صنعت فولاد و فرایندهای شكل دهی فلزات

امروزه شكل دهی فلزات به عنوان یكی از روش های مهم ساخت و تولید قطعات محسوب می شود. از این رو شناخت هر چه دقیق تر آن، صنعت گران را به سمت تولید قطعات با كیفیت بالاتر سوق می دهد. هر چند صنعت گران كشور در این زمینه، پیشرفت هایی داشته اند،‌ولی متاسفانه ضعف آگاهی نسبت به مباحث تئوری و عدم دسترسی منابع فارسی كافی و همچنین محدود بودن دایره ی كابرد این علم در دانشگاه، این صنعت پیشرفت قابل توجهی نداشته است. به این دلیل تالیف، تدوین و حتی ترجمه كتبی كه از نظر تئوری جامع بوده و یا مثال ها و مباحث عملی صنعت كشور را نیز مخاطب قرار بدهد، ‌بسیار ضروری به نظر می آید و علاوه بر این از آنجا كه اخیراً سر فصل دروس دوره های كارشناسی و تحصیلات تكمیلی به گونه ای بازنگری شده كه مباحث در راستای فهم عمیق مسائل مهندسی و ارائه راه حل های منطقی و صنعتی ارائه شود. این مقاله تلاشی برای بیان موضوع شكل دهی فلزات با حفظ تعادل مناسب بین كارهای تئوری و عملی است.

این متن برای استفاده دانشجویان كارشناسی و كارشناسی ارشد مهندسی متالوژی مهندسی مكانیك و مهندسی ساخت و تولید همچنین برای مهندسانی كه در صنعت اشتغال دارند، توسط ماشین سازی هامون ‌نگاشته شده است. (منبع : شكل دهی فلزات: نوشته دكتر زبرجد)

معرفی فرایند های شكل دهی

توانایی تغییر شكل دائمی یكی از ارزشمندترین خصوصیات آنها به شمار می آید. بی شك تولید ورق، تسمه، میل گرد، لوله، مقاطع ساختمانی و به طور كلی شكل دهی فلزات مدیون این قابلیت است. با توجه به این كه شكل دهی فلزات یكی از روش های مهم ساخت و تولید قطعات است. شناخت هرچه دقیقتر این صنعت ضروری می باشد. از مهمترین ابزارهای علمی نقد و بررسی فرایند های شكل دهی دانش مكانیك محیط های پیوسته می باشد.

در حقیقت مكانیك محیط های پیوسته تنها برای موادی قابل استفاده است كه بتوان در حجم دلخواهی از آن، مقادیر متوسطی را برای ویژگی هایش مشخص كرد. به بیان دیگر، ‌هنگامی كه با دید كلان (ماكروسكوپی) به یك جسم بنگریم، می توانیم آن را یك محیط پیوسته در نظر بگیریم و از قواعد حاكم بر مكانیك محیط های پیوسته استفاده كنیم. مكانیك محیط های پیوسته همانند شاخه های دیگر علوم بر مبنای مجموعه ای از نظریه ها و قوانین اسكلت بندی شده است. به طوری كه اصول و قوانین حاكم بر این علم را می توان به اصول بقای جرم، بقای ممان خطی و دورانی،‌ بقای انرژی و اصل بی نظمی نسبت داد. اگر چه تمام این اصول بر مبنای اثرات مكانیكی اند، ولی در صورت وارد شدن اثرات غیر مكانیكی مانند میدان های الكتریكی مغناطیسی و ...،‌قوانین حاكم بر این اثرات نیز وارد می شوند كه بحث برروی این اثرات خارج از محدوده این متن می باشد.

معرفی فرآیند های شكل دهی

كشش سیم

عملیات كشیدن به فرایندی كه در طی آن فلز از درون قالب به وسیله نیروی كششی،‌ خارج شود اطلاق می شود. بیشتر سیلان فلز درون قالب توسط نیروی فشاری كه از اثر متقابل فلز با قالب ناشی می شود، صورت می گیرد.

