پیشرفت صنعت فلزکاری از شکل‌دهی تا پرداخت

به ابزارهای دقیقی که در دست دارید یا اجزای حیاتی درون موتور خودرو فکر کنید. چگونه مواد خام به محصولات نهایی با شکل‌های خاص، ویژگی‌های عملکردی و خواص سطحی تبدیل می‌شوند؟ تولید قطعات فلزی یک فرآیند پیچیده است که چندین تکنیک را ادغام می‌کند. این مقاله مراحل پیچیده تولید قطعات فلزی را از شکل‌دهی اولیه تا عملیات سطحی پیشرفته بررسی می‌کند و علم و فناوری اساسی را نشان می‌دهد. ما فرآیندهای مختلف تولید را بررسی خواهیم کرد و در مورد چگونگی انتخاب ترکیب بهینه تکنیک‌ها برای دستیابی به بهترین عملکرد و راندمان هزینه بحث خواهیم کرد.

تولید قطعات فلزی معمولاً شامل مجموعه‌ای از فرآیندها است که به طور کلی به عملیات اولیه و ثانویه تقسیم می‌شوند. بسیاری از قطعات به ترکیبی از هر دو نیاز دارند. در طول تولید، قطعات ناتمام به عنوان «کار در حال انجام» (WIP) نامیده می‌شوند و منتظر پردازش بیشتر هستند.

• فرآیندهای اولیه: اینها مواد را به شکل‌هایی نزدیک به ابعاد و هندسه نهایی شکل می‌دهند. آنها ساختار اساسی و توزیع مواد قطعه را ایجاد می‌کنند.
• فرآیندهای ثانویه: اینها سطح WIP، خواص مواد یا پوشش‌ها را اصلاح می‌کنند. هنگامی که فرآیندهای اولیه به تنهایی نمی‌توانند الزامات طراحی را برآورده کنند، عملیات ثانویه به کار می‌روند. پس از پردازش اولیه، WIP به «زیرلایه» تبدیل می‌شود. به عنوان مثال، در یک قطعه ساخته شده از آلومینا زینتر شده با پوشش فلزی، آلومینا به عنوان زیرلایه عمل می‌کند. در یک پیچ فولادی گالوانیزه، فولاد زیرلایه است.

فرآیندهای اولیه هسته اصلی تولید قطعات فلزی را تشکیل می‌دهند و ساختار اساسی قطعه را تعریف می‌کنند. در زیر انواع اصلی عملیات اولیه آمده است:

قالب‌گیری و ریخته‌گری شامل تزریق مواد مذاب به داخل قالب، اجازه دادن به جامد شدن آن و سپس بیرون راندن قطعه شکل‌داده شده است. این روش‌ها برای فلزات، پلیمرها و شیشه اعمال می‌شوند. برای پلاستیک‌ها، تکنیک‌های رایج شامل قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری بادی است. برای فلزات، ریخته‌گری دایکاست، ریخته‌گری ماسه‌ای و ریخته‌گری دقیق رایج هستند.

• قالب‌گیری تزریقی پلاستیک: گلوله‌های ترموپلاستیک وارد قیف می‌شوند و به داخل دستگاه تزریق می‌روند. یک پیچ دوار مواد را به جلو منتقل می‌کند در حالی که اصطکاک و مناطق گرمایشی آن را ذوب می‌کنند. هنگامی که پلاستیک مذاب کافی جمع شد، پیچ آن را به داخل حفره قالب تزریق می‌کند. پس از خنک شدن، قالب باز می‌شود و قطعه بیرون می‌آید.
• ریخته‌گری دایکاست: فلز مذاب به داخل حفره قالب رانده می‌شود. پس از جامد شدن، قالب باز می‌شود و قطعه بیرون می‌آید.

