آهنگری (متالورژی)

شمش فلزی در حال بارگذاری در یک چکش آهنگری
آهنگری یکی از کهن‌ترین روش‌های فرم دهی فلزات می‌باشد که در دوران گذشته فلز مورد نظرشان را تا حد لازم گداخته و سرخ می‌کردند و بعد با یک انبر آن را بر روی سندان نگه می‌داشتند و چکش کاری می‌کردند تا شکل مورد نظر را پیدا کند و گاهی فلز گداخته را با چکش کاری در داخل یک قالب شکل می‌دادند و فلز گداخته شکل قالب را به خود می‌گرفت.
اما تعریف امروزی این فرآیند تولید شامل شکل دادن به فلز با استفاده از نیروهای فشاری محلی است. ضربات توسط یک چکش (اغلب یک چکش قدرت) و یا یک قالب منتقل می‌شود.
آهنگری اغلب طبق درجه حرارت طبقه بندی می‌شود که عبارتند از:
آهنگری سرد (یک نوع سرد کار)
آهنگری گرم
آهنگری داغ (یک نوع کار گرم)
برای دو نوع دوم، فلز به طور معمول در کوره آهنگری داغ می‌شود.
قطعات آهنگری می‌توانند وزن کمتر از یک کیلوگرم تا صدها تن داشته باشند. محصولات سنتی ساخته شده از این فرایند عبارت بودند از وسایل آشپزخانه، سخت افزار، ابزار دستی، سلاح‌های لبه دار، سنج و جواهرات. از زمان انقلاب صنعتی، قطعات آهنگری شده در مکانیزم‌ها و ماشین آلات به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند هر جا که یک جزء نیاز به استحکام بالا داشته باشد؛ چنین آهنگری‌ها معمولا نیاز به پرداخت بیشتر (مانند ماشینکاری) برای رسیدن به یک قطعه نهایی دارد. امروزه آهنگری یکی از صنایع عمده جهان است.
تاریخچه
آهنگری یک میخآهنگری یکی از قدیمی‌ترین فرایندهای فلزکاری شناخته شده است. به طور سنتی، آهنگری توسط یک آهنگر با استفاده از چکش و سندان انجام شد، هر چند معرفی توان آب به تولید و کار آهن در قرن دوازدهم اجازه استفاده از چکش‌های مسافت بالا و یا چکش‌های قدرت بود که به طور چشمگیری و به راحتی باعث افزایش مقدار و اندازه آهنی که می‌تواند تولید و آهنگری شود، شد. آهنگری در طول قرن‌ها تکامل یافته است تا به یک فرآیند با فرایندهای مهندسی، تجهیزات تولید، ابزار، مواد اولیه و محصولات به منظور رفع نیازهای صنعت مدرن تبدیل شود. در زمان‌های مدرن، آهنگری صنعتی با فشار و یا با چکش‌های تهیه شده توسط هوای فشرده، برق، هیدرولیک یا بخار انجام می‌شود. این چکش‌ها ممکن است هزاران پوند وزن داشته باشد. چکش‌های کوچکتر، وزن 500 پوند (230 کیلوگرم) یا وزن رفت و برگشتی کم، و فشار هیدرولیک نیز درآهنگری‌های هنری عادی نیز وجود دارد. برخی از چکش‌های بخار مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما آن‌ها با استفاده از منابع دیگر، راحت‌تر، منابع انرژی منسوخ شده‌اند.
فواید و مضرات
آهنگری می‌تواند قطعه‌ای را تولید کند که قوی‌تر از بخش ریخته گری و ماشینکاری است. همانطور که فلز در طی فرآیند آهنگری شکل می‌گیرد، بافت دانه داخلی آن تغییر شکل می‌دهد تا شکل کلی قطعه را بدست آورد. در نتیجه، تغییر شکل بافت در سراسر قطعه پیوسته است، و باعث ایجاد یک قطعه با ویژگی‌های بهبود یافته است. علاوه بر این، آهنگری می‌تواند در مقایسه با ریخته گری یا ساخت هزینه‌های پایین‌تر را هدف قرار دهد. با توجه به تمام هزینه‌هایی که در چرخه عمر محصول از زمان تهیه تا زمان تدارک برای بازسازی و در نظر گرفتن هزینه‌های ضایعات، خرابی و مسائل مربوط به کیفیت بیشتر، مزایای طولانی مدت آهنگری می‌تواند صرفه جویی در هزینه‌های کوتاه مدت که ممکن است ریخته گری یا ساخت ارائه دهند را جبران کند.
