هرآنچه باید درباره فورجینگ بدانید + روش‌ها و کاربردها

فورجینگ (forging)، از قديمی‌ترین و مناسب‌ترین روش‌های شکل‌دهی فلزات است که بصورت سرد، گرم و یا داغ انجام می‌شود. از آنجا که فورج (اعمال فشار به) فلز، استحکام آن را تا حد زیادی افزایش می‌دهد، در طول تاریخ، روش مناسبی برای ساخت تجهیزات بشر بوده است. امروزه نیز در صنایعی مانند قطعه‌سازی و حتی ساخت ادوات نظامی، از فرآیند فورجینگ برای شکل‌دهی فلزاتی نظیر فولاد استفاده می‌کنند. در این مقاله از آهن صد، انواع روش‌های فورجینگ به همراه ویژگی‌ها، مزایا و معایب آن، بررسی می‌شوند.

فورجینگ چیست؟

لغت فورجینگ، به معنای آهنگری است؛ در گذشته، آهنگران برای شکل‌دهی آهن و سایر فلزات، با وسایلی مانند چکش یا پتک، بطور مداوم به آن‌ها ضربه وارد می‌کردند. امروزه نیز، برخی صنایع از همان روش برای مستحکم‌کردن و شکل‌دهی به قطعات فلزی، استفاده می‌کنند. صنایع نظیر قطعه‌سازی، از روش‌های مختلف مانند ریخته‌گری، نورد، ماشین‌کاری و فورجینگ برای شکل‌دهی فلزات استفاده می‌کنند که در میان آن‌ها، فورجینگ برای قطعات خاص و پیچیده مناسب‌تر است. در عملیات فورجینگ، هنگامی که دمای فلز افزایش می‌یابد، با وارد کردن نیرو و فشار توسط پرس‌های هیدرولیک یا سیستم پنوماتیک، شکل دهی آن انجام می‌شود.

تاریخچه و سیر تکامل فورجینگ

قدمت فورجینگ یا آهنگری، به هزاران سال گذشته باز می‌گردد. در دوران باستان، برای ساخت ابزارآلات کشاورزی یا سلاح های جنگی، به آهن حرارت داده و با چکش‌کاری، شکل‌پذیری و مقاومت آن را افزایش می‌دادند. به مرور زمان و با ابداعات جدید بشر، تکنیک های فورجینگ تغییر کرد و انجام آن، راحت‌تر شد. امروزه از روش‌های جدید و دستگاه‌های بسیار قوی برای اعمال فشار به فلزات استفاده می‌شود که تأثیرات فوق‌العاده‌ای بر کیفیت فلز می‌گذارند.

انواع روش‌های فورجینگ

عملیات فورجینگ، بر اساس دمای فلزات، به سه روش تقسیم‌بندی می‌شود. این یک امر طبیعی است که هرچه حرارت فلز بیشتر باشد، مقاومت آن در برابر ضربه کمتر و شکل‌دهی آن راحت‌تر خواهد بود. اما شکل‌دهی فلز در حرارت بالا، با دقت کمتری انجام می‌شود و هزینه تولید را تا حدودی افزایش خواهد داد. در هر صورت، فرآیند فورجینگ به روش‌های زیر قابل اجراست:

فورجینگ سرد (Cold Forging)

این روش، در حالی انجام می‌‌شود که فلزات، دمایی مطابق با دمای محیط دارند و فشار بسیار زیادی برای تغییر شکل آن‌ها لازم است. از این رو، معمولاً برای شکل‌دهی فلزات نرم‌تر مانند آلومینیوم و سرب از فورجینگ سرد استفاده می‌شود. علی‌رغم دشوار بودن این روش برای شکل‌دهی فولاد، می‌توان به مزایایی مانند دقت زیاد ابعاد، کیفیت بالای سطح و هزینه مناسب آن نسبت به سایر روش‌ها اشاره کرد. بطور کلی از فورجینگ سرد برای تولید قطعات نسبتاً کوچک مانند تجهیزات الکترونیکی استفاده می‌شود.

فورجینگ گرم (Warm Forging)

در فورجینگ گرم، حرارت فلزات تا دمای کمتر از نقطه تبلور بالا رفته و شکل‌دهی آن‌ها، تحت فشار بالا انجام می‌شود. این روش، برای تولید قطعات فولادی مناسب بوده و نیازمند نیروی کمتری برای تغییر شکل است. از آنجا که استحکام قطعات تولید شده در فورجینگ گرم زیاد است، در صنایعی نظیر خودروسازی یا ماشین‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

فورجینگ داغ (Hot Forging)

در روش فورجینگ داغ، دمای فلز تا حد تبلور مجدد بالا رفته و ممکن است به 1250 درجه سانتی‌گراد برسد. این دمای بالا، فلز را تا حد زیادی نرم و انعطاف‌پذیر کرده و قابلیت شکل‌پذیری آن را افزایش می‌دهد؛ به همین‌ علت، وارد کردن فشار به آن، انرژی کمتری لازم دارد. اما در مقابل، هزینه تجهیزات مورد استفاده در این روش، بسیار بوده و تنها برای مصرف در صنایع سنگین مانند هوافضا، مناسب خواهد بود.

