كاربرد قطعات آلومينيمي فورج شده در خودرو - √دنیـــــــای متـــــــــــالورژی فقـــــــط از ایـــــــنجا
به "با سابقه ترين و محبوب ترين وبلاگ متالورژي در ايران" خوش آمديد

تاريخ : پنجشنبه ۳٠ فروردین ۱۳۸٦

در بيشتر طراحي‌هاي صنعتي، گاهي طراح با محدوديت‌هايي نظير وزن قطعه طراحي شده و يا برخورداري قطعه از مجموعه‌اي از خواص فيزيكي و مكانيكي مواجه خواهد بود. به همين دليل، طراح مي‌بايست با تغيير جنس قطعه براي كاهش وزن و به‌كارگيري فنون ديگر، طرحي مناسب با هدف حصول به بهترين نتيجه، به وجود آورد.
فلز آلومينيم يكي از فلزات سبك با خواص مناسب فيزيكي و مكانيكي است كه هميشه مورد توجه قرار داشته است. يكي از فرايندهاي مناسب براي شكل‌دهي آلومينيم با هدف بهبود خواص مكانيكي و فيزيكي، فرايند فورج است.
فورج آلومينيم در بيشتر مواردي كه با محدوديت وزني مواجه هستيم و همچنين خواص مختلف تحت شرايط واقعي، نظير: مقاومت خوب در برابر خوردگي، خواص سطحي مناسب، قابليت ماشينكاري عالي و مقاومت در برابر عوامل محيطي، به‌كار مي‌رود. امروزه، اكثر قطعات ايمني از قطعات فولادي فورج شده ساخته مي‌شوند و خودروها، بيشترين مصرف قطعات فورج شده را دارند.
عوامل ذكر شده و محدوديت‌هاي طراحي، باعث شده‌اند تا قطعه‌سازان خودرو، بيشتر به فرايند فورج آلومينيم توجه كنند و اين فلز رفته رفته جايگزين قطعات فولادي شود. آلومينيم به دليل پوشش دادن بخش عمده‌اي از انتظارات طراحان در بيشتر صنايع، دوچرخه و موتور سيكلت‌سازي و صنايع راه‌آهن، مورد توجه قرار گرفته است. قطعه‌سازان خودرو، در سال‌هاي اخير، يكي از مصرف‌كننده‌هاي عمده اين تكنولوژي بوده‌اند.
خطوط فورج آلومينيم زماني طراحي و نصب مي‌شوند كه سفارشات با تيراژ بالا، توأم با دقت و تلرانس‌هاي ابعادي دقيق، مدنظر باشد. امروزه، تمامي قطعه‌سازان خودرو و صنايع دوچرخه و موتور سيكلت‌سازي، مصرف قطعات فورج شده آلومينيم را با تخميني حدود بالاي 300 درصد پيش‌بيني مي‌كنند.
جدول شماره 1، نشان مي‌دهد كه در 1996، حدود 9902 تن قطعات آلومينيمي در آلمان، فورج و مصرف شده است (شامل چرخ‌ها و موارد مشابه) و در همين سال، انجمن فورج آلمان حدود يك ميليون و 200 هزار تن قطعات فولادي فورج شده را گزارش كرده است. در سال‌هاي بعد، رشد چشمگيري از قطعات آلومينيمي فورج شده ملاحظه مي‌شود كه حاكي از رشد سفارشات، متناسب با خواص مورد انتظار و تأسيس سازندگان داراي خطوط تمام اتوماتيك است.