بعضی از فلزات ممکن است سرد آهنگری شده باشند، اما آهن و فولاد تقریبا همیشه داغ آهنگری می‌شوند. آهنگری داغ از کار- سختی جلوگیری می‌کند که از طریق آهنگری سرد ایجاد می‌شود که باعث می‌شود مشکل انجام عملیات ثانویه ماشینکاری بر روی قطعه افزایش یابد. همچنین، در حالی که کار- سختی در بعضی شرایط ممکن است مطلوب باشد، روش‌های دیگر سخت شدن قطعه، مانند عملیات حرارتی، عموما ارزان‌تر و کنترل شده‌تر هستند. آلیاژهای متمایل در برابر سخت شدن، مانند اکثر آلومینیوم و تیتانیوم، می‌توانند با آهنگری حرارت بالا ساخته شوند، و سپس سختکاری شوند.
تولید توسط آهنگری شامل هزینه‌های قابل توجه سرمایه برای ماشین آلات، ابزار، امکانات و پرسنل است. در مورد آهنگری داغ، یک کوره با درجه حرارت بالا (گاهی اوقات به عنوان کوره آهنگری نامیده می‌شود) برای گرم کردن شمش یا بیلت مورد نیاز است. با توجه به اندازه‌ی چکشها و پرسهای آهنگری و قطعاتی که می‌توانند تولید کنند، و همچنین خطرات ذاتی کار با فلز داغ، یک ساختمان ویژه برای اداره عملیات لازم است. در مورد عملیات آهنگری سقوطی، تدارکات باید برای جذب شوک و ارتعاش تولید شده توسط چکش انجام شود. اکثر عملیات‌های آهنگری استفاده از قالب‌های شکلدهی فلز، که باید دقیقا به همانند شکل قطعه کار به صورت ماشینکاری و با دقت عملیات حرارتی شده باشند، و همچنین مقاومت در برابر نیروهای عظیم درگیر را داشته باشند.
نحوه عملکرد فرآیند
یک مقطع از یک میله اتصال دهنده آهنگری است که برای نشان دادن دانه بندی اچ شده است
در روش آهنگری، قطعه‌ی اولیه که لقمه نامیده می‌شود در میان دو نیمه‌ی قالب قرار می‌گیرد و نیرویی زیاد به صورت آرام و گاهی ضربه‌ای به آن وارد می‌شود. به این ترتیب قطعه‌ی گداخته در محیط قالب، شکل و فرم داخل قالب را به خود می‌گیرد و فلز اضافی به حفره‌ی فلاش وارد می‌شود که بعدا از قطعه جدا می‌شود و دور ریز قطعه‌ی آهنگری شده محسوب می‌گردد.
پروسه‌ی آهنگری معمولا به صورت گرم انجام می‌گیرد و هر فلزی میزان حرارت مشخصی برای آهنگری شدن دارد. در روش آهنگری قطعه‌ی گداخته شده در کوره که به حرارت مشخص رسیده باشد را در قالب می‌گذارند که بر اثر فشار، فرم قالب را به خود بگیرد. قطعات آهنگری شده نسبت به روش‌های دیگر تولیدی از استحکام و خواص مکانیکی عالی‌تری برخوردار می‌باشند. اکثر فلزات، قابلیت آهنگری شدن را دارا هستند. فلزاتی مانند فولادهای آلیاژی و فولادهای کربنی و آلومینیوم و آلیاژهای آن، برنج، مس و آلیاژهای آن‌ها و… برای آهنگری مناسب می‌باشند.برای فلز‌هایی مانند تیتانیوم به دلیل ضعیف بودن در انتقال حرارت، قالب و قطعه باید هم دما باشند که این خود یک روش آهنگری جدید به حساب می‌آید زیرا مهندسین ناچار هستند قالب و خط تولید مخصوص این نوع از آهنگری طراحی کنند.
دما آهنگری
تمام فرآیندهای زیر را می‌توان در دماهای مختلف انجام داد. با این حال، آنها به طور کلی طبقه بندی شده است که آیا دمای فلز بالاتر یا کمتر از دمای تبلور مجدد است؟
اگر درجه حرارت حدود 70% دمای ذوب باشد، آن را فورج داغ می‌نامند؛
اگر درجه حرارت زیر 70% دمای ذوب، اما بالاتر از 30٪ از دمای ذوب باشد، فورج گرم می‌نامند؛
اگر کمتر از 30٪ دمای ذوب (معمولا دمای اتاق) باشد، فورج سرد می‌شود.
