روشهای زیادی برای شکل دادن فلزات وجود دارد. یکی از روشهای قدیمی و در عین حال فوقالعاده پیشرفته، فورج یا فورجینگ (Forging) یا آهنگری است. این روش، فلز را آنقدر قوی و محکم میکند که در جاهای حساس و پرفشار، بتوانیم با خیال راحت به آن اعتماد کنیم. در این فرآیند، یک تکه فلز که با حرارت ملایم، کمی نرم شده (اما هنوز ذوب نشده)، زیر ضربات محکم چکش یا فشار قوی پرس قرار میگیرد و کمکم شکل دلخواه ما را به خود میگیرد.
فرآیند و مراحل فورجینگ
طراحی و ساخت قالب: اول از همه (مخصوصاً در فورجهای پیشرفتهتر که به آن فورج قالب بسته میگویند)، باید قالبها را طراحی و بسازیم. این قالبها دقیقاً همان شکلی هستند که میخواهیم قطعه ما داشته باشد.
آمادهسازی و گرم کردن فلز: تکههای فلز خام (که به آنها لقمه میگویند)، اول به اندازه لازم بریده میشوند. بعد، آنها را در کورههای مخصوص تا دمای مناسب گرم میکنند. این دما خیلی مهم است، چون اگر کم یا زیاد باشد، ممکن است فلز خوب شکل نگیرد یا خواصش خراب شود.
شکل دادن فلز با فشار: حالا لقمه گرمشده را داخل قالب میگذارند یا زیر چکش و پرس میبرند. فلز تحت فشار زیاد، شروع به حرکت میکند و دانه دانه مولکولهایش منظم میشوند. این کار باعث میشود هر سوراخ ریز یا ایرادی در فلز از بین برود و قطعه فوقالعاده قوی شود.
برداشتن اضافهها و تمیزکاری: وقتی فلز شکل گرفت، یک سری اضافات از لبههای قالب بیرون میزند که به آنها فلاش میگویند. این فلاشها را باید جدا کنیم تا قطعه تمیز و با اندازه دقیق شود. بعد، یک تمیزکاری اولیه روی قطعه انجام میدهند.
عملیات حرارتی تکمیلی: بعد از فورج، ممکن است قطعه را دوباره حرارت دهند و سرد کنند (به این کار عملیات حرارتی میگویند) تا ویژگیهایش مثل سختی و مقاومت در برابر سایش بهتر شود. مثلاً ممکن است آن را آنیل کنند (تا نرمتر شود)، کوئنچ کنند (تا خیلی سفت شود) یا تمپرینگ کنند (تا هم سفت باشد و هم نشکند).
تمیزکاری نهایی و اندازهگیری دقیق: برای اینکه سطح قطعه صاف و ابعادش دقیق شود، اول آن را با پرتاب ساچمههای ریز شات بلاست میکنند تا پوستههای اضافی از بین برود. بعد، با دستگاههای مخصوص ماشینکاری، قطعه را به اندازههای خیلی دقیق و نهایی میرسانند.
کنترل کیفیت: در تمام مراحل تولید و به خصوص در آخر، قطعه را با دقت بررسی میکنند تا مطمئن شوند هیچ ایرادی ندارد و همه چیز طبق استاندارد است. این مرحله تضمین میکند که قطعه، واقعاً بینقص و ایمن باشد.
چه فلزاتی برای فورجینگ مناسب هستند؟
تقریباً هر فلزی که بتواند بدون شکستن، شکلش را تغییر دهد، میتواند فورج شود. انتخاب فلز مناسب، بستگی به این دارد که قطعه قرار است چه کاری انجام دهد و چقدر باید محکم باشد. رایجترین فلزات و آلیاژهایی که در فورج استفاده میشوند، شامل:
فولادها: اینها شامل انواع فولادهای معمولی (کربنی)، فولادهای خاص (مثل MO40 و CK45 که برای قطعات خیلی قوی استفاده میشوند)، و فولادهای ضد زنگ میشوند. فولادها به دلیل تنوع زیاد و قابلیتهایشان، از پرکاربردترین مواد در فورج هستند.
