مراحل فلزکاری (ساخت محصولات فلزی) شامل فرم دهی، برشکاری و مونتاژ

فلزکاری فرایند کار با فلزها به منظور ایجاد بخش های مختلف، اجزاء کوچک و سازه های بزرگ مقیاس اطلاق می‌شود. این عبارت گستره وسیعی از کارها از کشتی های بزرگ، پل‌ها و بخش های دقیق موتور و یا جواهرات ظریف را شامل می‌شود. بنابراین شامل بازه گسترده ای از توانایی ها، فرایندها و ابزار می‌شود.

انواع فلزها 

هنر فلزکاری از هزاران سال پیش وجود داشته تا جاییکه اقوام باستانی از هفت نوع فلز در مواردی از اشیا تا سازه‌ها و برای استفاده های عمومی تا زیبایی شناختی استفاده می‌کردند. این فلزها عبارتند از طلا، نقره، جیوه، مس، قلع ( حلب )، سرب و آهن. فرایندهای ساخت و فلزکاری از اشکال مختلف فولاد مانند میلگردهای فولادی کربن دار، ورق فولادی که در ساخت خودپرداز سیار استفاده میشود، نوارهای فولادی، صفحات، سیم و صفحات با روکش قلع استفاده می‌کنند. بعلاوه از فولاد ضدزنگ، فولاد آلیاژی، آهن و آلومینیوم در صنعت فلزکاری به منظور ایجاد اشکال مختلف، برش و مفاصل استفاده می‌شود.

ابزارهای رایج در فلزکاری

فلزکارها از ابزارهای متفاوتی در برش، شکل دهی، سوراخ کاری و رزوه انواع فلزها استفاده می‌کنند. بعلاوه فلزکارها ممکن است ابزارهای دستی یا الکتریگی دیگری نیز در کارهای مختلف به کار گیرند. از جمله ابزارهای دستی می‌توان به قیچی (قیچی های بزرگ برای برش)، سوهان، چکش و اره اشاره نمود. از ابزار الکتریکی که در کار استفاده می‌شود نیز می‌توان به دریل، اره برقی، فرز و قالب اشاره کرد. فلزکاران از اره آهن بر – ابزاری با دندانه های بسیار ریز و زیاد – به منظور ایجاد برشهای دقیق در فلز استفاده می‌کنند. اره آهن بر اصولا هر نوع فلزی شامل مس، آلومینیوم، برنج، فولاد سخت و چدن را می‌برد. فلزکاران از چکش برای صاف کردن یا ایجاد دندانه در فلز استفاده می‌نمایند. سوهان به منظور صاف کردن لبه های سخت پس از ایجاد برش در قطعات فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ بعلاوه از آن می‌توان در شکل دهی به قطعه کار موجود نیز استفاده نمود. فلزکاران از ماشین سنگ زنی برای صاف کردن لبه های بسیار بزرگ استفاده می‌کنند. ویژگی چرخ ماشین سنگ زنی که با سرعت بسیار بالا می‌چرخد، اینست می‌تواند فلز را جلا بدهد، ببرد یا تیز کند. فلزکاران همچنین ممکن است از تیغ اره فلز بر برای برش سریع قطعات فلزی و معمولا بر روی یک نیمکت استفاده کنند. می‌توان دریل‌ها را برای ایجاد سوراخ هایی با قطرهای مختلف در یک قطعه کار فلزی به کار گرفت. قالب و کنگره می‌تواند سطحی دارای نقوش مختلف در درون و بیرون قطعه کار فلزی ایجاد نماید.

