فورجینگ چیست و چه کاربردی دارد؟

در صنایع فلزی و تولید قطعات سنگین، یکی از روش‌های قدیمی اما همچنان کارآمد، فرآیند فورینگ یا آهنگری است. در این روش، فلزات با اعمال فشار یا ضربه در حالت داغ یا نیمه‌داغ به شکل دلخواه، تغییر فرم می‌دهند. این فرآیند معمولاً با استفاده از پرس‌های هیدرولیکی، پنوماتیکی یا پتک‌های ضربه‌ای انجام می‌شود و نتیجه آن قطعاتی با استحکام، چگالی و مقاومت بالا است. به‌دلیل قابلیت کنترل دقیق جریان مواد و بهبود ساختار دانه‌ای فلز، قطعات تولیدشده به روش فورجینگ از دوام بسیار بیشتری نسبت به روش‌های ریخته‌گری یا ماشین‌کاری برخوردارند. در این مقاله به بررسی این روش و کاربردهای آن می‌پردازیم. 

فورجینگ چیست؟

فورجینگ (Forging) یکی از مهم‌ترین فرآیندهای شکل‌دهی فلزات است که طی آن، فلز با اعمال فشار و حرارت کنترل‌شده در قالب، فرم نهایی خود را به دست می‌آورد. در این روش، نیروی مکانیکی توسط پرس‌های هیدرولیکی، چکش‌های پنوماتیکی یا دستگاه‌های نورد به قطعه وارد می‌شود تا ساختار آن متراکم‌تر و مقاوم‌تر شود. این عملیات بسته به میزان دما در زمان انجام، به سه نوع فورج سرد، فورج گرم و فورج داغ تقسیم می‌شود. انتخاب هر کدام از این روش‌ها به نوع فلز، میزان دقت مورد نیاز و کاربرد نهایی قطعه بستگی دارد. نتیجه این فرآیند، تولید قطعاتی با استحکام بالا، چگالی مناسب و مقاومت عالی در برابر فشار و ضربه است. فورجینگ امروزه در صنایع فولاد، خودروسازی، ماشین‌سازی و تولید تجهیزات سنگین نقش مهمی ایفا می‌کند. این فرآیند پایه بسیاری از روش‌های مدرن اتصال فلزات، ازجمله جوشکاری فورجینگ یا جوش سر به سر فلزات است که برای ایجاد اتصالات مقاوم و یکنواخت در قطعات فلزی به کار می‌رود. از فلزاتی که در عملیات فورجینگ مورداستفاده قرار می‌گیرند می‌توان به فولاد، مس، برنج، آهن و آلومینیوم اشاره کرد. برای اطلاع از قیمت آهن آلات می‌توانید به صورت لحظه‌ایی به صفحه فوق مراجعه کنید.

انواع روش های فورجینگ

فرآیند فورجینگ شامل اعمال نیروی فشاری بر روی فلزات برای شکل‌دهی آن‌ها در حالت‌های مختلف دمایی است که منجر به بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی قطعات می‌شود. این عملیات به روش‌های متعددی صورت می‌گیرد که در ادامه با آن‌ها آشنا خواهیم شد. 

• فورجینگ قالب باز (Open Die Forging)

در این فرآیند، قطعه به­‌صورت کامل توسط قالب‌ها محدود یا مهار نمی‌شود. ابتدا با حرارت دادن گرم شده و سپس آن را بین قالب بالایی متصل به سنبه و قالب پایین متصل به تکیه‌گاه قرار می‌دهند. در مرحله بعد، با اعمال نیروی فشار سندان یا چکش، به تدریج به فرم مورد نظر تبدیل می­کنند.

• فورجینگ قالب بسته (Closed Die Forging)

در این عملیات، قطعه اولیه در قالب موجود در دستگاه قرار می‌گیرد. این قطعه به‌طور کامل یا جزئی توسط قالب پوشیده خواهد شد. سپس دو قالب به سمت یکدیگر حرکت می‌کنند. قطعه‌ای که گرم شده و اندازه و شکل آن نزدیک به اندازه و شکل مورد نظر است، در قالب پایینی قرار داده می‌شود. زمانی که عملیات شروع شود، ضربه قالب بالایی بر روی مقطع فلزی، آن را تبدیل به شکل  و فرم مورد نظر خواهد کرد.

