آهنگری سرد، آهنگری داغ و آهنگری حلقه ای: فرآیندها، مقایسه ها و راهنمای فولاد

جعل سرد چیست - و این اصطلاح به چه معناست؟

"فور فورج سرد" بخشی فلزی را توصیف می کند که از طریق فرآیند آهنگری که در دمای اتاق یا نزدیک به آن انجام شده است - بدون اعمال گرمای خارجی برای نرم کردن قطعه کار شکل گرفته است. هنگامی که یک جزء به عنوان فورج سرد توصیف می شود، به این معنی است که فلز تحت نیروی فشاری بالا به صورت پلاستیکی تغییر شکل داده است در حالی که در دمای تبلور مجدد خود باقی مانده است، که برای اکثر آلیاژهای فولادی تقریباً 700-750 درجه سانتیگراد است. این فلز در یک حفره قالب جریان می یابد و شکل ابزار را تحت فشارهایی از 400 مگاپاسکال تا بیش از 2500 مگاپاسکال بسته به مواد و هندسه به خود می گیرد.

مشخصه تعیین کننده قطعات آهنگری سرد اثر متالورژیکی آن تغییر شکل سرد است: کار سخت شدن . همانطور که فلز فشرده می شود و مجبور به جریان می شود، ساختار دانه آن در جهت جریان مواد تصفیه شده و کشیده می شود. نابجایی های درون شبکه کریستالی تکثیر می شوند و مانع حرکت بیشتر دررفتگی می شوند، که منجر به افزایش قابل اندازه گیری در استحکام تسلیم و سختی در مقایسه با ماده بیلت اصلی - اغلب 20 تا 40٪ بیشتر از ماده پایه آنیل شده - بدون هیچ تغییری در ترکیب شیمیایی می شود.

اجزای آهنگری سرد در پیشرانه‌های خودرو (محل اتصال با سرعت ثابت، جعبه دنده، میل پینیون)، بست‌ها (پیچ‌ها، مهره‌ها، پیچ‌های تولید شده توسط سرسرد)، قطعات دوچرخه، بدنه ابزار دستی و سخت‌افزار دقیق در کاربردهای صنعتی و مصرف‌کننده یافت می‌شوند. ترکیبی از دقت ابعادی نزدیک به شبکه، پرداخت سطح عالی، و خواص مکانیکی بهبود یافته، آهنگری سرد را به یکی از کارآمدترین و از نظر مکانیکی موثرترین فرآیندهای تولیدی در دسترس برای تولید قطعات فلزی با حجم متوسط ​​تا بالا تبدیل می‌کند.

آهنگری گرم در مقابل سرد: تفاوت های کلیدی در بین هر متغیری که مهم است

تصمیم آهنگری گرم در مقابل سرد یکی از مهم ترین انتخاب ها در ساخت قطعات فلزی است. هر دو فرآیند از نیروی فشاری برای شکل دادن به فلز استفاده می‌کنند، اما آنها بر اساس اصول متالورژیکی متفاوت عمل می‌کنند و نتایج متمایز را از نظر دقت ابعاد، کیفیت سطح، خواص مکانیکی، عمر ابزار و مناسب بودن مواد ارائه می‌دهند.

دسته سوم - آهنگری گرم - فضای بین این دو را اشغال می کند، با دمای قطعه کار 500-800 درجه سانتیگراد برای فولاد. آهنگری گرم نیروهای شکل‌دهی مورد نیاز را در مقایسه با آهنگری سرد کاهش می‌دهد (30 تا 50%) در حالی که همچنان به تحمل‌های سخت‌تر و پرداخت سطحی بهتر نسبت به آهنگری گرم دست می‌یابد. این به طور فزاینده ای برای قطعات فولادی با کربن متوسط ​​و آلیاژی استفاده می شود که از حد شکل پذیری آهنگری سرد فراتر می روند، اما اقتصاد فورج گرم کامل را تضمین نمی کنند.

