فناوریهای پیشرفته شکلدهی قطعات یکپارچه با ابعاد و ساختارهای بسیار بزرگ
۱. مقدمه و ضرورت موضوع
با تشدید مسائل زیستمحیطی، انرژی و ایمنی، تقاضا برای قطعات یکپارچه با ابعاد بسیار بزرگ رو به افزایش است. این قطعات در کاربردهایی نظیر گنبد مخزن پیشران موشکهای ماهوارهبر، فلنج مخازن تحت فشار بزرگ و صفحات آببندی نیروگاههای هستهای استفاده میشوند و ویژگیهایی مانند دیوارههای نازک و پیچیده، ریبهای بلند و ابعاد بسیار بزرگ دارند. برای نمونه، گنبد مخزن فضاپیمای «چانگژنگ-۸» قطری معادل ۳.۳۵ متر و نسبت ضخامت به قطر کمتر از ۰.۲ درصد دارد.
روشهای سنتی مونتاژ و جوشکاری قطعات مجزا پیامدهایی مانند ایجاد درزهای جوش، کاهش بازده تولید، تنشهای پسماند شدید و افزایش وزن سازه را به همراه داشت. با بهرهگیری از فناوری هیدروفرمینگ ورق، امکان شکلدهی یکپارچه فراهم شد که موجب حذف درز جوش ۳۰ متری و افزایش ظرفیت تحمل فشار از ۰.۶۸ به ۱.۰۲ مگاپاسکال گردید.
چالشهای اصلی تولید چنین قطعاتی شامل اثرات مقیاس، رفتار متفاوت مواد در دماها و شرایط تنش مختلف، و پیچیدگی تغییر شکل پوستههای بسیار بزرگ است. این مقاله با تکیه بر تجربه نزدیک به ۳۰ سال نویسندگان و با استناد به جوایز ملی علم و فناوری چین (۲۰۱۱ و ۲۰۱۸)، به بررسی اصول، فناوریهای کلیدی، کاربردهای صنعتی و چالشهای موجود میپردازد.
۲. شکلدهی قطعات ورقی با ابعاد بسیار بزرگ
سهم ورقهای فلزی در صنایع هوافضا و خودروسازی به بیش از ۵۰ درصد میرسد. رایجترین روش شکلدهی ورق، پرسکاری (Stamping) است که با استفاده از پرس، سنبه و قالب صلب انجام میشود. اما برای ورقهای فوقنازک (ضخامت ≤ ۰.۲ میلیمتر) و فوقضخیم (ضخامت > ۶ میلیمتر)، روشهای خاصی توسعه یافته است.
۲.۱. شکلدهی ورق فوقنازک با قالب انعطافپذیر
ورقهای فوقنازک به دلیل سختی خمشی پایین و تمرکز تنش بالا، دچار نازکشدگی موضعی و چروکخوردگی میشوند. نویسندگان ساختار قالب انعطافپذیری طراحی کردند که در آن یک قالب صلب با یک قالب لاستیکی جایگزین میشود. فرآیند شکلدهی به دو مرحله تقسیم میشود: (۱) کشش ورق فوقنازک به سمت حفره قالب صلب با استفاده از قالب لاستیکی، و (۲) شکلدهی نهایی و منطبقسازی با قالب. نتایج نشان داد که این روش موجب کاهش تمرکز تنش، بهبود وضعیت تنش و افزایش ۸.۳ و ۱۳.۹ درصدی حد شکلپذیری میشود.
۲.۲. برش دقیق قطعات ورق بسیار ضخیم
ورقهای فوقضخیم (ضخامت > ۶ میلیمتر) در قطعات ماشینآلات دقیق، خودرو، الکترونیک و هوافضا کاربرد دارند. روش سنتی پرسکاری و جوشکاری موجب مصرف بیشتر مواد و انرژی و تضعیف خواص مکانیکی میشود. فاینبلنکینگFine) Blanking)یک فرآیند شکلدهی و جداسازی با بهرهوری بسیار بالا است که قطعاتی با ریزساختار عالی، دقت ابعادی بالا و خطوط جریان فلزی منظم تولید میکند.
نویسندگان روش «شکلدهی مبتنی بر نرمسازی تنشی» را پیشنهاد کردهاند که در آن با اعمال تنش هیدرواستاتیک سهجهته، از تشکیل هسته و رشد حفرات میکروسکوپی جلوگیری شده و ظرفیت تغییر شکل پلاستیک به شدت افزایش مییابد. در این فرآیند از سه جزء مستقل (نگهدارنده ورق، سنبه مقابل و سنبه اصلی) استفاده میشود. با یک مرحله برش دقیق، قطعهای با دقت ابعادی IT6-8 و مقطع کاملاً صیقلی به دست میآید.
