شکل‌دهی چرخشی

چرخش‌دهی (اسپینینگ) 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.
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 عمدتا به شکل ورق (یا لوله در فلوفرمینگ) 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 شکل دهی قطعات استوانه‌ای نیست. یک گلدان برنجی که با اسپینینگ دستی تولید شده‌است.
با توجه به این که در پرسکاری یا کشش عمیق، همواره هزینه زیاد ابزار و قالب نکته مهمی است، اسپینینگ به عنوان فرآیندی 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.
تاریخچه شکل دهی چرخشی
(SPINNING) یکی از قدیمی‌ترین فرآیندهای تولید محدود و دسته‌ای برای قطعات متقارن توخالی و فلز ی 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 نقره‌ای 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 دوره 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 تجربه طولانی در این کار می‌داشت.
طی سالهای متمادی فرایند اسپینینگ فلزات، بدون تغییر باقی ماند. در آن سال‌ها اصولا 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 شکل دهی نمایند. کم‌کم با گسترش نیاز صنعت به قطعات مدور توخالی و دقیق‌تر از نظر ابعادی، این فرایند نیز روند تکاملی خود را طی نمود. متعاقبا در طراحی دستگاه‌های اسپینینگ، وظیفه هدایت ابزارهای شکل دهی به جای دست اپراتور به عهده تجهیزات مکانیکی گذاشته شد و به این ترتیب اولین پایه‌های نوع جدیدی از این فرایند به نام اسپینینگ ماشینی یا قدرتی گذاشته شد. به وسیله این فرایند، امکان اسپینینگ فلزات سخت‌تر با ضخامت‌های بیشتر بوجود 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 توسعه فراوانی یافت و در پی آن روش‌های دیگری از آن، مانند شکل دهی برشی یا شییر فرمینگ (Shear forming) و اسپینینگ لوله یا فلو فرمینگ معرفی شدند.
با پیشرفت شگفت‌انگیز موتور توربین گازی هواپیماها، نیاز به فرآیندهای اسپینینگ و فرآیندهای مرتبط با آن برای تولید قطعات مختلف بیش از پیش احساس شد و این مسئله عامل بسیار مهمی در پیشرفت و توسعه 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. متقابلا به علت اهمیت این صنایع، گسترش و توسعه فرآیندهای 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 ، عمر خستگی
- قابلیت تولید قطعات با ابعاد مختلف
- عدم نیاز به عملیات‌هایی همچون ، 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 بوسیله ابزارهای مکانیکی و هیدرولیکی اعمال می‌گردد که به آن اسپینینگ قدرتی نیز گفته می‌شود.
فرایند اسپینینگ از جنبه تغییر ضخامت در طی شکل دهی 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. شییر فرمینگ(Shear Forming) و فلوفرمینگ(Flow Forming) جزو دسته 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 ( )
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 مرحله 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 شکل دهی به محصول در مسیرهای از پیش تعیین شده حرکت می‌کند. عامل چرخش غلتک، نیروی اصطکاک بین سطح قطعه کار و غلتک است.
مندرل (Mandrel): قالبی است که بلنک در طی عملیات اسپینینگ روی آن می‌نشیند.
تکیه گاه و نگهدارنده که بلنک را بر روی مندرل فشرده و ثابت 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 تامین می‌نماید.
اسپیندل اصلی دستگاه که مندرل بر روی آن نصب می‌شود.
کشویی یا اسلایدر متقاطع که با زوایای قابل تنظیم، مجموعه غلطک و نگهدارنده‌های آن را به طرف قطعه کار رانده و در مسیر برنامه‌ریزی شده حرکت می‌دهد. مسیر حرکت غلطک در صفحه مختصات X و Z برنامه‌ریزی می‌شود.
مجموعه پایه مرغک
قطعه کار نهایی پس از عملیات اسپینینگ.
اسپینینگ لوله (Flow forming) - (
فرایند اسپینینگ لوله (Tube Spinning)یا فلوفرمینگ (Flow forming) یکی از فرایندهای نوین و منحصر به فرد در شکل دهی 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 اخیرا 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 شده است، اشاره کرد. این بسته نرم‌افزاری از دو شبیه‌ساز صریح و ضمنی تشکیل شده‌است. نمونه‌هایی از اسپنینگ فلزات. حل مسایل غیر خطی پیچیده با روش صریح معمولا به صرفه‌تر بوده و علاوه بر زمان حل نسبتا کم در مقابل روش ضمنی، دقت بهتری را نیز ارائه می‌کند. معمولا 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 شکل دهی 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 اسپیینینگ لوله، این فرایند از فرایندهای پیچیده در شکل دهی فلزات می‌باشد که تحلیل مسائل مربوط به آن مانند طراحی هندسه غلتکها، تعیین نیرو و انرژی لازم برای شکل دهی لوله و پیش‌بینی توزیع تنش و جریان فلز کار چندان ساده‌ای نیست.
در حل مسائل مربوط به فرایند اسپیینینگ لوله چند روش نظری به کار گرفته شده‌است که در بعضی موارد نتایج نسبتا 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 شکل دهی و محدودیت‌های این روش‌ها و نیز فرضیات اعمال شده در این راه حل‌ها، امکان پیش‌بینی دقیق توزیع تنش و کرنش در قطعات در هنگام شکل دهی 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
فرآیندهای مونتاژی : اتصال کفی بشکه‌ها و قوطی‌های کنسرو، قطعات صنعتی مانند عدسی‌های مخازن، کپسول‌های مایع
فرایندهای شکل‌دهی
تئوری پلاستیسیته
الاستیسیته
فلزکاری
ساخت میهن
پژوهشگاه علوم و فناوری اطلاعات ایران
http://www.centurymetalspinning.com