جدول 1

نگراني اكثر قطعه‌سازان اروپايي در زمينه جايگزيني آلومينيم با فولاد، باعث شد تا فورج كارهاي فولادي از طريق تجهيز خطوط توليد خود با خط تمام اتوماتيك فورج آلومينيم و افزايش ظرفيت توليد، ميزان سفارشات خود را متنوع ساخته و افزايش دهند.
در مجموع، عوامل روي‌آوري اكثر صنايع داراي فورج فولاد به سوي فورج آلومينيم، عبارتند از:
1. كاهش PPM برگشتي
2. فورج آلومينيم در مقايسه با فورج فولاد، به كمترين تجهيزات نياز دارد و بهترين دقت و كيفيت را حاصل مي‌كند.
3. كاهش هزينه تمام شده بويژه در خودرو (در آلمان، اغلب كمتر
از Eu/kgا5-4 است).
در آينده‌اي نزديك، سيستمي موفق خواهد بود كه حجم سفارشات خود را با PPM كمتر و هزينه‌اي پايين‌تر افزايش دهد. پيش‌بيني مي‌شود كه با جايگزيني قطعات فورج شده آلومينيمي مي‌توان به نتيجه رسيد.

خواص آلياژهاي آلومينيم كار شده
اساساً، قطعات فورج شده آلومينيمي از آلياژهاي كار شده پير سختي شده بوده و مهمترين آنها كه مورد بررسي قرار مي‌گيرند، عبارتند از:
EN AW 6060 EN AW ALMgSI (ALMg0.5 F22)
داراي جوش‌پذيري مناسب، بدون از دست دادن استحكام در منطقه حرارتي، اين آلياژ براحتي جهت اهداف زينتي آندايز مي‌شود. در شرايط T6، براي شكل‌دهي در حالت سرد، محدوديت دارد- آلياژ مناسبي براي اكسترود است و در بيشتر درب و پنجره‌ها و نماهاي خارجي كاربرد دارد.

EN AW 6082 EN AW ALSIMgMn (ALMgSI F20) (ALMgSI F31) Alutex
EN AW 6061 EN AW ALMgSICU (ALMgSICU F28)
خواص بسيار خوب تركيبات، مقاومت در برابر آب دريا، بهترين مقاومت در برابر خوردگي در مقايسه با آلياژهاي ديگر پيرسختي شده آلومينيم است. اين آلياژها براحتي آندايز مي‌شوند، جوش‌پذيري عالي دارند، فرم‌پذيري آنها در حالت پيرسختي شده، محدود است. آنها به‌طور وسيعي در صنايع حمل و نقل مورد استفاده قرار مي‌گيرند. Alutex، آلياژي منحصر بفرد و ويژه با استحكام مناسب بوده و در واقع مشابه گروه 2024/2017 است.
EN AW 2017 A EN AW ALCU4MgSI (ALCUMg1 F38)
EN AW 2024 EN AW ALCU4Mg1 (ALCUMg2 F22)
از اين آلياژها منحصراً در شرايط طبيعي پير شده استفاده مي‌شود. مشابه 6082، اما استحكام كششي و ازدياد طول بيشتري دارند. فاقد قابليت جوش‌هاي تركيبي هستند. در هنگام استفاده در شرايط و محيط‌هاي خورنده، بايد از پوشش‌هاي محافظ برخوردار باشند. از آنها براي قطعاتي استفاده مي‌شود كه تحت نيروهاي زياد بوده و يا نيازمند استحكام خستگي زياد هستند.
EN AW 2014 EN AW ALCU4SIMg (ALCUSIMn F44) Rp 0.2 RM
در شرايط پيرسختي گرم، مقادير Rp0.2 و Rm از آلياژهاي 2017-2024-6082 بيشتر است. استحكام خوبي دارد، اما فاقد قابليت جوش‌هاي تركيبي است. مقاومت در برابر خوردگي آن فقط همراه با پوشش‌هاي محافظ، خوب است. در صنايع هوا و فضا و ابزاري كه بايد نيروهاي سنگين استاتيكي و ديناميكي را تحمل كند، استفاده مي‌شود.