نویسندگان ماشینهای هیدرولیک فاینبلنکینگ با ظرفیت ۲۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ کیلونیوتن طراحی و ساختند. چرخدنده تولیدشده به این روش دارای نسبت بهرهوری مقطع خالص ۹۲.۲ درصد و نسبت بهرهوری مقطع خالص تقریباً ۹۹.۸ درصد است.
۲.۳. هیدروفرمینگ قطعات ورقهای بسیار بزرگ
شکلدهی ورقهایی با قطر بیش از ۳ متر یا نسبت ضخامت به قطر کمتر از ۲.۲ درصد با چالشهای ناپایداری نظیر چروکخوردگی و شکست مواجه است. فرآیند هیدروفرمینگ ورق (SHP) با تغییر وضعیت تنش، این مشکلات را برطرف میسازد. در ناحیه بدون تکیهگاه، فشار سیال موجب تغییر شکل معکوس ورق شده و وضعیت تنش را از حالت ترکیبی کششی-فشاری به کشش دومحوره تغییر میدهد.
نویسندگان فرآیند «شکلدهی هیدرولیکی ورق با فشار دوطرفه» (DSHF) را توسعه دادند که در آن دو فشار سیال به دو طرف ورق اعمال میشود. با کنترل نسبت فشار دوطرفه (λ = Pup/Pdown)، ورق فلزی تحت شرایط تنشی مناسب تغییر شکل میدهد. نتایج نشان داد که روش DSHF توزیع ضخامت را بهبود بخشیده و یکنواختی ضخامت قطعات آلیاژ آلومینیوم را ارتقا میدهد.
برای فلزات با شکلپذیری ضعیف در دمای اتاق)مانند آلیاژهای( Al-Mg ، روش «هیدروفرمینگ گرم» پیشنهاد شده است. همچنین پدیده اثر تقویت دوگانه (DEE) در دماهای بسیار پایین (نیتروژن مایع) نشان میدهد که میزان ازدیاد طول کل و شاخص سختکاری کرنشی ورقهای آلیاژ آلومینیوم میتواند به ترتیب به بیش از ۴۰ و ۰.۴ درصد افزایش یابد که تقریباً دو برابر مقادیر دمای اتاق است.
نویسندگان با استفاده از DSHF، یک گنبد دایرهای با قطر ۳ متر و نسبت ضخامت به قطر کمتر از ۲ در هزار تولید کردند. همچنین گنبد مدور مخزن موشک از آلیاژ آلومینیوم ۲۲۱۹ با قطر ۲.۲۵ متر ساخته شد.
۳. شکلدهی قطعات حلقوی با ابعاد یا ساختار فوقالعاده بزرگ
حلقههای واسط بزرگ از جنس آلیاژ آلومینیوم-مس (Al-Cu) قطعاتی هستند که لوله، پوستههای کوتاه و گنبد مخازن را به یکدیگر متصل میکنند. حلقههایی با دیوارههای نازک و تیغههای بلند، به عنوان سازههای اصلی تحملکننده بار در صنایع هوافضا کاربرد دارند. در فرآیند نورد حلقهای، حلقهای با قطر خارجی بیش از ۴ متر «حلقه فوقبزرگ» محسوب میشود.
۳.۱. نورد حلقهای شعاعی-محوری (RARR)
فرآیند RARR یک فرآیند پیچیده، پویا و بسیار منعطف است. در این فرآیند، نیروی هدایتکنندهای که توسط غلتک هدایت اعمال میشود، نقشی حیاتی ایفا میکند. نویسندگان یک مدل المان محدود هوشمند سهبعدی از فرآیند نورد چرخشی با کنترل تطبیقی طراحی کردند. نتایج نشان داد که قطر محصول به ۱۴۵۱ میلیمتر میرسد و خطاهای گردی آزمایش و شبیهسازی به ترتیب ۴.۳۳ و ۲.۳۱ میلیمتر است.
نویسندگان با تدوین یک مدل ریاضی برای بررسی شرایط صلیت حلقههای RARR، به تحلیل عوامل مؤثر بر صلیت حلقه پرداختند. یک حلقه فوقبزرگ با موفقیت در آزمایش نورد حلقه به کار گرفته شد و خطای گردی حلقه نوردشده نهایی ۱۳ میلیمتر به دست آمد.
