آهنگري دقيق

لغت آهنگري دقيق يك فرآيند مجزاي آهنگري نيست تنها به معنايي از آهنگري نزديك مي‌شود. هدف از اين نگرش توليد يك شكل خالص است يا حداقل نزديك به آن در مقايسه با قطعه آهنگري شده.

عبارت خالص نشان دهنده عدم نياز به ماشينكاري يا فرآيندهاي نهائي كردن سطح آهنگري شده مي‌باشد. بنابراين يك شكل خالص آهنگري شده به هيچ كار اضافي در هيچ يك از سطوح آهنگري شده نيازي ندارد. گرچه اعمال ثانوي ممكن است براي ايجاد سوراخها، رزوه ها و جزئياتي از اين دست نياز باشد.
يك آهنگري نزديك به خالص مي‌تواند برخي سطوح و نه در تمام آنها تنها نياز به يك ماشينكاري حداقل يا نهائي كاري داشته باشد. آهنگري دقيق گاهي با آهنگري تلرانس بسته ياد مي‌شود تا تا كيدي داشته باشد به هدف بدست آمده. فقط در طي عمليات آهنگري ابعاد و دقت نهائي سطوح مورد نياز است در قطعه تمام شده.

فرآيند هاي آهنگري سرد به صورت سنتي، دقيق تلقي مي‌شوند. ودر مباحث اكستروژن سرد در باره آن بحث خواهد شد.در اين جلد درباره جزئيات صحبت نخواهد شد. به صورت مشابه فرآيند هاي آهنگري پودري نيز در گروه آهنگريهاي دقيق طبقه بندي مي‌شوند. (مبحث آهنگري پودري را ببينيد) بايد توجه شود كه آهنگري پودري تنها هنگامي‌اقتصادي است كه تهيه قطعه از يك توده خام قابل انجام نباشد.

در بيشتر مواقع سعي شده دقت بيشتري روي فرآيند هاي سرد انجام شود. بطور سنتي آهنگريهاي گرم جز فرآيندها ي دقيق به شمار نمي‌روند.
آهنگري نيم گرم حالتي است كه در زير دماي تك فاز انجام شود و مزاياي هر دو روش آهنگري سرد وگرم را دارا مي‌باشد. مثالهاي اين مبحث روي آهنگري فولاد متمركز شده است.

اطلاعات جزئي تر مربوط به آهنگري دقيق آلياژهاي آلومينيوم و تيتانيوم نيز در مبحث آهنگري آليازهاي آلومينيوم و آهنگري آلياژهاي تيتانيوم قابل دستيابي است.

مزاياي آهنگري دقيق:
در ارتباط با مشكلات دسترسي به تلرانسهاي بسته و كيفيت سطح قابل قبول آهنگري گرم به صورت سنتي با يك وسعت ماشينكاري طراحي شده اند (در حدود۳mm يا بيشتر). انگيزه براي آهنگري دقيق حذف ويا كاهش فرآيند گران ماشينكاري است اين هزينه ها نه تنها قيمت ماشينكاري است كه هزينه مواد براده شده نيز شامل مي‌شود.

صرفه جوئي ناشي از مواد به وضوح صرفه جوئي ناشي از ماشينكاري نكردن نيست ولي مي‌تواند لحاظ شود.
وزن يك قطعه كه به صورت سنتي آهنگري شده است اغلب دو برابروزن قطعه تمام شده ماشينكاري شده است.
و اين مربوط به نوع قالبهائي است كه استفاده مي‌شود. يك مطالعه انجام شده توسط انجمن صنعتي آهنگري تخمين زد كه حدود ۲۰ تا ۴۰ درصد وزن هر قطعه آهنگري شده پرت مي‌باشد. گرچه گاهي اوقات جهت اطمينان از پر شدن قالب در تمامي‌گوشه ها اين پرت ها ضروري است.
در طراحي دقيق اين پرتها كاهش داده شده ويا گاها حذف مي‌شوند.(مثال ۱ را ببينيد).

علت ديگر جهت استفاده از آهنگري دقيق اين است كه خواص يك قطعه آهنگري دقيق شده اغلب از ماده اي كه پس از آهنگري معمولي ماشينكاري مي‌شود بهتر است. واين به علت ساختار مولكولي در اين فرآيند است.
و مزيت ديگر استفاده از آهنگري دقيق در كارگا ه هاي توليد ي، نرخ بالاتر توليد آن است.