مزیت اصلی آهنگری داغ این است که می‌توان تغییر شکل را سریع‌تر انجام داد، و به عنوان فلزی که تغییر شکل یافته اثر کار سختی از طریق فرآیند تبلور مجدد از بین می‌رود اما در این روش کیفیت سطحی و دقت ابعادی کمتر از دیگر روش‌ها می‌باشد. فورج سرد به طور معمول باعث کار سختی قطعه می‌شود و در زمان‌هایی که کیفیت سطحی و دقت ابعادی قطعه مورد نظر دارای اهمیت بالایی است از این روش آهنگری استفاده می‌کنند.
قالب‌های آهنگری
قالب‌های آهنگری برای فرم دهی و شکل دهی فلزات در تولید انبوه استفاده می‌شود که گاهی با حرارت دهی قطعات کار و گاهی بدون حرارت دهی صورت می‌گیرد. قالب‌های فورج به سه دسته تقسیم می‌شوند:
قالب‌های بسته فورج
قالب‌های باز فورج (آزاد)
قالب‌های فورج قالب بسته
در روش فورج با قالب بسته‌ی گرم، قطعه‌ی کار (لقمه) بین دو نیمه قالب قرار می‌گیرد و بر اثر نیروی فشاری یا ضربه‌ای پرس‌های هیدرولیکی یا مکانیکی و یا چکش‌های سقوطی، فرم قالب را به خود می‌گیرد. برای ساخت این قالب‌های فورج، از فولادهای گرم کار که دارای چقرمگی و استحکام تسلیم بالایی باشند استفاده می‌کنند. گاهی بر اساس شکل و نوع قطعه برای رسیدن به فرم نهایی از چندین قالب و چند مرحله فورج کاری استفاده می‌شود، زیرا با یک عمل پرس کاری، تولید قطعه کامل میسر نخواهد بود و قطعه‌ی کار به مرور و طی چند مرحله باید شکل نهایی را کسب نماید.
در روش فورج با قالب‌های باز، قالب‌ها دارای فرم و شکل ساده‌ای می‌باشند و گاهی قالب‌ها صرفا دو سطح تخت و مسطح می‌باشند که در عملیات فورج، قطعه‌ی کار بین دو سطح قالب چرخانده می‌شود تا نیروی فشاری پرس، آن را به شکل لازم در بیاورد. در این روش، قطعات بزرگ که بیش از 150 تن وزن دارند قابل تغییر شکل می‌باشند. از روش فورج غلطکی نیز استفاده شایان می‌شود. در این روش، یک سوراخ در یک ورق نازک و مدور فلزی می‌شود و بعد از نورد کردن یا حتی فشردن و ضربه زدن، یک حلقه با ارتفاع کم‌تر و قطر بیش‌تر به دست می‌آید و این شیوه، ترکیبی از دو روش نورد و فورج است و با این پروسه، رینگ‌هایی بین 0.5 گرم تا 180 تن تولید می‌شود.
در روش فورج با قالب بسته مانند ریخته گری تحت فشار عمل می‌شود با این تفاوت که دما پایین‌تر است و دو فک قالب بر روی قطعه اولیه فشرده مبی شوند و قطعه نهایی بدست می‌آید و دیگر نیاز به فرایند تکمیلی مانند ماشین کاری ندارد.
طراحی قالب‌های فورج
طراحی قالب‌های فورج به دانش زیادی درباره خواص استحکام، چکش خواری، حساسیت به نرخ تغییر شکل و دما، اصطکاک و شکل قطعه نیاز دارد. اعوجاج قالب تحت بارهای بالا خصوصا در تولید قطعات با تلرانس کم قابل ملاحظه می‌باشد. مهمترین قانون در طراحی قالب این است که قطعه در هنگام عملیات فورج در جهتی که دارای کمترین مقاومت است جریان می‌یابد.
بنابراین قطعه( شکل میانی) بایستی به گونه‌ای شکل داده شود تا تمامی حفره‌های قالب پر شود. در شکل دهی اولیه قطعه، ماده نباید به آسانی به سمت زایده حرکت کند.
الگوی جریان دانه‌ها باید مطلوب باشد و لغزش‌های شدید بین قطعه و قالب باید به حداقل برسد تا فرسایش کاهش یابد .انتخاب اشکال نیازمند تجربه زیادی بوده و شامل محاسبات سطوح مقطع در هر موقعیتی از فورج می‌باشد. از آنجایی که مانده در این فرایند تحت تغییر شکل‌های مختلفی در مناطق مختلف حفره‌های قالب می‌باشد، خواص مکانیکی بستگی به موقعیت فورج دارد.
