فولاد آلیاژی در قالبسازی
فولاد آلیاژی در قالبسازی صنعتی-نقش فولادهای ابزار در افزایش عمر قالب‌های صنعتی: استانداردها و عملیات حرارتی
مقدمه
قالب‌های فورج و اکستروژن از اجزای حیاتی در تولید قطعات فلزی با شکل‌دهی گرم و سرد محسوب می‌شوند. این قالب‌ها تحت فشار و دمای بالا قرار می‌گیرند و باید دارای خواص مکانیکی ویژه‌ای نظیر مقاومت به سایش. سختی بالا، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر ترک‌های حرارتی باشند. انتخاب صحیح فولاد آلیاژی و اجرای دقیق مراحل ساخت قالب، نقش تعیین‌کننده‌ای در کیفیت نهایی قطعه تولیدی دارد.
بخش اول: اصول طراحی قالب‌های فورج و اکستروژن
۱. تحلیل نیرو و دما
در طراحی قالب‌های فورج، تحلیل تنش‌های وارده، دمای کاری، و نرخ تغییر شکل فلز اهمیت دارد. قالب باید توانایی تحمل فشارهای بالا (تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال) و دمای کاری بین ۴۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را داشته باشد. در قالب‌های اکستروژن، تمرکز بر کنترل اصطکاک، هدایت فلز در کانال قالب، و جلوگیری از ترک‌های سطحی است.
فولاد آلیاژی در قالبسازی
۲. انتخاب هندسه قالب
هندسه قالب باید به‌گونه‌ای طراحی شود که:
- جریان فلز به‌صورت یکنواخت انجام گیرد.
- تمرکز تنش در گوشه‌ها و لبه‌ها کاهش یابد.
- امکان خنک‌کاری و تعویض قطعات فراهم باشد.
در طراحی CAD، استفاده از نرم‌افزارهایی مانند SolidWorks، CATIA و DEFORM رایج است.
بخش دوم: انتخاب فولاد آلیاژی مناسب
۱. فولادهای ابزار گرم‌کار برای قالب فورج
برای قالب‌های فورج گرم، فولادهای ابزار گرم‌کار با مقاومت حرارتی بالا استفاده می‌شوند. رایج‌ترین گریدها عبارتند از:
| استاندارد DIN | استاندارد AISI | استاندارد JIS | ویژگی‌ها |
| 1.2344 | H13 | SKD61 | مقاومت حرارتی، سختی بالا، ضد ترک حرارتی |
| 1.2714 | L6 | – | چقرمگی بالا، مناسب برای ضربات شدید |
| 1.2365 | H10 | – | مقاومت به سایش، مناسب برای فورج فولادهای آلیاژی |
این فولادها دارای عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، وانادیم و نیکل هستند که خواص مکانیکی را بهبود می‌بخشند.
۲. فولادهای ابزار سردکار برای قالب اکستروژن سرد
در اکستروژن سرد، قالب‌ها باید مقاومت به سایش و سختی سطحی بالا داشته باشند. گریدهای رایج:
| استاندارد DIN | استاندارد AISI | استاندارد JIS | ویژگی‌ها |
| 1.2379 | D2 | SKD11 | سختی بالا، مقاومت به سایش، مناسب برای اکستروژن فولاد |
| 1.2080 | D3 | – | سختی سطحی بسیار بالا، مناسب برای اکستروژن آلومینیوم |
| 1.2842 | O2 | – | قابلیت ماشین‌کاری خوب، مناسب برای قالب‌های ساده |
بخش سوم: مراحل ساخت قالب فورج
۱. تهیه شمش فولاد آلیاژی
شمش فولاد با گرید مشخص از تولیدکننده معتبر تهیه می‌شود. آنالیز شیمیایی اولیه با دستگاه‌های اسپکترومتر انجام می‌گیرد تا ترکیب عناصر آلیاژی تأیید شود.
۲. عملیات حرارتی اولیه
شامل نرمالیزه کردن و آنیلینگ برای کاهش تنش‌های داخلی و آماده‌سازی برای ماشین‌کاری. دمای آنیل معمولاً بین ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد است.
۳. ماشین‌کاری خشن
فولاد آلیاژی در قالبسازی
با استفاده از دستگاه‌های CNC، فرزکاری و تراشکاری اولیه انجام می‌شود. در این مرحله، هندسه کلی قالب ایجاد می‌شود ولی هنوز به ابعاد نهایی نرسیده است.