2EN AW 7020 EN AW ALZn4.5 Mg1 (ALZn4.5 Mg F35)
استحكام اين سري آلياژها در حد متوسط بوده و در محيط‌هاي خورنده، مقاومت متوسطي در برابر خوردگي دارند. براحتي جوش مي‌گيرند و بعد از جوشكاري، تقريباً به استحكام اوليه خود باز مي‌گردند. پس از عمليات اصلي، پيرسختي نيز پيشنهاد مي‌شود. يكي از ويژگي‌هاي اين سري آلياژها، تحمل آنها در برابر نيروهاي سنگين است.
EN AW 7075 EN ALZn5.5 MgCU (ALZnMgCU 1.5 E50)
اين سري آلياژها، داراي بيشترين استحكام بوده و چند مرحله‌اي كردن پيرسختي، الزامي است. آنها بهترين تركيب مقاومتي استاتيكي، ديناميكي و مكانيك شكست را از خود نشان مي‌دهند. مقاومت آنها در برابر خوردگي از سري 2024، 2014 بهتر بوده اما بخوبي 6082 نيست. در مواردي كه تنش‌هاي تركيبي وجود دارد بويژه در صنايع هوايي، كاربرد دارند.
آلياژهاي آلومينيم استحكام بالا از لحاظ كاربرد، شباهت زيادي با فولادهاي استحكام متوسط نظير CK45-ST52 دارند و به همين علت، در محدوده وسيعي كه بيشترين شرايط را پوشش مي‌دهند، كاربرد دارند. فلزات سبك به دليل كوچك بودن مدول الاستيسيته در مقايسه با فولادها، استحكام كمتري دارند، ولي در انتخاب يك آلياژ مناسب، اختلاف فاكتورهاي بيشتري نقش بازي مي‌كنند.
مثال كاربردي از مصرف اين نوع آلياژها را مي‌توان در قطعات منفصله سيستم تعليق خودروها (شكل 1) و قطعات جانبي (شكل 2) كه از آلياژ 6082 F38 و يا Alutex ساخته مي‌شوند، ارائه داد. در اين‌گونه قطعات، اغلب از قطعات فورج شده فولادي استفاده مي‌شود، ولي با محاسبات دقيق‌تر مي‌توان از آلياژهاي فورج شده آلومينيم با وزن كمتر استفاده كرد.

شكل 1

آلياژ بسيار مهم در توليد اين گروه از قطعات، آلياژهاي Alutex با پايه (ALMgSI (EN AW 6082 است. Alutex تركيبي از خواص آلياژهاي استحكام بالاي ALCUMgا(2024, 2027) با مقاومت خوب در برابر خوردگي و جوش‌پذيري و فرم‌پذيري عالي و گروه آلياژهاي ALMgSI است. مقادير مكانيكي اين آلياژ در شكل 3 مقايسه شده و با نقطه تسليم در حدود Rp0.2=320Mpa و درصد ازدياد طول در حدود A5=9%، به صورت نرمال در نظر گرفته مي‌شود. آزمون‌هاي اولتراسونيك، ماكروسكوپي و ميكروساختار انجام شده نشان مي‌دهد كه قطعات ساخته شده، فاقد عيب هستند.

شكل 2

شكل 3

شكل 4

Alutex آلياژي در محدوده تلرانس آلياژ 6082 بوده است و براي توليد قطعات خودرويي بسيار مناسب است (تأييد شده از سوي كارخانه‌هاي خودروسازي آلمان) در Alutex، بايد از افزايش بيش از حد CU به‌طور جدي پرهيز كرد. افزايش استحكام پيرسختي قطعات در توليد انبوه زماني حاصل مي‌شود كه عناصر آلياژي فعال، محدود شوند. در واقع اين عناصر مي‌توانند بر عمر ترمومكانيكال تركيبات تأثير بگذارند.
جلوگيري از افزايش CU محتوي در آلياژ، باعث مي‌شود بخوبي خواص مقاومت در برابر خوردگي را از خود نشان دهد از سوي ديگر، كاهش P b محتوي (0.01>) مزيتي براي رفتار خوب خزش در دماهاي بالاست. اين امر به‌طور همزمان، به پايداري و بهبود دانه‌هاي ريزساختار فورج شده مي‌انجامد. اين پايداري، خواص ماشينكاري قطعه را بهبود مي‌بخشد.
شكل 4، مغايرت نقاط تسليم و درصد ازدياد طول شكست را براي آلياژهاي كار شده و ريخته‌گري شده آلومينيم، نشان مي‌دهد. كاملاً مشخص است كه مجموع خواص تركيبي آلومينيم براي آلياژهاي كار شده، به مراتب از آلياژهاي ريخته‌گري شده بهتر است. ديگر مزاياي عمده اين روش، تركيب استحكام داكتيلي، وزن و خواص مهم طراحي، نظير پوشش خوب، قابليت انبساط حرارتي و همين‌طور خواص شيميايي نظير رفتار خوردگي مناسب نيز وجود دارد.