معمولاً قطعات با تقارن محوری توسط فرایند كشش تغییر شكل می یابند. كاهش قطر یك سیم، ‌میله یا مفتول تو پر در اثر كشیدن به كشش سیم، میله یا مفتول مشهور است. معمولاً به سیم های تهیه شده از طریق روش نورد اصطلاحاً‌ مفتول گفته می شود و آن ماده ی اولیه برای تولید سیم كه قطر آن كمتر از یك سانتی متر است می باشد. عملیات كشیدن معمولاً‌ در حالت سرد انجام می شود، اگر چه در مواردی كه میزان تغییر شكل زیاد باشد به صورت گرم نیز صورت می گیرد. در فرایند های كشش سرد كه كاهش سطح مقطع زیادی مدنظر می باشد، ‌لازم است كه با انجام عملیات حرارتی افزایش تنش سیلان را جبران كرد.

[Pulley Forming Machines]

كشیدن میله، مفتول، یا سیم

اصولی كه در كشیدن میله،‌ مفتول یا سیم به كار گرفته می شوند،‌ یكسان هستند. با این تفاوت كه مفتول­ها و میله­هایی كه نمی توانند كلاف شوند روی میزهای كشش تولید می شوند. در حقیقت گیره­های فك كشش مفتول را گرفته و به وسیله­ی یك مكانیزم هیدرولیكی حركت می كنند. سرعت میزهای كشش می تواند تا حدود 150 سانتی متر بر ثانیه و كشش میزها تا حدود 135 متغییر باشد.

امروزه جهت انجام فرایند كشش سیم از تجهیزات مختلفی استفاده می شود. در بعضی از كارگاه­های شكل دهی این فرایند به ساده­ترین وجه صورت می پذیرد. واضح است كه با این روش توانایی نازك كردن مفتول و یا سیم های ضخیم وجود ندارد. اگر چه این روش در بسیاری از كارگاه­های شكل دهی مرسوم است ولی در صنعت كاربردی ندارد.

قالب های كشش

برای تولید سیم طی فرایند كشش از قالب یا حدیده های كشش استفاده می شود. زاویه ی ورودی قالب آنقدر بزرگ است كه فضای مناسبی برای ورود سیم و روان ساز به وجود آورد. در حقیقت،‌ نقش اصلی در كشش را طول تماس سیم با قالب كه ارتباط مستقیم با زاویه ی قالب دارد، ‌بازی می كند. دهانه­ی ورودی و خروجی قالب به صورت استوانه است. نقش این دو قسمت ورود و خروج سیم است. از آنجا كه تمام تغییر شكل در قالب صورت می پذیرد،‌ نیروهای وارد شده به قالب زیاد است. به این دلیل امروزه بیشتر قالب های كشش با طول عمر بالا را از جنس كاربید تنگستن می سازند.

كشش تسمه

تسمه یكی از محصولات نورد تخت است كه پهنایی كمتر از 610 میلی متر و ضخامت بین 13/0 تا 76/4 میلی متر دارد. تسمه های پس از نورد داغ، ‌عملیات آنیل و سپس اسیدشویی،‌ نورد سرد می شوند. بسته به میزان ضخامت درخواستی نورد سرد در چند مرحله انجام می شود. هرگاه یك تسمه ی فلزی با پهنای و ضخامت اولیه از میان یك قالب گوه­ای شكل با شیب یكسان به سوی خط مركزی كشیده شود، ‌به این فرایند كشش تسمه گفته می­شود. با این كه كشش تمسه فرایند تولید متداولی نمی باشد،‌ ولی مسئله ای است كه در مكانیك نظری فلزكاری در باره آن مطالعات زیادی شده است. از آنجا كه است لذا در حین كشش حالت كرنش صفحه ای به وجود می آید و پهنای تسمه تغییر نمی كند.

