معرفی فورج سرد و اهمیت آن در صنعت

فورج سرد (Cold Forging) روش شکل‌دهی فلز زیر دمای تبلور مجدد — معمولاً از دمای محیط تا حداکثر ≈200 °C — است. ماده به‌جای نرم شدن از طریق کرنش-سختی مقاوم می‌شود و با ریزدانه‌شدن، خواص مکانیکی آن تا 50 ٪ ارتقاء می‌یابد. سرعت تولید چندصد قطعه در دقیقه و حداقل ضایعات فلز، این فرایند را در صنایع خودرو، تجهیزات خوراکی و دارویی، و ساخت اتصالات استنلس بسیار پرطرفدار کرده است.

تعریف دقیق فورج سرد (Cold Forging)

در متالورژی، «سرد» بودن به دمایی پایین‌تر از 0.3 Tm (بر حسب کلوین) اشاره دارد؛ جایی که بازآرایی دانه‌ای رخ نمی‌دهد. تنش تسلیم فلز بالاتر می‌رود، بنابراین برای تغییر شکل به نیروهای پرس چندصد تنی نیاز است. این نیرو با رابطهٔ تقریبی

F=k×σy×AF = k \times \sigma_y \times AF=k×σy​×A

(ضریب شکل k≈8–12) به سرعت محاسبه می‌شود.

تاریخچه و تکامل فرایند

• سکه‌زنی یونان باستان نخستین شکل‌دهی سرد فلز بود.

• در دههٔ ۱۸۷۰ آلمان پیچ‌های سرد فورج شده را وارد بازار کرد.

• از ۱۹۵۰ به‌بعد، پرس‌های چندایستگاهی، نرخ تولید هزاران قطعه در ساعت را ممکن ساختند.

• امروزه خطوط تمام-اتومات اروپا و ژاپن کمتر از یک ساعت توقف فصلی دارند و دادهٔ فرایند را برخط ذخیره می‌کنند.

مقایسهٔ فورج سرد با فورج گرم و ماشین‌کاری

فورج گرم با دمای بالا نیروی کمتر ولی دقت و پرداخت ضعیف‌تر دارد و پوستهٔ اکسیدی روی قطعه می‌گذارد. ماشین‌کاری آزادی هندسی می‌دهد امّا تا 60 ٪ ماده را تراشه می‌کند. فورج سرد پلی میان این دو است: قطعهٔ نزدیک به Net-Shape با سطح تقریباً صیقلی، استحکام بالا و چرخهٔ کوتاه، البته به قیمت قالب‌های گران.

مزایای اصلی فورج سرد

1. استحکام ذاتی بدون عملیات حرارتی (پیچ کلاس 10.9 مستقیماً از پرس).

2. تلرانس تنگ (تا ±0.02 mm) بدون دوباره‌کاری.

3. پرداخت سطحی صیقلی (Ra≈0.4 µm) ایده‌آل برای قطعات بهداشتی.

4. نرخ تولید چندایستگاهی (تا 350 قطعه کوچک در دقیقه).

5. کاهش ردپای کربن (40 ٪ کمتر از ماشین‌کاری هم اندازه).

محدودیت‌ها و چالش‌ها

• قالب‌سازی پرهزینه (۱۰–۱۰۰ هزار یورو، ۴–۷ هفته ساخت).

• نیروی پرس بسیار بالا ⇒ فرسودگی قالب و احتمال ترک شعاعی.

• محدودیت شکل هندسی برای زوایای تیز، حفره‌های بسته.

• خطر ترک داخلی در کرنش‌های بالای 60 ٪، که با توزیع تغییر شکل در چند ضربه کنترل می‌شود.

مواد مناسب برای فورج سرد

مراحل گام‌به‌گام اجرای فرایند

1. برش خام از وایرکویل.

2. پیش‌فرم برای توزیع یکنواخت فلز.

3. روانکاری دو مرحله‌ای (فسفاته-روی + صابون استئارات).

4. پرس اصلی (۱–۶ ضربه پی‌درپی؛ کورس ≤ 300 ms).

5. آنیل بین‌مرحله‌ای (اختیاری برای کرنش‌های > 80 ٪).

6. کالیبراسیون نهایی (Coining) حفظ تلرانس و سطح.

7. شستشو و Passivation (برای استنلس).

تجهیزات و ماشین‌آلات موردنیاز

• Header دو ایستگاهی 160–400 تن برای پیچ و مهره.

• پرس چندایستگاهی 4-6 ضربه برای قطعات پیچیده‌تر.

• سیستم تغذیه و صاف‌کن وایر جهت ثبات وزن قطعه.

• کورهٔ آنیل پیوسته (در صورت نیاز).

• قالب کاربید-تنگستن/سرامیک با عمر 0.5–1.5 میلیون ضربه.

کاربردهای متداول

• خودرو: بولت 10.9، شفت‌های دنده‌دار CVJ، دندانه پمپ روغن.

• صنایع غذایی و لبنی: اتصالات Tri-Clamp استنلس، بوش‌های ضدزنگ.

• دارویی و آرایشی: نازل پمپ اسپری، بدنه میکروپمپ.

• ابزار دستی: آچار آلن، بکس کروم-وانادیوم سختی > 52 HRC.