تصمیم آهنگری گرم در مقابل سرد در نهایت به سه فیلتر اصلی کاهش می یابد: ترکیب مواد (آیا آلیاژ قابل جعل سرد است؟) هندسه و اندازه بخش (آیا می توان شکل مورد نیاز را در محدوده نیروی پرس آهنگری سرد بدست آورد؟)، و اقتصاد حجم (آیا اجرای تولید، سرمایه گذاری بیشتر ابزارآلات آهنگری سرد را از طریق صرفه جویی در هر واحد در ماشینکاری و مواد توجیه می کند؟).

فولاد کربنی آهنگری: درجات مواد، خواص، و ملاحظات فرآیند

فولاد کربنی پرکاربردترین کلاس مواد آهنگری در سطح جهان است که اکثر قطعات صنعتی آهنگری شده را برحسب حجم تشکیل می دهد. قابلیت جعل، هزینه و دامنه وسیع خواص مکانیکی آن، آن را برای آهنگری گرم و سرد در طیف گسترده ای از کاربردهای ساختاری، مکانیکی و سایش مناسب می کند. درک اینکه کدام نمرات فولاد کربنی برای هر روش آهنگری مناسب است، برای طراحی و تهیه قطعات ضروری است.

فولاد کم کربن (C ≤ 0.25٪) - منطقه اولیه آهنگری سرد

گریدهای کم کربن مانند SAE 1010، 1015 و 1020 رایج ترین فولادهای آهنگری سرد هستند. شکل پذیری بالای آنها (ازدیاد طول 25-35٪) اجازه می دهد تا تغییر شکل پلاستیک بزرگ بدون ترک خوردگی ایجاد شود، و تنش جریان نسبتا کم آنها نیاز به تناژ پرس را کاهش می دهد. قطعات فولادی کم کربن فورج سرد پس از آهنگری بدون عملیات حرارتی به استحکام کششی 380 تا 520 مگاپاسکال دست می یابند. کاربردهای معمولی شامل اتصال دهنده ها، پین ها، براکت ها و سخت افزارهای ساختاری سبک است. این مبادله سختی پذیری محدود است - فولادهای کم کربن را نمی توان با عملیات حرارتی سخت کرد و استفاده از آنها را در کاربردهای پر استرس یا سایش محدود می کند.

فولاد کربن متوسط (C 0.25-0.60٪) - منطقه آهنگری گرم و داغ

گریدهایی مانند SAE 1035، 1045 و 1060 سقف استحکام بسیار بالاتری را پس از عملیات حرارتی ارائه می دهند. مقاومت کششی 700 تا 1000 مگاپاسکال قابل دستیابی است در شرایط خاموش و معتدل - اما شکل‌پذیری کاهش یافته و تنش جریان بیشتر، آهنگری سرد را بیش از 0.35 درصد کربن دشوار می‌کند. فولادهای کربن متوسط ​​ماده غالب برای قطعات خودروهای فورج گرم هستند: میل لنگ، میله‌های اتصال، محور محور، جعبه دنده و بند تعلیق. آهنگری فولاد کربنی در این محدوده در دمای 1100-1250 درجه سانتیگراد اجازه می دهد تا اشکال بزرگ و پیچیده در یک گرما با تداوم جریان دانه عالی در طول مقطع قطعه شکل بگیرد.

فولاد کربن بالا (C 0.60-1.0٪) - برنامه های تخصصی آهنگری

گریدهای کربن بالا عمدتاً برای ابزارآلات، فنرها، اجزای ریل و ادوات برش ساخته می‌شوند. شکنندگی آنها در دمای اتاق، آهنگری سرد را برای اکثر هندسه ها غیرعملی می کند. آهنگری داغ در دماهای با دقت کنترل شده (900-1100 درجه سانتیگراد) استاندارد است. عملیات حرارتی پس از آهنگری - معمولاً سخت شدن و تمپر یا بازپخت همدما - برای ایجاد خواص مکانیکی مورد نظر و کاهش تنش های آهنگری الزامی است. کربن زدایی در حین آهنگری گرم (از دست دادن کربن سطحی به دلیل اکسیداسیون در دمای بالا) یک نگرانی مهم کنترل کیفیت برای فولادهای با کربن بالا است که به کوره های اتمسفر کنترل شده یا پوشش های محافظ در طول گرمایش نیاز دارد.