مدول الاستيسته؛ مهم ترين ويژگي
مدول الاستيسته با موقعيت‌هاي نيروهايي نظير: خم، بشكه‌اي شدن، كمانش و ضربه ارتباط دارد. مي‌دانيم كه خواص مواد با تغييرات ناچيز عناصر آلياژي مي‌تواند تغيير كند كه اين مقدار براي آلياژهاي كار شده در حدود 70KN/mm2ا- 60 و در شرايط عمل، حدود 70KN/mm2 است.
مدول E توسط خط مستقيم هوك تعريف شده و از نمودار

محاسبه مي‌شود. در آزمون تيرآهن (يك سر درگير) با نيروهاي خمشي، انحراف پيچشي W بستگي به مقدار E و مقدار اينرسي J دارد. بنابراين، در مواد مختلف اگر همان خم و انحنا مدنظر است، بايد مقدار E*J مقدار اصلي در آزمون خمش باشد.
محاسبات نشان مي‌دهند براي همان انحناي در تيرهاي آلومينيمي ضرورت دارد كه 44/1 برابر بيشتر از تيرهاي آهني، قوي‌تر باشد. بنابراين، ابتدا بايد فكر كرد چگونه مي‌توان مقدار اينرسي طراحي آلومينيم را افزايش داد و ديگر اينكه، مدول طراحي آلومينيم بايد با مدول طراحي فولاد متفاوت باشد.

فورج آلومينيم
در فرايندهاي فورج، سقوط آزاد مواد، در شرايط گرم داخل حفره‌هاي قالب، با تغيير شكل پلاستيك شكل مي‌گيرند. شروع تغيير شكل، اغلب مشابه اكسترود است. بنابراين، طي فرايند ساخت قطعه توسط فرايند فورج، ساختار به صورت هموژن كامل مي‌شود و از هرگونه عيب و خلل و فرج عاري است.

شكل 5

درصد ازدياد طول شكست- تافنس- و استحكام خستگي در مسير جريان مواد افزايش مي‌يابد (در مسير grain flow). آلياژهاي مناسب براي فورج آلومينيم آلياژ ALMgSI است.
با انجام فرايند مناسب فورج و عمليات حرارتي دقيق، مي‌توان به تمامي خواص مورد نظر استاندارد DIN 1749 دست يافت. مواد با استحكام كششي بالا، مطابق DIN 1749 با نيروي بالاتر از N/mm2ا420 با حداقل 6 درصد ازدياد طول شكست A5 به ازدياد طول ثابت و پايداري خواهند رسيد.
با فورج قطعات آلومينيمي مي‌توان به كيفيتي بهينه رسيد. با يك خط توليد كنترل شده مي‌توان منحني برگشتي‌ها را تا كمتر از16 PPM كاهش داد. فرايند فورج آلومينيم از لحاظ وزني قابليت انعطاف داشته و از حدود چند گرم تا يك تن را مي‌توان فورج كرد. قطعات سنگين، منحصر به صنايع هوا و فضا و صنايع راه‌آهن است.
پرس‌هاي مناسب براي توليد قطعات سنگين، پرس‌هايي هيدروليكي هستند. در اين‌گونه موارد، مواد طي فرايند شكل‌گيري براي چند دقيقه درون قالب، ايزوترمال مي‌شوند.
در صنايع خودروسازي، وزن قطعات به ندرت بالاتر مي‌رود، حتي اكسل‌ها و سيستم‌هاي تعليق را مي‌توان سبكتر طراحي كرد.
براي فورج قطعاتي در محدوده وزني چند گرم تا 35 كيلوگرم از پرس‌هاي لنگ و يا پرس‌هاي پيچي استفاده مي‌شود. با اين پرس‌ها مي‌توان نيرويي بين 5 تا 32 كيلوگرم اعمال كرد. نرخ توليد قطعات در خطوط تمام اتوماتيك، به نوع اتوماسيون خط بستگي تام دارد. به نحوي كه در خطوط تمام اتوماتيك مي‌توان سالانه چند ميليون قطعه را به صورت اقتصادي توليد كرد. در صنايع حمل و نقل به دليل بالا بودن ميزان سفارشات خطوط توليد بايد به صورت اتوماتيك طراحي شوند. همراه با تيراژ قطعه، مي‌توان كيفيت را نيز بالا برد.
شكل 6، خط تمام اتوماتيك فورج آلومينيم را كه صرفاً براي قطعات خودرو طراحي شده است، نشان مي‌دهد.