۳.۲. شکلدهی شکلدهی شعاعی پوستهای (Envelope Forming)
چرخدندهها از اجزای مهم در انتقال نیرو هستند که ویژگی بارز آنها داشتن مدول (سختی) بالا است. روشهای سنتی معمولاً باعث قطع خطوط جریان فلز و کاهش کیفیت قطعه میشوند. آهنگری چرخشی تنها برای شکلدهی قطعات دورانی کاربرد دارد و نمیتواند قطعات غیردورانی را تولید کند.
نویسندگان فرآیند جدیدی به نام شکلدهی پوششی چرخدنده (Gear Enveloping) پیشنهاد کردند که با تلفیق اصول «ترازکاری غلتکی» و «درگیری چرخدنده شعاعی پوسته ای»، امکان دستیابی به شکل نهایی (یا نزدیک به نهایی) برای قطعات غیردورانی فراهم میشود. در این فرآیند، قطعهکار تحت حقوقی ثابت با سرعت پایین، قالب پایینی ثابت و قالب بالایی با سرعت پیشروی به سمت قالب پایینی حرکت میکند.
نویسندگان تکنیک نورد حلقهای با اعمال قید (CRR) را برای حلقههای مخروطی دارای پرههای عرضی پیشنهاد کردند. در فرآیند CRR، حلقههای مخروطی تغییرشکلیافته دارای دو پره هستند و یک فصلمشترک جریان جداگانه (separated-flow interface) شکل میگیرد. کیفیت شکلدهی TRTWHIR به دلیل وجود دو فصلمشترک جریان جداگانه، کنترل دشوارتر است.
اصل فرآیند شکلدهی شعاعی پوسته
نویسندگان با کنترل زاویه نوسان و میزان پیشروی، یک قاب گوشی با دیوارههای نازک، ضخامت متغیر و برجستگیهای ریز و پیچیده تولید کردند. ابعاد سهبعدی این قطعه عبارتاند از: طول ۱۴۷.۵۶ میلیمتر، عرض ۷۴ میلیمتر و ضخامت ۸.۸۴ میلیمتر که نازکترین بخش آن ۲.۰۴ میلیمتر ضخامت دارد.
در جدیدترین دستاوردها، فرآیند «شکلدهی شعاعی پوستهای» (Radial Envelope Forming) برای تولید قطعات CRTHWHR با عملکرد بالا معرفی شده است. یک نمونه قطعه CRTHWHR با قطر ۳۰۰ میلیمتر، حداکثر ارتفاع پره ۲۵ میلیمتر، حداقل ضخامت پره ۳ میلیمتر و ضخامت پوسته ۵ میلیمتر تولید شد. نسبت حداکثر ارتفاع پره به حداقل ضخامت پره به ۸.۳۳، نسبت حداکثر ارتفاع پره به ضخامت پوسته به ۵ و نسبت قطر به حداقل ضخامت پره به ۱۰۰ میرسد. نویسندگان نخستین تجهیزات شکلدهی پوستهای جهان با ظرفیت ۸۰۰۰ کیلونیوتن را ابداع کردند.
۴. شکلدهی قطعات لولهای با ابعاد بسیار بزرگ
سازههای توخالی با مقاطع پیچیده به طور گسترده در تجهیزات حملونقل استفاده میشوند. این قطعات اغلب دارای ابعاد بسیار بزرگ، طول بسیار زیاد و تغییرات شدید در قطر هستند.
۴.۱. شکلدهی با گاز داغ قطعات لولهای بسیار بلند
هیدروفرمینگ لوله یک شیوه عالی برای شکلدهی یکپارچه است، اما برای موادی با شکلپذیری پایین در دمای محیط مناسب نیست. افزایش دمای سیال شکلدهنده موجب جوشیدن آن میشود. پژوهشگران فرآیند «شکلدهی با گاز داغ» (HMGF) را توسعه دادند که در آن با استفاده از گاز داغ و افزایش دمای شکلدهی، شکلپذیری ماده بهبود مییابد. هنگامی که دما از ۰.۴Tm فراتر میرود، گاز به عنوان محیط شکلدهی انتخاب میشود.