كشش لوله

لوله­ها یا استوانه های توخالی كه توسط فرایندهای شكل­دهی مانند اكستروژن و نورد تولید می شوند معمولا توسط فرایند كشیدن به شكل نهایی در آمده و پرداخت سطح می شوند. اگر چه هدف اصلی از این فرایند كاهش قطر و ضخامت لوله است،‌ ولی در موارد نادری افزایش ضخامت نیز ایجاد می شود. به طور كلی می توان فرایند كشش لوله را به چهار دسته كشش لوله بدون توپی،‌ كشش لوله توسط سمبه، كشش لوله توسط توپی شناور تقسیم بندی كرد. در كلیه ی این روشها یك انتهای لوله‌، با پرس كاری توسط دو فك نیم گرد باریك می شود و این انتهای باریك شده از قالب كشش عبور داده و توسط ابزاری كه روی كالسكه دستگاه بسته شده محكم گرفته می شود. سپس كالسكه­ی كشش لوله را از داخل قالب بیرون می كشد.

كشش لوله بدون میله توپی

در فرایند كشش لوله بدون توپی كه در مواردی به آن فروكش نیز اطلاق می شود، ‌لوله از داخل تكیه گاهی ندارد و با نیروی كششی از درون قالب كشیده می­شود.از نكات برجسته در­این روش افزایش ضخامت لوله،‌ كاهش قطر و سطح داخلی غیر یكنواخت لوله پس از عمل فروكشی است.

كشش لوله توسط توپی ثابت

توپی ها قطعات خیلی سختی هستند كه تحت تاثیر تنش تغییر شكل نمی دهند. این قطعات برای ثابت نگاه داشتن قطر داخلی لوله در هنگام كشیده شدن از قالب درون لوله گذاشته می شوند. توپی ها ممكن است استوانه ای و یا مخروطی باشند. توپی،‌ شكل و اندازه ی قطر داخلی را تحت كنترل دارد و لوله هایی كه از این طریق كشیده می شوند، ‌دقت ابعادی بالاتری نسبت به فرایند فروكشی دارند كه در آن از توپی استفاده نمی شود.

كشش لوله توسط توپی شناور

همان گونه كه قبلاً گفته شد استفاده از توپی های ثابت محدودیت هایی را به وجود می آورند. برای رهایی از این محدودیت­ها از توپی شناور (غیر ثابت) استفاده می شود. در حقیقت در این فرایند توپی وارد لوله شده و به همراه لوله از درون قالب عبور می كند. توپی در اثر اصطكاك با لوله و عدم امكان خارج شدن از درون قالب، در جای خودش مستقر می شود. ولی از آنجا كه انتهای آن به جایی بسته نشده است، هنگامی كه اصطكاك در اثر سیلان ماده بشدت افزایش یابد، ‌حركت كوچكی در سر جای خود خواهد كرد این حركت جزیی مانع چسبیدن توپی به لوله می شود. اگر چه در این فرایند هنوز اصطكاك یكی از مشكلات عمده است،‌ ولی این توپی­ها می توانند تا 45 درصد كاهش سطح مقطع ایجاد كنند، در حالی كه این عدد برای توپی های ثابت به ندرت از 30 درصد تجاوز می كند. با توجه به پایین تر بودن نیروی مزاحم اصطكاك،‌ به نیروی كششی كمتری در مقایسه با كشیدن لوله با توپی ثابت نیاز است.از ویژگی­های مهم استفاده­از توپی های شناور برای كشیدن لوله، ‌كشیدن و كلاف كردن لوله های بلند می باشد.

كشش لوله توسز سنبه ی متحرك

هدف از انجام این فرایند كاهش ضخامت و افزایش طول لوله است و سعی می شود كه قطر لوله تغییر جدی پیدا نكند. بدین منظور قبل از وارد كردن لوله به قالب بك میله صلب (سنبه) در آن وارد می شود و لوله و میله ی صلب همزمان از درون قالب عبور می كند. در كشیدن لوله با سنبه متحرك، ‌قستی از نیروی كشش توسط نیروی اصطكاك تامین می شود. چون سنبه با سرعتی معادل سرعت خروج لوله از قالب حركت می كند و این سرعت از سرعت فلز محبوس در مجرای قالب بیشتر است؛‌ بنابراین یك نیروی اصطكاكی مقاوم به حركت سنبه جلو، در سطح مشترك بین سنبه و لوله وجود دارد. اگر چه نیروی اصطكاكی دیگری كه در سطح مشترك بین لوله و قالب ثابت ایجاد می شود و به سمت عقب است وجود دارد.

منوها