پرس فورج Press Forging یکی از روش‌های شکل‌دهی فلزات است که در صنایع مختلف، از تولید قطعات خودرو گرفته تا تجهیزات هوافضا، نقش کلیدی ایفا می‌کند. این فرآیند که ریشه در تاریخ صنعتی بشر دارد، با استفاده از فشار مکانیکی یا هیدرولیکی، فلزات را به شکل‌های دلخواه درمی‌آورد. برخلاف روش‌های ریخته‌گری یا برش، پرس فورج به دلیل توانایی در بهبود خواص مکانیکی مواد، مانند استحکام و دوام، مورد توجه قرار گرفته است.
پرس فورج چیست؟
پرس فورج فرآیندی است که در آن فلزات با استفاده از فشار بالا و در دماهای مشخص (گرم یا سرد) به شکل‌های مورد نظر تبدیل می‌شوند. این روش معمولاً با استفاده از دستگاه‌های پرس مکانیکی یا هیدرولیکی انجام می‌شود که نیرویی کنترل‌شده را به قطعه کار (معمولاً شمش یا بیلت فلزی) اعمال می‌کنند. برخلاف آهنگری سنتی که با چکش و ضربات انجام می‌شود، پرس فورج از فشار مداوم و یکنواخت استفاده می‌کند که دقت و کیفیت بالاتری را به ارمغان می‌آورد. پرس فورج به‌عنوان یکی از روش‌های اصلی شکل‌دهی پلاستیک فلزات شناخته می‌شود که در آن تغییر شکل دائمی با استفاده از تنش‌های فشاری ایجاد می‌شود.
آهنگری پرس بسته پرس فورج
آهنگری پرس روشی است برای شکل‌دهی یک قطعه فلزی به یک شکل خاص با اعمال فشار تدریجی بر روی قالبی که فلز را در خود جای داده است. در پرس فورج، فلز به طور کامل در داخل قالب محصور شده و فشار بر روی قالب اعمال می‌شود. در مقایسه با آهنگری پرس باز، آهنگری بسته به طور کلی روشی کارآمدتر با احتمال خطای کمتر است. با آهنگری پرس، فلز از سطح تا مرکز به طور یکنواخت شکل می‌گیرد.
این بدان معناست که اثرهای ایجادشده تمیزتر هستند و محصول نهایی معمولاً مقاوم‌تر است. معمولاً نیازی به انبر نیست و زوایای کشش به طور مکرر استفاده نمی‌شوند. هزینه‌های اولیه راه‌اندازی در آهنگری پرس نیز بالاتر است، اما این روش با افزایش حجم تولید از نظر هزینه مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌شود. در مقایسه با آهنگری افتشی، آهنگری پرس برای تولید با حجم بالا مقرون‌به‌صرفه‌تر است و همچنین منجر به قطعه‌ای مقاوم‌تر می‌شود. همچنین نسبت به ریخته‌گری، مزایای مقاومت آهنگری را حفظ می‌کند.
تاریخچه پرس فورج
ریشه‌های پرس فورج به دوران باستان بازمی‌گردد، زمانی که آهنگران با استفاده از چکش و سندان فلزات را شکل می‌دادند. اما شکل مدرن این فناوری با انقلاب صنعتی و اختراع ماشین‌آلات مکانیکی در قرن هجدهم و نوزدهم توسعه یافت. در آن زمان، نیاز به تولید قطعات فلزی با دقت بالا برای ماشین‌آلات و تجهیزات نظامی، انگیزه اصلی برای پیشرفت این روش بود.
با ظهور پرس‌های هیدرولیکی در اواخر قرن نوزدهم، پرس فورج به سطح جدیدی از کارایی رسید. به عنوان مثال، در جنگ جهانی دوم، این فناوری برای تولید قطعات هواپیما و تانک به‌طور گسترده استفاده شد. امروزه، با پیشرفت تکنولوژی و استفاده از سیستم‌های کنترل عددی (CNC)، پرس فورج به یکی از دقیق‌ترین و کارآمدترین روش‌های تولید تبدیل شده است.
فرآیند پرس فورج
فرآیند پرس فورج شامل چندین مرحله کلیدی است که به‌طور کلی به شرح زیر است:
- آماده‌سازی مواد اولیه: مواد اولیه، که معمولاً به‌صورت شمش یا بیلت هستند، انتخاب و آماده می‌شوند. جنس این مواد می‌تواند فولاد، آلومینیوم، تیتانیوم یا آلیاژهای دیگر باشد.
- گرمایش (در صورت نیاز): در پرس فورج گرم، قطعه کار تا دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد فلز (معمولاً بین 800 تا 1200 درجه سانتی‌گراد برای فولاد) گرم می‌شود تا شکل‌پذیری آن افزایش یابد. در پرس فورج سرد، این مرحله حذف می‌شود.
- قرارگیری در قالب: قطعه کار در قالب مخصوص (Die) قرار می‌گیرد که شکل نهایی قطعه را تعیین می‌کند.
- اعمال فشار: پرس با نیروی مکانیکی یا هیدرولیکی، فلز را فشرده کرده و به شکل قالب درمی‌آورد. این فشار می‌تواند از چند تن تا صدها تن متغیر باشد.
- خنک‌سازی و تکمیل: پس از شکل‌دهی، قطعه خنک شده و عملیات تکمیلی مانند برش اضافات یا پرداخت سطح انجام می‌شود.
انواع پرس فورج
پرس فورج به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود:
- پرس فورج گرم (Hot Forging): در این روش، فلز در دمای بالا شکل داده می‌شود. این فرآیند برای فلزات با مقاومت بالا مانند فولاد مناسب است و به کاهش تنش‌های داخلی و افزایش شکل‌پذیری کمک می‌کند.
- پرس فورج سرد (Cold Forging): در دمای اتاق انجام می‌شود و برای فلزات نرم‌تر مانند آلومینیوم یا مس استفاده می‌شود. این روش دقت بالا و سطح صاف‌تری ارائه می‌دهد اما به نیروی بیشتری نیاز دارد.
علاوه بر این، از نظر نوع دستگاه، پرس‌ها به دو گروه مکانیکی و هیدرولیکی تقسیم می‌شوند:
- پرس مکانیکی: از مکانیزم میل‌لنگ یا اهرم برای تولید نیرو استفاده می‌کند و برای تولید انبوه مناسب است.
- پرس هیدرولیکی: با استفاده از فشار سیال، نیرو را تأمین می‌کند و برای قطعات بزرگ و پیچیده ایده‌آل است.
کاربردها
پرس فورج در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:
- صنعت خودروسازی: تولید قطعاتی مانند میل‌لنگ، شاتون، و چرخ‌دنده‌ها که نیاز به استحکام و دقت بالا دارند.
- هوافضا: ساخت قطعات حیاتی مانند پره‌های توربین و بدنه موتور که باید در برابر فشار و دمای شدید مقاوم باشند.
- صنعت نفت و گاز: تولید شیرها، اتصالات و فلنج‌ها برای خطوط لوله.
- ابزارآلات: ساخت ابزارهایی مانند آچار و چکش با دوام بالا.
- پزشکی: تولید ایمپلنت‌های فلزی مانند مفاصل مصنوعی که نیاز به دقت و زیست‌سازگاری دارند.
استفاده از پرس فورج در تولید قطعات سبک‌تر و مقاوم‌تر، به کاهش وزن محصولات نهایی و افزایش بهره‌وری انرژی کمک کرده است.
مزایا و معایب پرس فورج
مزایا:
- استحکام بالا: فرآیند پرس فورج با فشرده‌سازی فلز، ساختار کریستالی آن را بهبود می‌بخشد و استحکام کششی و خستگی را افزایش می‌دهد.
- دقت در تولید: امکان تولید قطعات پیچیده با تلرانس کم.
- کاهش ضایعات: نسبت به روش‌های برش یا ریخته‌گری، مواد کمتری هدر می‌رود.
- انعطاف‌پذیری: مناسب برای طیف وسیعی از فلزات و اندازه‌ها.
معایب:
- هزینه اولیه بالا: دستگاه‌ها و قالب‌ها گران‌قیمت هستند.
- محدودیت اندازه: برای قطعات بسیار بزرگ، محدودیت‌هایی وجود دارد.
- نیاز به مهارت: طراحی قالب و تنظیم فرآیند نیاز به تخصص دارد.
- مصرف انرژی: به‌ویژه در پرس فورج گرم، مصرف انرژی قابل‌توجه است.
تحولات اخیر در پرس فورج
در دهه‌های اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در فناوری پرس فورج رخ داده است که آن را به یکی از روش‌های پیشرو در تولید تبدیل کرده است:
- اتوماسیون و کنترل عددی (CNC): استفاده از سیستم‌های CNC دقت و تکرارپذیری را افزایش داده و زمان تولید را کاهش داده است.
- شبیه‌سازی کامپیوتری: نرم‌افزارهایی مانند ANSYS و DEFORM امکان شبیه‌سازی فرآیند را قبل از اجرا فراهم کرده‌اند، که به کاهش خطاها و بهینه‌سازی طراحی قالب کمک می‌کند.
- مواد پیشرفته: توسعه آلیاژهای جدید، مانند تیتانیوم و کامپوزیت‌های فلزی، کاربرد پرس فورج را در صنایع پیشرفته گسترش داده است.
- فناوری سبز: تلاش برای کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن با استفاده از پرس‌های الکتریکی و بهینه‌سازی فرآیندهای گرمایش.
- چاپ سه‌بعدی و پرس فورج ترکیبی: برخی شرکت‌ها از چاپ سه‌بعدی برای تولید قالب‌ها استفاده می‌کنند و سپس با پرس فورج خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشند.
با وجود مزایا، پرس فورج با چالش‌هایی مواجه است. هزینه‌های بالای تجهیزات و نیاز به نیروی کار ماهر، موانعی برای گسترش آن در کشورهای در حال توسعه هستند. همچنین، رقابت با روش‌های جدید مانند تولید افزایشی (Additive Manufacturing) ممکن است جایگاه آن را تهدید کند. با این حال، آینده پرس فورج روشن به نظر می‌رسد. تقاضا برای قطعات سبک‌تر و مقاوم‌تر در صنایع خودروسازی الکتریکی و هوافضا، این فناوری را به سمت نوآوری‌های بیشتر سوق می‌دهد.
جزئیات پرس فورج
پرس فورج با استفاده از یک رام عمودی عمل می‌کند که فشار تدریجی و کنترل‌شده‌ای را بر روی قالبی که حاوی قطعه کار است اعمال می‌کند. این روش مشابه آهنگری افتشی است، اما به جای ضربات مکرر از فشار ثابت استفاده می‌کند. حرکت تدریجی رام امکان نفوذ عمیق‌تر به قطعه کار را فراهم می‌کند و منجر به تغییر شکل پلاستیکی یکنواخت می‌شود.
قالب‌های پرس آهنگری به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند: باز و بسته. در آهنگری قالب باز، قالب به طور کامل قطعه کار را محصور نمی‌کند، در حالی که در آهنگری قالب بسته – که به عنوان آهنگری اثرگذاری نیز شناخته می‌شود – قالب به طور کامل قطعه کار را در بر می‌گیرد.
پرس‌های آهنگری از نیروی هیدرولیکی یا مکانیکی برای اعمال فشار استفاده می‌کنند. پرس‌های مکانیکی از یک چرخ‌لنگر برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند که سپس از طریق مکانیزم میل‌لنگ به رام منتقل می‌شود. این پرس‌ها می‌توانند تا 12000 تن فشار ایجاد کنند. پرس‌های آهنگری هیدرولیکی، در مقابل، با استفاده از مایع تحت فشار بالا نیرو تولید می‌کنند. این پرس‌ها قادر به تولید تا 75000 تن نیرو هستند و برای کاربردهای سنگین‌تر مناسب‌اند.
انواع مختلف پرس‌های آهنگری چیست؟
ویژگی اصلی عملیات آهنگری، توانایی تولید و متمرکز کردن نیروی قابل‌توجه بر روی قطعه کار است. پرس‌های آهنگری با کارایی بالا، قدرت زیادی برای تغییر شکل و پلاستیک کردن فلزات به منظور دستیابی به tolerances و اشکال دقیق با استفاده از قالب‌های باز یا بسته ارائه می‌دهند. روش‌های متعددی برای تولید نیروی مورد نیاز وجود دارد که بر اساس مکانیزم‌هایشان متمایز می‌شوند.
پرس‌های آهنگری همچنین می‌توانند بر اساس طراحی قابشان دسته‌بندی شوند که می‌تواند یا به صورت مستقیم (straight-sided) یا به شکل C (C-frame) باشد. پرس‌های مستقیم دارای دو طرف موازی هستند، در حالی که پرس‌های C-frame یک طرف باز دارند.
ساده‌ترین نوع پرس آهنگری، پرس مکانیکی است که دارای رامی است که به صورت عمودی حرکت می‌کند تا فشار را اعمال کرده و قطعه کار را به شکل دلخواه فشرده کند. این نوع پرس آهنگری با روش قدیمی چکش و سندان که مواد را با ضربات متوالی تغییر شکل می‌داد متفاوت است. انواع دیگر پرس‌های آهنگری شامل هیدرولیکی، پیچی و آپسترها هستند که همگی اشکال مشابهی تولید می‌کنند و می‌توانند آلیاژهایی با انعطاف‌پذیری متوسط را که تحت ضربه چکش خرد می‌شوند، آهنگری کنند.
اجزای پرس آهنگری هیدرولیکی
- درب ایمنی: درب ایمنی یک دروازه اصلاحی است.
- سوئیچ محدود: سوئیچ محدود میزان حرکت بیش از یک نقطه خاص را محدود می‌کند.
- شیر کنترل دستی: شیر کنترل دستی امکان کنترل عملیات را فراهم می‌کند.
- شیر تسکین: شیر تسکین فشار هیدرولیکی را کنترل می‌کند.
- گیج فشار: گیج فشار مقدار فشار را نشان می‌دهد.
- سیلندر هیدرولیکی: سیلندر هیدرولیکی نیروی ضربه یک‌جهته را اعمال می‌کند.
- مخزن روغن: مخزن روغن مایع هیدرولیکی را ذخیره می‌کند.
- صفحه فشار: صفحه فشار به قطعه کار فشار وارد می‌کند.
پرس‌های آهنگری هیدرولیکی
پرس‌های هیدرولیکی با استفاده از فشار هیدرولیکی که بر اساس قانون پاسکال عمل می‌کند، نیرو تولید می‌کنند. با اعمال نیروی کم به یک مایع، مقدار بیشتری از مایع جابجا می‌شود تا نیروی قابل‌توجهی برای حرکت رام و شکل‌دهی قطعه کار ایجاد شود. این پرس‌ها معمولاً کندتر عمل می‌کنند و زمان تماس طولانی‌تری با قطعه کار دارند. آهنگری هیدرولیکی معمولاً از قالب‌های باز استفاده می‌کند.
این فرآیند به دلیل سرعت فشرده‌سازی پایین برای آهنگری ایزوترمال مناسب است. پرس‌های آهنگری هیدرولیکی می‌توانند تا 50000 تن را تحمل کنند و قالب‌هایی به ابعاد 12 فوت در 32 فوت دارند. قالب‌های آهنگری هیدرولیکی به دلیل زمان تماس طولانی دچار سایش قابل‌توجهی می‌شوند که عمر مفید آن‌ها را کاهش می‌دهد. مدت زمان تماس بسته به میزان تغییر شکل مورد نیاز متفاوت است. اگر سوالی در خصوص پرس فورج دارید، با ما در ابرار صنعتی در میان بگذارید.
منابع پیشنهادی برای مطالعه بیشتر:
Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2014). Manufacturing Processes for Engineering Materials. Pearson Education.
Groover, M. P. (2020). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems. Wiley.
IEEE Xplore. (2022). Emerging Trends in Metal Forming.
Gartner. (2023). Digital Transformation Insights in Manufacturing.
Altan, T., & Ngaile, G. (2010). Cold and Hot Forging: Fundamentals and Applications. ASM International.
منبع: ابرار صنعتی