تمام فرآیندهای قالب‌گیری و ریخته‌گری به کنترل ترکیب مواد و دمای ذوب نیاز دارند. متغیرهای اضافی مانند فشار تزریق، دمای قالب، زمان‌بندی بیرون راندن و روان‌کاری قالب نیز ممکن است حیاتی باشند.

این فرآیند پودر فلزی یا سرامیکی را در یک قالب تحت فشار متراکم می‌کند، سپس آن را در یک کوره با دمای بالا زینتر می‌کند تا ذرات به یک قطعه جامد متصل شوند. پرس گرم و پرس ایزواستاتیک گرم، تراکم و زینترینگ را ترکیب می‌کنند.

قطعات زینتر شده ایده‌آل، تخلخل کنترل‌شده‌ای را نشان می‌دهند که از طریق پارامترهای تراکم و زینترینگ برای دستیابی به خواص مورد نظر مهندسی شده است.

این فرآیندها فلزات یا پلیمرهای جامد را از طریق تغییر شکل مکانیکی شکل می‌دهند. مواد اولیه شامل ورق‌ها، لوله‌ها، میله‌ها یا قطعات خام هستند که گاهی برای شکل‌دهی آسان‌تر گرم می‌شوند. قطعات فلزی ممکن است مهرزنی، کشیده، آهنگری یا اکسترود شوند. پلیمرها از طریق قالب‌گیری فشاری یا ترموفرمینگ شکل می‌گیرند.

• قالب‌گیری فشاری: قطعات پلاستیکی از پودر، گلوله یا پیش‌فرم‌ها تشکیل می‌شوند. با بسته شدن قالب، فشرده‌سازی برش ایجاد می‌کند، در حالی که نیمه‌های قالب گرم شده مواد را نرم می‌کنند تا حفره‌ها پر شوند. گرما و فشار مداوم پلاستیک را پخت می‌کند.

این فرآیند کاهشی، مواد را از ورق‌ها، بلوک‌ها یا میله‌ها حذف می‌کند تا قطعات ریخته‌گری یا قالب‌گیری شده را اصلاح کند، تلرانس‌های دقیق‌تری به دست آورد یا زیبایی‌شناسی را تغییر دهد. تکنیک‌ها شامل ماشین‌کاری، اچینگ شیمیایی و پردازش پرتو لیزر است که برای فلزات، پلیمرها و سرامیک‌ها قابل استفاده است.

• ماشین‌کاری: شامل سنگ‌زنی، فرزکاری و سوراخ‌کاری است.
• اچینگ شیمیایی: ویژگی‌های ظریفی را روی ورق‌های فلزی نازک ایجاد می‌کند یا بخش‌های ناخواسته را حذف می‌کند.
• پردازش پرتو لیزر: فلزات، پلیمرها و سرامیک‌ها را سوراخ یا برش می‌دهد.

لمینیت، لایه‌های مواد جداگانه را به ساختارهای چند لایه مونتاژ می‌کند، که اغلب برای کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. لایه‌ها با چسب یا بدون چسب، گاهی اوقات تحت حرارت، به هم فشرده می‌شوند.

فرآیندهای ثانویه WIPها را اصلاح می‌کنند و به سه دسته تقسیم می‌شوند:

• اصلاح مواد: خواص را در سراسر مقطع قطعه تغییر می‌دهد.
• اصلاح سطح: ویژگی‌های سطح را تغییر می‌دهد.
• رسوب‌گذاری پوشش: پوشش‌ها را روی سطوح اعمال یا رشد می‌دهد.

عملیات حرارتی ریزساختار فلز را تغییر می‌دهد تا استحکام، شکل‌پذیری یا خواص مغناطیسی را افزایش دهد. چرخه‌های گرمایش و سرمایش کنترل‌شده بسته به مواد و نتایج مورد نظر متفاوت است.

