آهنگری (Forging) کار بر فلز توسط پتک کاری یا پرس کاری و در آوردن آن به یک شکل مفید است. در این فرآیند نیروهای بزرگی به کار گرفته می شود و لوازم کار اغلب بسیار سنگین هستند.

در روش فورج، قطعه‌ی اولیه که لقمه نامیده می شود در میان دو نیمه‌ی قالب قرار می گیرد و نیرویی زیاد به صورت آرام و گاهی ضربه ای به آن وارد می شود. به این ترتیب قطعه‌ی گداخته در محیط قالب، شکل و فرم داخل قالب را به خود می گیرد و فلز اضافی به حفره‌ی فلاش وارد می شود که بعدا از قطعه جدا می شود و دور ریز قطعه‌ی فورج شده محسوب می گردد.

پروسه‌ی فورج معمولا به صورت گرم انجام می گیرد و هر فلزی میزان حرارت مشخصی برای فورج شدن دارد. در روش فورج قطعه ی گداخته شده در کوره که به حرارت مشخص رسیده باشد را در قالب می گذارند که بر اثر فشار، فرم قالب را به خود بگیرد.

قطعات فورج شده نسبت به روش های دیگر تولیدی از استحکام و خواص مکانیکی عالی تری برخوردار می باشند. اکثر فلزات، قابلیت آهنگری و فورج شدن را دارا هستند. فلزاتی مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای کربنی و آلومینیوم و آلیاژهای آن، برنج، مس و آلیاژهای آن ها و... برای فورج مناسب می باشند. قالب های فورج برای فرم دهی و شکل دهی فلزات در تولید انبوه استفاده می شود که گاهی با حرارت دهی قطعات کار و گاهی بدون حرارت دهی صورت می گیرد.

 

انواع قالب هاب فورج

۱- قالب های بسته فورج (Impression Die forging) 

۲- قالب های باز فورج (آزاد (Open Die forging)

فلزکاری به سبک قدیم یا جدید

در روش فورج با قالب بسته‌ی گرم، قطعه‌ی کار (لقمه) بین دو نیمه قالب قرار می گیرد و بر اثر نیروی فشار یا ضربه ای پرس های هیدرولیکی یا مکانیکی و یا چکش های سقوطی، فرم قالب را به خود می گیرد. برای ساخت این قالب های فورج، از فولادهای گرم کار که دارای قدرت و استحکام بالایی باشند، استفاده می کنند. گاهی بر اساس شکل و نوع قطعه برای رسیدن به فرم نهایی از چندین قالب و چند مرحله فورج کاری استفاده می شود، زیرا با یک عمل پرس کاری، تولید قطعه کامل میسر نخواهد بود و قطعه ی کار به مرور و طی چند مرحله باید شکل نهایی را کسب نماید.

در روش فورج با قالب های باز، قالب ها دارای فرم و شکل ساده ای می باشند و گاهی قالب ها صرفا دو سطح تخت و مسطح می باشند که در عملیات فورج، قطعه ی کار بین دو سطح قالب چرخانده می شود تا نیروی فشاری پرس، آن را به شکل لازم دربیاورد.

در این روش، قطعات بزرگ که بیش از 150 تن وزن دارند، قابل تغییر شکل می باشند.

از روش فورج غلطکی نیز استفاده شایان می شود. در این روش، یک سوراخ در یک ورق نازک و مدور فلزی ایجاد می شود و بعد از نورد کردن یا حتی فشردن و ضربه زدن، یک حلقه با ارتفاع کم تر و قطر بیش تر به دست می آید و این شیوه، ترکیبی از دو روش نورد و فورج است و با این پروسه، رینگ هایی بین ۵/۰ گرم تا 180 تن تولید می شود.

در روش فورج کاری سرد، عملیات تولیدی به صورت سرد انجام می گیرد که شامل خم کاری، کشش، کله زنی، نقش زنی و اکستروژن و پیچ زنی می شود که در این روش به نیروی بالاتری نسبت به فورج گرم احتیاج است. دقت ابعاد قطعات تولید شده با روش فورج سرد، بیش تر می باشد.

۱-  آهنگری در قالب باز

اساسا چکش کاری همان آهنگری معمولی است که توسط صنعت گران انجام می گرفته است. ولی اکنون تجهیزات مکانیکی بزرگ جایگزین ضربه های متوالی بازوی کارگر شده اند. فلز مورد نظر قبل از قرار گرفتن روی سندان در کوره های گازوئیلی یا القایی قرار گرفته تا به اندازه دمای مناسب گرم و سپس توسط نوعی چکش مکانیکی بر آن ضربه وارد می شود.

ساده ترین این چکش ها نوع تخته ای یا ثقلی است که در آن چکش به دقت به انتهای چکش بند بسته می شود. این قسمت بالا رفته و در موقعیت مناسب رها شده و به پایین سقوط می کند.

