شکل‌دهی چرخشی

تاریخچه شکل دهی چرخشی

اسپینینگ (SPINNING) یکی از قدیمی‌ترین فرایندهای تولید محدود و دسته‌ای برای قطعات متقارن توخالی و فلزی است که به نحو چشمگیری اقتصادی و ارزان می‌باشد. 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. از آن زمان سال‌های زیادی گذشت تا این فرایند به جهان غرب آورده 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.
طی سال‌های متمادی فرایند اسپینینگ فلزات، بدون تغییر باقی ماند. 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. به وسیلهٔ این فرایند، امکان اسپینینگ فلزات سخت‌تر با ضخامت‌های بیشتر به وجود آمد.
امروزه بیشتر تجهیزات و ماشین آلاتی که برای تولید قطعات دقیق در صنایع به کار می‌روند، به کنترل‌کننده‌های عددی، با قابلیت برنامه پذیری پیشرفته مجهز شده‌اند. در طول سال‌های اخیر فرایند اسپینینگ به‌طور هم‌زمان در چندین کشور از جمله سوئد، آلمان، انگلستان، ژاپن و ایالات متحده آمریکا توسعهٔ فراوانی یافت و در پی آن روش‌های دیگری از آن، مانند شکل‌دهی برشی یا شیر فرمینگ (Shear forming) و اسپینینگ لوله یا فلو فرمینگ معرفی شدند.
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.
فرایند اسپینینگ از جنبهٔ تغییر ضخامت در طی شکل‌دهی به دو دسته قابل تقسیم است. 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. شیر فرمینگ(Shear Forming) و فلو فرمینگ(Flow Forming) جزو دستهٔ دوم طبقه‌بندی می‌شوند.
در روش اسپینینگ از نظر دمای فرایند، نوع دیگری از طبقه‌بندی نیز وجود دارد، که با عناوین داغ و سرد شناخته می‌شوند. اغلب عملیات اسپینینگ بدون حرارت دهی به قطعه کار انجام می‌شود. 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. نیروی فشار دست روی ابزار اهرم مانندی اعمال می‌شود که به تدریج پس از چندین مرحلهٔ کاری، فلز را روی مندرل خم می‌کند.

اسپینینگ لوله (Flow forming) - (Tube Spinning)

فرایند اسپینینگ لوله (Tube Spinning)یا فلو فرمینگ (Flow forming) یکی از فرایندهای نوین و منحصر به فرد در شکل‌دهی فلزات برای تولید لوله‌های بدون درز جدار نازک با تلورانس‌های دقیق، صافی سطوح بالا و خواص مکانیکی عالی می‌باشد.
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. در اسپینینگ مستقیم، جهت جریان فلز در جهت حرکت غلتک‌ها می‌باشد. در صورتی که در اسپینینگ معکوس جهت جریان فلز در خلاف جهت حرکت غلتک‌ها می‌باشد.
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. این بسته نرم‌افزاری از دو شبیه‌ساز صریح و ضمنی تشکیل شده‌است. 
حل مسایل غیر خطی پیچیده با روش صریح معمولاً به صرفه تر بوده و علاوه بر زمان حل نسبتاً کم در مقابل روش ضمنی، دقت بهتری را نیز ارائه می‌کند. 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.

فرایند فرم‌دهی چرخشی

فرم‌دهی چرخشی (0Rotary Swaging) 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.
ناحیهٔ دوم، بخش تغییر شکل است که در آن قطر قطعه کار کاهش یافته.
ناحیهٔ سوم که قطعه کار به قطر نهایی رسیده و تثبیت می‌گردد.
این فرایند برای ساخت محصولات متنوعی از آلیاژهای Al ,Cu ,Fe ,Ti به کار برده شده‌است.

انواع ماشین های فرم دهی چرخشی (Rotary Swaging)

به صورت کلی با توجه به نحوۀ حرکت ابزار و قطعه کار، سه نوع دستگاه Rotary Swaging  وجود دارد:
1-در ماشین هایی که تنها سیستم داخلی  می چرخد، رینگ خارجی (Outer Ring) ثابت بوده و شفت اصلی (Main Shaft) می چرخد. با استفاده از این ماشین ها، قطعات بلند و متقارن ساخته می شوند.

2-در نوع دوم، سیستم خارجی می چرخد. 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.

روش های شکل دهی در فرآیند فرم دهی چرخشی (Rotary Swaging)

شکل دهی با استفاده از فرآیند Rotary Swaging  به سه طریق انجام می شود:
1-فرم دهی چرخشی همراه با تغذیۀ قطعه کار (In-feed Swaging) : در این روش قطعه کار با سرعت ثابت به درون ناحیۀ شکل دهی، تغذیه می شود.
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.
3-فرم دهی چرخشی با استفاده از ماندرل:  این شیوه، هم  می تواند با روش  In-feed و هم Recess انجام گیرد. به صورتی که قبل از اجرای فرآیند، یک ماندرل درون لوله  قرار گرفته سپس مرحلۀ شکل دهی اجرا می گردد.

شکل دهی لوله با استفاده از فرآیند فرم دهی چرخشی

شکل دهی لوله با استفاده از فرآیند فرم دهی چرخشی به هر دو صورت In-feed و Recess انجام می شود.

ساخت اجزاء هوشمند (Smart Structures) با استفاده از فرآیند فرم دهی چرخشی

با استفاده از فرآیند فرم دهی چرخشی می توان پروسه های شکل دهی و اتصال را به طور همزمان انجام داد(Conjoint Forming). 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.