فرآیند انجام فورجینگ (مراحل)

فرآیند فورجینگ، از آماده‌سازی مواد اولیه تا تثبیت شکل‌ قطعه، به توجه و دقت بالا در ترتیب انجام عملیات، کیفیت عملکرد دستگاه‌ها و دمای فلزات، نیاز دارد. در ادامه، مراحل مهم فورجینگ فلزات، معرفی و نکات ضروری حین انجام فرآیند، بررسی می‌شوند.

1. آماده‌سازی مواد اولیه

در ابتدای این فرآیند، دمای مواد اولیه، افزایش یا کاهش می‌یابد تا در مرحله اعمال فشار، فرم‌دهی آن‌ها راحت‌تر انجام شود. نحوه آماده‌سازی و تغییر دما در این قسمت، به نوع فلز، روش انجام فورجینگ و محصول نهایی مورد نظر بستگی دارد.

2. اعمال نیرو و شکل‌دهی

مهم‌ترین مرحله در فرآیند فورجینگ، بخش اعمال نیرو به فلز است که با دستگاه‌ها و روش‌های مختلف انجام می‌گیرد. برای شکل‌دهی فلزات در این قسمت، معمولاً از دو نوع قالب بسته و باز استفاده می‌شود. قالب بسته، بطور کامل فلز را پوشانده و از تمام جهات به آن نیرو وارد می‌کند؛ اما قالب باز، بطور کامل قطعه را محدود نمی‌کند و از دو جهت مجزا به آن فشار می‌آورد.

در این قسمت هم انتخاب نوع قالب، مدت زمان و شدت فشار، به جنس فلز، روش کار و مشخصات محصول نهایی بستگی دارد. فلز فورج شده(آهنگری شده)، پس از شکل‌دهی و تثبیت قالب، وارد مراحل بعدی تولید می‌شود تا خنک‌کاری و پرداخت نهایی آن، صورت بگیرد.

تجهیزات مورد استفاده در فورجینگ

امروزه در عملیات فورجینگ، از تجهیزات و تکنولوژی‌هایی استفاده می‌شود که دقت و کیفیت قطعه را افزایش و تضمین می‌کنند. در ادامه هر یک از آن‌ها معرفی می‌شوند.

• پرس‌ها و چکش‌ها

در حال حاضر، برای اعمال فشار روی فلزات، معمولاً از پرس‌های هیدرولیک یا پنوماتیک استفاده می‌شود. پرس‌هایی که به کمک فشار و نیروی بسیار بالای خود، فلز را متمرکز، متراکم و بسیار سخت می‌کنند. در برخی موارد هم، این کار با پتک‌های مکانیکی و چکش‌های ضربه‌ای، انجام و به استحکام و شکل‌پذیری فلزات کمک می‌شود.

• قالب‌ها

فلزات مختلف، در این فرآیند وارد قالب‌هایی می‌شوند که آن‌ها را به اشکال مختلف در آورد. در حقیقت، پرس‌ یا چکش، روی فلزات درون این قالب‌ها فشار می‌آورد. قالب‌های فورجینگ، به دو نوع باز و بسته تقسیم می‌شوند که بسته به نوع محصول، کاربرد دارند. همچنین در عملیات فورجینگ، از سیستم‌های کنترل دما و فشار نیز استفاده زیادی می‌شود تا اعمال نیرو و حرارت‌دهی، مطابق با نیاز محصول انجام گیرد.

مزایا و معایب فورجینگ

عملیات فورجینگ، دارای مزایا و معایبی است که توجه به آن‌ها در صنایع مختلف و برای تولید قطعات گوناگون، ضروری است. بررسی این موارد، در کیفیت محصول نهایی و هزینه‌های ساخت آن توسط صنایع، تأثیر زیادی خواهد داشت.

مزایای عملیات فورجینگ:

بخش قابل توجه تولیدکنندگان قطعات فلزی، بنا به دلایل مختلف، از روش فورجینگ جهت شکل‌دهی محصولات خود استفاده می‌کنند. در این روش، ساختار متالوژیکی فلز تغییری نکرده و با وارد آمدن فشار زیاد، استحکام قطعه افزایش پیدا می‌کند. یکی دیگر از مزایای مهم روش فورجینگ، تولید بسیار کم ضایعات فلز است که در کاهش هزینه‌ها تأثیر بسزایی دارد. محصولات تولید شده با استفاده از عملیات فورجینگ، دقت ابعادی بسیار بالا و کیفیت سطح مناسبی نسبت به سایر محصولات خواهند داشت. همچنین، این محصولات می‌توانند با اشکال مختلف و پیچیده، در تیراژ بسیار بالا تولید شوند.