نوع دیگر پرس ها به‌ صورت مکانیکی بوده که شامل یک چرخ طیار، میل لنگ، شاتون و کوبه بوده و مهمترین و پرکاربرد ترین نوع می باشند. این پرس‌ها دارای سرعت مشخصی بوده که منحنی آن به صورت سینوسی می باشد.

از انواع دیگر پرس می توان پرس های هیدرولیک را نام برد. این پرس کنترل سرعت بسیار مناسبی دارد و دارای قدرت زیادی می باشد. در آهنگری قالب باز جریان فلز محدود نمی شود و صنعت گر شکل مورد نظر را با چرخاندن و جابجا کردن کار بین چکش و سندان در بین ضربات متوالی بدست می آورد. کوبه می تواند مستقیما با پرس در تماس باشد یا می تواند از ابزارهایی با شکل خاص که بین چکش و قطعه کار یا قطعه کار و سندان قرار می گیرد، برای ایجاد سطوح منحنی و همچنین برای ایجاد سوراخ و یا قطع کردن استفاده کرد. برای جابجا کردن و چرخاندن قطعه که گاهی اوقات چندین تن وزن دارد می توان از وسایل ماشینی استفاده کرد، هر چند برخی قطعات با این روش به شکل نهایی خود در می آیند. ولی غالبا از چکش کاری برای پیش فرم دهی قطعات بزرگ برای عملیات بعدی استفاده می شود.

فلزکاری به سبک قدیم یا جدید

۲- آهنگری در قالب های بسته

پرس کاری فرآیند ساده انعطاف پذیری است اما برای تولید انبوه مناسب نیست، چکش کاری روش تندی است و دقت ابعاد نهایی قطعه به مهارت کارگر بستگی دارد. آهنگری حدیده ای یا آهنگری در قالب بسته با به کار گیری قالب های شکل دار و کنترل جریان فلز توسط آن ها بر این مشکلات فائق آمده است. در زیر یک دست قالب آهنگری معمولی که نیمه آن به کوبه بالایی و نیمه دیگر آن به سندان متصل است دیده می شود.

کار با فلزات

فلز گرم شده و در محفظه نیمه پایینی قرار داده می شود و سپس یک یا چند ضربه توسط نیمه بالایی قالب وارد می شود. این ضربه ها باعث جریان فلز تا حد پر کردن تمام محفظه قالب می شود. فلز اضافی نیز پس از فشرده شدن به شکل زایده ای نازک در پیرامون حفره در می آید که پس از پایان کار با نوعی قالب حذف زائده برداشته می شود. بیرون آمدن زائده ها باعث اطمینان از پر شدن تمامی حفره های موجود در قالب می شود. بیشتر قالبهای آهنگری بسته زائده (فلش) ایجاد می کنند و بیش از یک محفظه دارند و تغییر شکل در هر کدام از محفظه ها ممکن است نیاز به بیش از یک ضربه داشته باشد. معمولا اولین محفظه لبه سازی، شیار سازی، یا خم کردن است تا فلز به شکل مناسب برای محفظه بعدی در آید. در محفظه میانی توده فلز تقریبا به شکل نهایی ولی با گوشه ها و راکوردهای کم انحنا در می آید.

برای بهره های کوچک، هزینه حفره های بیشتر توجیه پذیر نیست و شکل نهایی با اندکی ماشین کاری بدست می آید البته معمولا شکل و اندازه نهایی در محفظه آخری به ماده داده می شود. چون تمام قطعات در محفظه های یکسانی شکل داده می شوند لذا همگی از نظر شکل و اندازه یکسان هستند و اندک اختلافشان به علت سایش جزئی قالب است. شکل محفظه ها به گونه ای است که فلز در جهت دلخواه جریان می یابد. این جریان به نوبه خود ساختار جهت دار بوجود می آورد. (مقاومت در برابر خوردگی و بالا رفتن شکل پذیری.) به علاوه با قرار دادن فلز در محل های مناسب می توان بهترین شکل مقطع را برای مقابله با نیروهای وارده بدست آورد. این عوامل و همچنین ساختار ریز دانه تبلور مجدد شده و نبودن حفره موجب شده است که نسبت استحکام به وزن این محصولات در مقایسه با قطعاتی که به روش ریخته گری و ماشین کاری تهیه می شوند ۲۰ % افزایش یابد.

یکی دیگر از عوامل مهم مورد بررسی در فورج تمرکز تنش می باشد که باعث اکثر تخریب ها و از بین رفتن قالب، قطعه و استهلاک بیشتر می شود. تمرکز تنش در قالب فورج اجتناب ناپذیر نیست و می توان آن را با شعاع راکورد کنترل کرد. به طوری که هر چه شعاع راکورد افزایش یابد، تمرکز تنش کمتر است و بالعکس. اما شعاع راکورد نباید خیلی زیادتر از حد شود چرا که در هنگام ماشین کاری مشکلاتی را بوجود می آورد. شعاع راکورد باید تا حدی که فقط بتواند قطعه بدون عیب تولید شود افزایش یابد.