۴. عملیات حرارتی نهایی
سخت‌کاری قالب با استفاده از روش‌های زیر انجام می‌شود:
- تمپرینگ چندمرحله‌ای برای کنترل سختی و چقرمگی
- نیتروژن‌دهی سطحی برای افزایش مقاومت به سایش
- کوئنچ در روغن یا گاز برای تثبیت ساختار
سختی نهایی قالب‌های فورج معمولاً بین ۴۵ تا ۵۲ راکول C است.
۵. ماشین‌کاری دقیق و پولیش
در این مرحله، ابعاد نهایی قالب با تلرانس‌های دقیق (تا ۰.۰۲ میلی‌متر) ایجاد می‌شود. سطح قالب با سنگ‌زنی و پولیش آینه‌ای آماده می‌شود تا از چسبندگی فلز مذاب جلوگیری شود.
۶. تست قالب
قالب با استفاده از تست‌های غیرمخرب مانند UT (تست اولتراسونیک) و MT (تست ذرات مغناطیسی) بررسی می‌شود. سپس در شرایط واقعی فورج آزمایش می‌گردد.
بخش چهارم: مراحل ساخت قالب اکستروژن
۱. انتخاب فولاد مناسب
برای اکستروژن سرد، فولادهایی با سختی بالا و قابلیت ماشین‌کاری خوب انتخاب می‌شوند. فولاد D2 با سختی نهایی تا ۶۰ راکول C رایج‌ترین انتخاب است.
فولاد آلیاژی در قالبسازی
۲. عملیات حرارتی
شامل سخت‌کاری کامل و تمپرینگ دقیق برای دستیابی به سختی سطحی بالا و جلوگیری از شکنندگی. در برخی موارد، از پوشش‌های PVD یا نیترید تیتانیوم برای افزایش عمر قالب استفاده می‌شود.
۳. ماشین‌کاری دقیق
هندسه قالب با دقت بالا ایجاد می‌شود. در اکستروژن سرد، تلرانس‌ها بسیار حساس هستند و هرگونه خطا باعث ترک قطعه تولیدی می‌شود.
۴. تست عملکرد
قالب در خط تولید اکستروژن نصب شده و عملکرد آن با فلز واقعی بررسی می‌شود. پارامترهایی مانند فشار تزریق، دمای قالب، و کیفیت سطح قطعه ارزیابی می‌گردد.
مقایسه قالب‌های فورج و اکستروژن از نظر طراحی و عملکرد
۱. تفاوت در ماهیت فرآیند شکل‌دهی
| ویژگی | فورج | اکستروژن |
| نوع فرآیند | تغییر شکل فلز با ضربه یا فشار در دمای بالا | عبور فلز از قالب با فشار پیوسته |
| دمای کاری | 800–1250°C (فورج گرم) | 20–600°C (اکستروژن سرد و گرم) |
| نرخ تغییر شکل | بالا، لحظه‌ای | پیوسته، کنترل‌شده |
| نوع قطعه تولیدی | قطعات حجیم با ساختار فشرده | قطعات کشیده با سطح یکنواخت |
در فورج، تمرکز بر ایجاد ساختار داخلی متراکم و حذف حفره‌هاست، در حالی‌که اکستروژن برای تولید قطعات با سطح صاف و ابعاد دقیق مناسب‌تر است.
۲. تفاوت در طراحی هندسی قالب
قالب فورج
- طراحی قالب فورج شامل دو نیمه (بالا و پایین) است که قطعه خام بین آن‌ها قرار می‌گیرد.
- هندسه قالب باید توانایی تحمل ضربات شدید و توزیع یکنواخت نیرو را داشته باشد.
- لبه‌ها و گوشه‌ها با شعاع‌های مناسب طراحی می‌شوند تا از تمرکز تنش جلوگیری شود.
- سیستم خنک‌کاری در قالب فورج محدود است و بیشتر بر مقاومت حرارتی متکی است.
قالب اکستروژن
- طراحی قالب اکستروژن شامل کانال‌های عبور فلز، نازل خروجی، و سیستم هدایت است.
- تلرانس‌های ابعادی بسیار دقیق‌تر هستند (تا 0.01 میلی‌متر).
- سیستم خنک‌کاری فعال و روان‌کاری پیوسته برای کنترل دما و اصطکاک ضروری است.
- قالب‌ها معمولاً چندمرحله‌ای هستند (preform، die، sizing).
