تطريق المعادن
تطريق المعادن forging هو التشكيل اللدن للمعادن تحت التأثير المتقطع أو تحت تأثير جزء معين من أداة تشكيل خاصة لإكساب الجسم الشكل والأبعاد المطلوبة.
ينتشر على نحو واسع استخدام الإنتاج بالطَّرْقِ الحر المتقطع والطرق في الرواشم (الاسطمبة) estampe المغلقة في مجالات بناء الآليات الصناعية. وتتميز وسائل إعداد المنتجات بالطرق الحر والطرق في رواشم مغلقة إلى جانب الإنتاجية العالية بأنها أكثر ملاءمة من وجهة النظر الاقتصادية موازنة بتشكيل المعادن والمواد الأخرى بالقطع. إن أهمية الإنتاج بالطرق الحر والطرق في رواشم مغلقة تكمن بالتباين الهائل للمنتجات المشكلة بالطرق ومنها:
الطرْق الحر :
وتستخدم للمطروقات غير الكبيرة نسبياً، ويتم بالمطارق اليدوية.
مكابس الطرق الحر :
وتستخدم لإنتاج القطع المشكلة الكبيرة الوزن والآليات المستخدمة هي المكابس الهيدروليكية والمطارق الآلية.
الطرق في رواشم مغلقة :
تنتج هذه المطروقات بعض الأجزاء التي تستخدم لإنتاج السيارات والجرارات والطائرات وذلك باستخدام المطارق والمكابس الآلية.
أقسام الطرْقْ المتخصصة :
ويعتمد نوعها على المنتجات الجاري تشكيلها كأقسام الآليات الأوتوماتيكية للتشكيل على البارد.
أغراض التطريق
في ظروف الإنتاج بالطرق الحر والطرق في رواشم مغلقة، كثيراً ما يتم التغيير في أبعاد المعدن أثناء عمليات التشكيل بزيادة الطول وتغير مساحة المقطع العرضي للمنتج وغير ذلك. وقد أظهرت الأبحاث المختلفة أن الخواص الميكانيكية للمعدن وخواصه الأخرى يمكن أن تتغير مع تغير مقدار نسبة الطرق تغيراً واضحاً في الاتجاهين الطولي والعرضي، لهذا فعند اختيار العمليات التقانية لإنتاج المطروقات يجب أن نأخذ في الحسبان تأثير نسبة الطرق في خواص المعدن المشكل. من المقادير الهامة التي تؤثر على خواص المعدن المشكل بالطرق هو مقدار التغذية النسبية عند التشكيل الطولاني وارتفاع الجسم في لحظة التشكيل. يجب إجراء عملية الطرق في ظروف الضغط غير المتساوي من جميع الجهات وعدم السماح بإجراء التشكيل في ظروف تنشأ فيها إجهادات شد. ويبين الشكل (1) التشكيل في حالة طرق الارتفاع لزيادة الطول.
عند اختيار العمليات التقانية في حالة تشكيل المطروقات يجب أن نأخذ في الحسبان اتجاه الأنسجة في الكتلة الإعدادية التي تنشأ أثناء التشكيل. وتتمتع المطروقات المشكلة بالشد لزيادة الطول بخواص ميكانيكية أجود في اتجاه المحور وفي الاتجاه القطري. ويوضح الشكل (2) وضع الأنسجة في مطروقة عمود مرفق. إن عملية التشكيل في أثناء الطرق الحر والطرق في رواشم مغلقة تحقق وضعاً معيناً للأنسجة في المطروقات فينجم عنه تحسن في الخواص الميكانيكية في الاتجاه المطلوب. تقسم العمليات التقانية للإنتاج بالطرْق الحر والطرْق في الرواشم إلى ثلاث مجموعات أساسية:
عمليات إعدادية:
التصنيف والقطع إلى قطع محددة الطول وتسخين المعدن قبل إجراء التشكيل اللدن. ـ
عمليات الطرق الحر والطرق في الرواشم:
وتشمل جميع العمليات المرتبطة بتغير شكل الكتلة الإعدادية كعمليات الطرق الحر والطرق في رواشم مغلقة وسحب الألواح والطرق بالدرفلة والطرق بالبثق.