در اغلب قطعات فورج شده، خط جدایش درست در مکان بزرگترین سطح مقطع قطعه قرار دارد. در قطعات متقارن خط جدایش معمولا خط مستقیمی در مرکز قطعه می‌باشد اما در قطعات پیچیده این خط در یک صفحه قرار ندارد. این قالب‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند تا هنگام کار قفل شده و از حرکت‌های عرضی قالب جلوگیری شود . در این حالت تعادل نیروها و هم محوری قطعات قالب حفظ می‌گردد. بعد از آنکه قالب پر شد به مواد اضافی. اجازه داده می‌شود که به داخل سیمراهه راه پیدا کند. این موضوع باعث می‌شود که این مواد اضافی باعث بالا بردن فشار قالب نشوند. معمولا ضخامت زایده برابر 3% بیشترین ضخامت قطعه فورج کاری می‌باشد .طول تکه مسطح معمولا دو تا پنج برابر ضخامت زایده می‌باشد. در طی سال‌ها چند طراحی مختلف برای سیمراه ارائه شده است. در اغلب قالب‌های فورج به زاویه شیب مناسب برای بیرون آمدن قطعه از قالب نیاز می‌باشد .در اغلب قالب‌های فورج به زاویه شیب مناسب برای بیرون آمدن قطعه از قالب نیاز می‌باشد قطعه در هنگام خنک شدن هم از نظر طولی و هم از نظر شعاعی منقبض می‌شود بنابراین زوایای شیب داخلی بزرگتر از زوایای شیب خارجی ساخته می‌شوند .زوایای داخلی در حدود 7 تا 10 درجه و زوایای خارجی در حدود 3 تا 10 درجه می‌باشند .انتخاب صحیح اندازه شعاع‌ها و گوشه‌ها به منظور اطمینان خاطر از جریان آرام فلز به داخل حفره‌ها و افزایش عمر قالب بسیار مهم است .
معمولا شعاع‌های کوچک غیر مطلوب می‌باشد، چرا که جریان فلز را با سختی مواجه کرده، فرسایش قالب را بالا می‌برد.(به دلیل ایجاد تمرکز تنش و حرارت) قوس‌های کوچک همچنین سبب ایجاد ترک‌های ناشی از خستگی می‌شود. در بنابراین مقدار این قوس‌ها تا آنجایی که طراحی قطعه فورج کاری اجازه می‌دهد باید بزرگ باشد.
در فرایند فورج، خصوصا برای قطعات پیچیده میتوان از قالب‌های چند تکه به جای قالب‌های یک تکه استفاده نمود .این موضوع باعث کاهش هزینه‌های ساخت قالب‌های مشابه می‌شود این تکه‌ها ( مغزها ) را می‌توان از مواد پر استحکام‌تر و سخت‌تر ساخت و در صورت فرسایش و شکست این تکه‌ها می‌توان آن‌ها را به راحتی تعویض نمود.
روانکار‌ها
روانکارها به شدت بر میزان اصطکاک و سایش تاثیر می‌گذارند . بنابراین در مقدار نیروها و جریان فلز به داخل حفره‌ها موثرند . همچنین به عنوان حائل حرارتی بین قطعه داغ و قالب نسبتا خنک عمل کرده ، باعث پایین آمدن نرخ خنک شوندگی قطعه و بهبود جریان فلز می‌گردد. نقش مهم دیگر روانکار عمل کردن به عنوان عامل جدایش و جلوگیری کننده از چسبیدن قطعه به قالب می‌باشد.
در فرایند فورج از روانکار‌های مختلفی می‌توان استفاده نمود در فورج داغ از گرافیت، دی سولفید مولیبدن و پودر شیشه استفاده می‌شود .در فورج داغ معمولا قالب مستقیما به روانکار آغشته می‌شود، در فورج سرد قطعه به روانکار آغشته می‌شود. روش کاربرد و یکنواخت نمودن ضخامت روانکار روی بلانک در کیفیت محصول مهم است.
آهنگری سقوطی
ساخت میخ قایق
فرآیند آهنگری سقوطی فرایندی است که در آن چکش بالا می‌رود و سپس بر روی قطعه کارسقوط می‌کند تا به شکل قالب تغییر شکل دهد. دو نوع آهنگری سقوطی وجود دارد: آهنگری قالب باز و آهنگری قالب بسته. همانطور که از نام آنها مشخص است، تفاوت در شکل قالب است، در حات اول به طور کامل قطعه کار محصور است، در حالی که دومی باز انجام می‌شود.