جریان دانه: مزیت ساختاری فولاد کربنی آهنگری

مهمترین مزیت ساختاری آهنگری فولاد کربنی - در مقابل ماشینکاری از استوک میله یا ریخته گری - جریان پیوسته و منحنی دانه ای است که از تغییر شکل پلاستیک ناشی می شود. در یک قطعه آهنگری، ساختار دانه از کانتور قطعه پیروی می کند، به این معنی که بخش های با بیشترین تنش قطعه با جهت حداکثر تداوم دانه همسو می شوند. این باعث ایجاد مقاومت در برابر خستگی و چقرمگی ضربه 20 تا 40 درصد نسبت به استوک میله‌های ماشینکاری شده معادل می‌شود و دلیل آن است که فولاد کربنی آهنگری در هر جایی که بارگذاری چرخه‌ای، ضربه یا اهمیت ایمنی یک الزام طراحی باشد، مشخص می‌شود.

فرآیند فورج سرد: مراحل، ابزارسازی و کنترل کیفیت

فرآیند آهنگری سرد یک توالی تولید چند مرحله ای است، نه یک عملیات پرس. دستیابی به هندسه قسمت نهایی معمولاً به سه تا هشت ایستگاه شکل دهی متوالی نیاز دارد که هر یک قطعه کار را به صورت تدریجی به سمت شکل نهایی پیش می برد و در عین حال سخت شدن کار و توزیع جریان مواد را مدیریت می کند. یک توالی کامل فرآیند آهنگری سرد شامل:

1. آماده سازی میله سیم یا میله

مواد اولیه آهنگری سرد به صورت میله سیم پیچ دار یا استوک میله بریده می رسد. برای به حداکثر رساندن شکل‌پذیری و به حداقل رساندن تنش جریان، مواد باید قبل از آهنگری کروی شوند. برش بیلت باید وزن ثابت و انتهای برش مربعی ایجاد کند تا از توزیع حجم یکنواخت در حفره های قالب اطمینان حاصل شود.

2. آماده سازی سطح و روانکاری

روانکاری مهمترین متغیر از نظر فنی در فرآیند آهنگری سرد است. بدون روانکاری کافی، اصطکاک بین قطعه کار و سطح قالب تولید گرما می کند، سایش قالب را تسریع می کند و باعث ایجاد عیوب سطحی در قسمت آهنگری می شود. سیستم روانکاری استاندارد برای فورج سرد فولاد شامل سه مرحله است: پوشش تبدیل فسفات سطح بیلت (ایجاد یک لایه متخلخل روی یا فسفات منگنز به ضخامت 3 تا 10 میکرومتر)، و به دنبال آن روانکاری صابون واکنشی (استئارات سدیم)، که از نظر شیمیایی به لایه فسفات جدا می شود که لایه فلزی را در طول روانکاری جدا می کند. این سیستم صابون فسفات ضرایب اصطکاک قالب را از 0.12-0.18 به 0.03-0.06 کاهش می دهد. ، امکان کاهش زیاد مساحت مورد نیاز برای اشکال پیچیده را فراهم می کند.

3. شکل دهی پیشرونده چند ایستگاهی

بیلت روغن کاری شده از طریق یک سری ایستگاه های شکل دهی منتقل می شود که هر یک عملیات تغییر شکل تعریف شده را انجام می دهند. عملیات فورج سرد معمولی شامل اکستروژن رو به جلو (جریان مواد در جهت حرکت پانچ، کاهش سطح مقطع)، اکستروژن به عقب (جریان مواد در مقابل حرکت پانچ، تشکیل فنجان‌ها و آستین‌های توخالی)، برهم زدن (فشرده کردن طول بیلت برای افزایش قطر، مانند تشکیل سر پیچ و مهره)، اتو کردن (ضخامت و کاهش ابعاد دیواره) اتمام عملیات تحت فشار بسیار بالا). هر ایستگاه به گونه ای طراحی شده است که تغییر شکل را در ظرفیت کرنش ماده در هر گذر حفظ کند - معمولاً 60 تا 75٪ کاهش در حداکثر سطح قبل از آنیل میانی برای بازیابی شکل پذیری لازم است.