ریخته گری

زمانی که فلزکاران قصد تولید جسمی با استفاده از فلز مایع را داشته باشند، از فرایند ریخته گری استفاده می‌کنند. آنها ابتدا قالبی میان تهی که دارای شکل بخصوص است را مورد استفاده قرار می‌دهند و فلز مایع را درون آن ریخته، و پیش از باز کردن قالب به آن امکان خنک شدن و سفت شدگی خواهند داد. فلزکاران به شیء جامدی که برای تکمیل فرایند از قالب بیرون می‌آید، ریخته گری اطلاق می‌کنند. معمولا فلزکاران از ریخته گری به منظور پیکرتراشی (ساخت اجسام سه بعدی)، بخصوص با استفاده از فلزات گرانبها و برنز برای ساخت جواهرات، اسلحه یا ابزار، استفاده خواهند نمود. فلزکاران ریخته گری را به دو شکل قابل توسعه و غیرقابل توسعه تعریف می‌کنند.

فرآیند فلزکاری

فلزکاری عموما به دسته های زیر تقسیم می‌شوند: شکل دهی، برش  و اتصال. هر کدام از این دسته بندی های خود شامل فرایندهای متفاوتی است.

فرایندهای شکل دهی

به مجموعه بزرگی از فرایندهای ساخت است که در آن مصالح با تغییر شکل پلاستیک، به اشکال دلخواه در خواهد آمد، اطلاق می‌شود.

شکل دهی حجمی

شکل دهی حجمی، فرایند شکل دهی شدیدی است که منجر به تغییر شکل بسیار زیادی خواهد شد. مقدار سطح به حجم در این فرایند نسبتا کوچک خواهد بود و عمدتا به شکل گرم خواهد بود.

• نورد : در این فرایند، قطعه ای که باید روی آن کار صورت گیرد در شکل دال یا صفحه ای با ضخامت معین در میان دو صفحه غلتان فشاری با ضخامت مد نظر وارد شده و ضخامت آن کاهش خواهد یافت. میله های غلتان، این صفحه را به داخل کشانده و آن را تحت فشار قرار خواهد داد. محصول نهایی نیز به شکل یک صفحه خواهد بود.
• آهنگری : قطعه مورد نظر را در بین دو قالب دارای شکلی بخصوص تحت فشار قرار می‌گیرد. شکلی که در قالبها تعبیه شده بود، بر روی قطعه کار نقش خواهد بست.
• خروجکاری : در این فرایند، قطعه کار تحت فشار قرار گرفته و یا به سمت قسمت باز قالب هل داده می‌شود تا شکل قسمت باز ( سوراخت درون ) قالب به عنوان مقطع عرضی آن شود.
• کشش مفتول یا سیم‌کشی : این فرایند مشابه کاری است که در خروجکاری صورت می‌گیرد، با این تفاوت که قطعه کار به سمت قسمت باز قالب هل داده می‌شود تا سطح مقطعش به همان شکل شود.

شکل دهی صفحات

شکل دهی صفحات فلزی شامل عملیات شکل دهی و برش صفحات فلزی، نوارها و کویل‌ها است. نسبت سطح به حجم فلز آغازین، نسبتا زیاد است. از ابزار مورد استفاده در این عملیات می‌توان به منگنه (دستگاه منگنه فشاری)، قالب به منظور تغییر شکل صفحات اشاره نمود.

• خمش: در این حالت با اعمال فشار بر صفحه فلزی، شکلی (معمولا زاویه دار) با زوایای صاف ایجاد خواهد نمود. قالبی به شکل مورد نظر در مقابل صفحه قرار می‌گیرد و با فشار وارد بر صفحه از طریق دستگاه، شکل دلخواه به دست خواهد آمد. صفحه به داخل سوراخ قالب کشیده خواهد شد و شکل فضای خالی را به خود خواهد گرفت.
• کشش عمیق: در این عملیات، به منظور ایجاد اشکالی – مانند یک فنجان تو خالی یا مقعر - در صفحه فلزی مسطح، بخشی از فلز را خواهیم کشید.
• برشی: این عمل چیزی به غیر از نیروی برشی بر روی ورقه‌ها نیست.