• فورجینگ سرد (Cold Forging)

فورجینگ سرد در دمای محیط و با نیروی زیاد بر روی قطعات با چکش‌خواری بالا صورت می‌گیرد. این نوع عملیات، از گذشته تا به امروز در میان آهنگران از محبوبیت بسیار بالایی برخوردار بوده است.

• فورجینگ در نورد (Roll Forging)

این نوع، یکی از رایج‌ترین روش‌هاست که در آن ابتدا قطعه را گرم کرده و از میان دو غلتک که در جهت مخالف هم حرکت می‌کنند، عبور می­دهند. شکل و ابعاد قطعه توسط اشکال هندسی موجود در غلتک‌ها تعیین می‌گردد و قطعه نهایی با چرخش جزئی غلتک‌ها در حین عبور قطعه فلزی از بین آن‌ها تولید می‌شود.

• فورجینگ آپست یا کله زنی (Upset Forging)

کله زنی نوعی فرآیند فورجینگ است که در آن سر پیچ‌ها، پرچ‌­ها و میخ‌ها در قالب‌ها با استفاده از جریان موم­سانی فلز شکل داده خواهد شد. بدین منظور، از مفتول استفاده می‌کنند که سر آن در قالب فشرده می‌گردد و در­نتیجه، قطر سر افزایش پیدا کرده و فرم کلگی پیچ در آن ایجاد می‌شود.

• فورجینگ چند جهته (Multidirectional Forging)

نوع چند جهته این فرآیند، یک فرایند گرم برای تولید قطعات پیچیده است که قطعه کار گرم شدن از مسیر فورج چند جهت عبور داده شده و قوس‌هایی در دو جهت افقی و عمودی در آن ایجاد می‌شود.

• فورجینگ هم دما یا ایزوترمال (Isothermal Forging)

در فورجینگ هم دما، قطعه کار در طول فرآیند در بالاترین دمای ممکن نگهداری می‌شود. این امر با گرم کردن قالب تا دمای کار پذیری فلز انجام می‌گیرد. در این روش، سطح تماس قطعه و قالب از میان می­رود که منجر به بهبود ویژگی‌های قطعه نهایی خواهد شد.

ابزار و دستگاه جوش فورجینگ چیست؟

ابزار و دستگاه جوش فورجینگ توانایی ایجاد فشار گاز را دارد و عملیات جوشکاری را با حرارت ناشی از فشار بالای گاز انجام می‌دهد. از اجزای تشکیل‌دهنده آن می‌توان به شلنگ مخصوص، مشعل، مانومتر فشار گاز و پمپ هیدرولیکی اشاره کرد. دستگاه جوشکاری فورجینگ درحقیقت به عنوان یک ماشین‌آلات ساختمانی شناخته می‌شود که از آن جهت جوش سر به سر میلگرد استفاده می‌کنند. این دستگاه با پمپ و جک هیدرولیکی خود بین دو میلگرد فشار وارد می‌کند. سپس، مشعل دستگاه باعث ذوب شدن دو سر میلگرد شده و آن‌ها را به صورت یکپارجه به یکدیگر متصل می‌کند. با وجود این دستگاه، حجم استفاده از میلگرد به صورت قابل‌توجهی کاهش می‌یابد.

کاربردهای جوشکاری فورجینگ

عملیات جوشکاری فورجینگ در موارد زیر کاربرد دارد:

• تولید میل لنگ
• ساخت قطعات هواپیما
• آرماتوربندی ساختمان‌ها
• آرماتوربندی پی و دیوار برشی
• آرماتوربندی پل‌ها و سدهای بتنی
• تولید قطعات دوچرخه، موتور سیکلت و خودرو

مراحل انجام فرآیند فورجینگ

امروزه روش‌های مختلفی جهت عملیات فورجینگ وجود دارد که بسته به نوع فلز، یکی از فرآیندهای آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عملیات را تقریبا روی هر فلزی می‌توان انجام داد و شامل موارد زیر است:

• آماده‌سازی اولیه و تمیز کردن
• حرارت دادن قطعه
• پوسته زدایی
• پیش گرم کردن و روغن کاری قالب‌ها
• آهنگری در قالب‌های مناسب و با توالی صحیح
• برداشتن ماده اضافی
• تمیزکاری
• کنترل ابعادی
• کمک کردن ابعاد در صورت نیاز
• ماشین کاری جهت رسیدن به ابعاد نهایی
• عملیات حرارتی درصورت نیاز
• بازرسی و کنترل کیفیت قطعه

برای شروع فرآیند فورجینگ باید دو سر میلگردها را با ابزار مخصوص برید تا محل قرارگیری آن‌ها در یک راستا باشد. سپس، با کمک شعله سر میلگردهای روبروی هم را به حرارت 1200 درجه می‌رسانند تا به صورت کامل سرخ شود و یک حالت مومی شکل و نرم پیدا کند. بعد از آن، باید دو سر میلگردها را به سمت یکدیگر فشار داد تا یک اتصال میان آن‌ها شکل بگیرد. در انجام این فرآیند، هم‌راستا بودن میلگردها اهمیت زیادی دارد و به کیفیت کار خروجی کمک می‌کند. همچنین، تولیدکنندگان جهت آسان‌تر شدن عملیات جوش فورجینگ مقداری تیتانیوم به برخی از فلزات می‌افزایند. در کل، انجام این فرآیند بر روی فلزاتی مانند برنج، مس، برنز و آلومینیوم کمی سخت است.

عملیات فورج به دو دسته کلی فورج سرد و فورج گرم تقسیم می شود. فورج سرد در دمای محیط و با نیروی زیاد روی قطعات با چکش خواری بالا انجام می شود. فورج گرم در درجه حرارت بالا (بالاتر از دمای تبلور مجدد ماده) و با نیروی فشار کمتر اجرا می گردد. شکل پذیری و یکنواختی قطعه در این شیوه بیشتر است. عملیات فورج با توجه به اینکه فلز در ضمن تغییر شکل «از قسمتی» و یا «تمام جهات» توسط قالب محبوس شده باشد، به صورت زیر دسته بندی می شود:

• فورجینگ با قالب باز
• فورجینگ با قالب بسته

در مواردی که تغییر فرم ماده اولیه نسبت به قطعه نهایی زیاد است، فورج در مراحل متعدد انجام می شود.

فرآیند فورجینگ برای چه فلزاتی انجام می‌گیرد؟

فرایند فورجینگ که اصطلاحا یک نوع آهنگری محسوب می شود، یک فرایند به جهت تولید فلزات محسوب می‌شود که در آن فلز گرم بسیار تحت فشار قرار می‌گیرد و به شکل مورد نظر خمیر مانند، شکل خواهد گرفت. این فرایند معمولاً بر روی فلزاتی با خاصیت‌های خاص انجام می‌شود. در ادامه برخی از فلزاتی که معمولاً بر روی آن‌ها این فرآیند انجام می‌شود، بیان شده است:

• فولاد

 فولاد، یکی از مهم‌ترین فلزاتی است که بر روی آن فرایند فورجینگ صورت می‌گیرد. فورجینگ فولاد، استفاده گسترده‌ای در صنایع خودروسازی، هواپیماسازی، صنایع دریایی و ساخت قطعات صنعتی دارد.

• آلومینیوم

آلومینیوم یک فلز سبک با خاصیت‌های مکانیکی مناسب است. فرایند فورجینگ بر روی آلومینیوم در صنایع هواپیماسازی، خودروسازی و ساخت قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود.

• مس

 فرایند فورجینگ بر روی مس در راستای تولید قطعاتی همچون لوله‌ها، سیم‌ها و قطعات الکتریکی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• تیتانیوم

 تیتانیوم یک فلز سبک و مقاوم است که در برخی صنایع همچون هواپیماسازی، صنعت دفاعی و صنعت فضایی برای تولید قطعات پیچیده کاربرد دارد.

• نیکل و آلیاژهای نیکلی

 نیکل و آلیاژهای نیکلی برای تولید قطعاتی با خاصیت‌های مقاومت در برابر حرارت، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت مکانیکی بالا استفاده می‌شوند.

توجه داشته باشید که این فلزات تنها مثال‌هایی از فلزاتی هستند که فرآیند فورجینگ بر روی آن‌ها انجام می‌شود. درواقع، این فرآیند می‌تواند بر روی بسیاری از فلزات اعمال شود، اما انتخاب نوع فلز مناسب، با توجه بر نیازهای ویژه هر صنعت و کاربرد آن خواهد بود.