فولاد آلیاژی در قالبسازی
۳. تفاوت در انتخاب فولاد آلیاژی
| نوع قالب | نوع فولاد | گریدهای رایج | دلیل انتخاب |
| فورج گرم | فولاد ابزار گرم‌کار | DIN 1.2344 (H13), DIN 1.2714 | مقاومت حرارتی، چقرمگی بالا |
| اکستروژن سرد | فولاد ابزار سردکار | DIN 1.2379 (D2), DIN 1.2080 | سختی سطحی، مقاومت به سایش |
| اکستروژن گرم | فولاد نیمه‌سخت | DIN 1.2343, AISI H11 | تعادل بین سختی و چقرمگی |
در قالب‌های فورج، مقاومت در برابر ترک‌های حرارتی و ضربات مکانیکی اهمیت دارد، در حالی‌که در قالب‌های اکستروژن، سختی سطحی و دقت ابعادی اولویت دارند.
۴. تفاوت در عملیات حرارتی و پوشش‌دهی
قالب فورج
- عملیات حرارتی شامل سخت‌کاری حجمی و تمپرینگ چندمرحله‌ای است.
- در برخی موارد، نیتروژن‌دهی سطحی برای افزایش مقاومت به سایش انجام می‌شود.
- پوشش‌های سطحی کمتر رایج‌اند، زیرا دمای کاری بالا باعث تخریب پوشش‌ها می‌شود.
قالب اکستروژن
- سخت‌کاری سطحی با روش‌های القایی یا PVD رایج است.
- پوشش‌هایی مانند TiN، CrN یا DLC برای کاهش اصطکاک و افزایش عمر قالب استفاده می‌شوند.
- عملیات حرارتی دقیق برای کنترل سختی و جلوگیری از شکنندگی ضروری است.
۵. تفاوت در عملکرد و عمر قالب
| معیار | قالب فورج | قالب اکستروژن |
| عمر متوسط | 5,000–20,000 ضربه | 50,000–500,000 قطعه |
| نوع خرابی رایج | ترک حرارتی، تغییر شکل | سایش سطحی، ترک‌های ریز |
| نیاز به تعمیر | تعویض قطعات، جوشکاری ترک‌ها | سنگ‌زنی مجدد، تعویض نازل‌ها |
| هزینه نگهداری | بالا | متوسط تا پایین |
عمر قالب‌های اکستروژن به‌دلیل فشار یکنواخت و دمای کنترل‌شده بیشتر است، در حالی‌که قالب‌های فورج به‌دلیل ضربات شدید نیازمند تعمیرات مکرر هستند.
۶. تفاوت در تست و کنترل کیفیت
قالب فورج
- تست‌های غیرمخرب مانند UT و MT برای بررسی ترک‌ها انجام می‌شود.
- تست عملکرد در خط تولید با ضربات واقعی بررسی می‌شود.
- کنترل کیفیت قطعه تولیدی شامل بررسی ساختار داخلی با متالوگرافی است.
قالب اکستروژن
- تست عملکرد شامل بررسی فشار تزریق، دمای قالب، و کیفیت سطح قطعه است.
- استفاده از سنسورهای فشار و دما برای کنترل فرآیند رایج است.
- قطعات تولیدی با ابزارهای اندازه‌گیری دقیق مانند CMM بررسی می‌شوند.