آهنگری سقوطی قالب باز
آهنگری سقوطی قالب باز یک شمش (به همراه دو قالب) برای ساخت یک چرخ
در آهنگری قالب باز، یک چکش به قطعه کار که بر روی یک سندان ثابت قرار دارد ضربه می‌زند و آن را تغییر شکل می‌دهد. آهنگری پرتابی قالب باز نام خود را از این حقیقت که قالب (سطوح در تماس با قطعه کار) کل قطعه کار را پوشش نمی‌دهد، بلکه به آن اجازه می‌دهد تا در سطوح آزاد در جایی که با قالب تماس ندارد جریان یابد گرفته است. بنابراین اپراتور به چرخاندن و موقعیت دهی قطعه کار برای دستیابی شکل مورد نظر نیاز دارد. قالبها معمولا شکل تخت دارند، اما بعضی از آنها دارای یک سطح با شکلی خاص برای عملیات مخصوص هستند. برای مثال، یک قالب ممکن است سطح گرد، مقعر یا محدب داشته باشد یا ابزاری برای تشکیل سوراخ یا یک ابزار برش باشد. آهنگری قالب باز را می‌توان برای اشکال شامل دیسک‌ها، هاب‌ها، بلوک‌ها، شفت‌ها (از جمله شفت‌های پله‌ای یا فلنج)، سیلندر، قسمت پهن، گرد، صفحه‌ای، و برخی از اشکال سفارشی به کار گرفت . آهنگری قالب باز را می‌توان مخصوص کارهایی از قبیل آهنگری هنری و کار سفارشی دانست. در بعضی موارد، آهنگری قالب باز ممکن است برای شمش‌های خشن به کار رود تا آنها را برای عملیات بعدی آماده سازد. آهنگری قالب باز ممکن است به منظور تغییر جهت دانه‌بندی برای افزایش استحکام به کار رود.
مزایای آهنگری قالب باز
باریک کردن
کاهش احتمال وجود تخلخل و فضای خالی
مقاومت خستگی بهتر
میکروساختار بهبود یافته
جریان مداوم دانه
اندازه دانه ظریف‌تر
استحکام بالاتر لبه زنی
"دندانه دار کردن" تغییر شکل پیوسته تیر در امتداد طول آن با استفاده از یک آهنگری پرتابی قالب باز است. معمولا برای رساندن ضخامت یک قطعه خام به ضخامت مناسب استفاده می‌شود. هنگامی که ضخامت مناسب به دست می‌آید، عرض مناسب از طریق "لبه زنی" بدست می‌آید. "لبه زنی" فرایند متمرکزکردن ماده با استفاده از یک قالب باز مقعر است. این فرایند "لبه زنی" نامیده می‌شود، زیرا معمولا در انتهای قطعه کار انجام می‌شود. Fullering یک فرایند مشابه است که بخش‌هایی از قطعه را با استفاده از یک قالب محدب نازک می‌کند. این فرایندها قطعات را برای فرآیندهای آهنگری بیشتر آماده می‌کند.
آهنگری قالب بسته
آهنگری قالب چاپی "آهنگری قالب بسته" نیز نامیده می‌شود. در آهنگری قالب چاپی فلز در یک قالب مشابه قالب ریخته گری قرار می‌گیرد که به یک سندان متصل است. معمولا قالب چکش نیز شکل می‌گیرد. سپس چکش بر روی قطعه کار رها می‌شود ، باعث می‌شود که فلز جریان یابد و حفره‌ها را پر کند. چکش معمولا در مقیاس میلی ثانیه در تماس با قطعه کار قرار دارد. بسته به اندازه و پیچیدگی قطعه، چکش ممکن است چندین مرتبه در یک بازه‌ی سریع رها شود. فلز اضافی از حفره‌های قالب فشرده شده بیرون رانده می‌شود، باعث شکل گیری آنچه که به عنوان "فلش" خوانده می‌شود، می‌شود. فلش با سرعت بیشتری نسبت به بقیه مواد خنک می‌شود این فلز مستحکم‌تر از فلز در قالب است، بنابراین به جلوگیری از تشکیل فلش بیشتر کمک می‌کند. این همچنین باعث می‌شود که فلز به طور کامل حفره را پر کند. پس از آهنگری، فلش زدوده می‌شود.