فرایندهای برش کاری

برش، مجموعه ای از فرایندها است که در آن با حذف بخشهای زائد با استفاده از ابزارهای مختلف، به هندسه ای بخصوص دست پیدا خواهیم نمود که مطابق با موارد مورد نظرمان است. نتیجه فرایند برش، دو چیز است: 1. مواد اضافی؛ و 2. قسمت هندسی مد نظر. انواع روشهای برشکاری عبارتند از :

• فرزکاری

  فرایندی ماشینی با استفاده از تیغه های چرخان به منظور حذف قسمتهای زائد از قطعه کار به شکلی خاص است. ممکن است تیغه در زاویه ای نسبت به محور دستگاه قرار گرفته شود. فرززکاری گستره وسیعی از کارها و دستگاهها را شامل می‌شود و کارهایی از اجزای کوچک تا بزرگ و عملیات فرزکاری سنگین را شامل می‌شود. این روش یکی از رایج ترین فرایندهای ماشینی قطعات سفارشی برای ساخت دقیق به شمار می‌رود. فرزکاری را می‌توان با بازه گسترده ای از ابزار ماشینی انجام داد. دسته اصلی ابزارهای ماشینی برای این کار، همان ماشین فرزاری بود. ماشینهای فرزکاری پس از ظهور کنترل عددی کامپیوتری (ماشین کاری کامپیوتری) (CNC[1]) به مراکز ماشین کاری: ماشینهای فرزکاری تقویت شده با استفاده از ابزار تغییر خودکار، مجله ابزار (برنامه ای به منظور ثبت هر کار بخصوص توسط ابزاری بخصوص)، قابلیت های CNC، ابزار چرخان حاوی ابزار، سیستم تهویه و تبرید تکامل یافتند. این ماشینهای فرزکاری را می‌توان به طور کلی به عنوان ماشین فرز عمودی (VMC) یا افقی (HMC) تقسیم بندی نمود.

• چرخش شامل وارد کردن نوک نیز ابزار برنده به سطحی فلزی که با سرعتی بالا در حال گردش است. این عمل، لایه بالایی فلز را به اندازه ای بخصوص جدا خواهد نمود.
• سنگ زنی شامل یک سح فلزی هموار و فلزی بسیار با کیفیت است. یک ماشین ساب (ماشین سنگزنی) متشکل از یک چرخ ساینده گردان است که با برقراری تماس با فلز، آن را می‌ساید.
• سوراخ کاری به اعمال مستقیم یک مته دریل بر روی فلز نیاز دارد، حال به ترکیب نیرو و دروانی را که در وارد کردن یک پیچ به دیوار نیز می‌بینید، نیاز خواهید داشت/ سوراخ کاری، امکان ایجاد سوراخهایی بسیار دقیق در هر جایی که مورد نیاز باشد را فراهم خواهد نمود.
• روشهای سوزاندن یا جوش شامل کاربرد دماهای بسیار بالا بر روی فلز سطحی، که آن را به دمایی خواهد رساند که نرم می‌شود و سپس در راستای خطی بخصوص شکسته خواهد شد.
• شعله هواگاز که به دمایی بیش از 3500 درجه سانتی گراد می‌رسد، را نیز می‌توان استفاده نمود. این دما، فلز را تا نقطه ذوب خواهد رساند و سپس جریانی از اکسیژن را به سمت نقطه مورد نظر هدایت خواهد نمود و فلز را در راستای مد نظر سوزانده و ذوب خواهد نمود.
• برش لیزری تقریبا روشی مشابه با روش بالاست – که در آن از باریکه ای که می‌توان آن را تا یک نقطه با دمای فوق العاده بالا رساند، استفاده می‌شود. این مساله، امکان برش اشکالی دقیق از فلز را فراهم می‌نماید، همچنین لیزرها معمولا توسط کامپیوتر برای دستیابی به بالاترین دقت کنترل می‌شوند.
• برش پلاسما که از مشعل پلاسما به منظور پمپاژ اکسیژن یا گازی بی اثر به خارج از نازل و به صورت همزمان قوسی الکتریکی نیز همراه این گاز استفاده می‌نماید. این عمل منجر به داغی کافی پلاسما و ذوب فلز خواهد شد و با دارا بودن سرعت کافی منجر به دور شدن فلزات ذوب شده خواهد شد.
• جت آب، یا فناوری خوردگی، اثر آب بر روی فلز در محیط طبیعی – فقط در حدی بسیار بالاتر – را شبیه‌سازی می‌کند. این روش به دمای بالا متکی نیست و از همین رو می‌توان از آن در فلزاتی که به گرما حساسند نیز استفاده نمود.

