قالب بسته، آهنگری قالب باز و آهنگری فولاد کربنی: راهنمای فرآیند کامل

فرآیند فورج قالب بسته: چگونه کار می کند و کجا عالی می شود

آهنگری قالب بسته - که به آن قالب گیری قالبی نیز گفته می شود - با فشرده کردن یک شمش گرم شده بین دو یا چند قالب که حاوی یک حفره ماشینکاری شده منطبق با هندسه قسمت نهایی است، فلز را شکل می دهد. همانطور که قالب ها تحت فشار فشار یا چکش بسته می شوند، فلز جریان می یابد تا حفره را به طور کامل پر کند، و یک جزء تقریباً توری شکل با تلورانس های ابعادی محکم و یک خط جداکننده کاملاً مشخص در محل برخورد قالب ها ایجاد می کند.

توالی فرآیند برای آهنگری قالب بسته معمولاً از این مراحل پیروی می کند:

1. آماده سازی بیلت: ذخایر خام به وزن محاسبه‌شده بریده می‌شود - مواد اضافی (فلش) پس از آهنگری کوتاه می‌شود، اما بیش از حد قابل توجهی مواد را هدر می‌دهد و بار پیرایش را افزایش می‌دهد.
2. گرمایش: شمش تا محدوده دمای مناسب آهنگری در یک کوره القایی یا گازی گرم می شود، معمولاً 1100 تا 1250 درجه سانتی گراد برای فولادهای کربنی و آلیاژی.
3. پیش شکل گیری (مسدود کننده): در ابزارسازی چند مرحله ای، شمش از یک یا چند حفره مسدود کننده عبور می کند تا قبل از ورود به حفره پایان، جرم را به سمت شکل نهایی توزیع کند.
4. اتمام آهنگری: پریفرم گرم شده در حفره قالب نهایی قرار داده می شود و با ضربه یا فشار کامل بسته می شود و فلز را به تمام فرورفتگی های قالب وارد می کند.
5. برش فلاش: فلز اضافی که در خط جداسازی اکسترود شده است، معمولاً در حالی که قطعه هنوز داغ است، با دستگاه پرس بریده می شود.
6. عملیات حرارتی و تکمیل: بسته به نیازهای مواد و خواص مکانیکی، قطعات نرمال، خاموش و گرم شده یا آنیل می شوند.

فورج قالب بسته بر روی پرس های مکانیکی، پرس های هیدرولیک یا چکش های قطره ای گرانشی اجرا می شود. پرس های هیدرولیک - متداول در اندازه های 500 تن تا بیش از 50000 تن - اعمال فشار کنترل شده و پایدار مناسب برای اشکال بزرگ یا پیچیده. پرس های مکانیکی و پیچی ضربه پر انرژی را برای قطعات کوچکتر که نیاز به کنترل دقیق ضربه دارند، مناسب می کند. چکش های قطره ای به طور گسترده برای تولید قطعات کوچک تا متوسط ​​استفاده می شود.

مزایا و محدودیت ها

فورج قالب بسته قطعاتی را با نسبت استحکام به وزن برتر در مقایسه با قطعات ریخته گری یا میله های ماشینکاری شده زیرا فرآیند آهنگری ساختار دانه را اصلاح می کند و جریان دانه را با هندسه قطعه هماهنگ می کند. بهبود استحکام خستگی 20 تا 30 درصد نسبت به قطعات ریخته گری معادل معمولاً در اجزای ساختاری هوافضا و خودرو گزارش می شود. تکرارپذیری ابعادی پس از اثبات قالب ها زیاد است، و این امر باعث می شود که قالب بندی قالب بسته برای تولید میله های اتصال، چرخ دنده ها، فلنج ها، میل لنگ و قطعات تعلیق خودرو با حجم متوسط ​​به بالا بسیار مناسب باشد.

محدودیت اصلی هزینه ابزار است. مجموعه قالب های بسته در فولاد ابزار کار داغ H13 بسته به پیچیدگی قطعه از ده ها هزار تا صدها هزار دلار هزینه دارد که این فرآیند را از نظر اقتصادی فقط بالاتر از حداقل حجم تولید - معمولاً 500 تا 1000 قطعه یا بیشتر بسته به اندازه قطعه - مقرون به صرفه می کند. عمر قالب معمولاً از 10000 تا 100000 ضربه متغیر است که تحت تأثیر دمای آهنگری، سایندگی مواد و عمل روانکاری است.