معایب عملیات فورجینگ:

اما در این روش، معایبی نظیر محدودیت ابعاد و ضخامت قطعه وجود دارد که ممکن است برای برخی صنایع، قابل استفاده نباشد. انجام عملیات فورجینگ، مصرف انرژی و میزان استفاده از نیروی کار در صنایع را فوق‌العاده افزایش می‌دهد. علاوه بر این، هزینه تجهیزات این عملیات شامل دستگاه‌ها و قالب‌ها نیز بسیار بالا بوده و برای برخی صنایع، صرفه اقتصادی نخواهد داشت.

مقایسه فورجینگ با سایر روش‌ها (جدول مقایسه‌ای)

تولیدکنندگان قطعه، برای شکل‌دهی فلزات مختلف، از روش‌های ریخته‌گری، نورد، ماشین‌کاری و فورجینگ استفاده می‌کنند. هرکدام از این روش‌ها برای فلزات مختلف و کاربردهای خاص آنان مناسب خواهند بود. در میان انواع روش‌های شکل‌دهی، روش فورجینگ برای تولید انبوه قطعات هم‌اندازه و مشابه مناسب‌تر بوده و استحکام و کیفیت بهتری را در پی خواهد داشت. اما اگر برای یک صنعت، هزینه‌های تولید اهمیت زیادی داشته باشد، این روش گزینه مناسبی نیست.

کاربردهای صنعتی فورجینگ

استفاده از فرآیند فورجینگ، برای شکل‌دهی انواع قطعات در صنایع مختلف بسیار مرسوم است. هر کدام از صنایع، بسته به نیاز و امکانات خاص خود، عملیات فورجینگ را اجرا و شخصی‌سازی می‌کنند. 

• کاربرد فورجینگ در صنعت خودروسازی

صنایع خودروسازی، برای تولید محصولات خود نیازمند قطعات فولادی دارای استحکام و دقت ابعادی مناسب هستند. به ‌همین جهت، معمولاً روش فورجینگ را برای شکل‌دهی قطعات مورد استفاده خود انتخاب می‌کنند. قطعاتی مانند میل‌لنگ‌ها، چرخ‌دنده‌ها و بست‌های فولادی که ابعاد بسیار دقیقی دارند، با این روش تولید می‌شوند.

• کاربرد فورجینگ در صنایع هوافضا

استفاده از روش فورجینگ در شکل‌دهی قطعات هواپیما، به علت استحکام، کیفیت مطلوب سطح، شکل‌پذیری و دقت بالای آن انجام می‌شود. هرچند سایر روش‌ها مانند ماشین‌کاری، کاربرد بیشتری در صنعت هوافضا دارند، اما روش فورجینگ نیز قابل اطمینان و مناسب بنظر می‌رسد.

• کاربرد فورجینگ در صنعت قطعه‌سازی

شاید بتوان بیشترین کاربرد روش فورجینگ را در کارگاه‌ها و کارخانجات تولید قطعه دانست. تولیدکنندگان قطعه، محصولات خود را در ابعاد گوناگون و عمدتاً با تیراژ بالا تولید می‌کنند؛ در نتیجه روش فورجینگ، بهترین گزینه برای آن‌هاست. شکل‌پذیری مناسب قطعات در این روش هم، ممکن است بر کاربرد زیاد آن توسط قطعه‌سازان، تأثیرگذار باشد.

• کاربرد فورجینگ در صنایع مختلف نظامی

یکی دیگر از کاربردهای روش فورجینگ، شکل‌دهی قطعات سخت و پیچیده تجهیزات نظامی است. در عملیات فورجینگ، امکان اجرای طرح‌های پیچیده و بسیار دقیق، با سرعت بالا وجود دارد. در ساخت قطعات داخلی و بیرونی تانک‌، اسلحه و بمب‌ها، از این روش مطمئن استفاده می‌شود.

نکات کلیدی در انتخاب روش فورجینگ مناسب

صنایعی که فرآیند فورجینگ را برای شکل‌دهی قطعات مورد نیاز خود انتخاب کرده‌اند، باید روش‌های مختلف انجام آن را نیز بررسی کنند. هرکدام از روش‌های فورجینگ سرد، گرم و داغ که به آن‌ها اشاره شد، برای یک نوع فلز و محصول خاص مناسب هستند. برای انتخاب مناسب‌ترین روش، توجه به مواردی نظیر جنس فلز، مشخصات محصول نهایی، حجم تولید، سرعت و دقت مورد نیاز لازم است تا شکل‌دهی قطعات، با بهترین کیفیت انجام شود.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

در میان روش‌های مدرن و مختلف شکل‌دهی فلز، روش فورجینگ از دیرباز تا کنون، مورد استفاده صنایع قرار می‌گیرد. امروزه در صنایعی نظیر خودروسازی و قطعه‌سازی از این روش برای شکل‌دهی قطعات بصورت دقیق و مستحکم استفاده می‌شود. عملیات فورجینگ را می‌توان به روش‌های داغ، گرم و سرد و به دو صورت قالب باز یا قالب بسته انجام داد که انتخاب مناسب‌ترین روش آن، به نوع فلز و محصول نهایی بستگی دارد.

سوالات متداول فورجینگ: