موضوع مقاله: شکل‌دهی چرخشی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شکل‌دهی چرخشی | مقدمه: شکل دهی چرخشی فلز یکی از روش‌های شکل‌دهی فلزات است که در آن از ترکیب نیرو و چرخش، جهت ایجاد اشکال تو خالی با محور تقارن و بدون درز استفاده می‌شود. | ## بخش 1: شکل‌دهی چرخشی | اساس فرایند شکل‌دهی چرخشی، را می‌توان مشابه عملکرد چرخ سفالگری دانست که با چرخش قطعه و اعمال نیروی نقطه‌ای انجام می‌شود. در این روش مواد اولیه که عمدتاً به شکل ورق (یا لوله در فلو فرمینگ) می‌باشند بین مندرل (mandrel) و ابزار شکل دهی، تحت فشار قرار گرفته و شکل می‌گیرد. این فرایند یکی از اقتصادی‌ترین روش‌ها در تولید محدود و نمونه سازی برای ساخت قطعات فلزی با تقارن محوری می‌باشد. با این روش قطعاتی با اشکال مخروط، نیم کره، لوله، استوانه، یا ترکیبی از این‌ها که توخالی هستند، در تنوع گسترده‌ای از جهت اندازه و کانتور ساخته می‌شود. اگرچه ساخت قطعاتی با اشکال بیضوی هم با این فرایند امکان‌پذیر است ولی به آسانی شکل‌دهی قطعات استوانه‌ای نیست.Black, J.T. با توجه به این که در پرسکاری یا کشش عمیق، همواره هزینهٔ زیاد ابزار و قالب نکتهٔ مهمی است، اسپینینگ به عنوان فرایندی اقتصادی، کارا و با قابلیت‌های فراوان، به عنوان روشی جایگزین و قابل قبول در تولید دسته‌ای و محدود قطعات مطرح است. از سوی دیگر وقتی نیاز باشد قبل از تولید انبوه، نمونه‌هایی برای انجام آزمایش تولید گردد، می‌توان از این روش برای ساخت نمونه‌های اولیه استفاده نمود. قطعاتی با قطرهای ۶٫۴ تا ۷۹۰۰ میلی‌متر و تا ضخامت ۷۶ میلی‌متر را با روش اسپینینگ می‌توان شکل داد. بنا بر مدارک و اسناد تاریخی، اسپینینگ فلزات از روزگار مصریان باستان شناخته شده بود و برای ساخت بشقاب‌های نقره ای از آن استفاده می‌شد. اما گفته می‌شود که پایه‌های اصلی صنعت اسپینینگ فلزات در ابتدای قرن دهم میلادی توسط چینی‌ها بنا نهاده شد. این صنعت برای اولین بار در زمان سلطنت ادوارد سوم وارد انگلستان شد و پس از یک دورهٔ پانصد ساله، در حدود سال ۱۸۴۰ میلادی فردی به نام جردن این صنعت را به آمریکا برد. در ابتدا این فرایند توسط دستگاه‌های ساده‌ای انجام می‌گرفت که به علت دستی بودن هدایت ابزار، نقش اپراتور در آن‌ها بسیار مهم بود و اپراتور باید مهارت زیاد و تجربهٔ طولانی در این کار می‌داشت. در آن سال‌ها اصولاً از فلزات نرم مانند آلومینیم و مس آن هم با ضخامت‌های کم برای اسپینینگ استفاده می‌شد و فلزات سخت و ورق‌های ضخیم را نمی‌توانستند توسط اسپینینگ شکل‌دهی نمایند. کم‌کم با گسترش نیاز صنعت به قطعات مدور توخالی و دقیق تر از نظر ابعادی، این فرایند نیز روند تکاملی خود را طی نمود. متعاقباً در طراحی دستگاه‌های اسپینینگ، وظیفهٔ هدایت ابزارهای شکل‌دهی به جای دست اپراتور به عهدهٔ تجهیزات مکانیکی گذاشته شد و به این ترتیب اولین پایه‌های نوع جدیدی از