فلزات غیرآهنی: این گروه شامل فلزاتی مثل آلومینیوم (سبک و ضد زنگ)، مس و آلیاژهایش (مثل برنج، که برق را خوب از خود عبور میدهد)، تیتانیوم (خیلی قوی و سبک، مخصوصاً در برابر خوردگی مقاوم است)، نیکل و آلیاژهایش (برای دماهای بالا و جاهای خورنده) و آلیاژهای خاصی مثل کبالت و مولیبدن است. اما فلزاتی مثل چدن که خیلی شکننده هستند، معمولاً برای فورج مناسب نیستند.
دستهبندیهای فورجینگ و روشهای مختلف آهنگری
فرآیند فورج، به روشهای متنوعی تقسیم میشود که هر کدام ویژگیهای خود را دارند.
بر اساس دما
دمایی که فلز در آن فورج میشود، خیلی مهم است و روی ویژگیهای قطعه، قدرت مورد نیاز و هزینه تولید تأثیر میگذارد.
فورج داغ (Hot Forging)
در این روش، فلز را تا دمای خیلی بالا (مثلاً برای فولاد حدود 950 تا 1250 درجه سانتیگراد) گرم میکنند؛ یعنی دمایی بالاتر از نقطهای که مولکولهایش میتوانند دوباره شکل بگیرند. در این دما، فلز خیلی نرم و قابل انعطاف است، پس نیروی کمتری برای شکل دادن به آن نیاز داریم و میتوانیم قطعات بزرگ و پیچیدهتری بسازیم. اما خب، چون دمایش بالاست، دقت اندازهها کمتر میشود و ممکن است روی سطحش لکههای سیاه (اکسید) ایجاد شود.
فورج گرم (Warm Forging)
این روش بین فورج سرد و داغ است و در دمایی بالاتر از دمای اتاق اما پایینتر از نقطه خیلی داغ (حدود 700 تا 950 درجه سانتیگراد برای فولاد) انجام میشود. فورج گرم، مزایای هر دو روش را دارد؛ یعنی هم دقت اندازههایش بهتر از فورج داغ است و هم نیروی کمتری نسبت به فورج سرد میخواهد. این روش برای قطعاتی که هم باید محکم باشند و هم اندازههای دقیق داشته باشند، عالی است.
فورج سرد (Cold Forging)
این روش در دمای معمولی اتاق (یا زیر 300 درجه سانتیگراد) انجام میشود. در این دما، فلز خیلی سفت است، پس برای شکل دادنش به نیروی فوقالعاده زیادی نیاز داریم. اما نتیجهاش قطعاتی با دقت اندازه بسیار بالا، سطحی صاف و عالی، و خواص مکانیکی فوقالعاده است. چون دمایی بالا در کار نیست، روی سطح قطعه لکههای اکسید هم ایجاد نمیشود. این روش برای ساخت قطعات کوچک و دقیق مثل پیچ و مهره به کار میرود.
فورج همدما (Isothermal Forging)
این یک نوع پیشرفته از فورج داغ است که دمای قالب و خود قطعه فلزی در طول فرآیند، تقریباً ثابت نگه داشته میشود. این کنترل دقیق دما، باعث میشود قطعاتی با دقت ابعادی بینظیر و خواص مکانیکی خیلی خوب تولید شوند، مخصوصاً برای فلزات خاصی که در دماهای پایینتر به سختی شکل میگیرند.
ب
ر اساس نوع قالب
بر اساس نوع قالب شامل:
فورج قالب باز (Open Die Forging)
در این روش، فلز را بین دو قالب ساده (معمولاً صاف یا کمی خمیده) قرار میدهند و با ضربه یا فشار، کمکم به آن شکل میدهند. در اینجا، فلز کاملاً داخل قالب محدود نمیشود. این روش برای ساخت قطعات بزرگ، تکی و با شکلهای سادهتر مثل میلهها، حلقهها و دیسکها خیلی مناسب است و آزادی عمل زیادی برای آهنگر فراهم میکند.
