فورجینگ به خانواده ای از فرآیند ها اطلاق می شود که با تغییر شکل پلاستیک به وسیله نیرو های فشاری موضعی اعمالی از طریق قالب ها، همراه است. تجهیز مربوطه می تواند به صورت، چکش، پرس یا ماشین های فورج کاری ویژه باشد. هر چند که تغییر شکل آلومینیوم می تواند در همه رژیم های دمایی انجام پذیرد (داغ، سرد، گرم یا دمای محیط) اما در اکثر عملیات های فورجینگ قطعه کار در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد (350 تا 550 درجه سانتی گراد) قرار دارد.

فورجینگ قالب بسته (Closed-die forging) یک قطعه آلومینیومی.

فورجینگ تقریباً بدون استثناء در مواردی کاربرد دارد که بایستی نیاز های بحرانی انتقال نیروی مکانیکی برآورده شود. قطعات فورج آلیاژ های آلومینیوم عمدتاً برای قطعات سازه ای در هواپیما ها و وسایل نقلیه زمینی استفاده می شوند؛ هر چند کاربرد های دیگری مثل هوزینگ ها، کیسینگ ها و اتصالات برای گستره وسیعی از سیستم های مکانیکی را نیز شامل می شوند. فورجینگ قطعاتی با یکپارچگی بالا تولید می کند چرا که این فرآیند ساختار متالوژیکی ماده را مرتب کرده، اصلاح کرده و یکنواخت می کند، عیب های ماده را که باعث شکست پیش رس می شود، از بین می برد و تضمین می کند که استحکام ماده در بالاترین سطح خود است.

انواع سری آلومینیوم برای فورجینگ

به منظور دستیابی به بالاترین سطح خواص مکانیکی در قطعات فورج آلومینیوم، آلیاژ های با قابلیت عملیات حرارتی معمولاً (سری 2000، 6000 و 7000) تعیین می شوند؛ در این میان 6082 پرکاربرد ترین و سری 7000 (به ویژه 7075) عمدتاً در صنایع هوافضا کاربرد دارد چرا که استحکام آلیاژ های سری 7000 به مراتب بالاتر از فولاد های کربنی و در مقابل وزن آن ها نیز بسیار کمتر است. هر چند هزینه تولید قطعات فورج به دلیل سطح بالای مهارت و زمان زیاد مورد نیاز برای ساخت قالب های فورج توسط متخصص قالب سازی، بالا است. در حالی که قطعات فورج آلومینیوم درصد کوچکی از کل آلومینیوم مصرفی را تشکیل می دهد اما این مقدار پایین با میزان اهمیت بالای آن ها در کاربرد های بحرانی انتقال بار جبران می شود.

تاریخچه ای از فورج آلومینیوم

اوایل دهه 1950 بود که برای اولین بار از آلومینیوم که فلز سبکی بود برای ساخت قطعات دوربین ها، دوچرخه ها و هم چنین تیوب ها استفاده شد. پس از 1960 از آلومینیوم به دلیل نسبت بالای استحکام به وزن برای ساخت قطعات خودرو استفاده شد. به عنوان مثال پیستون موتور های مسابقه ای از آلومینیوم 4032 در دمای 400 درجه سانتی گراد، فورج شد. افزایش مقدار آلومینیوم فورج از حدود سال 1970 و پس از فورج چرخ های آلومینیومی شروع شد. امروزه قطعات آلومینیوم فورج عمدتاً در صنایع هوا فضا و خودرویی و بسیاری زمینه های دیگر مهندسی که شوک و تنش های ارتعاشی وجود دارد، استفاده می شوند.

پرس فورجینگ 50000 تن شرکت Alcoa در کلیولند که قطعات بزرگ فورج از جنس آلومینیوم، تیتانیوم، نیکل و استیل را برای صنایع دفاعی و هوافضا تولید می کند.

