روش های شکل دهی فلز: ریخته گری و آهنگری با تجزیه و تحلیل مزایا و معایب

روش‌های شکل‌دهی فلز در طراحی قطعات بسیار مهم هستند و برای سازندگان نگران کننده هستند. امروز، بیایید هشت فرآیند اصلی شکل‌دهی فلز را بررسی کنیم: ریخته‌گری، شکل‌دهی پلاستیک، ماشین‌کاری، جوشکاری، متالورژی پودر، قالب‌گیری تزریقی فلز، شکل‌دهی نیمه جامد فلز، و چاپ سه بعدی.

01 بازیگری

ریخته گری شامل ریختن فلز مذاب در حفره قالب است که با شکل و اندازه قطعه مطابقت دارد و به آن اجازه می دهد سرد و جامد شود تا یک قطعه خالی یا تمام شده به دست آید. این روش معمولاً به عنوان شکل دهی یا ریخته گری فلزات مایع شناخته می شود.

جریان فرآیند: فلز مذاب → پر کردن → انقباض انجماد → ریخته گری

خصوصیات:

می تواند قطعاتی با اشکال پیچیده تولید کند، به ویژه آنهایی که دارای حفره های داخلی پیچیده هستند.

بسیار سازگار و بدون محدودیت در انواع آلیاژ و اندازه های ریخته گری تقریبا نامحدود.

منابع گسترده مواد، زباله ها را می توان دوباره ذوب کرد و سرمایه گذاری کم در تجهیزات.

میزان ضایعات بالا، کیفیت سطح پایین تر و شرایط کاری نامناسب.

انواع ریخته گری:

ریخته گری شن و ماسه: شامل تولید ریخته گری در قالب ماسه است. مناسب برای ریخته گری فولاد، آهن و اکثر آلیاژهای غیر آهنی.ویژگی های فنی:

مناسب برای تولید قطعات با اشکال پیچیده، به ویژه آنهایی که دارای حفره های داخلی پیچیده هستند.

سازگاری گسترده و هزینه کم.

برای مواد با پلاستیسیته ضعیف مانند چدن، ریخته گری شن و ماسه اغلب تنها فرآیند شکل دهی امکان پذیر است.

برنامه های کاربردی: بلوک موتور، سرسیلندر، میل لنگ در خودرو.

ریخته گری موم گمشده (ریخته گری سرمایه گذاری): شامل ساختن قالب از الگوی مومی، پوشاندن آن با مواد نسوز، ذوب کردن موم و سپس ریختن فلز مذاب در قالب است.مزایا:

دقت ابعادی و هندسی بالا.

پرداخت سطح بالا

می تواند اشکال پیچیده را بدون محدودیت در انواع آلیاژ ایجاد کند.

معایب: فرآیند پیچیده و هزینه بالاتر.

برنامه های کاربردی: قطعات کوچک با اشکال پیچیده و نیازهای دقت بالا، مانند پره های موتور توربین.

دایکستینگ: از فشار بالا برای فشار دادن فلز مذاب به داخل حفره قالب فلزی دقیق استفاده می کند، جایی که سرد و جامد می شود.

جریان فرآیند:

مزایا:

فشار زیاد در هنگام ریخته‌گری منجر به جریان سریع فلز می‌شود.

کیفیت محصول خوب، ابعاد پایدار و قابلیت تعویض بالا.

راندمان تولید بالا و عمر طولانی قالب.

مناسب برای تولید در حجم بالا با مزایای اقتصادی خوب.

معایب:

مستعد حباب های کوچک هوا و حفره های انقباض است.

پلاستیسیته کم قطعات ریخته گری باعث می شود آنها برای بارهای ضربه ای یا ارتعاش نامناسب باشند.

عمر قالب کم برای آلیاژهای با نقطه ذوب بالا بر افزایش مقیاس تولید تأثیر می گذارد.