در آهنگری قالب بسته تجاری، قطعه کار معمولا از طریق یک سری حفره‌ها در یک قالب جابجا می‌شود تا از شمش به شکل نهایی برسد. اولین چاپ برای توزیع فلز به شکل خشن مطابق با نیاز حفره‌های بعدی استفاده می‌شود. این چاپ، چاپ "لبه زنی"، " Fullering" یا "خم شدن" نامیده می‌شود. این حفره‌ها، حفره‌های "سد کننده" نامیده می‌شود، که در آن قطعه به یک شکل تبدیل می‌شود که بیشتر به محصول نهایی شبیه است. این مراحل به طور معمول قطعه کار را با خم شدن زیاد و فیله‌های بزرگ تحویل می‌دهد. شکل نهایی در یک حفره نهایی "نهایی" یا "پایانی" آهنگری می‌شود. اگر تنها یک بخش کوتاهی از قطعات فورج شده وجود داشته باشد، ممکن است برای این که می‌خواهیم فاقد حفره نهایی نهایی باشد، مقرون به صرفه‌تر باشد و به جای آن، ویژگی‌های نهایی را بسازیم. در سالهای اخیر با پیشرفت اتوماسیون که شامل گرمایش القایی، تغذیه مکانیکی، موقعیت دهی و دستکاری، و عملیات حرارتی مستقیم قطعات بعد از آهنگری است، آهنگری قالب بسته بهبود یافته است. یکی از متغیرهای آهنگری قالب بسته"آهنگری بدون فلش" نامیده می‌شود. در این نوع آهنگری، حفره‌های قالب به طور کامل بسته می‌شوند، که قطعه کار را از تشکیل فلش باز می‌دارد. مزیت اصلی این فرایند این است که فلزی کمتر برای فلش هدر می‌رود. فلش می‌تواند 20 تا 45 درصد مواد اولیه را تشکیل دهد. معایب این فرایند شامل هزینه اضافی به علت طراحی پیچیده‌تر و نیاز به روانکاری بهتر و قرار دادن قطعه کار بهتر است. تغییرات دیگری نیز در شکل گیری قطعه وجود دارد آهنگری قالب بسته را یکپارچه می‌سازد. یک روش شامل ریخته گری قالب پیش ساخته از فلز مایع است. ریخته گری در حالی که هنوز گرم است بعد از انجماد حذف می‌شود. سپس در یک قالب تک حفره تکمیل می‌شود. فلاش بریده می‌شود، سپس قطعه با کوئنچ سخت می‌شود. یک متغیر دیگر از فرآیند مشابهی که در بالا ذکر شد، پیروی می‌کند. به جز این که پیش فرم با اسپری رسوبات قطرات فلزی به کلکتورهای شکل گرفته تولید می‌شود. آهنگری قالب بسته شدن به علت ایجاد قالب و کار طراحی مورد نیاز برای ایجاد حفره‌های کاری قالب دارای هزینه اولیه بالایی است. هرچند، هزینه‌های تکراری کم برای هر قطعه دارد، به این ترتیب، آهنگری با حجم تولید بیشتر مقرون به صرفه می‌شود. این یکی از مهمترین دلایلی است که آهنگری قالب بسته اغلب در صنعت خودرو و ابزار مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی دیگر از دلایلی که آهنگری در این بخش‌های صنعتی رایج است، این است که آهنگری‌ها به طور کلی در حدود 20 درصد نسبت استحکام به وزن بالاتری نسبت به قطعات ریخته گری یا ماشینکاری شده از همان مواد دارند.
طراحی تجهیزات و قالبهای آهنگری قالب بسته
قالبهای آهنگری معمولا از فولاد آلیاژ بالا یا فولاد ابزار ساخته شده است. قالب‌ها باید مقاوم در برابر ضربه، مقاوم در برابر سایش داشته باشند، همچنین مقاومت در دمای بالا و توانایی مقاومت در برابر چرخه‌های گرم و سرد شدن سریع را دارا باشند. به منظور تولید بهتر و ارزان‌تر، استانداردهای زیر حفظ می‌شوند :
· در هر زمانی که بخواهید قالب‌ها بخشی از صفحه را به صفحه می‌رساند. اگر نه، صفحه آزاد می‌شود که از منحنی آن قسمت پیروی می‌کند.
· سطح جداکننده یک صفحه از طریق مرکز آهنگری است و نه نزدیک لبه بالایی یا پایینی.
· زاویه قالب معمولا حداقل 3 درجه برای آلومینیوم و 5 تا 7 درجه برای فولاد است.
· شعاع‌ها و فیلت‌های زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
· دنده‌ها کم و عریض هستند.
· بخش‌های مختلف برای جلوگیری از شدت تفاوت در جریان فلزی متعادل می‌باشند.
· مزیت کامل، استفاده از خطوط جریان فیبر است.
· تلرانس ابعادی پایین‌تر از حد لازم نیست.
تحمل ابعاد قطعات فولادی تولید شده با استفاده از روش آهنگری قالب بسته در جدول زیر نشان داده شده است. ابعاد درون صفحه جدا کننده تحت تاثیر بسته شدن قالبها قرار دارند و به همین دلیل وابسته به سایش و ضخامت فلش نهایی میباشند. ابعادی که به طور کامل در یک بخش قالب تک یا نیمه می‌توانند در سطح قابل توجهی از دقت نگهداری شوند.