عمليات التشطيب :
مثل قص الزعانف أو الأجزاء المرفوضة الأخرى وضبط الأبعاد وتحسين جودة السطح والمعالجة الكيمياوية والحرارية.
العمليات الأساسية
وتشمل العمليات الآتية:
الطرق الحر والعمليات التقانية الأساسية:
هي عملية تخفيض ارتفاع الكتلة الإعدادية مع زيادة أبعادها العرضية في الوقت نفسه، وتسمى عملية الإعدادية بالتشكيل الجزئي.
السحب بالطرق:
تستخدم هذه الطريقة عندما يكون من الضروري زيادة طول الكتلة الإعدادية بتقليل مساحة مقطعها العرضي.
الثقب بالطرق:
تستخدم هذه الطريقة للحصول على ثقوب نافذة أو ثقوب غير نافذة في الكتلة الإعدادية. ولإجراء عملية الثقب يستخدم مثْقب خاص، وعند إعداد الثقوب ذات الأقطار الكبيرة تجري عملية الثقب بمثاقب مجوفة حتى تقل القوة اللازمة للثقب.
الثني بالطرق:
تستخدم لثني الكتلة الإعدادية بمساعدة رواشم وتجهيزات خاصة تركب في المطارق أو المكابس.
الاستدارة بالطرق:
وتستخدم إذا لزم إدارة جزء من الكتلة الإعدادية بالنسبة لجزء آخر بزاوية معينة.
القص بالطرق:
يستخدم لقص الكتلة الإعدادية إلى أجزاء إذا كان جزء من المعدن يزال من السطح الخارجي للكتلة الإعدادية فإن هذه العملية تسمى بالقص الخارجي. أما إذا كان القص يتم في السطح الداخلي للكتلة الإعدادية فإن هذه العملية تسمى بالقص الداخلي أو بالثقب.
اللحام بالطرق (بالضغط):
يجري اللحام بالطرق عند درجات حرارة عالية، وتتلخص هذه العملية في توصيل عدة مطروقات فيما بينها في كتلة واحدة.
طرق القوالب:
هي عملية سحب المشغولات المشكلة بالطرق لإكسابها شكلا موشورياً أو أسطوانياً.
تشكيل الأطراف:
هي تشكيل أطراف الكتلة الإعدادية.
الشد بالطرق:
هو تقليل مساحة المقطع العرضي للكتلة الإعدادية بشدها.
الضغط بالطرق:
هو تقليل مساحة المقطع العرضي للكتلة الإعدادية بضغطها.
التدوير بالطرق:
هو إكساب الكتلة الإعدادية شكل الأجسام الدورانية بإجراء طرقات متكررة.
التدوير المحلي بالطرق:
هو إكساب جزء من كتلة إعدادية مقطعاً مستديراً.
الإزاحة بالطرق:
هو إزاحة جزء من الكتلة الإعدادية على امتداد محورها الطولي.
الإبراز بالطرق:
هو إبراز جزء من حجم الكتلة الإعدادية.
التسوية بالطرق:
هو إزالة الأماكن غير المستوية بسطح الكتلة الإعدادية.
أجهزة التطريق:
وهي مطارق ومكابس الطرق الحر التي تنجز عملية الطرق الحر بها, وتتشكل المشغولة بين السندان الثابت ورأس المطرقة المتساقطة على المشغولة .
الطرق على البارد والساخن:
يجري الطرق على البارد والساخن لتشكيل المعادن والحصول على مطروقات تحقق عمليات البثق والثقب والتشكيل بالطرق على البارد والساخن. للحصول على منتجات مشكلة بالطرق حسب العمليات التقانية لإنتاج المطروقات التي يمكن الحصول عليها بالطرق على البارد والساخن ويجب أن تؤخذ في الاعتبار السمات الخاصة للمعادن لإعداد المنتجات المشكلة بالطرق على البارد والساخن للتوصل للشكل اللازم للمطروقات المنتجة ويتم الطرق على البارد والساخن في استخدام المكابس الميكانيكية والطرق في رواشم مغلقة بماكينات الطرق الأفقية لإجراء عمليات التشكيل بالطرق للحصول على المطروقات المشكلة المطلوبة.