• آلیاژهای فولادی: در کوره‌ها یا کوره ها گرم می‌شوند، سپس با سرعت‌هایی که بر ریزساختار تأثیر می‌گذارند، خنک می‌شوند. خنک‌سازی آهسته در هوا رخ می‌دهد. خنک‌سازی سریع از کوئنچ روغن یا آب استفاده می‌کند.
• آلیاژهای آلومینیوم، مس و نیکل: از طریق عملیات محلول (گرمایش و خنک‌سازی سریع) و به دنبال آن سخت شدن رسوبی (پیر شدن در دماهای پایین‌تر) تقویت می‌شوند.

روش‌های شیمیایی، مکانیکی یا حرارتی ترکیب، بافت یا شیمی سطح را اصلاح می‌کنند تا مقاومت در برابر سایش، عمر خستگی، اصطکاک یا قابلیت اتصال را بهبود بخشند.

• عملیات حرارتی سطحی: فرآیندهایی مانند سخت‌کاری القایی، لیزری یا شعله‌ای، لایه‌های سطحی بادوام را روی یک هسته شکل‌پذیر ایجاد می‌کنند.
• فرآیندهای ترموشیمیایی: کربوراسیون، نیتریدینگ یا کربونیتریدینگ عناصر را به داخل سطوح پخش می‌کنند تا لایه‌های سخت تشکیل دهند.
• فرآیندهای مکانیکی: شات پینینگ (مقاومت در برابر خستگی را بهبود می‌بخشد)، سندبلاستینگ (تمیز/زبر کردن) یا سنگ‌زنی (تکمیل سطوح).
• تمیز کردن شیمیایی: آلاینده‌ها را با استفاده از اسیدها، قلیاها یا حلال‌ها حذف می‌کند.

لایه‌های نازک (از نانومتر تا میکرومتر) سایش، مقاومت در برابر خوردگی یا زیبایی‌شناسی را فراتر از قابلیت‌های زیرلایه افزایش می‌دهند. نمونه‌ها عبارتند از:

• آبکاری الکتریکی: قطعات را در محلول‌های رسانا غوطه‌ور می‌کند. جریان، یون‌های فلزی (به عنوان مثال، مس، طلا، نیکل) را روی سطوح رسوب می‌دهد.
• پوشش‌های تبدیلی: از طریق واکنش‌های شیمیایی (به عنوان مثال، فسفاته کردن روی فولاد، کروماته کردن روی آلومینیوم) رشد می‌کنند.
• آندایزینگ: سطوح آلومینیوم، منیزیم یا تیتانیوم را الکتروشیمیایی اکسید می‌کند.
• رنگ‌آمیزی/پوشش پودری: مایعات مبتنی بر پلیمر یا پودرهای خشک را اعمال می‌کند که از طریق حرارت پخت می‌شوند.
• رسوب‌گذاری خلاء: فلزات (به عنوان مثال، آلومینیوم، تیتانیوم) را در محفظه‌های خلاء اسپاتر یا تبخیر می‌کند.
• پاشش حرارتی: قطرات مذاب (فلزات، سرامیک‌ها) را از طریق روش‌های شعله، قوس یا پلاسما روی سطوح پرتاب می‌کند.

برخی از اجزا تحت چندین فرآیند ثانویه قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، سندبلاستینگ ممکن است قبل از رنگ‌آمیزی برای تمیز کردن و زبر کردن سطوح انجام شود. مواد پیش از پوشش (به عنوان مثال، روی روی ورق‌های فولادی) قبل از شکل‌دهی می‌تواند هزینه‌ها را در مقایسه با پوشش پس از شکل‌دهی کاهش دهد.

فراتر از شکل‌دهی حجیم، رسوب‌گذاری، اچینگ یا تکنیک‌های تبدیل شیمیایی، ساختارهای پیچیده‌ای را ایجاد می‌کنند، به‌ویژه در الکترونیک (به عنوان مثال، مدارهای مجتمع، MEMS). در اینجا، زیرلایه‌ها پشتیبانی مکانیکی را فراهم می‌کنند و در عین حال در طرح‌های کاربردی ادغام می‌شوند.