+تلرانس‌های ابعادی برای آهنگری قالب بسته
تلرانس مثبت mm
تلرانس منفی mm
جرم kg
0.46
0.15
0.45
0.61
0.20
0.91
0.76
0.25
2.27
0.84
0.28
4.54
0.99
0.33
9.07
1.45
0.48
22.68
2.21
0.74
45.36
برای کاهش اصطکاک و سایش، یک روان کننده استفاده می‌شود. همچنین به عنوان یک مانع حرارتی برای محدود کردن انتقال حرارت از قطعه کار به قالب استفاده می‌شود. در نهایت، روان کننده به عنوان یک بخش جداکننده عمل می‌کند تا از چسبیدن مواد به قالب جلوگیری کند.
آهنگری پرسی
آهنگری پرسی با اعمال فشار آهسته مداوم یا نیروی آهسته کار می‌کند، که از ضربه تقریبا لحظه‌ای آهنگری سقوط چکشی متفاوت است. مقدار زمانی که قالب‌ها در تماس با قطعه کار در ثانیه (در مقایسه با میلی ثانیه‌های آهنگری سقوط چکشی) اندازه گیری می‌شود. عملیات آهنگری پرسی می‌تواند بصورت سرد یا گرم انجام شود.
مزیت اصلی آهنگری پرسی، در مقایسه با آهنگری سقوط چکشی، توانایی آن در شکل دادن به قطعات نهایی است. آهنگری سقوط چکشی معمولا فقط سطوح قطعه کار را در تماس با چکش و سمبه تغییر شکل می‌دهد؛ داخل قطعه کار نسبتا بی‌تغییر باقی خواهد ماند. یکی دیگر از مزایای این فرایند آگاهی نسبت به میزان نرخ کرنش بخش جدید می‌باشد. با کنترل میزان فشرده سازی عملیات آهنگری پرسی، می‌توان کرنش داخلی را کنترل کرد.
چندین عیب در این فرایند وجود دارد، که بیشتر مربوط به قطعه کار است که در طی مدت زمان طولانی در تماس با قالب است. عملیات به دلیل مقدار و طول مراحل، فرآیند زمان بری است. قطعه کار سریعتر سرد می‌شود زیرا قالبها در تماس با قطعه کار می‌کنند؛ انتقال حرارت به طور قابل توجهی بیشتر از محیط اطراف است. همانطور که قطعه کار سرد می‌شود قوی‌تر می‌شود و انعطاف پذیری کمتر می‌شود، که اگر تغییر شکل ادامه یابد، ترک خوردگی ایجاد می‌کند. بنابراین، قالب‌های گرما معمولا برای کاهش تلفات حرارت، بهبود جریان سطح، و تولید جزئیات دقیق‌تر و تحمل بیشتر استفاده می‌شود. قطعه کار نیز ممکن است نیاز به گرم شدن داشته باشد.
هنگامی که در نرخ تولید بالا انجام می‌شود، آهنگری پرسی اقتصادی‌تر از آهنگری با چکش است. این عملیات همچنین باعث ایجاد دقت ابعادی بالاتری می‌شود. در آهنگری با چکش بسیاری از کارها توسط ماشین آلات جذب می‌شود؛ در حالیکه که در آهنگری پرسی، درصد بیشتری از کار بر روی قطعه کار انجام می‌شود. یکی دیگر از مزیا این است که عملیات را می‌توان برای ایجاد هر قطعه در هر اندازه‌ای انجام داد زیرا هیچ محدودیتی برای اندازه دستگاه آهنگری پرسی وجود ندارد. تکنیک‌های جدید آهنکری پرسی قادر شده‌اند که درجه بالاتری از یکپارچگی مکانیکی و جهت گیری را ایجاد کنند. با محدود کردن اکسیداسیون به لایه‌های بیرونی قطعه، سطح کاهش یافته میکروترک‌ها در قسمت پایان به وجود می‌آید.
آهنگری پرسی می‌تواند برای انجام تمام انواع آهنگری‌ها مورد استفاده قرار گیرد ، از جمله آهنگری قالب بسته و قالب باز. آهنگری قالب بسته با پرس معمولا نیاز به زاویه قالب کمتر از آهنگری سقوطی و دقت ابعاد بهتر دارد. همچنین آهنگری پرسی اغلب در یک بسته شدن قالبها ممکن است، که به آسانی امکان اتوماسیون را فراهم می‌کند.