Die Forging را باز کنید فرآیند: انعطاف پذیری برای قطعات بزرگ و سفارشی

قالب باز آهنگری فلز را بین قالب های مسطح یا ساده شکل می دهد که به طور کامل قطعه کار را محصور نمی کند. اپراتور یا دستکاری‌کننده خودکار شمش داغ را به صورت تدریجی بین ضربات پرس تغییر مکان داده و می‌چرخاند و به تدریج مواد را از طریق یک سری مراحل تغییر شکل به شکل دلخواه در می‌آورد. از آنجایی که هیچ حفره قالبی فلز را محدود نمی کند، هندسه قطعه به حرکت قالب، ضربه پرس، و کنترل اپراتور یا CNC بستگی دارد - نه به یک حفره از قبل برش خورده.

پیکربندی‌های متداول ابزار قالب باز شامل صفحات تخت، قالب‌های V، قالب‌های چرخاننده، حلقه‌های سنبه برای قطعات توخالی و قالب‌های زین برای پروفیل‌های کانتور هستند. این فرآیند طیف عظیمی از هندسه‌های قطعات را در بر می‌گیرد، از جمله:

• شفت ها، دوک ها و محورها - به تدریج در طول خود از شمش های بزرگ آهنگری می شوند.
• حلقه ها و فلنج ها - از ضربه زدن، ناراحتی و چرخاندن حلقه تشکیل می شوند
• بلوک‌ها، صفحات و دال‌ها برای ابزارسازی، روکش مخازن تحت فشار و فولاد قالبی
• قطعات یکبار مصرف سفارشی برای ماشین آلات سنگین، تولید برق و دفاع

Cogging: The Core Operation in Die Forging را باز کنید

اساسی ترین عملیات قالب باز است دندان گیر - که به آن کشش بیرون نیز می گویند - جایی که شمش به تدریج در امتداد طول خود فشرده می شود تا سطح لقمه کاهش یابد و طول افزایش یابد. هر نیش یک ناحیه موضعی را تغییر شکل می دهد. اپراتور پرس شمش را بین ضربات به جلو می برد تا لقمه های مجاور 30 ​​تا 50 درصد با هم همپوشانی داشته باشند و از تغییر شکل مداوم بدون بسته شدن سرد یا دور زدن در مرزهای نیش اطمینان حاصل شود. کوگ کردن روش اولیه برای کار کردن شمش های بزرگ (1 تن تا 300 تن) تا اندازه های متوسط ​​بیلت برای پردازش بیشتر یا ماشینکاری نهایی است.

فورج قالب باز روی پرس های هیدرولیک از 800 تن تا بیش از 125000 تن برای بزرگترین آهنگرهای هوافضا و تولید برق کار می کند. بزرگ‌ترین پرس‌های فورج قالب باز جهان - کلاس 50000 تا 80000 تنی- قادر به آهنگری اجزای سوپرآلیاژ تیتانیوم و نیکل برای قاب‌های بدنه هواپیما و دیسک‌های توربین بزرگ هستند.

قالب باز در مقابل قالب بسته: چگونه انتخاب کنیم

این دو فرآیند به جای رقابت، مکمل یکدیگرند. آهنگری قالب باز زمانی ترجیح داده می شود که اندازه قطعه از چیزی که ابزار قالب بسته می تواند از نظر اقتصادی تحمل کند بیشتر باشد (معمولاً بالای 200 تا 500 کیلوگرم)، زمانی که حجم تولید برای توجیه سرمایه گذاری قالب بسیار کم است، یا زمانی که هندسه برای قالب تک حفره بسیار پیچیده یا متغیر است. فورج قالب بسته زمانی ترجیح داده می شود که دقت ابعاد، پرداخت سطح و حجم تولید به نفع سرمایه گذاری ابزارآلات باشد. بسیاری از اجزای بزرگ به‌عنوان پریفرم‌های فورج شده با قالب باز شروع می‌شوند که متعاقباً برای ویژگی‌های حیاتی به صورت قالب بسته می‌شوند.

دما برای جوشکاری فورج: اتصال فلز از طریق حرارت و فشار

جوشکاری فورج یکی از قدیمی ترین فرآیندهای فلزکاری است - دو قطعه فلز را با حرارت دادن به حالت پلاستیکی یا نیمه مذاب و سپس اعمال نیروی فشاری کافی برای اتصال آنها در سطح اتمی، بدون هیچ فلز پرکننده یا شار دیگری غیر از آنچه برای تمیز کردن سطوح اتصال استفاده می شود، به هم متصل می کند. دمای مناسب جوشکاری فورج برای فولاد کم کربن و نرم معمولاً 1260-1370 درجه سانتیگراد (2300-2500 درجه فارنهایت) است. - نقطه ای که در آن سطح فولاد یک ظاهر مشخص زرد مایل به سفید و تقریباً جرقه زا ایجاد می کند و به اندازه کافی پلاستیکی می شود که تحت ضربات چکش اتصال انتشار اتمی ایجاد شود.

