تشكيل المعادن
يعتبر تشكيل المعادن من أهم طرق الإنتاج في الصناعات الميكانيكية و تعتبر طريقة تشكيل المعادن بالضغط من أهم طرق التشكيل ، و قد تجري علي الساخن أو على البارد . و تعتمد الطرق المختلفة لتشكيل المعادن بالضغط علي خواص لدونتها أي على قدرة المعدن على تغيير أبعاده و شكله تحت تأثير القوي الخارجية المؤثرة عليها دون أن تتحطم أو تتلف ، مع إحتفاظها بالشكل الذي اكتسبته بعد إزالة القوي الخارجية المؤثرة. و عند تشكيل المعادن بالضغط تتغير كذلك خواصها الميكانيكية و بنيتها الداخلية . و عمليات التشكيل هذه متنوعة و متباينة, و تشمل علي:
كما أن هناك عمليات تشكيل أخرى خاصة, و سوف نتناول بعض من هذه العمليات و بعض أنواع الماكينات المستخدمة في عمليات الإنتاج هذه.
تجري عمليات الطرق و الكبس بإستعمال المطارق و المكابس فإذا كان الطرق يجري بين سطحين مستويين يسمي بالطرق الحر أو الحدادة الحرة, أما إذا كان يجري بإستعمال قوالب الكبس (الاسطمبات) فيسمي بالكبس في الاسطمبات, و الكبس في الاسطمبات يمكن أن يكون فراغيا أو مستويا, ففي الحالة الأولي تكون الخامة عبارة عن قضيب أو مسبوكة, و في الحالة الثانية عبارة عن شريحة.
أما عملية الدلفنة فهي عبارة عن عملية ضبط المعدن بين إسطوانتين (دلفينين) دائرتين لماكينة الدلفنة ليشكل حسب الأشكال و الأبعاد المطلوبة.
أما عملية البثق فهي تتلخص في ضغط المعدن الموجود داخل قالب مغلق حتي ينبثق من فتحة خاصة به و تنتج بالبثق المواسير و القضبان من المعادن و السبائك المختلفة. و يمكن اختيار قابلية التشكيل للمعادن بواسطة عدة إختبارات منها علي سبيل المثال قابلية المعدن للشد و الضغط.
مما سبق يمكن الإستنتاج أن عملية الإنتاج بالتشكيل هي:
"العملية التي يتم فيها تغيير شكل و أبعاد الخامة إلي شكل و أبعاد المنتج المطلوب بدون إزالة رايش".
لتشكيل المعادن بعض المميزات نذكر منها:
لتشكيل المعادن بعض العيوب, نذكر منها:
المطلوب في إقتصاديات الإنتاج هو إنهاء عملية التشكيل بأقل قوة ممكنة و في أقل وقت ممكن بشرط ألا ينهار المعدن و يقطع أثناء تشكيله. لذلك نجد أن أنسب المعادن الذي يحقق ذلك هوالمعدن الذي تكون فيه قيمة نقطة الخضوع أصغر ما يمكن, و يكون أقصي حمل أكبر ما يمكن, لأنه سيمكننا من إتمام عملية التشكيل بحمل يقع بين هذين الحملين.
عند التأثير علي المعدن بقوي خارجية أكبر من قوي تماسك جزيئاته, نجد أن الجزيئات تتزحزح و تصل إلي الجزيئات الأخرى القريبة منها في اتجاه تأثير القوة ؛ و تظل الجزيئات في مكانها الجديد بعد زوال القوة المؤثرة –إذا تم تخطي نقطة الخضوع - و يتسبب عن ذلك استطالة أو انضغاط دائم نظرا لأن القوة المؤثرة وصلت بالجزيئات إلي مرحلة اللدونة؛ كما أن الزحزحة تحدث عند مستويات تسمي مستويات انتقال الذرات.