كاربرد آهنگري دقيق :
پس از اينكه تصميم بر اين گرفته شود كه يك قطعه بايد به روش آهنگري توليد شود بايد يا به روش سنتي ويا به روش دقيق انجام شود. وتمام قطعات قرار نيست به روش دقيق انجام شوند.
و همينطور كه قبلا گفته شد دقت يك فرآيند آهنگري بستگي به دقت نهائي توليد، هندسه مورد نياز، تلرانسهاي ابعادي وكيفيت سطح دارد. اين نيازها بايد براي هرقطعه تشخيص داده شوند. اثر اين نيازها در پارامترهاي توليد بايد در تحليل طراحي مورد نظر قرار گيرد.
ماهيت فرآيند آهنگري بازه وسيع هندسي قطعات مورد استفاده خواص مشخصه اين فرآيند هستند.

فرضيات هندسي :
فرض اوليه براين است كه آهنگري بايد قابليت اين را داشته باشد كه پس از عمليات، به راحتي قطعه جدا شود. پس قطعات با شيب منفي نمي‌توانند بااين فرآيند توليد شوند. علاوه بر اين صفحات موازي با محور آهنگري اغلب نيروه هاي اصطكاكي زيادي هنگام فورج قطعه ايجاد مي‌كنند. بنابراين آهنگري اغلب با اضافه كردن مقداري شيب به اينچنين سطوحي انجام مي‌شود.
واين ايجاد زاويه نيز مسائلي ايجاد مي‌كند.

ـ ظرفيت مكانيزم خروجي وسايل آهنگري كه بار مورد نياز را تهيه مي‌كند.
ـ كشش مواد قطعه در دماي خروجي، قطعه بايد بار مورد نياز جهت خروج را تحمل كند.
ـ خوردگي قالب وصدمه ديدن سطح قطعه ممكن است بخاطر اصطكاك اتفاق بيافتد.

فيزيك جريان فلز طي عمليا ت آهنگري همچنين كاربرد هاي آهنگري دقيق را محدود مي‌كند. بعنوان مثال براي فلزات اين امكان وجود ندارد كه تيغه هاي نازك ويا گوشه هاي تيز را پر كنند. علاوه بر اين نيروهاي زياد در قالب نيز ممكن است باعث بروز مشكلات در جريان فلز شود.
خنك شده قطعه توسط قالب نيز جريان فلز را محدود مي‌كند. واين يكي از دلايل استفاده از آهنگري قالب داغ يا هم دما مي‌باشد. (قسمت آهنگري در قالب داغ ـ هم دما را ببينيد) و همچنين جريان فلز در آهنگري دقيق نيز مي‌تواند باعث بروز مشكلاتي بشو د.

ديدگاه اقتصادي :
ديد گاه هاي اقتصادي نيز كاربردهاي آهتگري دقيق را تحت تاثير قرار ميدهد. اگر تنها قيمت فرآيند آهنگري در نظر گرفته شود آهنگري دقيق عموما از نوع سنتي آن گرانتراست.
اين بر عوامل موثر در آهنگري دقيق بر مي‌گردد. كه در ادامه در بالا آن بحث خواهد شد. كه مقدار زياذي از آنها در آهنگري سنتي صرف نظر ميشوند.
اگر تعداد قطعات كم باشد استفاده از آهنگري دقيق اقتصادي نيست.
آهنگري دقيق هنگامي‌جالب تراست كه هدف توليد قطعه اي با سطوح پيچيده و مشكل جهت ماشينكاري است. واين روش از لحاظ هزينه قابل مقايسه با فرزكاري، تراشكاري ويا سنگ زني است.

دقت ابعادي قابل وصول با اين روش مي‌باشد ودر بعضي مواقع دقتهاي بهتر نيز بدست آمده است. و دوباره اگر مقايسه اي انجام شود بين قطعه اي كه با آهنگري دقيق تمام سطوح آن نهائي شده است با قطعه هاي كه نياز به ماشينكاري دارد. نقع اين روش مشخص مي‌شود.