تکنولوژی آهنگری پرسی همچنان تکامل پیدا می‌کند، با پرس‌های قوی‌تر، دقت ابعادی‌های بیشتر، انعطاف پذیری / تغییر شکل فریم کمتر که قطعات با دقت ابعادی بیشتری را تولید می‌کنند. با افزودن I-PRESS Forge Press و شرکت‌های سیستم کنترل اتوماتیک آهنگری می‌تواند لذت بردن از ضربه زدن به بخش گزارش‌های ارسال شده به کارکنان که نیاز به آن است. این I-PRESS FORGE Connected Enterprise نامیده می‌شود. این کنترل همچنین تمامی جنبه‌های شرایط در حال اجرا پرس، نظارت بر سیستم‌ها و سنسورهای حرارتی را در سیستم درایو اصلی پرس نظارت می‌کند. تمام اطلاعات در صفحه لمسی رنگ HMI موجود است.
آهنگری میله
آهنگری میله فرایندی است که در آن نوار گرد یا تخت ضخامت آن کاهش می‌یابد و طول آن افزایش می‌یابد. آهنگری میله با استفاده از دو غلطک استوانه‌ای یا نیمه استوانه‌ای انجام می‌شود که هر یک شامل یک یا چند شیار شکل می‌باشد. یک نوار گرم به غلطک‌ها وارد می‌شود و هنگامی که در نقطه‌ای قرار می‌گیرد، رول‌ها چرخانده می‌شوند و نوار به صورت پیشرونده شکل می‌گیرد همانطور که از طریق دستگاه رول می‌شود. قطعه سپس به مجموعه بعدی از شیارها منتقل می‌شود و یا چرخانده می‌شود و به شیارهای مشابه دوباره وارد می‌شود. این تا زمانی که شکل مورد نظر و اندازه مورد نظر به دست می‌آید ادامه یابد. مزیت این فرآیند این است که هیچ فلاشی وجود ندارد و ساختار دانه مطلوب را در قطعه تولید می‌کند.
نمونه‌هایی از محصولات تولید شده با استفاده از این روش عبارتند از محورها، اهرم‌های مخروطی.
آهنگری سرد
در فورج سرد به نیروهای فوق العاده بزرگی برای شکل دادن قطعه نیاز است و ماده خام باید به اندازه کافی قابلیت چکش خواری داشته باشد . اما قطعه تولید شده با این روش دارای سطح پایانی و دقت ابعادی خوبی است . در فورج داغ به نیروی کمتری نیاز است ولی قطعات تولیدی با این روش دارای سطح پایانی و دقت ابعادی چندان خوبی نیستند. معمولا قطعات تولیدی توسط فورج به عملیات اضافی ( پایانی) جهت تبدیل شدن به قطعه مناسب کار و حصول دقت مطلوب نیاز دارند.
با استفاده از روش فورج دقیق می‌توان این عملیات را به حداقل رساند. قطعه‌هایی که با استفاده از فورج تولید میشود را نیز میتوان با سایر روش‌ها نظیر ریخته گری، متالورژی پودر و ماشین کاری تولید نمود و همانطور که انتظار می‌رود هر کدام از این روش‌ها دارای مزایا و محدودیت‌های مربوط به خود از نظر استحکام ، چقرمگی، دقت ابعادی سطح پایانی و نقص‌های ساختاری هستند.
سکه زنی
سکه‌ها عموما با روش آهنگری ساخته می‌شوند.
سکه زنی اساسا یک فرایند فورج قالب بسته برای شکل دادن سکه‌ها ، مدال‌ها و جواهرات می‌باشد . برای رسیدن به ابعاد دقیق به فشارهایی تا پنج یا شش برابر استحکام ماده نیاز است . در این فرایند از مواد روانکار نمی‌توان استفاده نمود زیرا باعث پر شدن حفره‌های قالب شده و در این فشارهای اعمالی رفتار غیر قابل تراکم داشته و از شکل دهی دقیق قطعه جلوگیری می‌کند. از فرایند سکه زنی با فورج برای ایجاد دقت ابعادی روی سایر قطعات نیز استفاده می‌شود.
این فرایند ، اندازه کردن نامیده می‌شود. فرایند اندازه کردن به همراه فشار‌های بالا و تغییر شکل قطعه می‌باشد. حک کردن حروف و اعداد روی قطعات را می‌توان با فرایندی شبیه به سکه زنی با سرعت انجام داد.
فرایندهای شکل‌دهی
کرنش سختی
ساخت
فلزکاری
شمش (ماده)
ماهیچه (مکانیک)
ریخته‌گری افشانه‌ای
سندان
علم مواد
متالورژی پودر
سنگ زنی
جوشکاری
تراشکاری