جمع‌بندی مقایسه
| معیار | قالب فورج | قالب اکستروژن |
| دمای کاری | بسیار بالا | متوسط تا پایین |
| نوع فشار | ضربه‌ای | پیوسته |
| دقت ابعادی | متوسط | بسیار بالا |
| عمر قالب | کوتاه‌تر | بلندتر |
| نوع فولاد | گرم‌کار | سردکار یا نیمه‌سخت |
| هزینه ساخت | بالا | متوسط |
| کاربرد | قطعات حجیم و مقاوم | قطعات کشیده و دقیق |
📋 جدول استانداردهای بین‌المللی مرتبط با قالبسازی صنعتی
| حوزه کاربرد | نام استاندارد | کد استاندارد | سازمان تدوین | شرح مختصر |
| انتخاب فولاد ابزار | ASTM A681 | ASTM A681-08 | ASTM (آمریکا) | مشخصات فولادهای ابزار سردکار و گرم‌کار |
| عملیات حرارتی | ISO 4957 | ISO 4957:2018 | ISO (بین‌المللی) | طبقه‌بندی فولادهای ابزار و شرایط عملیات حرارتی |
| طراحی قالب فورج | DIN 7521 | DIN 7521 | DIN (آلمان) | الزامات طراحی قالب‌های فورج گرم و سرد |
| طراحی قالب اکستروژن | ISO 12004 | ISO 12004-2:2008 | ISO | روش‌های تحلیل شکل‌پذیری فلزات در قالب‌های اکستروژن |
| کنترل کیفیت قالب | ISO 9712 | ISO 9712:2021 | ISO | الزامات صلاحیت اپراتورهای تست غیرمخرب قالب‌ها |
| تست غیرمخرب | ASTM E1444 | ASTM E1444/E1444M | ASTM | روش تست ذرات مغناطیسی برای تشخیص ترک در قالب‌ها |
| پوشش‌دهی سطحی | ISO 20623 | ISO 20623:2017 | ISO | ارزیابی خواص اصطکاکی پوشش‌های سخت صنعتی |
| استاندارد ابعادی | ISO 286 | ISO 286-1:2010 | ISO | تلرانس‌های ابعادی در قالبسازی دقیق |
| ایمنی قالبسازی | ANSI B11.2 | ANSI B11.2-2012 | ANSI (آمریکا) | الزامات ایمنی ماشین‌آلات پرس و قالبسازی |
| انتخاب مواد اولیه | JIS G4404 | JIS G4404:2015 | JIS (ژاپن) | مشخصات فولادهای ابزار در صنایع قالبسازی ژاپن |
نمونه‌سازی و تست اولیه قالب‌ها با روش‌های Additive Manufacturing
مقدمه
ساخت افزایشی یا Additive Manufacturing (AM) به مجموعه‌ای از فناوری‌ها اطلاق می‌شود. که با افزودن لایه‌به‌لایه مواد، امکان تولید قطعات پیچیده را بدون نیاز به قالب‌های سنتی فراهم می‌سازد. در حوزه قالبسازی صنعتی، AM به‌عنوان ابزاری مؤثر برای نمونه‌سازی سریع، تست عملکرد اولیه، و بهینه‌سازی طراحی پیش از تولید نهایی شناخته می‌شود.
۱. اهداف استفاده از AM در قالبسازی
- کاهش زمان توسعه قالب: تولید نمونه اولیه در کمتر از چند روز
- ارزیابی هندسه و عملکرد قالب: پیش از ماشین‌کاری نهایی
- کاهش هزینه‌های طراحی مجدد: با امکان اصلاح سریع مدل
- تست عملکرد در شرایط شبه‌واقعی: بدون نیاز به فولاد نهایی
۲. فناوری‌های رایج AM در قالبسازی
| فناوری | نام کامل | نوع ماده مصرفی | کاربرد در قالبسازی |
| SLM | Selective Laser Melting | پودر فلز (فولاد، آلومینیوم) | تولید قالب‌های فلزی با دقت بالا |
| DMLS | Direct Metal Laser Sintering | پودر فولاد ابزار | نمونه‌سازی قالب‌های فورج و اکستروژن |
| FDM | Fused Deposition Modeling | پلیمرهای مهندسی | تست هندسه و مونتاژ قالب |
| SLA | Stereolithography | رزین فوتوپلیمری | مدل‌سازی دقیق سطح قالب |
در قالب‌های صنعتی، فناوری‌های فلزی مانند SLM و DMLS بیشترین کاربرد را دارند. زیرا امکان تولید قطعات با خواص مکانیکی نزدیک به فولاد واقعی را فراهم می‌کنند.
۳. مراحل نمونه‌سازی قالب با AM
۱. طراحی دیجیتال
مدل سه‌بعدی قالب با نرم‌افزارهای CAD مانند SolidWorks یا NX طراحی می‌شود. در این مرحله، هندسه قالب، کانال‌های خنک‌کاری، و نقاط تمرکز تنش بررسی می‌گردد.
۲. تبدیل به فایل قابل چاپ
مدل CAD به فرمت STL یا AMF تبدیل شده و در نرم‌افزار چاپ سه‌بعدی آماده‌سازی می‌شود. پارامترهایی مانند ضخامت لایه، زاویه چاپ، و پشتیبانی‌های ساخت تنظیم می‌گردد.
۳. چاپ سه‌بعدی
با استفاده از دستگاه AM، قالب نمونه‌سازی شده به‌صورت لایه‌به‌لایه تولید می‌شود. در فناوری‌های فلزی، دمای لیزر تا 2000 درجه سانتی‌گراد برای ذوب پودر فولاد ابزار تنظیم می‌شود.