شكل 6

در اين خط، مواد خام ورودي به صورت تمام اتوماتيك، اكسترود مي‌شوند. سپس به عنوان ورودي اوليه، وارد خط فورج شده و در نهايت داخل قالب، فورج و تكميل مي‌شوند. در خط تمام اتوماتيك، با يك پرس پيچي 10 هزار كيلو نيوتني، به ازاي هر 5 ثانيه، يك قطعه فورج و تكميل مي‌شود. بيشتر قطعات كوچك، از يك مواد اكسترود شده به عنوان ورودي استفاده خواهند كرد. در كنار اين فرايند، همزمان با يك كورس ضربه پرس، مراحل سوراخكاي، سايزينگ و مارك‌زني انجام مي‌شوند. سپس، قطعات فورج شده وارد خط عمليات حرارتي مي‌شوند. قطعات طي 3 مرحله: 1. انحلال‌سازي 2. كوئنچ 3. پيرسختي، عمليات حرارتي و سخت مي‌شوند. هموژن كردن ساختار، توسط مرحله انحلال‌سازي انجام مي‌شود. در اين مرحله، كنترل دما بسيار مهم و دقيق، است. به‌طور كلي بايد با دقت ±3K انجام گيرد. در اين مرحله، ساختار رشد پيدا مي‌كند و خواص استحكام و Elongation قطعه، تعيين و مشخص مي‌گردد. در نهايت از دماي انحلال‌سازي با كنترل زمان، قطعه تا دماي اتاق، كوئنچ مي‌شود.
براي كاهش تاب و اعوجاج قطعه و جلوگيري از تنش‌هاي زياد باقيمانده در قطعه به هنگام كوئنچ، آن را در محلولي ملايم (آب+ افزودني‌ها مثل پليمر، خنك كرده و سپس در يك يا چند مرحله، در دمايي بين 100 تا 180 درجه سانتي‌گراد، پير مي‌شود. لذا سختي تا حد ماكزيمم افزايش مي‌يابد. در نهايت، متناسب با انتخاب سختي نهايي و دماي مناسب، مي‌توان به سختي مورد نظر دست يافت.
به‌طور كلي، قطعات فورج شده آلومينيمي حتماً بايد در دما و زمان انحلال‌سازي و پيرسختي مشخص و تعريف شده و ثابت در طول فرايند، عمليات حرارتي شوند. زمان بين انحلال‌سازي و كوئنچ و ميزان تأثير محيط كوئنچ و زمان كوئنچ و پيرسختي (تك مرحله يا چند مرحله‌اي) بايد كاملاً، مشخص باشد. عوامل عمليات حرارتي براي هر تركيبي، مشخص و معين بوده و چون در كنار آلياژ و عمر معين مواد، خواص ويژه فورج نيز بر خواص استاتيكي و ديناميكي، قطعه تأثير دارد، عمليات حرارتي قطعات آلومينيمي را حتماً بايد با تأمل و دقتي خاص انجام داد.
پس از عمليات حرارتي قطعات، به دليل تغييرات دمايي اعمال شده بر آنها، بايد توسط عمليات سطحي، تمييز شوند. روش‌هاي استاندارد عمليات سطحي، عبارتند از: اچ‌هاي شيميايي، شات بلاست توسط گلوله‌هاي فولادي يا شيشه‌اي و يا استفاده از نوارهاي سنباده. با استفاده از كاستيك سودا و اسيد نيتريك مي‌توان سطح قطعه را شست‌وشو داد، تا حالت نقره‌اي روشن پيدا كند. در اين حالت، پس از شست‌وشو مي‌توان قطعات را توسط بازديد چشمي و يا استفاده از مايعات نافذ، مورد بررسي قرار داد و در صورت معيوب بودن، جداسازي كرد.

