Lecture 1 | Fundamentals of Metal Forming - Part 1 أساسيات تشكيل المعادن

Benha University
Faculty of Engineering at Benha
Department of Mechanical Engineering
M1172 - Principles of #Manufacturing​​​ and #Workshop​​​
Lecture 1 | Fundamentals of #Metal_Forming - Part 1 أساسيات تشكيل المعادن

Introduction
Overview of Metal Forming
Material Behavior in Metal Forming

Forming, metal forming, is the metalworking process of fashioning metal parts and objects through mechanical deformation; the workpiece is reshaped without adding or removing material, and its mass remains unchanged. Forming operates on the materials science principle of plastic deformation, where the physical shape of a material is permanently deformed. Metal forming tends to have more uniform characteristics across its subprocesses than its contemporary processes, cutting and joining. On the industrial scale, forming is characterized by: Very high loads and stresses required, between 50 and 2500 N/mm2 (7-360 ksi) Large, heavy, and expensive machinery in order to accommodate such high stresses and loads Production runs with many parts, to maximize the economy of production and compensate for the expense of the machine tools Forming processes tend to be categorised by differences in effective stresses. These categories and descriptions are highly simplified, since the stresses operating at a local level in any given process are very complex and may involve many varieties of stresses operating simultaneously, or it may involve stresses which change over the course of the operation. Compressive forming involves those processes where the primary means of plastic deformation is uni- or multiaxial compressive loading. Rolling, where the material is passed through a pair of rollers Extrusion, where the material is pushed through an orifice Die forming, where the material is stamped by a press around or onto a die Forging, where the material is shaped by localized compressive forces Indenting, where a tool is pressed into the workpiece

تشكيل المعادن يعتبر تشكيل المعادن من أهم طرق الإنتاج في الصناعات الميكانيكية وتعتبر طريقة تشكيل المعادن بالضغط من أهم طرق التشكيل، وقد تجري علي الساخن أو على البارد . و تعتمد الطرق المختلفة لتشكيل المعادن بالضغط علي خواص لدونتها أي على قدرة المعدن على تغيير أبعاده وشكله تحت تأثير القوي الخارجية المؤثرة عليها دون أن تتحطم أو تتلف، مع احتفاظها بالشكل الذي اكتسبته بعد إزالة القوي الخارجية المؤثرة. و عند تشكيل المعادن بالضغط تتغير كذلك خواصها الميكانيكية وبنيتها الداخلية . و عمليات التشكيل هذه متنوعة ومتباينة، وتشمل علي: عمليات الطرق والحدادة، عمليات الدلفنة، عمليات البثق، عمليات السحب، عمليات الثني، عمليات التقبيب. كما أن هناك عمليات تشكيل أخرى خاصة، وسوف نتناول بعض من هذه العمليات وبعض أنواع الماكينات المستخدمة في عمليات الإنتاج هذه. تجري عمليات الطرق والكبس بإستعمال المطارق و المكابس فإذا كان الطرق يجري بين سطحين مستويين يسمي بالطرق الحر أو الحدادة الحرة، أما إذا كان يجري بإستعمال قوالب الكبس (الاسطمبات) فيسمي بالكبس في الاسطمبات، والكبس في الاسطمبات يمكن أن يكون فراغيا أو مستويا، ففي الحالة الأولي تكون الخامة عبارة عن قضيب أو مسبوكة، وفي الحالة الثانية عبارة عن شريحة. أما عملية الدلفنة فهي عبارة عن عملية ضبط المعدن بين إسطوانتين (دلفينين) دائرتين لماكينة الدلفنة ليشكل حسب الأشكال والأبعاد المطلوبة. أما عملية البثق فهي تتلخص في ضغط المعدن الموجود داخل قالب مغلق حتي ينبثق من فتحة خاصة به وتنتج بالبثق المواسير و القضبان من المعادن والسبائك المختلفة. و يمكن اختيار قابلية التشكيل للمعادن بواسطة عدة اختبارات منها على سبيل المثال قابلية المعدن للشد والضغط. مما سبق يمكن الإستنتاج أن عملية الإنتاج بالتشكيل هي:
"العملية التي يتم فيها تغيير شكل وأبعاد الخامة إلي شكل وأبعاد المنتج المطلوب بدون إزالة رايش".
ترتبط جزيئات المعدن وتتماسك مع بعضها بقوة داخلية تسمي قوة الربط، هذه القوة تقاوم تأثير أي قوة أو حمل خارجي واقع علي هذه الكتلة المعدنية، وقوة الربط الداخلية تختلف في قيمتها من معدن إلي آخر.
كما ثبت ان عملية التشكيل عبارة عن وصول المعدن إلي نقطة الرضوخ أي إلي الدرجة التي لا يمكنه مقاومة القوة الخارجية لكبرها ويحدث الانزلاق بين الجزيئات أي بين طبقات المعدن ويحدث في النهاية التشكيل المطلوب. و قد وجد بأن قوة التماسك بين الجزيئات في المعدن الواحد تتوقف قيمتها علي درجة حرارة المعدن، إذ أن قوة مقاومة المعدن للتشكيل تقل بازدياد درجة حرارة المعدن.
كلما ارتفعت درجة حرارة المعدن، قلت القوة اللازمة لتشكيله، ولكن إذا زادت درجة حرارته إلي أكثر من الحد المناسب تزداد فرصة تأكسد السطح الخارجي للمعدن وفي هذه الحالة تظهر الأكاسيد علي هيئة قشور تتساقط أثناء التشكيل وقد تشوه سطح المنتج المشكل، وتصل قيمة هذه القشور في العادة إلي 3% من وزن المنتج وقد تصل إلي 7%. كما أن الحرارة المرتفعة تتسبب في زيادة حجم بلورات و جزئيات المعدن وهذا يؤدي إلي انخفاض خواص المعدن الميكانيكية وقد يتسبب عنها ظهور شروخ أثناء التشكيل أو بعده.
لذلك يجب أن تسخن المعادن المراد تشكيلها علي درجة حرارة معينة هي درجة الاحمرار حتي لا تحتاج لقوة تشكيل أكبر ولو زادت عنها سببت التأكسد والتشق و الشروخ. و لكن في العادة تسخن المعادن أعلي بقليل عن درجة التشكيل، فمثلا لو كانت درجة التشكيل 650° م فلابد من تسخين المعدن إلي حوالي 700° م حتي نضمن عدم انخفاض درجة حرارتها عن الدرجة المطلوبة وهي 650° م أثناء التشكيل.