4. بازپخت متوسط (در صورت لزوم)

برای قطعات پیچیده که نیاز به کاهش کل مساحت بیش از 75 درصد دارند، یک آنیل کروی میانی بین مراحل شکل‌دهی برای بازیابی شکل‌پذیری قبل از ادامه انجام می‌شود. این باعث افزایش هزینه و زمان چرخه می شود، اما برای جلوگیری از ترک خوردن در مواد بسیار سخت کاری شده ضروری است. طراحی فرآیند آهنگری سرد مدرن به دنبال به حداقل رساندن تعداد آنیل‌های میانی از طریق انتخاب مواد بهینه و برنامه‌ریزی توالی شکل‌گیری است.

5. عملیات پس از آهنگری و کنترل کیفیت

پس از شکل‌دهی، قطعات آهنگری سرد معمولاً برای از بین بردن فلاش یا سوراخ‌های باز، تراش یا سوراخ می‌شوند و در صورت نیاز به استحکام یا سختی بالاتر از سطوح سخت کاری شده، عملیات حرارتی انجام می‌شود. بازرسی ابعادی از تأیید CMM (ماشین اندازه‌گیری مختصات) برای تأیید مقاله اول و نمونه‌برداری کنترل فرآیند آماری در طول تولید استفاده می‌کند. تشخیص ترک سطحی با بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) یا آزمایش نفوذ رنگ (DPT) برای کاربردهای حیاتی ایمنی از جمله اجزای ساختاری خودرو و پیشرانه الزامی است. نظارت بر سایش ابزار - ردیابی ابعاد پانچ و قالب در برابر محدودیت‌های تحمل - یک روش استاندارد در عملیات آهنگری سرد با حجم بالا است، زیرا سایش تدریجی قالب دلیل اصلی تغییر ابعاد بین تایید مقاله اول و تولید پایان عمر ابزار است.

آهنگری حلقه : فرآیند، کاربردها و چرایی تولید حلقه های برتر

آهنگری حلقه یک فرآیند تخصصی فورج گرم است که برای تولید حلقه های بدون درز با جریان دانه پیوسته و محیطی استفاده می شود - یک پیکربندی ساختاری که هیچ فرآیند تولید دیگری نمی تواند تکرار کند. حلقه های آهنگری در هر جایی که به استحکام بالا، مقاومت در برابر خستگی و یکپارچگی ابعادی تحت بارگذاری چرخه ای یا فشاری نیاز باشد استفاده می شود: بلبرینگ رینگ ها، حلقه های چرخ دنده، فلنج ها، سر مخازن تحت فشار، فلنج های اتصال خط لوله، محفظه های موتور توربین، حلقه های چرخان توربین بادی، و حلقه های چرخشی قاب هوا برای سازه های هوا.

فرآیند نورد حلقه

آهنگری حلقه از طریق فرآیندی به نام تولید می شود حلقه نورد ، که به ترتیب زیر ادامه می یابد. یک شمش استوانه‌ای ابتدا برای افزایش قطر و کاهش ارتفاع به هم می‌خورد (به صورت محوری فشرده می‌شود). سپس یک پانچ سوراخ کننده یک سوراخ مرکزی از طریق بیلت ایجاد می کند و یک حلقه پریفرم با دیواره ضخیم ("دونات") ایجاد می کند. این پیش‌فرم تا دمای آهنگری گرم می‌شود و روی یک آسیاب نورد حلقه‌ای قرار می‌گیرد، جایی که بین یک رول اصلی رانده و یک رول سنبه غیرفعال قرار می‌گیرد. همانطور که رول اصلی می چرخد ​​و سنبه به صورت شعاعی پیش می رود، ضخامت دیواره حلقه به تدریج کاهش می یابد در حالی که قطر افزایش می یابد. رول های محوری (رول های مخروطی) به طور همزمان ارتفاع حلقه را کنترل می کنند. قطر حلقه به طور مداوم رشد می کند - از یک پریفرم شاید 200 میلی متر تا یک حلقه تمام شده 2000 میلی متر یا بیشتر - در حالی که ضخامت و ارتفاع دیوار به ابعاد نهایی همگرا می شود.