دما بر اساس مواد

دمای جوشکاری فورج به طور قابل توجهی با ترکیب آلیاژ متفاوت است، زیرا توسط دمای جامد فلز و رفتار تغییر شکل پلاستیک آن کنترل می شود:

• فولاد کم کربن (0.05-0.20% C): 1260 تا 1370 درجه سانتیگراد - مقرون به صرفه ترین محدوده، با پنجره کار پلاستیکی گسترده
• فولاد کربن متوسط (0.20-0.50٪ C): 1200-1315 درجه سانتیگراد - پنجره دما با افزایش محتوای کربن باریک می شود و خطر گرمای بیش از حد افزایش می یابد.
• فولاد با کربن بالا / فولاد ابزار (0.60-1.0٪ C): 1100-1260 درجه سانتیگراد - پنجره بسیار باریک. گرمای بیش از حد حتی 30 تا 50 درجه سانتیگراد باعث سوختن (اکسیداسیون غیرقابل برگشت مرز دانه) و جوش می شود.
• آهن فرفورژه: 1,315-1,425 درجه سانتیگراد - محتوای بالای سرباره در واقع جوشکاری را با تشکیل یک سرباره مایع که اکسیدها را از سطح مشترک خارج می کند تسهیل می کند.
• فولاد ضد زنگ (304/316): 1200 تا 1260 درجه سانتیگراد - برای جلوگیری از تشکیل اکسید کروم که مانع از پیوند می شود، به جو یا شار بی اثر نیاز دارد.

آماده سازی شار و سطح

رسوب و اکسیدهای روی سطح فلز از تماس اتمی جلوگیری می کنند و باید بلافاصله قبل از برخورد جوش حذف شوند. بوراکس (تتربورات سدیم) پرکاربردترین شار جوشکاری فورجی است - در دمای حدود 900 تا 1000 درجه سانتیگراد با نزدیک شدن فولاد به دمای جوشکاری، ذوب می شود و یک مانع مایع تشکیل می دهد که مقیاس اکسید آهن را حل می کند و از اکسیداسیون مجدد در طول مرحله گرمایش نهایی جلوگیری می کند. بدون شار، رسوب محبوس شده در سطح مشترک اتصالات ایجاد می کند که باعث تضعیف یا جلوگیری از جوش می شود. برخی از آهنگرها از ماسه سیلیس، براده های آهن یا فرمولاسیون فلاکس اختصاصی برای سیستم های آلیاژی خاص استفاده می کنند.

جوشکاری فورج صنعتی مدرن

در حالی که جوشکاری آهنگری دستی در تیغه‌سازی و آهن‌کاری هنری باقی می‌ماند، جوشکاری آهنگری صنعتی برجسته‌ترین کاربرد را در جوش لب به لب فلاش و جوشکاری فشار القایی برای تولید لوله و اتصال ریل. جوشکاری فلاش سطوح فایینگ را با مقاومت الکتریکی (چشمک زدن) گرم می کند، سپس یک نیروی فشاری (فشرده محوری) را برای تحکیم اتصال اعمال می کند - شرایط جوشکاری فورج را به شیوه ای کنترل شده و قابل تکرار به دست می آورد. این روش برای جوشکاری لوله مته، زنجیر لنگر و بخش‌های ریلی استفاده می‌شود که در آن اتصال کاملاً فورج شده و بدون منطقه متاثر از حرارت با خواص مکانیکی فلز پایه مورد نیاز است.

آهنگری فولاد کربنی: نمرات، خواص و کاربردها

آهنگرهای فولاد کربنی از فولادی تولید می‌شوند که مکانیزم تقویت اولیه آن محتوای کربن است - از گریدهای کم کربن زیر 0.20٪ C تا گریدهای کربن بالا بالای 0.60٪ C - بدون افزودن آلیاژهای قابل توجه (کروم، نیکل، مولیبدن) که مشخصه آهنگری فولاد آلیاژی است. آهنگری فولاد کربن بزرگترین بخش حجم صنعت آهنگری جهانی است ، در قطعات پیشرانه خودرو، ماشین آلات صنعتی، تجهیزات ساختمانی، اتصالات نفت و گاز و ابزار دستی استفاده می شود.

نمرات فولاد کربنی که معمولاً در آهنگری استفاده می شود

محتوای کربن متغیر غالب حاکم بر خواص مکانیکی قابل دستیابی در فولاد کربنی آهنگری است:

• AISI 1020 / 1025 (کم کربن): استحکام کششی 380-480 مگاپاسکال به صورت آهنگری. جوش پذیری و چقرمگی عالی؛ برای اهرم‌ها، پین‌ها، شفت‌ها و آهنگری‌های ساختاری عمومی که در آن به استحکام بالا نیازی نیست استفاده می‌شود
• AISI 1040 / 1045 (کربن متوسط): استحکام کششی 570-700 مگاپاسکال نرمال شده، تا 800-950 مگاپاسکال خاموش و خنثی شده. درجه اسب کار برای میله های اتصال، میل لنگ، چرخ دنده ها، محورهای محور، و آهنگرهای فلنج - ترکیبی از ماشین کاری معقول با استحکام خوب
• AISI 1060 / 1080 (کربن بالا): استحکام کششی 800-1100 مگاپاسکال عملیات حرارتی شده؛ سختی بالا و مقاومت در برابر سایش؛ برای چرخ های راه آهن، فنرها، ابزار دستی و اجزای خاکورزی کشاورزی استفاده می شود
• AISI 1095 (کربن بالا): تا 65 سختی سطح HRC قابل دستیابی است. تیغه‌های چاقو، ابزارهای برش و صفحات پوشیده در جایی که حفظ لبه‌ها ضروری است

چگونه آهنگری خواص فولاد کربنی را بهبود می بخشد

فرآیند آهنگری بهبودهای ریزساختاری ایجاد می کند که آهنگری فولاد کربنی را از ریخته گری یا میله نورد گرم در همان درجه متمایز می کند. کار داغ بالاتر از دمای تبلور مجدد (تقریباً 720-750 درجه سانتیگراد برای فولادهای کربنی) ساختار دندریتی ریخته گری را تجزیه می کند. ، تخلخل و حفره های انجماد را می بندد و یک ساختار دانه ای تصفیه شده و هم محور ایجاد می کند. کار مکانیکی همچنین یک جریان دانه‌ای فیبری ایجاد می‌کند که - وقتی با جهت تنش اصلی در قسمت نهایی همسو می‌شود - به طور قابل‌توجهی استحکام خستگی و چقرمگی ضربه را در مقایسه با استوک میله‌ای که روی دانه ماشین‌کاری شده است، بهبود می‌بخشد.

بهبود ویژگی های مستند در آهنگری های فولاد کربن متوسط ​​AISI 1045 در مقابل ریخته گری های معادل شامل بهبود استحکام خستگی 20-37٪ و بهبود چقرمگی ضربه Charpy 30-50٪ در دمای اتاق، با مزایای حتی بیشتر در دماهای زیر صفر مربوط به کاربردهای نفت و گاز و قطب شمال است.

عملیات حرارتی آهنگری فولاد کربنی

اجزای فولاد کربنی فورج شده معمولاً نرمال می شوند (از بالای Ac3 با هوا خنک می شوند) تا تنش های آهنگری را کاهش دهند و یک ریزساختار پرلیتی-فریتی یکنواخت را به عنوان پایه ای برای ماشین کاری بعدی یا عملیات حرارتی ایجاد کنند. خواص مکانیکی نهایی با موارد زیر حاصل می شود:

• خاموش کردن و خلق و خوی (Q&T): آستنیته را در دمای 820 تا 870 درجه سانتیگراد، آب یا روغن را به مارتنزیت خاموش کنید، سپس در دمای 400 تا 650 درجه سانتیگراد برای دستیابی به تعادل سختی/چقرمگی هدف - مسیر استاندارد برای آهنگرهای فولادی با کربن متوسط و بالا در کاربردهای ساختاری و سایش، حرارت دهید.
• سخت شدن القایی: سخت شدن انتخابی سطح مناطق سایش بحرانی (دندان های چرخ دنده، سطوح ژورنال) در حالی که یک هسته سخت را حفظ می کند - به طور گسترده در شفت ها و چرخ دنده های 1045 و 1050 اعمال می شود.
• آنیلینگ: آنیل کامل یا کروی آنیل برای گریدهای کربن بالا برای بهبود قابلیت ماشینکاری قبل از اتمام ماشینکاری و سخت شدن نهایی

آهنگری فولاد کربنی در مقابل آهنگری فولاد آلیاژی

آهنگری‌های فولاد کربنی زمانی انتخاب می‌شوند که خواص مکانیکی مورد نیاز در محدوده قابل دستیابی درجه‌های کربن عملیات حرارتی قرار می‌گیرد، و زمانی که می‌توان الزامات سخت‌شدگی را در مقطعی که آهنگری می‌شود برآورده کرد. برای مقاطع بالاتر از حدود 50-75 میلی متر، محدودیت های سختی پذیری قابل توجه است - هسته آهنگری فولاد کربنی بزرگ ممکن است در طول کوئنچ به سختی مارتنزیتی کامل نرسد و در نتیجه چقرمگی هسته کمتر از سطح باشد. درجات فولاد آلیاژی (4140، 4340، 8620) زمانی مشخص می شوند که سختی پذیری عمیق، استحکام در دمای بالا یا مقاومت در برابر خوردگی از آنچه فولاد کربنی می تواند ارائه دهد بیشتر باشد. مبادله هزینه است: آهنگرهای فولاد کربنی در AISI 1045 از نظر هزینه مواد 15 تا 35 درصد کمتر از آهنگرهای فولاد آلیاژی معادل هستند.