این فرایند به نام اسپینینگ ماشینی یا قدرتی گذاشته شد. با پیشرفت شگفت‌انگیز موتور توربین گازی هواپیماها، نیاز به فرایندهای اسپینینگ و فرایندهای مرتبط با آن برای تولید قطعات مختلف بیش از پیش احساس شد و این مسئله عامل بسیار مهمی در پیشرفت و توسعهٔ این فرایندها شد. دقت ابعادی قطعات تولیدی و اقتصادی بودن این روش دو عامل بسیار مهم در گسترش گرایش به استفاده از آن در صنایع مختلف، به ویژه در صنایع فضایی بود. متقابلاً به علت اهمیت این صنایع، گسترش و توسعه فرایندهای اسپینینگ روند فزاینده‌ای پیدا کرد. امروزه با حساس شدن نقش اقتصاد در معادلات جهانی، استفاده از این فرایندها در سایر صنایع نیز رو به افزایش است. به عنوان مثال بسیاری از قطعات خودروها نیز، مانند قطعاتی از کلاچ یا رینگ خودرو توسط این فرایندها تولید می‌شوند مزایا و معایب مزایای روش شکل‌دهی چرخشی نسبت به سایر روش‌های شکل دهی: - تولید بدون براده، بدون درز و سرد - بهبود خواص ماده مثل استحکام تسلیم، عمر خستگی - قابلیت تولید قطعات با ابعاد مختلف - عدم نیاز به عملیات‌هایی همچون ماشین کاری، سنگ زنی و … - اقتصادی بودن آن در مقایسه با سایر روش‌ها - دقت ابعادی مطلوب قطعات تولیدی در چند سال اخیر بر تنوع و گستردگی استفاده از این فرایندها به خصوص در صنایع پیشرفته و صنعت خودروسازی برای شکل‌دهی قطعات فلزی در سیستم‌های تولید انبوه و نمونه سازی افزوده شده‌است. امروزه بیشتر ماشین آلات این فرایند با قابلیت‌های برنامه‌ریزی پیشرفته مجهز شده‌اند. دسته‌بندی روش‌های چرخش‌دهی روش‌های اسپینینگ بر حسب عوامل مختلف دسته‌بندی‌های گوناگونی دارد. با توجه به نوع دخالت انسان این فرایند به دو دسته اصلی سنتی (دستی) و ماشینی تفکیک می‌شود. به نحوی که در اسپینینگ دستی، نیروی تغییر شکل توسط اپراتور اعمال می‌شود ولی در روش ماشینی، نیروی تغییر شکل به وسیلهٔ ابزارهای مکانیکی و هیدرولیکی اعمال می‌گردد که به آن اسپینینگ قدرتی نیز گفته می‌شود. روش‌هایی که در اثر آن تغییر ضخامت بلنک یا پریفرم غیر محسوس بوده و با تجهیزات دستی و ماشینی قابل انجام اند و روش‌هایی که ضخامت قطعه کار در طی فرایند به نحو چشمگیری تغییر نموده و فقط از طریق اسپینینگ قدرتی یا تجهیزات ویژه قابل انجام هستند. در روش اسپینینگ از نظر دمای فرایند، نوع دیگری از طبقه‌بندی نیز وجود دارد، که با عناوین داغ و سرد شناخته می‌شوند. البته این همیشگی نبوده در برخی موارد (در ضخامت‌های زیاد) به منظور کاهش شکنندگی و تردی، قطعه کار گرم می‌شود. اسپینینگ دستی (سنتی) در این روش تغییر شکل با مکانیزم خم‌کاری انجام می‌شود و در آن ضخامت، تغییر محسوسی نمی‌کند. این عملیات با استفاده از دستگاه‌هایی مشابه دستگاه خراطی یا دستگاه راش قابل انجام است. در این روش ورق دایره‌ای شکلی که بلنک (BLANK) نامیده می‌شود، بین یک مندرل چرخان و مرغک دستگاه قرار می‌گیرد. | ## بخش 2: شکل‌دهی چرخشی | نیروی فشار دست روی ابزار اهرم مانندی اعمال می‌شود که به تدریج پس از چندین مرحلهٔ کاری، فلز را روی مندرل خم می‌کند. اسپینینگ ماشینی اسپینینگ ماشینی یا قدرتی از همان اصول اسپینینگ دستی بهره می‌گیرد با این تفاوت که به جای استفاده از نیروی بازوی اپراتور، از ابزارهای مکانیکی برای اعمال نیرو استفاده می‌شود. بخشی از تجهیزات و ابزار متعارف که برای انجام فرایند چند مرحله‌ای اسپینینگ سنتی به صورت ماشینی، تنظیم شده‌اند عبارتند از: بلنک یا گرده اولیه (Blank): به شکل دایره‌ای از ورق تخت تهیه شده و در وضعیت هم مرکز با اسپیندل و مندرل قرار می‌گیرد به‌طوری‌که برای جلوگیری از پرتاب شدن در هنگام چرخش سریع، با نگهدارنده دستگاه به خوبی کلمپ می‌شود. غلتک اسپینینگ (Roller): در حالی که قطعه کار به سرعت دوران می‌کند، غلتک دستگاه طی چند مرحله برای شکل‌دهی به محصول در مسیرهای از پیش تعیین شده حرکت می‌کند. زیر سری: با هدف جلوگیری از خم شدگی و انحراف ناخواسته و بیش از اندازه بلنک در طول عملیات اسپینینگ به کار می‌رود. ابزار برشی اندازه‌کننده: لبه قطعه کار پس از آخرین مرحله خواه نا خواه، باید آرایش، تنظیم و سایز شود. مجموعه الحاقی برشی با حرکت کشویی و عمود بر قطعه کار، جهت آرایش و سایز لبه نهایی قطعه کار اندازه دلخواه را تأمین می‌نماید. کشویی یا اسلایدر متقاطع که با زوایای قابل تنظیم، مجموعه غلتک و نگهدارنده‌های آن را به طرف قطعه کار رانده و در مسیر برنامه‌ریزی شده حرکت می‌دهد. این فرایند به‌طور گسترده‌ای برای تولید لوله‌های بدون درز مورد نیاز در صنایع نظامی، موشکی و هوافضایی مورد استفاده واقع می‌شود، البته اخیراً از این روش برای تولید لوله در بعضی از صنایع غیرنظامی مانند خودروسازی نیز بهره‌گیری می‌شود. ابزارهای اصلی که در فرایند اسپینینگ وجود دارد شامل: یک ماندرل و یک یا بیشتر از یک غلتک که لوله را شکل می‌دهند و به‌طور متقارن در روی قطعه کار قرار گرفته‌اند. در این فرایند در حالی که قطعه کار استوانه‌ای شکل که روی ماندرل قرار گرفته‌است، به همراه آن حول محور تقارن خود با یک سرعت زاویه‌ای ثابت می‌چرخد، غلتک‌ها روی قطعه کار با یک سرعت ثابت کم پیشروی می‌کنند. اولین تحقیقات در رابطه با فرایند اسپینینگ لوله توسط درج (سال ۱۹۵۴) و تاماست (سال ۱۹۴۰) صورت گرفت. تحقیق دیگری در زمینه نیروهای اعمالی در این فرایند توسط کوبایاشی و تامسون در سال ۱۹۶۱ در دانشگاه کالیفرنیا انجام گرفت. آن‌ها سعی کردند نیروهای عملکردی این فرایند را با اعمال فرضیات ساده‌کننده‌ای به دو روش نواری و روش خط لغزش محاسبه نمایند اما تحلیل آن‌ها دقیق نبود. تحقیقات بعدی در این زمینه توسط هایاما (سال ۱۹۶۶) و دریکانت (سال ۱۹۷۳) صورت گرفت که با توجه به انجام آزمایش‌های تجربی در این زمینه و مقایسه نتایج تحلیل نظری با نتایج تجربی، این تحلیل‌ها از دقت بیشتری برخوردار