فورج قالب بسته (Closed Die Forging / Impression Die Forging)
در این روش، تکه فلز (لقمه) را کاملاً یا بخشی از آن را داخل حفرههای یک قالب میگذارند و بعد قالبها را روی هم فشار میدهند. فلز تحت فشار، فضای داخل قالب را پر میکند و شکل دقیق قالب را به خود میگیرد. این روش دقت اندازه و قابلیت تکرار بالایی دارد و برای تولید انبوه قطعات با شکلهای پیچیدهتر و با کیفیت یکنواخت عالی است. مقدار کمی فلز اضافه که از قالب بیرون میزند را فلاش میگویند که بعدا جدا میشود.
فورج بدون فلاش (Flashless Forging)
این هم یک نوع خاص از فورج قالب بسته است که در آن، هیچ فلز اضافهای (فلاش) از قالب بیرون نمیزند. این یعنی کمترین هدررفت مواد و عدم نیاز به تمیزکاری اضافی، که باعث میشود فرآیند خیلی اقتصادی و بهینه باشد.
بر اساس نوع دستگاه و روش عملیات
از لحاظ نوع دستگاه و روش عملیات عبارتند از:
فورج ضربهای (Impact Forging / Drop Forging)
در این روش، قطعه فلزی زیر یک سری ضربات سریع و محکم چکش یا پتک قرار میگیرد. این روش خیلی سریع است و برای تولید قطعات کوچک تا متوسط با حجم زیاد مناسب است.
فورج پرسی (Press Forging)
در این روش، به جای ضربه، یک نیروی خیلی زیاد به صورت آرام و مداوم توسط دستگاه پرس به فلز وارد میشود. این کار باعث میشود کنترل دقیقتری روی فرآیند داشته باشیم و قطعاتی با دقت اندازه و سطح بهتر تولید کنیم. این روش برای ساخت قطعات بزرگتر و پیچیدهتر بهتر است.
فورج رول (Roll Forging)
در این روش، قطعه فلزی استوانهای یا صاف را بین دو غلتک چرخان قرار میدهند تا شکل بگیرد. این روش بیشتر برای کم کردن قطر میلگردها، شفتها و ساخت قطعات بلند و استوانهای استفاده میشود. به دلیل نوع حرکت فلز، خواص مکانیکی قطعه در جهت خاصی بهبود پیدا میکند.
فورج حلقه نورد بدون درز (Seamless Ring Forging)
این روش برای ساخت حلقههای فلزی بزرگ و بدون هیچ درزی استفاده میشود. یک تکه فلز حلقهای را بین چند غلتک میگذارند و با فشار، قطر حلقه را بزرگتر و ضخامت آن را کمتر میکنند. این حلقهها در صنایع مثل هوافضا و نفت و گاز کاربرد دارند.
فورج کلهزنی/آپست (Upset Forging)
در این فرآیند، با وارد کردن فشار از دو طرف به یک قطعه، طول آن کم میشود اما قطرش در یک قسمت خاص زیاد میشود. مثلاً برای ساخت سر پیچها یا قسمتهای ضخیمتر در یک میله از این روش استفاده میکنند.
آهنگری دستی و سنتی
این قدیمیترین روش فورج است که با دست و ابزارهای ساده مثل چکش انجام میشود. امروزه بیشتر برای کارهای هنری، آهنگریهای سنتی و ساخت قطعات خیلی خاص و با تعداد کم کاربرد دارد.
فورج شعاعی (Radial Forging)
در این روش، چندین چکش به صورت همزمان از جهات مختلف به قطعه ضربه میزنند تا قطر محورها و لولهها را کم کنند.
فورج دورانی (Rotary Forging)
در این فرآیند، قطعه بین دو ابزار یا قالب چرخان قرار میگیرد و فشرده میشود. این روش معمولاً برای ساخت قطعات مخروطی یا کروی استفاده میشود.
فورج با نرخ انرژی بالا (HERF – High-Energy-Rate Forging)
در این روش، انرژی زیادی که در گاز پرفشار ذخیره شده، خیلی سریع به فلز منتقل میشود و فلز در یک چشم به هم زدن تغییر شکل میدهد. این فرآیند برای شکل دادن به فلزاتی که به سختی شکل میگیرند، مناسب است.
فورج پودری (Powder Forging)
این روش ترکیب متالورژی پودر (ساخت قطعه از پودر فلز) و فورج است. اول پودر فلز را فشرده میکنند و بعد آن را فورج میکنند.
آهنگری سکه زنی (Coining)
این یک نوع خاص از فورج سرد است که برای ایجاد جزئیات خیلی دقیق و برجسته روی سطح قطعاتی مثل سکه، مدال و جواهرات استفاده میشود.
کاربردهای فورجینگ
صنایع خودروسازی: در موتور ماشینتان، قطعاتی مثل میللنگ، شاتون و چرخدندهها که باید فشار زیادی را تحمل کنند، معمولاً فورج میشوند. این قطعات مستقیماً روی عملکرد و ایمنی خودرو اثر دارند.
صنعت هوافضا: در هواپیماها و فضاپیماها که کوچکترین نقص میتواند خطرآفرین باشد، قطعات فورجشده مثل دیسکهای توربین موتور جت، شفتها و قسمتهای ارابه فرود، تضمینکننده ایمنی پرواز هستند.
تجهیزات سنگین: در ماشینآلات کشاورزی، معدنی و ساختمانی که تحت بارهای خیلی زیاد کار میکنند، قطعاتی مثل محورها و بوشها با روش فورج ساخته میشوند.
ابزارسازی: ابزارهایی که روزمره با آنها سروکار داریم، مثل آچار، انبردست و چکش، و همچنین ابزارهای برشی صنعتی، از مزایای استحکام و دوام فورج بهره میبرند.
صنایع نفت و گاز: در این صنعت، شیرآلات، اتصالات و فلنجهایی که باید در برابر فشارهای بالا، دماهای شدید و مواد خورنده مقاوم باشند، اغلب با فورج تولید میشوند.
صنایع دفاعی: قطعات مهم در تجهیزات نظامی که نیاز به حداکثر مقاومت در برابر ضربه و فرسودگی دارند، از طریق فورج ساخته میشوند.
صنایع پزشکی: حتی برخی از ابزارهای جراحی و قطعات کاشتنی در بدن (ایمپلنتها) به دلیل نیاز به استحکام بالا و خلوص مواد، با روش فورج ساخته میشوند.
سوالات متداول
فورج با ریختهگری چه فرقی دارد؟
تفاوت اصلی و مهم فورج و ریختهگری در این است که فلز در چه حالتی شکل میگیرد. در فورج، فلز فقط گرم و نرم میشود اما هرگز ذوب نمیشود؛ یعنی در حالت جامد باقی میماند و با فشار دادن یا ضربه زدن به آن شکل میدهند. این کار باعث میشود مولکولهای فلز منظم شوند و قطعهای خیلی قویتر، بدون سوراخ یا ایرادهای داخلی بسازد. اما در ریختهگری، فلز کاملاً ذوب میشود و مثل آب داخل قالب میریزند تا سرد و سفت شود. قطعات ریختهگری میتوانند شکلهای پیچیدهتری داشته باشند، ولی ممکن است ایرادات داخلی مثل سوراخ یا حباب داشته باشند و معمولاً به اندازه قطعات فورج شده محکم نیستند، مگر اینکه از فلزات خاص و روشهای ویژهای استفاده شود.