فرایندهای اتصال 

اتصال دو یا چند قطعه کار فلزی را با استفاده از فرایندهای مختلفی چون جوشکاری ، لحیم کاری سخت و لحیم کاری به هم می‌چسباند.

جوشکاری 

جوشکاری فرایندی است که در آن، قطعات کار و همچنین مواد پر کننده دچار ذوب می‌شوند. روشی رایج در جوشکاری که از آن به نام جوشکاری قوسی یاد می‌شود، شامل ایجاد قوس الکتریکی میان یک الکترود ( که شامل مواد فیلر یا پرکننده است ) و قطعات کاری که باید به یکدیگر متصل شوند، خواهد بود. قوس ایجاد شده، گرمای کافی به منظور ذوب الکترود و نواحی مورد نیاز از قطعه کار که جوشکاری روی آن اجرا می‌شود، را تولید خواهد نمود. با عبور الکترود از جایی که قوس در آن حاضر باشد، فلز ذوب شده ناشی از الکترود و فلز ذوب شده ناشی از قطعات کار با یکدیگر ترکیب شده و پس از سرد شدن، مفصلی بسیار قوی تشیل خواهد داد. الکترود حاوی مواد گدازآوری است که هدفش ایجاد پایداری در قوس ایجاد شده توسط گازهای تولیدی ( کربن دی اکسید، کربن مونو اکسید، بخار آب ) که قوس را از محیط اطرافش محافظت می‌کند، است. دمای بسیار بالای فرایند جوشکاری، میکروساختارهای نواحی جوش داده شده قطعات کار را دچار تغییر خواهد نمود، به عبارتی حداقل دچار درشت شدگی دانه های خواهد شد. این مساله منجر به کاهش در مقاومت کششی و سختی فلز خواهد شد. تنش پسماند بوجود آمده در نتیجه سرد شدن نیز مقاومت مفصل جوش داده شده را خواهد کاست. بنابراین باید فرایند جوشکاری را به منظور حداقل سازی تغییرات میکروساختارها و تنش پسماند در مفاصل جوش داده شده، بهینه سازی ( با بهینه سازی تولید گرما، ترکیبات فلزی و نرخ سردسازی ) نمود. اقدامات پس از جوشکاری نیز در راستای کاهش تنش های پسماند و یکنواخت سازی بیشتر میکروساختارهای جوش ها، اجرا می‌شوند.

لحیم کاری سخت( Brazing)

لحیم کاری سخت فرایند اتصال دو قطعه کار با استفاده از یک فلز پرکننده است که بین آن دو قطعه قرار خواهد گرفت و در این فرایند، فلزی که متحمل ذوب می‌شود تنها همان فلز پر کننده است و در واقع دو قطعه کار هیچگونه ذوبی را تجربه نخواهند نمود. دمایی که لحیم کاری سخت در آن رخ می‌دهد باید به اندازه ای باشد که در آن فیلر ذوب شود، اما صدمه ای به قطعات دیگر وارد نشود. موادی که به عنوان فیلر مورد استفاده قرار می‌گیرند باید به شکلی باشند که دمای ذوب بالای 450 درجه سانتی گراد داشته باشند. همچنین به منظور پیشگیری از تولید لایه های اکسید در حین لحیم کاری سخت در سطح قطعات و همینطور پیشگیری از اکسیداسیون، از گدازآور استفاده می‌شود. این فرایند می‌تواند متضمن پیوند متالورژیکی خوبی میان قطعات و فیلر، پس از تکمیل فرایند لحیم کاری سخت باشد. مواد لحیم کاری سخت پس از ذوب، فضای میان سطوح اتصال را به خوبی پر می‌کند و همچنین با استفاده از خاصیت مویینگی، وارد فضاهای بسیار باریک نیز خواهد شد. بعد از سرد شدن مواد لحیم کاری سخت ، یک مفصل قوی خواهیم داشت.

