب پایینیِ متصل به تکیه گاه قرار می‌دهند. در مرحله بعد، با اعمال نیروی فشارشی سندان یا چکش، به تدریج به فرم مورد نظر تبدیل می‌گردد. پرس هیدرولیک و چکش فورج کاری، از تجهیزات اصلی مورد استفاده در آهنگری باز هستند. برای کارهای دقیق‌تر، خاص و ویژه، از چکش بخار (steam hammer) و چکش هوا (air hammer) استفاده می‌شود. برای تغییر شکل فلزات به شکل دلخواه، از پرس هیدرولیک استفاده می‌شود. در پرس هیدرولیک، فشار توسط یک محلول مایع ساکن اعمال می‌شود.

به طور کلی، از روش open die forging برای تولید قطعات بزرگ و در عین حال ساده استفاده می شود. در مورد مقاطع فلزی مثل میلگردها، حلقه‌ها (رینگ) و مقاطع فلزی توخالی یا میان تهی مثل لوله ها یا پروفیل ها آهنگری قالب باز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی های آهنگری قالب باز عبارتست از:

• این روش مقاطعی با استحکام بالا به دست می‌دهد.
• هزینه تولید می یابد.
• دقت اندازه محصول در این روش اندکی پایین است.
• به طور معمول، دما بین 500 درجه فارنهایت تا 2400 درجه فارنهایت متغیر است، دمای مناسب هنگام کار با قطعات فلزی اعمال می‌شود.

3- رول فورجینگ

رول فرجینگ یا فورج غلتکی که به عنوان رول فرمینگ (roll forming) نیز شناخته می‌شود، روشی است که در آن از غلتک‌هایی مقاوم که در جهت خلاف هم حرکت می‌کنند، برای شکل دادن به لقمه استفاده می‌شود. اگرچه در روش رول فرمینگ از غلتک برای شکل دهی به فلزات استفاده می‌شود، اما نمی‌توان آن را یک فرایند نورد در نظر گرفت. رول فرجینگ شامل دو غلتک استوانه‌ای است که به صورت افقی و نیمه افقی قرار دارند و از آن‌ها برای شکل دهی استوک های تخت و گرد یا مدور استفاده می‌شود. غلتک ها ضخامت مقطع فلزی را کاهش و طول آن افزایش می‌دهند.

قطعاتی که به روش رول فرمینگ تولید می‌شوند، خواص مکانیکی برتری نسبت به دیگر روش های فورجینگ دارند. به همین دلیل، برای تولید قطعات مورد نیاز در صنعت خودرو، اغلب از این روش استفاده می‌شود. Roll forging همچنین برای کم کردن قطر میلگردها و کاهش ضخامت ورق ها کاربرد دارد. قالب های مورد استفاده در این روش به صورت تک غلتکی، دو غلتکی و سه غلتکی است.

4- آهنگری حلقه

دستگاه فورج حلقه یا رینگ، شامل یک غلتک داخلی و دو غلتک مخروطی شکل است. در مواردی که لازم است به واسطه کاهش سطح مقطع، محیط یک مقطع فلزی حلقه‌ای شکل افزایش پیدا کند، از روش فورج حلقه استفاده می‌شود. این کار با استفاده از دو غلتک چرخان انجام می‌شود. غتلک داخلی باعث افزایش محیطی حلقه خواهد شد. غلتک مخروطی نیز ضخامت مقطع را در حین عملیات کنترل می‌کند. لقمه ای (قطعه اولیه) که در این روش مورد استفاده قرار می‌گیرد، یک قطعه فلزی توخالی و گرد است که تحت فشار شدید رول چرخان قرار می‌گیرد.

5- فورج دقیق

انجام آهنگری دقیق اغلب به زمان و تخصص زیادی برای دست یابی به محصولی با جزئیات دقیق نیاز دارد. همین امر ممکن است هزینه تولید را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. آهنگری دقیق نیز ویژگی‌های خاص خود را دارد که در ادامه بیان شده است.