مراحل فورج آلومینیوم

مراحل معمول ساخت آلیاژ آلومینیوم فورج شده شامل مراحل زیر است:

آماده سازی استوک فورجینگ:
قطعات فورج آلیاژ آلومینیوم معمولاً از استوک ریخته گری یا شکل گرفته، تولید می شوند. که دومی شامل میله فورج شده یا رول شده یا اکسترود شده و یا ورق می شود. فرآیند آماده سازی این استوک ها معمولاً شامل اره کاری و برش کاری و پلیسه گیری است.
پیش گرم کردن برای فورجینگ:
دمای قطعه کار یک المان بحرانی در فرآیند فورجینگ آلومینیوم است. در اثر گرم کردن آلومینیوم یه پوشش سخت اکسید روی آن شکل می گیرد. تشکیل این لایه خود محدود کننده است و باعث می شود که به اندازه فولاد منبسط نشود. دماهای پیش گرمایش مناسب به نوع آلیاژ بستگی دارد.
گرم کردن قالب:
دمای قالب دومین المان بحرانی در فرآیند فورجینگ آلومینیوم است. قالب ها همواره برای عملیات فورجینگ آلومینیوم گر می شوند که البته این مسأله در خصوص فورجینگ قالب بسته بحرانی تر است.
روان کاری:
روان کاری قالب و قطعه کار سومین المان بحرانی در فرآیند فورجینگ آلومینیوم است و موضوع مورد تأکید مهندسی و توسعه در این زمینه، چه از لحاظ نوع روان ساز ها و چه از نظر سیستم های اعمال روان کاری است.
فرآیند فورجینگ آلومینیوم.
تریم کردن، فرم دهی و ترمیم:
این ها فرآیند های میانی هستند که برای دستیابی به شکل نهایی و کنترل هزینه ها ضروری هستند.
تمیزکاری:
قطعات فورج شده آلومینیوم معمولا بلافاصله پس از فورج با روش های مخصوص تمیز کاری می شوند تا روانکار اضافی تمیز شده و سطح خوب با رنگ طبیعی آلومینیوم حاصل شود.
عملیات حرارتی:
همه آلیاژ های آلومینیوم به جز آلیاژ های سری 1000، 3000 و 5000 با محلول، کوئنچ و روش های ایجینگ مصنوعی، برای رسیدن به ویژکی های مکانیکی نهایی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند.
بازرسی:
بازرسی قطعات فورج آلیاژ آلومینیوم به دو صورت انجام می گیرد- بازرسی حین فرآیند که شامل روش های SPC و SQC می شود و برای تعیین برآورده ساختن ویژگی های بحرانی محصول تولیدی و این که آیا فرآیند های فورجینگ تحت کنترل هستند، انجام می گیرد. بازرسی های نهایی معمول برای قطعات فورج شده آلیاژ آلومینیوم شامل چک های ابعادی، تأیید عملیات حرارتی و ارزیابی های غیر مخرب می شود.

روش های فورج آلومینیوم

آلیاژ های آلومینیوم با همه روش های فورج رایج تولید می شوند؛ شامل فرجینگ قالب باز یا دستی (open-die (or hand) forging)، فورجینگ قالب بسته (closed-die forging)، آپست کردن-پرچ سازی (upsetting)، رول فورجینگ (roll forging)، فورجینگ اربیتال یا چرخشی (orbital (rotary) forging)، فورجینگ دورانی (spin forging)، مندرل فورجینگ (mandrel forging)، رینگ رولینگ (ring rolling) و اکستروژن پیشرو و پسرو.

انتخاب روش بهینه فورجینگ برای یک شکل قطعه فورج، بر اساس شکل مطلوب قطعه فورج شده، پختگی طراحی شکل فورج شده و هزینه صورت می گیرد. در بسیاری موارد دو یا سه روش برای رسیدن به شکل مطلوب قطعه فورج شده و به دست آوردن یک سازه کاملاً شکل گرفته با هم ادغام می شوند. برای مثال به منظور آماده سازی آلیاژ و پیش شکل دهی فلز برای انطباق با قالب های بسته فرآیند بعدی و حفظ ماده ورودی، معمولاً فورجینگ قالب باز بر فورجینگ قالب بسته مقدم است (به ویژه زمانی که از استوک شمش ریخته گری شده استفاده می شود).

فورجینگ قالب باز یا دستی (open-die (or hand) forging)
فورجینگ قالب بسته (closed-die forging)
آپست کردن (upsetting)
رول فورجینگ (roll forging)
فورجینگ اربیتال یا چرخشی (orbital (rotary) forging)
اسپین فورجینگ (spin forging)
مندرل فورجینگ (mandrel forging)
رینگ رولینگ (ring rolling)