کنترل کیفیت و آزمون‌ها

• اندازه‌گیری 100 ٪ ابعادی با دوربین یا لیزر.

• سختی Rockwell یا میکرویکرز (نقشهٔ سختی).

• بازرسی UT/اکران جریان گردابی برای ترک داخلی.

• آزمایش گشتاور-بار پیچ (Torque-Tension).

عیوب رایج و راهکارها

عوامل هزینه‌زا و بهینه‌سازی اقتصادی

• قالب: استفاده از اینسرت چندتکه → هزینهٔ تعویض –40 ٪.

• توقف خط: پایش دمای قالب با ترموکوپل → OEE +3 ٪.

• روانکار: بازیافت صابون از حمام شستشو → صرفه‌جویی 8 هزار € در سال.

جنبه‌های زیست‌محیطی و مصرف انرژی

حذف پیشگرم هر پیچ فولادی 6 گرمی حدود 0.12 kWh حرارت ذخیره می‌کند. در یک خط آرایشی با 200 میلیون نازل، این برابر جلوگیری از انتشار 14 هزار تن CO₂ است. همچنین ضایعات براده در ماشین‌کاری به سیستم تصفیه روغن نیاز ندارد.

سازگاری با استانداردهای کیفی، خودرویی و هوافضا

• IATF 16949 / PPAP-3: نمودار گشتاور-بار، Cpk>1.67.

• SAE AS9102: ردیابی ذوب تا 30 سال؛ دادهٔ پرس آنلاین ذخیره می‌شود.

• EASA 2023: پیچ ساخت سرد باید خستگی 10^7 سیکل را بگذراند.

• ASME BPE: سطوح ≤ 0.5 µm برای تجهیزات استریل فرآیندی.

اتصالات Tri-Clamp

یک سازندۀ تجهیزات لبنی در اوِرنی فرانسه با سرمایه‌گذاری 94 هزار € یک پرس سه‌ضربه 250 تن و قالب پنج‌قطعه‌ای خرید.

• نرخ تولید: 45 → 280 قطعه/ساعت

• ضایعات فلزی: 110 → 6 گرم/قطعه

• بازگشت سرمایه: 14 ماه

• صرفه‌جویی انرژی: –18 MWh / سال

• تست فشار 150 bar، بدون نشتی → تأییدیه ASME BPE

جمع‌بندی

فورج سرد راهکاری Net-Shape با استحکام بالا، تلرانس تنگ و ضایعات ناچیز است. هرچند قالب آن گران است، در تیراژهای بالای 5 هزار قطعه هزینهٔ سرمایه سریعاً باز می‌گردد. برای پیمانکاران صنایع غذایی، آرایشی، دارویی و خودرو—جایی که سطح صیقلی، پاک‌سازی آسان و عمر طولانی قطعه حیاتی است—فورج سرد گزینه‌ای اقتصادی، مهندسی و زیست‌محیطی برتر به‌شمار می‌آید.

پرسش‌های متداول

۱. تفاوت اصلی فورج سرد و گرم در چیست؟
سرد زیر دمای تبلور مجدد انجام می‌شود و از کرنش-سختی برای استحکام استفاده می‌کند؛ گرم در دمای بالا شکل می‌دهد و به عملیات حرارتی بعدی متکی است.

۲. چه آلیاژهایی را نمی‌توان فورج سرد کرد؟
چدن، فولاد پرکربن (> 0.45 ٪) و سوپرآلیاژهای پایه کبالت به‌دلیل تردی یا نیروی پرس غیرقابل‌قبول.

۳. تلرانس‌های ابعادی معمول چقدر است؟
برای قطر < 20 mm حدود ±0.02 mm؛ برای اندازه‌های بزرگ‌تر تا ±0.05 mm.

۴. چگونه نیروی پرس را محاسبه کنم؟
F=k⋅σy⋅AF = k·σ_y·AF=k⋅σy​⋅A  (k≈8–12). مثال: فولاد C10 با σ_y≈280 MPa و سطح 100 mm² ≈ (10×280)×100 = 280 kN.

۵. آیا عملیات حرارتی بعد از فورج سرد لازم است؟
برای استحکام خیر؛ برای کاهش تنش یا آماده‌سازی رزوه ممکن است آنیل کوتاه 650 °C انجام شود.

۶. طول عمر قالب چقدر است؟
0.5–1.5 میلیون ضربه با اینسرت کاربید و روانکاری صحیح.

۷. برای تیراژ کم (< 5 هزار) چه کنم؟
سفارش به Job-Shop یا ماشین‌کاری CNC معمولاً اقتصادی‌تر است.

۸. روش‌های کاهش اصطکاک چیست؟
پوشش فسفاته-روی + صابون استئارات و گاهی پوشش DLC روی سطح قالب.

۹. چه استانداردهایی باید رعایت شود؟
پیچ و مهره: ISO 898-1؛ تجهیزات استریل: ASME BPE؛ خودروسازی: IATF 16949.

۱۰. اثر فرآیند بر مقاومت خستگی و خوردگی؟
سطح فشرده و ریزدانه عمر خستگی را تا 20 ٪ افزایش می‌دهد و خلأ سطحی ناچیز، مقاومت خوردگی استنلس را حفظ می‌کند.