گردید، اما با توجه به اینکه مکانیزم تغییر شکل در این فرایند بسیار پیچیده است، با روش‌های نظری نمی‌توان توزیع تنش و کرنش دقیق را در ناحیه تماس غلتک‌ها با قطعه کار را بدست آورد. با توسعه روش‌های عددی و به ویژه روش اجزا محدود و نیز افزایش توان محاسباتی کامپیوترها در سال‌های اخیر، می‌توان از روش اجزا محدود برای بدست آوردن توزیع تنش و کرنش در ناحیه تماس غلتک‌ها با قطعه کار و در نتیجه تعیین مکانیزم تغییر شکل در اینگونه فرایندها استفاده نمود. در سال‌های اخیر چندین نرم‌افزار برای تحلیل مسائل تغییر شکل بزرگ و پلاستیک تهیه شده‌است که از بین آن‌ها می‌توان به نرم‌افزار ABAQUS که بر پایه روش المان محدود بنا شده‌است، اشاره کرد. معمولاً در آزمایش‌ها به دلیل ماهیت تغییر شکل گسترده و همچنین تماس‌های پیچیده بین لوله و غلتکها، بسته نرم‌افزاری ABAQUS/Explicit به عنوان بهترین انتخاب مورد استفاده قرار گرفته‌است. مزایا و معایب فرایند اسپینینگ لوله فرایند اسپینینگ لوله از پیشرفته‌ترین روش‌های شکل‌دهی لوله می‌باشد. این فرایند موجب تولید لوله‌های بدون درز با ضخامت نازک و دقیق و خواص مکانیکی عالی می‌شود. علی رغم مزایا و ویژگی‌های فرایند اسپینینگ لوله، این فرایند از فرایندهای پیچیده در شکل‌دهی فلزات می‌باشد که تحلیل مسائل مربوط به آن مانند طراحی هندسه غلتکها، تعیین نیرو و انرژی لازم برای شکل‌دهی لوله و پیش‌بینی توزیع تنش و جریان فلز کار چندان ساده‌ای نیست. در حل مسائل مربوط به فرایند اسپینینگ لوله چند روش نظری به کار گرفته شده‌است که در بعضی موارد نتایج نسبتاً خوب و قابل قبولی بدست آمده‌است. این روش‌ها را می‌توان در مورد تخمین نیرو و انرژی مورد نیاز برای این فرایند استفاده کرد، اما با توجه به پیچیدگی مکانیزم شکل‌دهی و محدودیت‌های این روش‌ها و نیز فرضیات اعمال شده در این راه حل‌ها، امکان پیش‌بینی دقیق توزیع تنش و کرنش در قطعات در هنگام شکل‌دهی وجود ندارد. کاربردها و محصولات اسپینینگ لوازم خانگی: بشقاب، قابلمه، دیگ، ظروف غذا ظروف تزئینی: جام، چلچراغ و … صنایع هوایی: محفظه ورودی هوای توربوجت صنایع نظامی: محفظه احتراق موتور موشک، بدنه برخی از موشک‌ها، کلاهک‌های آیرودینامیک برخی راکت‌ها و بدنه برخی نازل‌ها، لوله خمپاره‌انداز‌ها صنایع خودرویی: انواع رینگ تایر‌ها، پولی‌های تسمه خودرو فرایندهای مونتاژی: اتصال کفی بشکه‌ها و قوطی‌های کنسرو، قطعات صنعتی مانند عدسی‌های مخازن، کپسول‌های مایع فرایند فرم‌دهی چرخشی فرم‌دهی چرخشی (0Rotary Swaging)آشنایی با آهنگری سرد یا فرم دهی چرخشی یا آهنگری با استفاده از قالب‌های چرخان، یک نوع خاصی از فرایندهای آهنگری شعاعی است که در ساخت لوله‌ها و شفتهای فلزی به کار می‌رود. در نتیجهٔ حرکت نوسانی قالب‌ها که در اثر ضربات متعدد ساچمه‌های محیطی به دست می‌آید، قطعه کاری که به ناحیهٔ فضای بین قالب‌ها وارد شده، به صورت