التحكم الآلي في العمليات التقانية للطرق على البارد والساخن
يؤدي تطبيق التحكم الآلي في عمليات الإنتاج بالطرق على البارد والساخن إلى تقليل ثمن المطروقات وزيادة جودة خواصها وتحسين ظروف العمل على نحو واضح. إلا أن الاهتزازات الشديدة والتبدل الشديد في درجات الحرارة وارتفاع سرعة عمل الآليات والاستهلاك الشديد لأدوات التشكيل وصعوبة التحكم في أبعاد المنتجات في أثناء التشكيل يؤدي إلى عدم استقرار العملية التقانية وصعوبة تطبيق التحكم الآلي في عمليات التشكيل بالطرق على البارد والساخن. ومن الممكن تطبيق تحكم آلي شامل على أقسام الطرق في رواشم مغلقة مع تنظيم خطوط الإنتاج التي تشكل عملية تقنية متكاملة لإنتاج المطروقات المشكلة المطلوبة وتحقيق جودتها.
السماح البـُعدي لمطروقات الاسطمبات
الكتلة [kg (lbs)]
السماح الأدنى [مم (بوصة)]
السماح الأقصى [مم (بوصة)]
0.45 (1) 0.15 (0.006) 0.48 (0.018) 0.91 (2) 0.20 (0.008) 0.61 (0.024) 2.27 (5) 0.25 (0.010) 0.76 (0.030) 4.54 (10) 0.28 (0.011) 0.84 (0.033) 9.07 (20) 0.33 (0.013) 0.99 (0.039) 22.68 (50) 0.48 (0.019) 1.45 (0.057) 45.36 (100) 0.74 (0.029) 2.21 (0.087)
البثق
خطوات التصنيع
تبدأ عملية التشكيل بتسخين الخام ليصبح طريا ثم يتم تحميله في الوعاء المكبس حيث يُكبَس لينفذ من الإسطمبة، وقد يتم معالجة المنتج النهائي لتحسين خواصه بالتشكيل على البارد أو بالتشكيل على الساخن.
البثق على الساخن
تتم عملية البثق في الوعاء المسخن للحفاظ على المعدن من التصلب أثناء التشكيل، ولتسهيل خروج المعدن من الإسطمبة. تتم معظم عمليات البثق على الساخن في مكابس هيدروليكية أفقية لها قوة تحميل من 250 إلى 12000 طن. يترواح الضغط المؤثر على المكبس من 5000 إلى 100,000 باوند لكل إنش مربع, وبالتالي قد يحتاج إلى تزييت وقد يكون بالزيت أو بالجرافيت لتقليل درجة الحرارة أو قد يكون من الزجاج المطحون لتسخين العملية أثناء التشكيل. ولكن بهذه الطريقة نتكلف علاج خشونة السطح بعمليات التشغيل.
درجات حرارة المعادن المختلفة في عمليات التشكيل على الساخن بالبثق
المعدن
درجة الحرارة [فهرنهيت (سليزيوس)]
الماغنسيوم 650-850 ألمنيوم 650-900 نحاس 1200-2000 حديد 2200-2400 تيتانيوم 1300-2100 نيكل 1900-2200 السبيكة تصل إلى 4000
عملية البثق تكون عموما اقتصادية عند الاحتياج لبضعة باوندات أو أطنان، بالرغم من وجود وجهة نظر أخرى بأن عملية الدرفلة أكثر اقتصاداً، على سبيل المثال بعض المعادن يكون من الأفضل اقتصادياً درفلتها لو زادت القوة المستخدمة عن 50,000 باوند.
البثق على البارد
يتم البثق على البارد في درجة حرارة الغرفة أو ما يقاربها، يتميز البثق على البارد عنه على الساخن بقلة عملية الأكسدة، متانة أعلى نتيجة للتشكيل على البارد، الحصول على أبعاد بسماحات مقاربة جدا للنهائية، جودة سطح عالية.