برنامه های کاربردی: صنعت خودرو، ابزار دقیق، ماشین آلات کشاورزی، ماشین ابزار، الکترونیک، دفاع، تجهیزات پزشکی و کالاهای مصرفی مختلف.

ریخته گری کم فشار: شامل پر کردن قالب با فلز مایع تحت فشار کم ({0}}.02–0.06 مگاپاسکال) و جامد کردن آن تحت فشار است.ویژگی های فنی:

فشار و سرعت ریزش قابل تنظیم آن را برای قالب ها و آلیاژهای مختلف مناسب می کند.

ریخته گری با دریچه پایین پاشش را به حداقل می رساند، گیر افتادن گاز را کاهش می دهد و بازده ریخته گری را بهبود می بخشد.

ساختار ریخته گری متراکم با خطوط شفاف و سطوح صاف، به ویژه برای قطعات بزرگ با دیواره نازک مفید است.

نیاز به رایزر را از بین می برد و استفاده از فلز را تا 90-98% بهبود می بخشد.

شدت کار کمتر و شرایط کاری بهتر با تجهیزات ساده و اتوماسیون آسان.

برنامه های کاربردی: محصولات سنتی مانند سرسیلندر، توپی چرخ و قاب سیلندر.

ریخته گری گریز از مرکز: شامل ریختن فلز مذاب در یک قالب دوار است که در آن نیروی گریز از مرکز قالب را پر می کند و ریخته گری را جامد می کند.مزایا:

ضایعات فلزی را از سیستم های ریختن و بالابر حذف می کند و عملکرد فرآیند را بهبود می بخشد.

قابلیت پر کردن فلز را به ویژه برای قطعات استوانه ای بلند افزایش می دهد.

چگالی بالا با عیوب کمتر مانند محفظه های گاز و اجزاء، که منجر به خواص مکانیکی برتر می شود.

ایده آل برای تولید ریخته گری استوانه ای و لوله ای.

معایب:

محدود به اشکال خاص؛ برای ریخته گری های نامنظم کمتر مناسب است.

قطرهای داخلی ممکن است با سطوح ناهموار و ظرفیت های بزرگ ماشینکاری نادقیق باشند.

مستعد جداسازی

برنامه های کاربردی: در صنایعی مانند متالورژی، معدن، حمل و نقل، ماشین آلات آبیاری، هوافضا، دفاع و خودروسازی استفاده می شود. محصولات رایج عبارتند از لوله های چدن گریز از مرکز، آستین موتور و بوش های بلبرینگ.

ریخته گری قالب فلزی: شامل ریختن فلز مذاب در قالب فلزی تحت نیروی گرانش است و اجازه می دهد تا سرد و جامد شود.مزایا:

خنک شدن سریع به دلیل هدایت حرارتی بالای قالب های فلزی و در نتیجه ریخته گری متراکم با خواص مکانیکی بهتر.

دقت ابعادی بالاتر و زبری سطح کمتر در مقایسه با ریخته گری شن و ماسه.

به دلیل استفاده حداقلی از هسته های شن و ماسه، اثرات زیست محیطی و شدت کار را کاهش می دهد.

معایب:

قالب های فلزی فاقد نفوذپذیری هستند و نیاز به اقداماتی برای تخلیه هوا و گازها دارند.

عدم انعطاف پذیری قالب، که ممکن است منجر به عیوب ریخته گری مانند ترک شود.

چرخه‌های طولانی تولید قالب و هزینه‌های بالاتر، آن را عمدتاً برای تولید با حجم بالا مقرون به صرفه می‌سازد.

برنامه های کاربردی: مناسب برای تولید در حجم بالا ریخته گری های پیچیده آلومینیوم، منیزیم و آلیاژهای غیرآهنی و همچنین ریخته گری فولاد و آهن.

ریخته گری تحت خلاء: یک روش ریخته گری پیشرفته که هوا را از حفره قالب در حین ریخته گری برای حذف یا کاهش تخلخل گاز و بهبود خواص مکانیکی و کیفیت سطح خارج می کند.مزایا:

تخلخل گاز داخلی را کاهش می دهد، عملکرد مکانیکی و کیفیت سطح را افزایش می دهد.