تدریجی تغییر شکل یافته که عموماً این تغییر شکل همراه با کاهش قطر است. قالب‌های مورد استفاده در این فرایند، از سه بخش تشکیل شده‌اند: بخش اول که در ورودی قالب قرار دارد، عبارت است از ناحیهٔ کالیبراسیون که در انتهای این بخش صفحهٔ خنثی (Neutral Plane) قرار دارد. یعنی پس از عبور متریال از این صفحه، در اثر ضربات شعاعی حرکت محوری رو به عقب ندارد. به گونه ای که در این ماشین ها در حالی که شفت اصلی ثابت است ، رینگ خارجی همراه با چرخش سبب ایجاد حرکت نوسانی می گردد. در ساخت قطعات غیر متقارنی که قطعه کار می بایست همراه با تکه های قالب بچرخد، از این نوع ماشین ها استفاده می شود. 3-رینگ خارجی و شفت اصلی هر دو می توانند با هم و در جهت مختلف بچرخند، در این صورت فرکانس سیستم افزایش می یابد. | ## بخش 3: شکل‌دهی چرخشی | 2-فرم دهی چرخشی با حرکت شعاعی قالب (Recess Swaging) : پس از اینکه قطعه کار در مکان از پیش تعیین شده قرار گرفت در اثر حرکت شعاعی تکه های ابزار (علاوه بر حرکت نوسانی)، شکل دهی قطعه کار صورت می پذیرد. به صورتی که قبل از اجرای فرآیند، یک ماندرل درون لوله قرار گرفته سپس مرحلۀ شکل دهی اجرا می گردد. نمونه ای از این فرآیند، کاهش قطر یک شفت توخالی به همراه اتصال یک سنسور هوشمند جهت کنترل بارهای وارد شده بر شفت می باشد. پوشش دهی فلزات ( Plating) با استفاده از فرآیند فرم دهی چرخشی هدف اصلی از این فرآیند ساخت قطعاتی با ترکیب مواد مقاوم به خستگی در لایۀ درونی به همراه قطعات سخت، مقاوم به خوردگی و با ضریب اصطکاک پایین در لایۀ خارجی می باشد. اثر فرایند فرم دهی چرخشی بر استحکام و مقا ومت به خوردگی آلیاژهای منیزیم ایمپلنت‌های قابل تجزیه در بدن، یکی از شاخه‌های جدید در علم بیو مواد هستند که به تازگی، تحقیقات گسترده‌ای در رابطه با آنها در حال جریان است. منیزیم به علت سمی نبودن، تطابق بسیار خوبی باشرایط بدن داشته و به‌طور طبیعی در بافت استخوان وجود دارد. منیزیم قابلیت حلالیت در بافت‌ها را داشته و به‌طور همزمان در رشد بافت جدید نیز اثر گذار است. تحقیقات زیادی در زمینهٔ پوشش مواد زیست خنثی مثل Ti-6Al-4V با آلیاژ منیزیم، جهت ایجاد بافت استخوانی در جریان است. به عنوان مثال، پیوند نفوذی منیزیم و آلیاژهایش برروی آلیاژ Ti-6Al-4V به همراه Zr، که منجر به ایجاد ساختاری هیبریدی گردیده‌است. علاوه بر این، کاربرد منیزیم به عنوان بیرینگ افزایش یافته که به دلیل ویژگی‌های منیزیم و آلیاژهایش است که تطابق و شباهت زیادی به رفتارهای استخوان دارند. یعنی پس از مجاورت ایمپلنت با استخوان، در اثر مرور زمان از چگالی استخوان کاسته نخواهد شد. تلاش‌های زیادی در راستای بهبود مقاومت به خوردگی از طریق آلیاژسازی یا ایجاد پوشش برروی آلیاژهای منیزیم، صورت گرفته‌است.