هو السطح الذي يقع فيه أكبر كثافة من الذرات و فيه يكون توزيع الذرات منتظما. و عند عملية التشكيل تحدث مستويات عديدة من مستويات الانزلاق و تكون في اتجاهات مختلفة. و التشكيل عبارة عن مجموعة من الإنزلاقات المتالية التي تحدث لجزيئات و ذرات المعدن بحيث تظل هذه الذرات متشابكة و متماسكة. و يحتمل حدوث أكثر من مستوي للإنزلاق في الشبكية البلورية أيضا. و كلما كان التشبيك الذري له مستويات أكثر للإنزلاق كلما كان المعدن أكثر قابلية للتشكيل , فمثلا المعادن ذات التشبيك الذري المرتب في صورة مكعبات لها ذرات في مراكز أوجه المكعبات (نظام مكعب مركزي الوجه ) (مثل النحاس) تكون أكثر قابلية للتشكيل عن المعادن الأخرى التي في صورة (نظام مكعب مركزي الجسم ) (مثل الحديد ) و هما أكثر قابلية للتشكيل من المعادن ذات نظام بلوري سداسي.
ترتبط جزيئات المعدن و تتماسك مع بعضها بقوة داخلية تسمي قوة الربط, هذه القوة تقاوم تأثير أي قوة أو حمل خارجي واقع علي هذه الكتلة المعدنية, و قوة الربط الداخلية تختلف في قيمتها من معدن إلي آخر.
كما ثبت ان عملية التشكيل عبارة عن وصول المعدن إلي نقطة الرضوخ أي إلي الدرجة التي لا يمكنه مقاومة القوة الخارجية لكبرها و يحدث الانزلاق بين الجزيئات أي بين طبقات المعدن و يحدث في النهاية التشكيل المطلوب. و قد وجد بأن قوة التماسك بين الجزيئات في المعدن الواحد تتوقف قيمتها علي درجة حرارة المعدن, إذ أن قوة مقاومة المعدن للتشكيل تقل بإزدياد درجة حرارة المعدن.
كلما ارتفعت درجة حرارة المعدن, قلت القوة اللازمة لتشكيله, و لكن إذا زادت درجة حرارته إلي أكثر من الحد المناسب تزداد فرصة تأكسد السطح الخارجي للمعدن و في هذه الحالة تظهر الأكاسيد علي هيئة قشور تتساقط أثناء التشكيل و قد تشوه سطح المنتج المشكل, و تصل قيمة هذه القشور في العادة إلي 3% من وزن المنتج و قد تصل إلي 7%. كما أن الحرارة المرتفعة تتسبب في زيادة حجم بلورات و جزئيات المعدن و هذا يؤدي إلي انخفاض خواص المعدن الميكانيكية و قد يتسبب عنها ظهور شروخ أثناء التشكيل أو بعده.
لذلك يجب أن تسخن المعادن المراد تشكيلها علي درجة حرارة معينة هي درجة الاحمرار حتي لا تحتاج لقوة تشكيل أكبر و لو زادت عنها سببت التأكسد و التشق و الشروخ. و لكن في العادة تسخن المعادن أعلي بقليل عن درجة التشكيل, فمثلا لو كانت درجة التشكيل 650° م فلابد من تسخين المعدن إلي حوالي 700° م حتي نضمن عدم انخفاض درجة حرارتها عن الدرجة المطلوبة و هي 650° م أثناء التشكيل.
تتم عمليات التشكيل علي مكابس باستخدام عدد تسمي إسطمبات حيث يضغط المعدن الساخن بين نصفيها العلوي و السفلي, و تعتصر كتلة المعدن الساخن و ينساب المعدن تحت الضغط إلي الفراغات حتي تملأ كل الفراغ الموجود في نصفي الاسطمبة, هذا الفراغ الذي له شكل و أبعاد المنتج المطلوب عندما يتم انطباق نصفي الاسطمبة.
و قد يكون المكبس المستخدم سريع الحركة أو بطئ, و قد تتم عملية التشكيل بحركة واحدة أي بمشوار واحد من المكبس أو بحركة متكررة و تسمي بالطرق أو الحدادة, و تسمي عملية التشكيل بالحدادة الميكانيكية, و المكابس المشاع استخدامها في التشكيل السريع هي المكابس الحلزونية أو المطارق بأنواعها المختلفة, أما التشكيل البطئ فيتم عادة علي مكابس هيدروليكية و تسمي العملية بثق علي الساخن.
يقصد بعدد التشكيل علي البارد, جميع الاسطمبات التي تستخدم مع المكابس لتغيير شكل و أبعاد الخامة إلي منتج مطلوب له شكل آخر من الشكل الأول و أبعاد خاصة, بحيث تتم هذه العملية في درجة حرارة الغرفة أي بدون تسخين خامة المشغولات كما هو الحال في عملية التشكيل بالطرق علي الساخن.