• در این روش ضایعات کمتری ایجاد می‌شود.
• از منابع انرژی کمتر استفاده می‌شود.
• اندازه ها و ابعاد مقطع تولید شده به اندازه های مورد نظر بسیار نزدیک است.
• محصولات تولید شده به استانداردهای صنعتی نزدیک است.
• در حین عملیات ممکن است به مواد روان کننده نیاز شود.
• برای تکمیل شدن فرایند، ممکن است به رسوب زدایی نیاز شود.
• اگرچه هزینه ها در این روش بالاست اما محصولی با استحکام بالا و مشخصات کیفی بسیار بالا به دست می‌آید.

روش های متعددی برای ارتقاء قابلیت و کارایی مقاطع فولادی و سایر مقاطع فلزی وجود دارد. اما هر تکنیک مزایا و معایبی دارد. بنابراین، بر اساس نیاز و کاربردی که قطعه فلزی در صنعت دارد، باید بهترین و مناسب‌ترین روش را انتخاب کرد. روش فورجینگ فلزات در شرایطی که استحکام قطعه فلزی مهم است و در عین حال، اندازه‌ها سفارشی هستند، بسیار کاربردی است. واضح است چنین شرایطی در کاربردهایی که عملکرد قطعه فلزی تولید شده مهم و حیاتی است، مد نظر می باشد. در مقادیر کم، استفاده از فرایند فورجینگ به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. زیرا در درجه اول، تولید قالب برای فوجکاری فرم مورد نظر، هزینه اولیه بالایی دارد. با این حال، این روش معمولاً برای محصولاتی که در مقادیر قابل توجهی تولید می‌شوند، بهترین روش است.

مزیت ها

• اتلاف مواد یا پرتی در این روش کم است.
• کاهش و حذف آلودگی‌ها و ناخالصی‌ها از فلز و در نتیجه افزایش استحکام آن.
• افزایش خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب فلزات به دلیل از بین رفتن حفرات در حین فرجکاری.

معایب

• هزینه اولیه بالاست.
• تولید در مقادیر کم مقرون به صرفه نیست.
• نمی‌توان مقاطعی با اشکال پیچیده تولید کرد. (برای تولید مقاطع فلزی با شکل‌های پیچیده می‌توان از روش هیدروفرمینگ استفاده کرد).
• در صورتیکه دما در زمان انجام عملیات، پایین‌تر از حد لازم باشد، فلز دچار اعوجاج می‌شود.

1. از بین بردن ترک ها و تخلخل موجود در فلز: آهنگری به‌ عنوان بهترین روش برای تولید قوی‌ترین قطعات صنعتی شناخته شده است. زیرا در این روش، همانطور که فلز گرم و فشرده می‌گردد، ترک‌های جزئی مهر و موم شده و فضاهای خالی موجود در آن بسته می شود.
2. حذف ناخالصی‌ها و آلودگی‌های موجود در فلز: این مورد در روش فورج داغ (hot forging) رخ می‌دهد. کاهش و حذف آلودگی‌ها منجر به کاهش شدید آخال (inclusions) در قسمت‌های فورج شده می‌گردد. آخال سرباره های ناشی از اکسیداسیون فولاد و مواد ترکیبی هستند که در حین تولید، وارد فولاد شده و باعث ایجاد نقاط تنش در محصول می‌شوند.
3. کمک به تصفیه بیشتر فلز: در مواردی که نیاز به مدیریت ناخالصی‌های موجود در فلز باشد، فورج کاری موجب تصفیه بیشتر فلز می‌شود.
4. تغییر در ساختار دانه های فلز: تغییر شکل دانه‌های فلز به سمت ساختار مطلوب‌تر پیش می‌رود و این امر منجر به استحکام بیشتر و بهتر فلز می‌گردد.

همچنانکه که جهان به پیشرفت روز افزون خود ادامه می‌دهد، تقاضا برای تولید قطعات با کیفیت بالا افزایش می‌یابد. برخی از قوی ترین مقاطع  فلزی را می توان به روش فورجینگ تولید کرد. پیش بینی می‌شود که ارزش بازار محصولات تولید شده با این فرایند تا سال 2025 به 131.32 میلیارد دلار برسد.