در طول این فرآیند، ساختار دانه فلز یک جهت محیطی ایجاد می کند که دقیقاً از خطوط حلقه پیروی می کند. در یک حلقه ماشینکاری شده که از میله یا صفحه بریده شده است، خطوط دانه مستقیماً از طریق قطعه می گذرند - به این معنی که مرزهای دانه از سوراخ های بسیار تحت فشار و سطوح قطر بیرونی در زوایای مایل عبور می کنند. در یک جزء آهنگری حلقه، جریان دانه موازی با تمام سطوح بحرانی است ، مقاومت در برابر ترک خستگی، استحکام حلقه و ظرفیت تحمل فشار را در هر نقطه از محیط به حداکثر می رساند.

محدوده اندازه و قابلیت مواد

آهنگری حلقه یکی از انعطاف پذیرترین فرآیندهای شکل دهی فلزات موجود است. حلقه‌های فورج شده در قطرهای بیرونی از کمتر از 100 میلی‌متر (ریس‌های بلبرینگ کوچک، اتصالات هیدرولیک) تا بیش از 9000 میلی‌متر (بلبرینگ‌های اصلی توربین بادی بزرگ، فلنج‌های مخزن تحت فشار راکتور) تولید می‌شوند. ضخامت دیوار بسته به کاربرد می تواند به نازک 10 میلی متر یا تا 500 میلی متر سنگین باشد. موادی که به طور معمول حلقه آهنگری می شوند عبارتند از فولادهای کربنی و آلیاژی، فولادهای ضد زنگ (گریدهای آستنیتی، مارتنزیتی، و دوبلکس)، سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل (Inconel 718، Waspaloy) برای هوا فضا و تولید برق، آلیاژهای تیتانیوم برای حلقه‌های ساختاری آلیاژی سبک هوافضا، و آلیاژهای آلیاژی سبک آلومینیم.

آهنگری حلقه در مقابل گزینه های جایگزین: چرا مشخص شده است

جایگزین های اصلی برای آهنگری حلقه برای اجزای حلقوی، ماشینکاری از میله یا صفحه جامد، جوشکاری از صفحه نورد، و ریخته گری گریز از مرکز است. هر کدام دارای معایب قابل توجهی در کاربردهای حیاتی ایمنی هستند:

• ماشینکاری شده از نوار: جریان دانه را در هر سطحی قطع می کند، و ضعیف ترین جهت گیری دانه ممکن را در سطوح با بیشترین تنش سوراخ و OD ایجاد می کند. استفاده از مواد بسیار ضعیف است - حلقه ای که از میله های جامد ماشین کاری می شود 60 تا 80٪ از مواد ورودی را به عنوان تراشه هدر می دهد.
• جوش داده شده از صفحه نورد: مناطق متاثر از حرارت جوش را با ریزساختار تغییر یافته، تنش پسماند، و محل‌های نقص احتمالی در درز جوش معرفی می‌کند - مستقیماً در مسیر بارگذاری با بالاترین تنش برای یک حلقه فشار یا حلقه ساختاری دوار.
• ریخته گری گریز از مرکز: یک ریزساختار ریخته‌گری با تخلخل ذاتی، تفکیک و اندازه دانه درشت‌تر در مقایسه با مواد آهنگری فرفورژه تولید می‌کند. حلقه‌های ریخته‌گری در کاربردهای حساس به هزینه و با تنش کمتر استفاده می‌شوند، اما نمی‌توانند با طول عمر خستگی و چقرمگی شکست قطعات آهنگری حلقه‌ای در شرایط خدمات سخت مطابقت داشته باشند.

به این دلایل، آیین نامه های طراحی حاکم بر مخازن تحت فشار (ASME بخش VIII)، ماشین آلات دوار (استانداردهای API)، سازه های هوافضا (مشخصات AMS) و اجزای توربین بادی (سری IEC 61400) ساخت حلقه فورج برای اجزای حلقوی بحرانی را اجباری می کند - باعث می شود آهنگری حلقه نه تنها یک گزینه ترجیحی، بلکه یک گزینه استاندارد در حدود دلار باشد.