المعادن التي غالبا ما يتم بثقها على البارد منها: الرصاص والقصدير والألومنيوم والنحاس، الزركونيوم، والتيتانيوم، الموليبدينوم، البريليوم، والفاناديوم، النيوبيوم، والصلب.
البثق الدافئ
يتم البثق في الأجواء الدافئة في درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة ولكن أقل من درجة حرارة إعادة تبلور بنية المعدن، عادة ما يستخدم هذا النوع من البثق لعمل توازن بين القوى المطلوب تأثيرها على المعدن والممطولية والخواص النهائية للعملية.
التجهيزات
يوجد العديد من الخيارات المختلفة المستخدمة في عملية البثق، تتنوع خصائص كل منها بناء على القوى المؤثرة وكيفية التأثير واتجاهه.
-
تختلف حركة البثق بالنسبة لذراع الكبس فلو تحرك ذراع الكبس بالنسبة للإسطمبة يسمى بثقاً مباشراً ولو تحركت الإسطمبة بالنسبة للذراع سُمِّي بثقا غير مباشر.
-
قد يكون المكبس أفقيا أو رأسيا.
-
قد يكون المكبس هيدروليكيا أو ميكانيكيا.
-
قد تكون القوة المؤثرة ستاتيكية أو ديناميكية.
يتم استخدام قلاوظ أحادي أو ثنائي يعمل بموتور كهربي أو يُستخدَم رام تعمل بمكبس ضغط هيدروليكي لإنتاج الحديد وسبائك التيتانيوم، ويستخدم الضغط بالزيت لإنتاج الألومنيوم.
يوجد العديد من الطرق لتشكيل إنتاج مجوف مساحات المقطع، إحدى هذه الطرق هي بتجويف المراد بثقه ثم وضع ماندرال ثابت أو عائم، وتسمى طريقة استخدام الماندرال الثابت بالطريقة الألمانية وتكون بتثبيت الماندرال في الاسطمبة، وتسمى طريقة استخدام الماندرال العائم بالطريقة الفرنسية ويكون الماندرال عائما في الوعاء قبل فتحة الاسطمبة وتظل الماندرال في مكانها أثناء عملية البثق. في حالة استخدام كمية مصمتة غير مجوفّة لتغذية البثق يتم أولاً ثقب الكمية قبل عملية البثق خلال الاسطمبة. ويستخدم مكبس خاص للتحكم في ثبات مكان الماندرال أثناء عملية البثق بالنسبة للاسطمبة.
يمكن مع الكمية المصمتة أيضا البثق المجوف باستخدام الاسطمبة العنكبوتية أو متعددة الفتحات أو الكبري. كل هذه الاسطمبات تقوم بتثبيت مكان الماندرال في المعدن أثناء عملية البثق عن طريق أرجل تقوم بحمل الماندرال. أثناء هذا النوع من عمليات البثق ينقسم المعدن حول هذه الأرجل تاركا خط لحام في المنتج النهائي بعد عملية البثق.
تكلف مكابس البثق ما يزيد عن 100,000$ في حين قد تتكلف الاسطمبة 2000$.
البثق المباشر
البثق المباشر يسمى أيضا بالبثق الأمامي، وهي الطريقة المستخدمة عادةً في الصناعة. تتم العملية بوضع المادة الخام في وعاء سميك. ثم تضغط المادة الخام باتجاه الإسطمبة ومن خلالها باستخدام الرام. ويوجد كتلة معدن تستخدم المرة بعد المرة للحجز بين الرام والمادة الخام والحفاظ عليهم منفصلين أثناء العملية. من أهم عيوب البثق المباشر أنه يتطلب قوى كبيرة بالمقارنة بالبثق غير المباشر وهي قوة بثق المادة الخام وقوة لمقاومة الاحتكاك الناتج عن انتقال المادة الخام بطول الوعاء. بسبب هذا فإن القوى الكبيرة اللازمة لبدء العملية تقل تدريجيا بنفاد المادة الخام أثناء الاستمرار في عملية البثق حتى تنعدم قوة الاحتكاك عندما يؤول عرض الوعاء لصفر أي عندما تنتهي المادة الخام تقريبا لكن في الواقع يتبقى جزء من المعدن صغير جدا لا يستخدم.