فشار کم حفره امکان استفاده از فشار کمتر و آلیاژهای ریخته گری ضعیف تر را فراهم می کند.

شرایط پر کردن قطعات ریخته گری نازک تر را بهبود می بخشد.

معایب:

ساختار پیچیده آب بندی قالب، ساخت و نصب آن را دشوار و پرهزینه می کند.

اگر به خوبی کنترل نشود، اثربخشی می تواند ناسازگار باشد.

ریخته گری اکستروژن:

اکستروژن مستقیم: شامل پاشش پوشش، ریختن آلیاژ، بستن قالب، اعمال فشار، حفظ فشار، آزادسازی فشار، قالب گیری و تنظیم مجدد است.

اکستروژن غیر مستقیم: شامل پاشش پوشش، بستن قالب، مواد تغذیه، پر کردن قالب، اعمال فشار، حفظ فشار، فشار آزاد کردن، قالب گیری و تنظیم مجدد است.

ویژگی های فنی:

عیوب داخلی مانند حفره های هوا، جمع شدگی و فضای خالی را از بین می برد.

زبری سطح کم و دقت ابعادی بالا.

از ترک های ریخته گری جلوگیری می کند و از مکانیزاسیون و اتوماسیون پشتیبانی می کند.

برنامه های کاربردی: مناسب برای تولید آلیاژهای مختلف از جمله آلومینیوم، روی، مس و چدن ندولار.

02 شکل دهی پلاستیک

شکل دهی پلاستیک به پردازش مواد با استفاده از انعطاف پذیری آنها تحت نیروهای خارجی از ابزارها و قالب ها اشاره دارد که شامل حداقل برش یا بدون برش است. انواع عمده عبارتند از آهنگری، نورد، اکستروژن، کشش، و مهر زنی.

آهنگری: شامل اعمال فشار به شمش های فلزی برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک، تولید قطعات آهنگری با خواص و ابعاد مکانیکی خاص است.

جریان فرآیند: بیلت های گرمایشی → آماده سازی بیلت ها → شکل دهی → پیرایش → سوراخ کردن → اصلاح → بازرسی متوسط ​​→ عملیات حرارتی → تمیز کردن → بازرسی نهایی

خصوصیات:

قطعات آهنگری در مقایسه با قطعات ریخته گری کیفیت برتری دارند، با مقاومت بهتر در برابر ضربه و انعطاف پذیری و چقرمگی بالاتر.

صرفه جویی در مواد و کاهش زمان ماشینکاری.

راندمان تولید بالا.

آهنگری رایگان برای دسته های کوچک مناسب است و انعطاف پذیری بیشتری را ارائه می دهد.

برنامه های کاربردی: اجزایی مانند غلطک برای کارخانه های فولادی بزرگ، چرخ دنده ها، روتورهای توربین، سیلندرهای پرس، محورها و میل لنگ.

نورد: شامل عبور بیلت های فلزی از رول های چرخان برای کاهش سطح مقطع و افزایش طول است.انواع نورد: نورد طولی، عرضی و اریب.

نورد طولی: فلز از بین دو رول عبور می کند که در جهت مخالف می چرخند و تغییر شکل پلاستیک ایجاد می کنند.

نورد عرضی: جهت تغییر شکل پس از پردازش با محور رول همسو می شود.

نورد کج: فلز بین رول هایی که با یکدیگر موازی نیستند دچار حرکت مارپیچی می شود.

برنامه های کاربردی: تولید مقاطع، صفحات و لوله های فلزی. همچنین برای مواد غیر فلزی مانند پلاستیک و شیشه استفاده می شود.

اکستروژن: شامل فشار دادن شمش فلزی از طریق قالب برای کاهش سطح مقطع و افزایش طول آن است.

جریان فرآیند: آماده سازی ← گرمایش ← اکسترودینگ ← صاف کردن ← برش ← نمونه برداری ← پیری ← بسته بندی

مزایا:

طیف گسترده ای از محصولات و مشخصات.

انعطاف پذیری تولید بالا و مناسب بودن دسته کوچک.

دقت ابعادی و کیفیت سطح بالا.

سرمایه گذاری کم تجهیزات و اتوماسیون آسان.

معایب:

ضایعات هندسی قابل توجه

جریان ناهموار فلز

سرعت اکستروژن کم و سایش ابزار بالا.

برنامه های کاربردی: میله های بلند، سوراخ های عمیق، قطعات جدار نازک و مقاطع پیچیده.

طراحی: از نیروی خارجی برای کشیدن فلز از درون قالب استفاده می کند تا قطر آن کاهش یابد و به شکل ها و اندازه های دلخواه برسد.مزایا:

دقت ابعاد بالا و سطوح صاف.

ضخامت یکنواخت و تلرانس های کنترل شده

بهبود خواص مکانیکی به دلیل جهت گیری دانه.

معایب:

محدود به مواد با پلاستیسیته مناسب.

ابزار و قالب بالا.

راه اندازی پیچیده و پرهزینه برای اشکال و اندازه های خاص.

برنامه های کاربردی: سیم ها، لوله ها و اجزای جدار نازک.

مهر زدن: شامل استفاده از قالب ها و پرس ها برای شکل دادن و برش ورق های فلزی، تولید قطعات دقیق و با حجم بالا است.مزایا:

سرعت و کارایی بالا.

قطعات منسجم و دقیق

مناسب برای تولید در حجم بالا

معایب:

هزینه های بالای راه اندازی اولیه

محدود به ورق فلزی مسطح و اشکال خاص.

برنامه های کاربردی: قطعات بدنه خودرو، لوازم خانگی، الکترونیک و سایر کالاهای مصرفی.

03 ماشینکاری

ماشینکاری یک فرآیند تولیدی است که شامل حذف مواد از قطعه کار برای دستیابی به اشکال و ابعاد دلخواه است. روش های متداول عبارتند از تراشکاری، فرزکاری، حفاری و سنگ زنی.

چرخاندن: شامل چرخاندن یک قطعه کار در برابر ابزار برش برای شکل دادن به آن است.مزایا:

مناسب برای ایجاد قطعات استوانه ای با دقت بالا.

انعطاف پذیر و سازگار برای مواد و اندازه های مختلف.

راندمان تولید بالا و پرداخت سطح.

معایب:

محدود به اشکال چرخشی.

سایش و نگهداری ابزار.

هدر رفت مواد بیشتر در مقایسه با برخی روش های دیگر.

برنامه های کاربردی: شفت ها، بوش ها و سایر اجزای استوانه ای شکل.

آسیاب: شامل چرخاندن یک ابزار برش برای حذف مواد از یک قطعه کار ثابت است که به اشکال و ویژگی های پیچیده اجازه می دهد.مزایا:

همه کاره برای اشکال و اندازه های مختلف.

دقت بالا و پرداخت سطح.

مناسب برای فلزات و غیر فلزات.

معایب:

راه اندازی پیچیده و سایش ابزار بالا.

محدود به هندسه های مسطح یا نسبتاً ساده.

برنامه های کاربردی: قطعات با خطوط پیچیده، جیب، و شکاف.

حفاری: شامل ایجاد سوراخ در قطعه کار با استفاده از مته چرخان است.مزایا:

ایجاد سوراخ دقیق و کارآمد.

مناسب برای طیف وسیعی از مواد.

راه اندازی و عملیات ساده.

معایب:

محدود به ایجاد سوراخ و ویژگی های مرتبط.

سایش و نگهداری ابزار.

برنامه های کاربردی: سوراخ برای اتصال دهنده ها، نصب و مونتاژ.

سنگ زنی: شامل استفاده از یک چرخ ساینده برای حذف مواد از قطعه کار، دستیابی به دقت و پرداخت سطح بالا است.مزایا:

دقت بالا و پرداخت سطح خوب.

مناسب برای مواد سخت و شکننده.

می تواند به تلورانس های تنگ و هندسه های پیچیده دست یابد.

معایب:

فرسودگی و نگهداری ابزار بالا.

سرعت حذف مواد کندتر

برنامه های کاربردی: عملیات تکمیل، قطعات دقیق و مواد سخت.

04 جوشکاری

جوشکاری فرآیندی است که در آن دو یا چند قطعه فلز با ذوب شدن سطوح آن‌ها به هم جوش می‌شوند. روش های مختلفی شامل جوشکاری قوس الکتریکی، جوشکاری MIG، جوشکاری TIG و جوشکاری مقاومتی می باشد.

جوش قوس الکتریکی: از قوس الکتریکی برای تولید گرما و ذوب فلز برای اتصال استفاده می کند.انواع:

جوشکاری قوس فلزی محافظ (SMAW): معمولاً به عنوان جوشکاری چوبی شناخته می شود، شامل یک الکترود مصرفی است که در شار پوشش داده شده است.

جوشکاری قوس فلزی گازی (GMAW): همچنین به عنوان جوش MIG شناخته می شود، از یک سیم ممتد تغذیه و گاز محافظ استفاده می کند.

جوشکاری تنگستن گازی (GTAW): همچنین به عنوان جوشکاری TIG شناخته می شود، از الکترود تنگستن استفاده می کند و نیاز به یک میله پرکننده جداگانه دارد.

مزایا:

همه کاره و مناسب برای فلزات و ضخامت های مختلف.

جوش های با کیفیت بالا با حداقل تمیزکاری پس از جوش.

مناسب برای مواد نازک و ضخیم.

معایب:

به اپراتورهای ماهر و اقدامات ایمنی مناسب نیاز دارد.

هزینه های بالای تجهیزات و نگهداری.

برنامه های کاربردی: ساخت و ساز، خودروسازی، هوافضا و ساخت عمومی.

جوشکاری مقاومتی: از مقاومت الکتریکی برای تولید گرما و اتصال فلزات از طریق فشار استفاده می کند.انواع:

جوش نقطه ای: ورق های فلزی را با اعمال فشار و جریان الکتریکی در نقاط خاص به هم متصل می کند.

جوشکاری درز: جوش های پیوسته در امتداد ورق های فلزی روی هم قرار گرفته اند.

مزایا:

جوشکاری با سرعت بالا مناسب برای تولید در حجم بالا.

حداقل پاکسازی پس از جوش مورد نیاز است.

کیفیت و استحکام جوش ثابت.

معایب:

محدود به ورق های نازک و مواد خاص.

نیاز به تراز و تنظیم دقیق دارد.

برنامه های کاربردی: پانل های خودرو، تولید لوازم خانگی و ساخت ورق فلزی.

05 متالورژی پودر

متالورژی پودر شامل تولید قطعات فلزی از مواد پودری از طریق پرس و تف جوشی است. این روش برای اشکال پیچیده و مواد با کارایی بالا ایده آل است.

جریان فرآیند: آماده سازی پودر ← اختلاط ← تراکم ← تف جوشی ← تکمیلمزایا:

توانایی تولید اشکال پیچیده و قطعات با چگالی بالا.

ضایعات مواد را کاهش می دهد و استفاده از مواد را بهبود می بخشد.

مناسب برای مواد با کارایی بالا و تخصصی.

معایب:

هزینه راه اندازی اولیه و تجهیزات بالا.

محدود به مواد و اشکال خاص.

برنامه های کاربردی: قطعات خودرو، یاتاقان ها، فیلترها و قطعات هوافضا.

06 قالب گیری تزریقی فلز

قالب‌گیری تزریقی فلز (MIM) شامل مخلوط کردن پودرهای فلزی با یک بایندر، تزریق مخلوط به قالب و سپس برداشتن بایندر و تف جوشی قطعه است.