در HMGF، قطعه فوقطویل دارای انحنای پیچیدهای در امتداد محور و سطح مقطع هندسی نامنظمی است. حداکثر دمای شکلدهی این دستگاه از ۹۰۰ درجه سانتیگراد و حداکثر فشار آن از ۷۰ مگاپاسکال فراتر میرود. مجموعهای از معادلات ساختاری (کانستیتوتیو) برای توصیف رفتار رئولوژیکی بر اساس مکانیزم تغییر شکل تدوین شده است که پارامترهای ریزساختاری و مکانیکی را به طور همزمان در نظر میگیرند.
۴.۲. کلهزنی-برجستهسازی لوله (TUBG)
نویسندگان فرآیند جدیدی به نام «کلهزنی-برجستهسازی لوله» (TUBG) پیشنهاد کردند. در مقایسه با روشهای سنتی، در فرآیند TUBG لوله صرفاً تحت یک عملیات واحد برجستهسازی با ضخیمسازی قرار نمیگیرد، بلکه در بخشهای مختلف همان لوله، تغییراتی شامل هر دو فرآیند برجستهسازی و ضخیمسازی رخ میدهد. ابتدا لوله تحت حمایت فشار داخلی، تغییر شکل کلهزنی را تجربه میکند تا با قالب منطبق شود؛ سپس فشار سیال به گونهای تنظیم میشود که بخش باقیمانده از لوله خام دچار ضخیمسازی شده و با قالب انطباق یابد.
نویسندگان مدل اصلاحشدهای برای TUBG ارائه کردهاند که شامل ضرایب تصحیح است و به منظور محاسبه فشار داخلی بحرانی مورد نیاز برای پشتیبانی از لوله و جلوگیری از چروکخوردگی به کار میرود. فشار مورد استفاده در این فرآیند باید در محدوده Pc1 و Pc2 باشد. برای نازل موتور موشک با قطر انتهای کوچک ۷۵ میلیمتر و قطر انتهای بزرگ ۲۰۰ میلیمتر، با استفاده از روش TUBG میتوان لولهای با قطر ۱۵۰ میلیمتر را تحت فشار تنها ۲۱ مگاپاسکال و بدون ایجاد هیچگونه چروک یا پارگی، به ابعاد مورد نیاز شکل داد.
5. نتیجهگیریها
۱( این مقاله به بررسی روشهای برتر در شکلدهی قطعات یکپارچه با ابعاد و ساختارهای بسیار بزرگ میپردازد. اصول شکلدهی، فناوریهای کلیدی و کاستیهای موجود برای کاربردهای شاخص، بهطور دقیق خلاصه و تحلیل شدهاند.
۲( تغییر وضعیت تنش در شکلدهی قطعات یکپارچه نقشى حیاتی دارد. اعمال تنش فشاری عمودی برای قرار دادن ورقها در وضعیت تنش سهبعدی، روشی مؤثر است که به بهبود قابلیت شکلدهی و تضمین کیفیت کمک میکند.
۳( تضمین ویژگیهای ریزساختاری برای قطعاتی با ساختارهای پیچیده و خاص که تحت تغییر شکل پلاستیک شدید قرار میگیرند، حائز اهمیت است. کنترل دقیق سرعت، دما و میزان تغییر شکل باید مد نظر قرار گیرد.
۴( هنگامى که امکان تولید قطعات یکپارچه با ابعاد یا ساختارهاى بسیار خاص به روشهاى متداول وجود ندارد، ترکیب روشهاى پیشرفته شکلدهى راهکارى مؤثر محسوب مىشود. براى نمونه، روش «شکلدهى پوششى» با تلفیق اصول نورد حلقهاى و آهنگری چرخشى، امکان تولید حلقههاى استوانهاى با دیواره نازک و پرههاى بلند را فراهم مىآورد.
۵(تولید قطعات یکپارچه با ابعاد یا ساختارهای بسیار خاص، به تجهیزات پیشرفته مجهز به سیستمهای کنترل دیجیتال و هوشمند نیز وابسته است که اهمیتی همتراز با سایر عوامل دارد.
اصطلاحات:
SHP: Sheet hydroforming process
DSHF: double-sided pressure sheet hydro forming
DEE: dual enhancement effect
RARR: Radial-axial ring rolling
CRR: constraint ring rolling
HMGF: hot metal gas forming
TUBG: tube upsetting-bulging
THFG: tube hydro-forging
منبع:
Advanced forming technologies for integrated metal components with extreme size and structure: State-of-the-art and perspectives (Chinese Journal of Mechanical Engineering 39 (2026) 100027)