مرحله بعدی بررسی قطعه از لحاظ حرارت است میزان حرارت قطعه باید تا حدی باشد که به راحتی فرم داده شود و در عین حال به قالب آسیب حرارتی وارد نشود. هر چند قالب ها از جنس گرم کار H13 هستند اما باید در نظر داشت که در دراز مدت باعث وارد نمودن آسیب های حرارتی به قالب می شود. باید توجه داشت که آسیب مکانیکی جدا از آسیب حرارتی است.

نکاتی درباره قالب های فورج

۱- طراح قالب باید با پروسه های ماشین کاری و فورجینگ آشنا بوده و پرس ها را نیز کاملا بشناسد و در عین حال با محاسبات مربوط به قالب به طور کامل آشنا باشد.

۲- در طراحی فورج مقاومت و نیروهایی را که به قالب ها وارد می شود در نظر گرفته و محاسبه می شوند تا قالب های فورج دارای مقاومت عالی و استحکام ساختمانی لازم باشند.

۳- در طراحی و ساخت قطعات کار و قالب های فورج باید از رایانه، نرم افزارها و تکنولوژی پیشرفته و جدید مانند دستگاه های طراحی سه بعدی مختصات استفاده شود.

۴- در طراحی قالب های فورج استفاده از قطعات پیش ساخته و استاندارد مانند کفشک ها، سنبه ها، میله های راهنما، بوش های راهنما، فنرها و غیره باید مد نظر باشد.

۵- در طراحی قالب های فورج باید از متد شیب و زاویه دادن به قطعات قالب استفاده شود. این روش خروج سهل و آسان قطعات فورج شده قالب را تامین می نماید.

۶- طراحان قالب های فورج باید بر اساس نوع محصول فورج شده و دقت و میزان کارایی و ظرافت آن به پرداخت بودن سطوح حفره ها و محفظه های قالب اهمیت بیشتری دهند، چرا که بحث سایش در قالب یکی از مهم‌ترین مشکلات قالب‌ها می باشد.

مزایا و معایب

قطعات فورج شده نسبت به روش‌های دیگر تولیدی از استحکام و خواص مکانیکی عالی تری برخوردار می‌باشند. اکثر فلزات، قابلیت آهنگری و فورج شدن را دارا هستند. فلزاتی مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای کربنی و آلومینیوم و آلیاژهای آن، برنج، مس و آلیاژهای آن‌ها و… برای فورج مناسب می‌باشند.

جنس قالب‌ها

اغلب عملیات فورج خصوصاً در مورد قطعات بزرگ، در دماهای بالا انجام می‌شود؛ بنابراین مواد قالب بایستی:

الف) دارای استحکام و مقاومت در دماهای بالا باشند.

ب) سختی پذیر بوده و بتوان آن ها را به صورت یکنواخت سخت کاری نمود.

ج) در مقابل شوک های حرارتی و مکانیکی مقاوم باشند.

د) در مقابل سایش به سبب پوسته شدن در فورج داغ مقاوم باشند.

انتخاب جنس قالب به فاکتورهایی نظیر ابعاد قالب، ترکیب و خواص قطعه، پیچیده بودن قطعه، دمای فورج، نوع فرایند فورج، هزینة مواد قالب و تیراژ قطعه بستگی دارد. همچنین انتقال حرارت از قطعة داغ به قالب، فاکتور مهمی می‌باشد. از موادی که معمولاً در ساخت قالب های فورج استفاده می‌شود، می‌توان به فولادهای دارای کرم، نیکل، مولیبدن و وانادیم اشاره نمود.

طراحی قالب های فورج به دانش زیادی دربارة خواص استحکام، چکش خواری، حساسیت به نرخ تغییر شکل و دما، اصطکاک و شکل قطعه نیاز دارد. قانون در طراحی قالب این است که قطعه در هنگام عملیات فورج در جهتی که دارای کمترین مقاومت است جریان می‌یابد. بنابراین قطعه (شکل میانی) بایستی به گونه ای شکل داده شود تا تمامی حفره‌های قالب پر شود. در شکل دهی اولیه قطعه، ماده نباید به آسانی به سمت زائده حرکت کند.

در فرایند فورج، خصوصاً برای قطعات پیچیده می‌توان از قالب‌های چندتکه به جای قالب‌های یک تکه استفاده نمود. این موضوع باعث کاهش هزینه‌های ساخت قالب‌های مشابه می‌شود. این تکه‌ها (مغزها) را می‌توان از مواد پراستحکام تر و سخت‌تر ساخت و در صورت فرسایش و شکست این تکه‌ها می‌توان آنها را به راحتی می‌توان تعویض نمود.