جریان فرآیند: اختلاط پودر ← قالب گیری تزریقی ← حذف بایندر ← تف جوشی ← تکمیلمزایا:

دقت بالا و اشکال پیچیده.

ضایعات کم و استفاده کارآمد از مواد.

مناسب برای قطعات کوچک و پیچیده

معایب:

هزینه ابزار بالا و فرآیند پیچیده.

محدود به پودرهای فلزی خاص و سیستم های چسباننده.

برنامه های کاربردی: دستگاه های پزشکی، قطعات خودرو، و لوازم الکترونیکی مصرفی.

07 شکل دهی نیمه جامد فلزی

شکل‌دهی نیمه جامد فلزات شامل پردازش فلزات در حالت نیمه جامد است که در آن خواص مایع و جامد را نشان می‌دهند و به شکل‌های پیچیده و قطعات با استحکام بالا اجازه می‌دهند.

جریان فرآیند: گرمایش → ریخته گری → انجماد → تکمیلمزایا:

قطعاتی با ریزساختار خوب و خواص مکانیکی بالا تولید می کند.

مناسب برای هندسه های پیچیده با کمترین نقص.

کاهش نیاز به ماشینکاری و ضایعات مواد.

معایب:

به کنترل دقیق دما و خواص مواد نیاز دارد.

محدود به آلیاژهای خاص و شرایط پردازش.

برنامه های کاربردی: قطعات هوافضا، قطعات خودرو و ماشین آلات با کارایی بالا.

08 3چاپ D

چاپ سه بعدی که به عنوان تولید افزودنی نیز شناخته می شود، قطعات را لایه به لایه از مدل های دیجیتال با استفاده از مواد مختلف می سازد.

انواع:

مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM): از رشته های ترموپلاستیک ذوب شده و لایه به لایه استفاده می کند.

استریولیتوگرافی (SLA): از اشعه ماوراء بنفش برای پخت لایه به لایه رزین مایع استفاده می کند.

تف جوشی لیزری انتخابی (SLS): از لیزر برای پخت مواد پودری به قطعات جامد استفاده می کند.

ذوب پرتو الکترونی (EBM): از پرتو الکترونی برای ذوب و ذوب پودرهای فلزی استفاده می کند.

مزایا:

نمونه سازی سریع و انعطاف پذیری طراحی.

ضایعات کم مواد و قطعات قابل تنظیم

مناسب برای هندسه های پیچیده و تولید دسته ای کوچک.

چرخش سریع و تولید بر اساس تقاضا.

کاهش زمان تحویل و هزینه های موجودی.

قابلیت تولید قطعات سبک و پیچیده

مستقیم از مدل دیجیتال به قسمت فیزیکی.

از طیف گسترده ای از مواد از جمله فلزات، پلاستیک و سرامیک پشتیبانی می کند.

ایجاد هندسه های پیچیده و طرح های سفارشی را امکان پذیر می کند.

امکان تولید کارآمد با حجم کم را فراهم می کند.

تکرار سریع و تغییرات طراحی را تسهیل می کند.

نیاز به ابزار سنتی و قالب سازی را کاهش می دهد.

معایب:

خواص مواد محدود و محدودیت اندازه.

هزینه بالاتر برای مواد و فرآیندهای خاص.

سرعت تولید پایین تر نسبت به روش های سنتی

پرداخت سطح ممکن است نیاز به پس پردازش داشته باشد.

پتانسیل برای وضوح و جزئیات محدود.

نتیجه گیری

درک ویژگی‌ها، مزایا و معایب روش‌های مختلف شکل‌دهی فلز برای انتخاب فرآیند مناسب برای یک کاربرد معین ضروری است. هر روش مزایا و محدودیت‌های منحصربه‌فردی را ارائه می‌کند، که باعث می‌شود انتخاب با الزامات خاص قطعه تولید شده هماهنگ شود.