مزاياي قطعات آلومينيمي فورج شده
يكي از اقتصادي‌ترين راه‌حل‌ها توليد قطعات سبك با استحكام مناسب و قابليت بازيافت، فورج آلومينيم است. توليد قطعات خودرويي با فرايند فورج، در بردارنده مجموعه‌اي از مزاياست. مثلاً، كاهش وزن و قابليت بازيافت قطعات، يكي از مهم‌ترين مزايايي است كه در صنايع به آن توجه مي‌شود. رسيدن به تلرانس‌هاي ابعادي دقيق با كمترين تجهيزات در مقايسه با قطعات فولادي، قابليت جوشكاري عالي و قابليت طراحي را افزايش مي‌دهد. مثالي كاربردي در اين مورد، محور تعليق چرخ‌هاست (شكل زير). در اين مثال، يك ورق آلومينيمي در قالب، كشش عميق مي‌شود كه با يك قطعه فورج شده توسط فرايند جوشكاري MIC، به هم متصل شده‌اند. طي فرايند جوشكاري، از گازهاي محافظ آرگون و يا مخلوطي از آرگون و هليم استفاده مي‌شود.
قابليت ماشينكاري عالي و يكنواختي براده برداري در تمام مسير ابزار، باعث كاهش چرخه زماني براده‌برداري را در مقايسه با فولادها مي‌شود.
برگشتي قطعات آلومينيمي فورج شده در مقايسه با ريخته‌گري تحت فشار به دليل نبود هيچ‌گونه خلل و فرج و هموژن بودن كامل قطعه، به مراتب كمتر بوده و نيازي به آزمون‌هاي پرهزينه ندارد.

شكل 7


به چند مثال كاربردي در زمينه تنوع توليدات فورج آلومينيم توجه فرماييد.

شكل 8

بر روي قطعات آلومينيمي فورج شده، مي‌توان انواع عمليات سطحي زير را انجام داد:
- اسيدشويي
- آندايزينگ (تزئيني)
- آندايزينگ (پوشش‌هاي محافظ و پوشش‌هاي سخت)
- KTL
- EPS (پوشش‌هاي پودري)
- شات بلاست با گلوله‌هاي فولادي
- انواع رنگ
- آبكاري كرم و آبكاري نيكل


شكل 9

دو قطعه فولادي جوشكاري شده توسط يك قطعه آلومينيمي فورج شده، جايگزين شده‌اند. 60 درصد از وزن كاهش مي‌يابد. ابعاد قطعه: 278*53*21.5 وزن: gr300 gr
ركاب موتور سيكلت، اهرم ترمز آندايز شده و با آلياژ آلومينيم فورج شده ساخته شده است.
ابعاد قطعه: 210*240*160 وزن مجموعه: 200gr

شكل 10

نويسنده : فرزاد فروتن نائينی   http://www.sanatekhodro.com



ارسال توسط محسن حیدری
آخرين مطالب
کارت اعتباری ویزا

کتاب کسب درآمد از اینترنت در ۷ روز

آدرس مجازی خارجی برای گوگل ادسنس