چرا قطعاتی که با فورج ساخته میشوند، محکمتر هستند؟
قطعات فورج شده خیلی محکمترند چون در طول فرآیند، فلز تحت فشارهای بسیار زیاد قرار میگیرد که باعث میشود ساختار داخلی آن خیلی فشرده و یکپارچه شود. این فشارها، هر سوراخ ریز یا ایرادی را که ممکن است در فلز خام وجود داشته باشد، از بین میبرند. از همه مهمتر، در فورج، مولکولهای فلز در یک راستای خاص و منظم قرار میگیرند. این نظم درونی باعث میشود که قطعه در برابر ضربهها، لرزشها و فشارهای تکراری، مقاومت فوقالعادهای پیدا کند. به همین دلیل، قطعات فورج شده برای جاهایی که نیاز به استحکام و دوام بالایی دارند، مثل قطعات موتور ماشین یا هواپیما، بهترین انتخاب هستند.
چه نوع فلزاتی را میتوان فورج کرد؟
تقریباً تمام فلزاتی که بتوانند بدون اینکه بشکنند، شکلشان را تغییر دهند (یعنی قابلیت شکلپذیری داشته باشند)، قابل فورج شدن هستند. اینها شامل انواع فولادها میشوند، فولادهای معمولی تا فولادهای آلیاژی (مثل فولاد MO40 و CK45 که خیلی قوی هستند) و فولادهای ضد زنگ. به غیر از فولاد، فلزات دیگری مثل آلومینیوم و آلیاژهایش، مس و آلیاژهایش (مثل برنج)، تیتانیوم (که هم سبک است و هم خیلی قوی)، نیکل و آلیاژهایش (که برای دماهای بالا و جاهای خورنده خوبند)، و همینطور برخی آلیاژهای خاص کبالت و مولیبدن هم میتوانند فورج شوند. اما فلزاتی که خیلی شکننده هستند، مثل چدن، معمولاً نمیتوانند فورج شوند، چون زیر فشار میشکنند.
فورج سرد، گرم و داغ چه تفاوتهایی دارند؟
فرق اصلی این سه نوع فورج در دمایی است که فلز در آن شکل میگیرد و این دما روی ویژگیهای قطعه، قدرت مورد نیاز و دقت ساخت تأثیر میگذارد. در فورج داغ، فلز را تا دمای خیلی بالا (بیشتر از 950 درجه سانتیگراد) گرم میکنند تا خیلی نرم شود و راحت شکل بگیرد. این روش برای قطعات بزرگ مناسب است اما دقت کمتری دارد و ممکن است روی سطح آن لکههای اکسید ایجاد شود. در فورج گرم، دما کمی پایینتر (حدود 700 تا 950 درجه سانتیگراد) است که باعث میشود دقت بیشتری نسبت به فورج داغ داشته باشیم و نیروی کمتری نسبت به فورج سرد بخواهیم. این روش یک تعادل خوب بین دقت و آسانی کار است. اما در فورج سرد، فلز در دمای اتاق (یا زیر 300 درجه سانتیگراد) شکل میگیرد؛ اینجا فلز خیلی سفت است و نیروی زیادی میخواهد، اما قطعاتی که با این روش ساخته میشوند، فوقالعاده دقیق، صاف و محکم هستند و هیچ لکه اکسیدی هم روی سطحشان ایجاد نمیشود.
مهمترین جاهایی که از قطعات فورج شده استفاده میشود، کجاست؟
قطعات فورج شده بهخاطر استحکام و دوام بالایشان، در صنایع خیلی مهم و حساس کاربرد دارند. مثلاً در خودروسازی، قطعاتی مثل میللنگ و شاتون موتور که تحت فشار زیادی هستند، با فورج ساخته میشوند. در صنعت هوافضا، قطعات حساس موتور جت، بخشهای مهم هواپیما و ارابههای فرود که ایمنی پرواز به آنها وابسته است، فورج میشوند. ماشینآلات سنگین کشاورزی، معدنی و ساختمانی نیز از قطعات فورج شده مثل محورها و بوشها استفاده میکنند. علاوهبراین، در ساخت ابزارهای دستی مثل آچار و چکش، در صنایع نفت و گاز برای ساخت شیرآلات و اتصالات مقاوم به فشار و حتی در صنایع دفاعی و پزشکی برای ساخت قطعاتی که باید نهایت مقاومت و خلوص را داشته باشند، فورجینگ نقش مهمی دارد.