این فرایند سبب کاهش اندازهٔ دانه و نتیجتاً افزایش استحکام این آلیاژها گردیده‌است. در یک بررسی برای افزایش استحکام آلیاژ WE43 که به عنوان ایمپلنت‌های فناپذیر در بدن کاربرد دارند، از فرایند RS استفاده گردیده‌است. در این تحقیق آلیاژ ذکر شده تحت دو رژیم تغییر شکل با نسبت‌های تغییر شکل مختلف و در دماهای متفاوت، به وسیلهٔ فرایند RS تحت تغییر شکل قرارگرفته است. قبل از اجرای فرایند بیلت اکسترود شدهٔ اولیه به مدت ۸ ساعت در دمای ۵۲۵ درجهٔ سانتی گراد، همگن شده‌است. بر اساس نتایج به دست آمده در بررسی ریز ساختار آلیاژ تغییر شکل داده شده، فرایند RS سبب کاهش اندازهٔ دانه به‌طور قابل ملاحظه ای گردیده، به گونه ای که میانگین اندازهٔ دانه پس از دو رژیم تغییر شکل به ترتیب برابر با ۰٫۰۲±۰٫۶۶ میکرو متر و ۰٫۰۲±۰٫۶۱میکرومتر گزارش شده‌اند. در حالی که میانگین اندازهٔ دانهٔ اولیه قبل از تغییر شکل برابر با ۵٫۹±۶۱٫۳ میکرومتر بوده‌است. مقایسهٔ ویژگی‌های مکانیکی قبل وبعد از تغییر شکل نشان داد که فرایند RS اثر قابل توجهی بر خواص مکانیکی آلیاژ WE43 داشته‌است. نقاط تسلیم، شکست و حداکثر تغییر طول آلیاژ WE43 قبل و بعد از فرایند، در جدول زیر درج گردیده‌اند. (µ=ln(A0/Af علاوه بر این، کاهش دما سبب افزایش استحکام آلیاژ گردیده‌است به گونه ای که فازها نیز به صورت پراکنده تری توزیع شده‌اند. عموماً مقاومت به خوردگی فلزاتی که تحت تغییر شکل پلاستیک قرار می‌گیرند، کاهش می‌یابد. دلایل آن عمدتاً عبارتند از: افزایش طول مزردانه‌ها و چگالی نابه جایی‌ها، همچنین ایجاد دوقلویی‌هایی که پس ار تغییرشکل پلاستیک شدید در ریزساختار ایجاد می‌گردند. به گونه ای که به دلیل تفاوت مدول الاستیک استخوان با ایمپلنت، تمام بار وارده بر استخوان توسط ایمپلنت تحمل شده و بافت استخوانی به مرور از بین رفته و جذب شده و منجر به از بین رفتن مکان استقرار ایمپلنت می‌گردد. یکی از راه حل‌ها برای رفع این مشکل، استفاده از موادی با مدول الاستیک نزدیک به استخوان است. به عنوان نمونه افزایش منیزیم معادل درکامپوزیت بی متال Ti-Mg به عنوان ایمپلنت باعث می‌شود که مدول الاستیک آن پایین آمده و در حوزهٔ مدول الاستیسیتهٔ استخوان‌های اسفنجی قرار گیرد. همچنین کاهش چگالی شدت جریان با افزایش منیزم معادل حاصل از نتیجهٔ آزمایش مقاومت به خوردگی به صورت in-Vitro، حاکی از افزایش مقاومت به خوردگی است. مضافاً تولید اکسید منیزیم و هیدروکسید منیزیم به صورت پوسته بر روی سطح پودرهای منیزیم در کامپوزیت، از دیگر دلائل این موضوع می‌باشند. نهایتاً، وجود مرزدانه‌های طولانی از آلیاژهای منیزیم سبب جلوگیری از خوردگی حفره ای گردیده و توزیع فازهای ثانویه به صورت یکنواخت، (در این مورد اینتر متالیک غنی از فلزات نادر خاکی) نیز در این زمینه اثرگذار می‌باشند. | ## جمع‌بندی | در این بررسی جهت ساخت این کامپوزیت علاوه بر روش متالورژی پودر، برای افزایش چگالی، کاهش تخلل و زینتر شدن بهتر ذرات پودر، از فرایند RS گرم استفاده گردیده‌است.