ديدگاه طراحي قالب :
طراحي ابزار جهت آهنگري بايد شامل تحليل تمامي‌اثراتي كه مي‌توانند در دقت قرآيند موثر باشد بگردد. بايد در نظر گرفته شود كه قالب مقداري انبساط انجام مي‌دهد به علت تماس با قطعات داغ، وهمين ديد گاه بايد براي قطعه كار باشد كه پس از آهنگري شدن انقباض خواهدداشت.
تاثيرات حرارتي قطعه وقالب تقريب زده شده است.(معادله ۱ را ببينيد)

تغيير شكل ارتجاعي ابزار و وسايل آهنگري حين فرآيند رخ مي‌دهد وبايد اثر آن روي دقت قطعه در نظر گرفته شود. در اكثر موارد اين تغيير شكل ناچيز مي‌تواند صرف نظر شود.
ابعاد قطعه آهنگري شده متناسب با ابعاد حفره قالب كاهش خواهد داشت.
يك لايه روغن نيز روي قالب موجود است كه اكثرآن نيز ميتواند ناديده گرفته شود.
ضخامت بيشتر روغن باعث جلوگيري از اكسيدا سيون سطحي مي‌گردد.

چنانچه قبلا در باره آن بحث شد جريان فلز فرض مهمي‌در آهنگري دقيق مي‌باشد.طراحي قالب بايستي طوري باشد كه پر شدن تمامي‌حجم قالب را كنترل كند.
كار پذيري قطعه نيز يك مبناي بررسي است. اين امر درآهنگري دقيق بسيار بحراني تر است چون تغيير شكلهاي بيشتري نياز است تا به دقتهاي لازم برسيم.
در عمل لحاظ كردن پارامترهاي فوق بسيار مشكل است.
تحليل دقيق دماي قطعه وقالب نيازمند يك تحليل دقيق انتقال حرارت است. محاسبات تغيير شكل ارتجاعي نيازمند داشتن نيروي آهنگري و تحليل تنش مي‌باشد وتحليل جريان فلز براي طراحي از تمام اينها مشكل تر است.

مدل رياضي :
مدل رياضي فرآيند آهنگري بر اساس روش اجزا محدود، توسعه پيدا كرده براي كمك به مهندس طراح كه نيازمند اين تحليل هاست. اين مدلها در قالب برنامه هاي كامپيوتري ارائه شده ومي‌تواند نمودارهاي تنش ودما را به طراح نشان دهد.

بررسي شبيه سازي و مدل در قسمت (تكنيكهاي مدل كردن) آمده است تحليل آهنگري دقيق بر اساس مدل كامپيوتر مفيد است اگر قالب نيز با همين روش طراحي و ساخته شده باشد. هدف از شكل خالص ويا حداقل نزديك آن، باعث اين خواهد بود كه آهنگري دقيق و ابزارهاي آن دقيقتر و مشكلتر باشد. علاوه براين محاسبات دقيق مربوط به حجم وسطح كه به طور خودكارتوسط نرم افزار انجام مي‌شود در قالبهاي آهنگري دقيق بحراني هستند.

شبيه سازي فيزيكي :
شبيه سازي فيزيكي يكي از انتخابها براي شبيه سازي رياضي آهنگري دقيق توسط كامپيوتراست شبيه سازي فيزيكي ساخت يك مدل و قطعه قالب را در گير ميكند. بعنوان مثال مشاهد ه جريان يك ما ده خميري در دماي اتاق مفيد واقع شده ه جهت دريافت جريان فلز حين آهنگري قالب در شبيه سازي فيزيكي نوعي مخصوص پلاستيك شفاف است كه قادر مي‌سازد مارا كه مشاهده پيوسته اي از فرآيند داشته باشيم. الگوهاي جريان فلز نيز مي‌تواند با استفاده از مداد رنگي مشاهده شود. شبيه سازي فيزيكي در مبحثي بنام تكنيك هاي شبيه سازي استفاده شده در آهنگري دقيق بحث شده است.

حتي با استفاده از روشهاي تحليلي با هم نكاتي در ساخت قالب فقط جنبه تجربي داشته ودر كارگاه قابل دسترسي است. در برخي موارد پارامترهاي آهنگري ويا ابعاد حفره قالب مي‌تواند تنظيم شود براي دستيابي به دقت هاي لازم. ميزان توسعه عموما با مقدارزياد كار تحليلي افزايش پيدا مي‌كند.
راهبرد بهينه براي آهنگري دقيق ايجاد تعادل مابين سعي وخطا در ساخت واستفاده از روشهاي تحليلي است.
نگرش تحليلي براي حالتي كه تجربه اي موجود نيست مي‌تواند مفيد واقع شود.
نرم افزارهاي قدرتمندي نيز جهت اين امر موجود مي‌باشد واز تلفيق آن با دانش وتجربه مي‌تواند به پيش فرضهايي در زمينه ساخت قالبهاي آهنگري دقيق دست يافت.

فرضيات كنترل فرآيند :
پس از معين كردن يك قطعه براي آهنگري دقيق، در ساخت قالب بايد به كنترل فرآيند توجه شود. ودر ارتباط با عوامل مطرح شده در زير بايستي حداقل مطالعه صورت گيرد.
دقت قالب :
يك آهنگري دقيق نياز به قالب دقيق دارد. دقت ابعادي بدست آمده، بهترازدقت ابعادي قالب نخواهد بود. پس بايستي دقت ساخت قالب از دقت مورد نظرجهت قطعه بالاترباشد. اين همانند كاربرد گيج ها مي‌باشد كه بايستي دقت ساخت آنها ازآنچه مورد اندازه گيري مي‌باشد، بيشترباشد.
پس از ساخت قالب بايستي بازرسي شود تا اطمينان حاصل شود كه احتيا جات طراحي را شامل شود يا خير. اين بازرسي مشكل خواهد بود اگر قالب داراي سطوح منحني باشد.

و اگر قالب بازرسي نشود، مشكل خواهد بود تا منشا خطاهاي بوجود آمده را پيدا كرد.
اساس اندازه گيري توسط گيج برروي قطعات نمي‌تواند براي اندازه گيري قالب مورد استفاده قرار گيرد.
ماشينهاي اندازه گيري محوري (cmm) اغلب براي بازرسي قالب استفاده مي‌شوند.
براي طراحي قالب لازم است دقت ماشينهاي مورد استفاده در ساخت قالب را بداند.
بعنوان مثال : اگر قرار است حفره قالب توسط اسپارك انجام شود دقت الكترود ودقت باربرداري بايستي دانسته شود.
پس از قرارگيري قالب در توليد دقت آن فرق خواهد كرد بعلت وجود فرسايش در سطح قالب واين از عوامل مهم تغيير دقت ابعادي است.

وقتي فرسايش اندك مي‌تواند خروج از اندازه مورد نظر را در پي داشته باشد. هزينه تعمير قالب ويا جاگذاري هسته جديد بايستي در بعد اقتصادي طراحي ديد ه شود.
دقت تنظيم :
كنترل جهت وتنظيم قالب در پرس نيز همانقدر مهم است. نگهدارنده هايي كه براي بستن بلوكه هاي قالب استفاده مي‌شوند نيز از درجه اهميت بالايي برخوردارند.
تنظيم قالب، ضخامت قطعه آهنگري شده را تحت تاثير قرار مي‌دهد و ضخامت، خود جزو عوامل هندسي قطعه است كه مي‌تواند درجه اهميت زيادي داشته باشد.
از طرف ديگ

ر ضخامت وحجم نهائي قطعه به يكديگر وابسته هستند. از آنجائيكه آهنگري دقيق براي پرت كم ويا بدون پرت طراحي مي‌شود، مورد ضخامت كاملا بهراني است. اگر تنظيم قالب طوري باشد كه پرت درخط جدايش تشكيل شود، در آنصورت گوشه هاي تيز پر نخواهند شد. واگر تنظيم از حد معمول دو كف قالب را به هم نزديكتر كند، قالب صدمه خواهد ديد.

دقت ماده اوليه:
در آهنگري دقيق يك مرحله اي ماده اوليه، برشي از ميلگرد ويا يك مقطع استاندارد ديگر است ولي در نوع برنامه اي يا چند مرحله اي progressive)) محصول هر مرحله ماده اوليه است براي مرحله بعدي. ولي در هرصورت دقت ماده اوليه اثر مستقيم در دقت محصول هر مرحله دارد. همانطور كه در بالا بحث شد ارتباط تنظيم قالب با حجم ماده اوليه و حجم محصول كاملا بحراني است.
هنگامي‌كه شكل ماده اوليه پيچيده است، گسترش ماده در آن مهم است جهت اطمينا ن از صحت جريان فلز حين فرآيند. آهنگري دقيق نياز به ماده اوليه دقيق دارد.

درآهنگري چند مرحله اي، هر مرحله بايستي به عنوان يك فرآيند دقيق در نظر گرفته شود.
حجم همچنين مي‌تواند با وزن كردن نيز كنترل شود. ويا پيش بيني مكاني جهت فرار مواد اضافي در قالب در صورت اضافه بودن مواد به آنجا هدايت شود.
كيفيت سطح ماده اوليه نيز مهم است چرا كه مي‌تواند كيفيت سطح قالب را تحت شعاع قراردهد. جلوگيري از اكسيد اسيون يكي از عوامل مهم است ودر بخش فرآيند هاي حرارتي درباره آن بحث شده است.

كيفيت سطوح برش خورده نيز مهم است گرچه گاهي اوقات قالبها طوري طراحي مي‌شوند كه آن سطوح در سطوح غير بحراني محصول واقع شوند.
كنترل تركيبات شيميايي وريز ساختارهاي متالورژي ماده خام مي‌تواند در كاربردها آهنگري دقيق مهم باشد. بعنوان مثال: هنگام آهنگري، فولاد نبايد كربن از دست بدهد وبراي مواد خالص نبايد تغييري در ساختارمولكولي آنها حاصل شود.

كنترل روانكاري :
از ميان تمام متغييرهاي آهنگري، روانسازي به سختي قابل اندازه گيري است گرچه روانسازي بعنوان بحرانيترين عامل موفقيت يك فرآيند آهنگري دقيق شناخته شده است. روانسازي بر نيروي آهنگري، وضعيتي كه مواد، حفره قالب را پر مي‌كنند، يكنواختي متالورژيكي محصول، ساختارمولكولي و كيقيت سطحي اثر مي‌گذارد. ابزارهاي خودكاردراين زمينه موجود است.

كنترل دماي قطعه كار:
دماي قطعه كاريك متغيير بحراني در آهنگري دقيق مي‌باشد. اين قسمت به كنترل اين عامل مي‌پردازد قطعه كار دچار يك تغيير دماي است حين فرآيند آهنگري. در اكثر موارد دماي قطعه كار، دماي خروجي از كوره درنظر گرفته مي‌شود در آهنگري دقيق بايستي روي اين دما بين +_۱۰ C تا+_۲۰ C كنترل وجود داشته باشد. واين بازه كوچكترخواهد شد درمواقعي كه دقت بالاتري مورد نياز است.

عموما نه عملي است ونه لزومي‌دارد كه تغييرات دمايي قطعه مستقيما اندازه گيري شود. قطعه به محض خروج از كوره شروع به از دست دادن دما مي‌كند. نوع انتقال قطعه از كوره تا پرس نيز مي‌تواند موثر باشد و در اين مرحله مي‌توان از ابزارهاي خودكار استفاده كرد.
قطعه بيشترسرد مي‌شود هنگامي‌كه درتماس باقالب قرار مي‌گيرد. اين انتقال حرارت به ضريب هدايت گرمايي قطعه وقالب و ضخامت ماه روانسازي بستگي دارد.

هنگام عمليات آهنگري كه تما س بيشتر و نزديكتري بين قطعه و قالب صورت مي‌گيرد، اين انتقال حرارت بيشتر مي‌شود.
بنابر اين زمان تماس قالب يا قطعه با اعمال نيرو نيز بر سرد شدن قطعه اثر مي‌گذارد. براي يك قالب با هندسه معلوم زمان تماس با قطعه ثابت است.زمان تماس يك عامل مهم است اگر چه اشكال قالب فرق كند.

در برخي تحليل هاي دمايي آهنگري ممكن است ضرورت احساس شود كه روي دماي تغيير شكل نير حساب شود. درصد بالايي (معمولا بالاي ۹۰%) از انرژي مكانيكي فرآيند آهنگري تبديل به حرارت مي‌شود. و دماي افزايش پيدا مي‌كند. پس دماي قطعه در طي آهنگري بايك تعادل مابين حرارت از دست داده شده به محيط و حرارت توليد شده حين تغيير شكل نتيجه مي‌شود.
دماي قطعه دقت آهنگري را تحت تاثير قرار مي‌دهد.
ـ اثر انقباض حرارتي
ـ اثر حرارت بر جريا ن مواد تنش و حالت الاستيك قطعه و قالب
ـ اثر حرارت بر خواص روانسازي
چنانچه در بالا بحث شد با بررسي طراحي قالب، ابعاد قطعه آهنگري شده مستقيما به حرارت آهنگري وابسته است به علت انقباضات حرارتي.
براي بررسي اثرات حرارتي يك دماي ميانگين براي قطعه در نظر گرفته مي‌شود.تحليل انتقال حرارت در آهنگري براي اين مقصود توسعه پيدا كرده است.
معادله يك مي‌تواند براي تخمين مقدار انبساط حرارت بكاررود.
معادله (۱)

كه درآن D يك بعد خطي، T دما، ضريب انبساط حرارتي مي‌باشد.
انديسهاي FوD به Die – Forging باز مي‌گردند. انديس O به دماي محيط اشاره مي‌كند.چنانچه در بالا نشان داده شد دماي قطعه يك مقدار ميانگين خواهد بود. دماي قالب نيز همچنين يك مقدار ميانگين ميباشد.
اگر انبساط حرارتي براي قطعه و قالب خطي نباشد يك مقدار ميانگين بايستي بكار رود. علاوه بر انقباض حرارتي، درجه حرارت دقت فرآيند + آهنگري را به علت اختلاف جريان تنش در مواد قطعه تحت الشعاع قرار مي‌دهند. هم چنانكه در محث انتخاب فرآيند حرارتي آمده است.
چنانچه در مبحث ” فرضيات طراحي قالب” بحث شد دماي آهنگري مي‌تواند انتخاب شود و جريان تنش مي‌تواند تخمين زده شود. و مقدار نيروي آهنگري مي‌تواند محاسبه شود. تغيير شكل ارتجاعي قالب در برخي مواد و وسايل آهنگري مي‌تواند تخمين زده شود. و حالت مناسب ميتواند در طراحي قالب استفاده شود.
اگر تغيير شكل ارتجاعي مهم باشد تغيير در دماي قطعه رخ دهد، اين اهميت، جريان تنش را تغيير مي‌دهد. جريان تنش بسيارحساس است نسبت به تغييرات دمايي در دماهاي بالا. و جداول جريانهاي تنش نيز در دماهاي بالا بيشتر هستند. پس اثرات ارتجاعي پيش از پيش مهم خواهند بود.
دماي قطعه مي‌تواند رفتار روانساز را عوض كند. اهميت يك روانسازي ثابت براي رسيد ن به يك فرآيند دقيق را قبلا متذكر شديم. دماي قطعه اثر مهم و خاصي درآفريند روانسازي دارد. اگر يك پوشش روان كننده بصورت مستقيم روي قطعه پيش از شكل دهي وجود داشته باشد.

اکسيد اسيون قطعه اهميت داشته باشد بايد توجه شود که عامل دما مي‌تواند موثر باشد. و در مبحث انتخاب فرآيند هاي گرمايي درباره آن بحث شده است. و بطور کلي اکسيد اسيون بايستي درآهنگري دقيق مورد توجه قرارگيرد. کنترل دماي آهنگري مي‌توانند کنترل متالورزيکي فرآيند را در برداشته باشد. فرآيند سخت شدن شکل گيري مجدد شيک بلوري دقيقا با دماي آهنگري در ارتباط است. جابجائي هاي متالورزيکي نيز ميتواند حين فرآيند آهنگري روي دهد. در نظر گرفتن رفتارهاي متالورزيکي اگر پس از فرآيند عمليات حرارتي لازم است، بايد انجام گيرد : جابجايي هاي متالورزيکي همچنين مي‌تواند اثرات ابعادي نيز داشته باشد. واين بايد در آهنگري فولاد که در دماي ۸۱۵ تا ۳۴۰ انجام مي‌شود در نظر گرفته شود.

جابچائي فازي در فولاد اندکي بالاي دماي آهنگري روي مي‌دهد. اين امر با تغيير ي در حجم همراه است. دماي وقوع اين مسئله بستگي به نوع آليازبکار رفته دارد.