۴. عملیات پس‌پردازش
پس از چاپ، قطعه تحت عملیات‌هایی مانند:
- حرارت‌دهی تنش‌زدایی
- ماشین‌کاری سطحی
- پولیش و سنگ‌زنی قرار می‌گیرد تا به خواص مکانیکی و ابعادی مطلوب برسد.
۴. تست عملکرد قالب نمونه
بررسی تست هندسی
- بررسی ابعاد با ابزارهای CMM و اسکن سه‌بعدی
- تطبیق با مدل CAD و بررسی تلرانس‌ها
بررسی تست عملکردی
- نصب قالب در دستگاه آزمایشی
- تزریق فلز یا پلیمر در شرایط کنترل‌شده
- بررسی جریان ماده، نقاط تمرکز تنش، و کیفیت سطح قطعه
و بررسی تست حرارتی
- اعمال دمای کاری مشابه فرآیند واقعی
- بررسی مقاومت قالب به تغییرات دما و ترک‌های حرارتی
۵. مزایای استفاده از AM در قالبسازی
| مزیت | شرح |
| کاهش زمان توسعه | از چند هفته به چند روز |
| کاهش هزینه طراحی مجدد | اصلاح سریع مدل بدون ماشین‌کاری |
| امکان طراحی پیچیده | ایجاد کانال‌های خنک‌کاری داخلی، هندسه‌های غیرممکن با روش سنتی |
| تست عملکرد پیش از تولید | کاهش ریسک شکست قالب نهایی |
| بهینه‌سازی ساختار | استفاده از طراحی‌های سبک‌سازی شده با حفظ استحکام |
۶. محدودیت‌ها و چالش‌ها
- هزینه بالای مواد فلزی AM
- محدودیت در ابعاد قطعه قابل چاپ
- نیاز به عملیات پس‌پردازش دقیق
- عدم تطابق کامل خواص مکانیکی با فولاد فورج‌شده
فولاد آلیاژی در قالبسازی
با این حال، در مرحله نمونه‌سازی و تست اولیه، این محدودیت‌ها قابل مدیریت هستند و مزایای AM بر چالش‌ها غلبه دارد.
۷. کاربردهای عملی در صنایع ایران
- خودروسازی: تست قالب‌های اکستروژن قطعات آلومینیومی
- صنایع دفاعی: نمونه‌سازی قالب‌های فورج قطعات حساس
- لوازم خانگی: بررسی هندسه قالب‌های تزریق پلاستیک
- قطعه‌سازی صنعتی: اصلاح طراحی قالب‌های پیچیده با کانال‌های خنک‌کاری داخلی
📚 فهرست منابع علمی و تخصصی مورد استفاده
| عنوان منبع | نوع منبع | نویسنده / سازمان | لینک دسترسی |
| Tool Steels | کتاب تخصصی | George Adam Roberts, Richard Kennedy | ASM International |
| Forging Handbook | کتاب صنعتی | ASM International | ASM Handbook |
| Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing | کتاب ISI | Ian Gibson, David Rosen, Brent Stucker | Springer |
| Selective Laser Melting of Tool Steel for Die Manufacturing | مقاله ISI | Journal of Materials Processing Technology | ScienceDirect |
| Design and Optimization of Die Casting Dies Using Additive Manufacturing | مقاله ISI | Journal of Manufacturing Processes | Elsevier |
| Evaluation of Die Life in Hot Forging Using FEM and Experimental Methods | مقاله ISI | International Journal of Mechanical Sciences | ScienceDirect |
| ISO 4957: Tool Steels – Classification and Requirements | استاندارد بین‌المللی | ISO | ISO.org |
| ASTM A681 – Standard Specification for Tool Steels Alloy | استاندارد صنعتی | ASTM International | ASTM.org |
| کتاب اکستروژن: کاربرد و شبیه‌سازی | کتاب تخصصی فارسی | بهزاد تیموری، جواد مرزبان راد | کتابراه |
| کتاب تکنولوژی قالب‌های فورجینگ و فورمینگ | کتاب تخصصی فارسی | مهدی اشتری | گیسوم |
ارتباط با ما
09122136675
02128423820
قیمت مناسب را از ما بخواهید
آدرس
تهران – جاده قدیم کرج – بعد از شیرپاستوریزه – مجتمع تجاری پارس امیر – پلاک 24/1
صفحات
ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی
تمام حقوق مادی و معنوی این سایت متعلق به فولاد رسول دلاکان می باشد.