لحیم کاری(Soldering)

لحیم کاری، فرایند اتصالی ممشابه با جوشکاری است، با این تفاوت که این عملیات در دمایی به مراتب کمتر از جوش کاری انجام می‌شود. بنابراین می‌توان اینگونه گفت که لحیم کاری فرایند اتصال قطعات کاری با استفاده از فلز پرکننده به شکلی است که تنها فیلر در آن ذوب می‌شود و به عبارتی قطعات مد نظر در آن ذوب نخواهند شد. مصالح جوش کاری در دمای بالای 450 درجه سانتی گراد ذوب می‌شوند و بنابراین موادی که در لحیم کاری استفاده می‌شود، در دمایی پایین تر از 450 درجه ذوب می‌شوند. مواد رایجی که در لحیم کاری استفاده می‌شود، معمولا آلیاژهای کادمیوم - نقره، نقره - سرب، روی - قلع و قلع - سرب هستند. در لحیم کاری نیز به مانند جوشکاری و لحیم کاری از مواد گدازآور به منظور نظافت سطح لحیم کاری شده و بهبود چسبندگی متالورژیکی استفاده می‌شود؛ با این وجود باقی مانده این مواد باید به منظور پیشگیری از وقوع خوردگی، پس از لحیم کاری پاک شوند.

پرچ کردن

پرچ یکی از قدیمی ترین روشای اتصال به شمار می‌رود. استفاده از این روش به طور قابل توجهی در نیمه دوم قرن بیستم کاهش پیدا کرد، اما در قرن 21 م نیز هنوز از کاربردهای بسیار مهمی در صنایع و ساخت، و در صنایع دستی چون: جواهرات، وسایل تزئینی مانند زره پوشان قرون وسطی، و لباسهای فلزی برخوردار هستند. پیشرفت های صورت گرفته در جوشکاری و روشهای تولید اجزاء مختلف، منجر به پیشی گرفتن از روش پرچ در کاربردهای قدیمی اش شده است. پرچ یک پیچ دو سر و رزوه نشده است که دو قطعه متفاوت فلز را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. برای اتصال قطعات فلزی، سوراخهایی در آن توسط مته یا دستگاه پرچ ایجاد می‌شود. سپس با میزان کردن سوراخ‌ها روی یکدیگر، پرچ از میان آن رد خواهد شد و با استفاده از چکش، کلاهک هایی دائمی بر روی آن شکل می‌دهیم. معمولا پرچ‌ها را با یک سر آماده خریداری می‌کنند. وقتی که لازم باشد تا پرچ را برداریم، با استفاده از اسکنه آهن تراش، یکی از این سرها را خواهیم کند؛ سپس می‌توان با استفاده از چکش آن را در آورد.

فرایندهای همراه

فلزکارها ممکن است در فرایندهای پیش یا پس از ساخت قطعه کار اولیه، از روشهای غیرمتعارف و غیر مرسوم نیز استفاده کنند. برای مثال ممکن است منبعی گرمایی را به دو قطعه فلزی متصل اعمال نمایند تا مقاومت، سختی، چقرمگی و شکل پذیری اش را تغییر دهند. فلزکاران این کارها را با استفاده از فرایندهایی همچون آبدهی(Quenching)، برگشت دهی( در فر یا سخت کردن)(Tempering)، آنیل کردن یا بازپخت(Annealing) و مقاوم سازی رسوبی(Precipitation strengthening) انجام می‌دهند. روکش کاری شامل پرداخت لایه سطحی فلز توسط چسباندن قطعی فلزی دیگر مانند کروم، روی، طلا یا نقره است. روکش کاری منجر به کاهش خوردگی و بنابراین بهبود زیبایی ظاهری کلی محصول خواهد شد. فلزکاران همچنین از روشهای افشان حرارتی، به پرداخت بهتر محصول نیز کمک می‌کنند.