مکانيک ساخت و توليد

 در بعضى موارد، عملى‏ترين و مقرون به صرفه‏ترين كار اين است كه رينگ طرح‏دار را بصورت دو از يك يعنى 2 حلقه از1 حلقه با ارتفاع بزرگتر غلتك كارى كرد. معمولا یک ديواره در وسط ارتفاع رينگ و براى راحتى كار به عنوان جدا كننده قسمت‏ها استفاده مى‏شود و مى‏توان آن را به منزله يك آيينه تلقى كرد گويى آن دو قسمت بالا و پايين، تصوير همديگر در اين آيينه هستند. از آنجاییكه رينگ در دو طرف خط وسط متقارن است چنين رينگ غالبا  از يك گرده اوليه ساده نوردكارى مى‏شود و پيش بينى و كنترل اين رينگ‏ها به مراتب از رينگ‏هاى غيرمتقارن كه به تنهايى تحت نورد قرار مى‏گيرد راحت‏تر است. با بهينه كردن ساختار و طرح دستگاه‏ها و آشنا شدن با سبك كنترل كامپيوترى، محدوديت‏هاى مربوط به قوانين قديمى درباره نسبت‏هاى عملى ارتفاع رينگ به ديواره رينگ (نسبت 1 به 4 براى استوانه‏ها و نسبت 4 به 1 براى رينگ‏هاى واشر مانند تخت) جايگاه خود را از دست مى‏دهد. واشرهايى با نسبت ديواره به ارتفاع 1 و استوانه‏هايى با نسبت 1 به 16 در همان دستگاه پرداخت غلتك كارى شعاعى - محورى نورد رينگ شده‏اند. قابل توجه اين كه، با استفاده ويژه از گرده‏هايى كه بصورت لوله‏اى شكل آماده شده‏اند مى‏توان استوانه‏هايى با نسبت‏هاى ديواره به ارتفاع 1 به 28 با مواد مختلف  نورد كرد.

 در اواسط قرن نوزدهم توسعه سريع سيستم‏هاى راه آهن باعث شده كه نياز به چرخ‏هاى راه آهن افزايش پيدا كند. در ابتدا اين قطعات به طرز دشوارى با استفاده از چكش‏هاى آهنگرى توليد مى‏شدند. اما بالاخره در اوايل سال 1852، يك ماشين غلتك كارى چرخ در انگلستان ساخته شد. با افزايش توليد اين ماشين‏ها، كارآيى توليد و توانايى شكل دادن بيشتر به چرخ‏  نيز بهبود يافت. ماشين‏هاى ابتدایى دستگاه‏هايى بودند كه فقط با مسير شعاعى رينگ توليد مى‏كردند. در اين ماشين‏ها از يك جفت غلتك ساده استفاده شده و ارتفاع رينگ‏ها توسط يك ابزار با شكل مخصوص كنترل مى‏شود. اين ماشين‏ها در دو نوع اصلى وجود داشتند. اساس وضعيت صفحه‏اى كه رينگ در طى فرايند نورد روى آن قرار مى‏گرفت به دو گروه عمده زير تقسيم بندى مى‏شدند:

1)نورد رينگ افقى، كه رينگ حول محور عمودى خودش دوران مى‏كند.

2)  نورد رينگ عمودى، كه رينگ حول محور افقى خود دوران مى‏كند.

  قطر رينگ‏ها در ماشين‏هاى عمودى، با ملاحظات عملى ارتفاع از كف زمين نسبت به موقعيت قطعه كار در محدوده خاصى قرار مى‏گيرد. اما در ماشين‏هاى از نوع افقى فقط فضاى كف زمين، قطر رينگ را محدود مى‏كند. در ماشين‏هاى افقى بعضى تجهيزات مانند غلتك اصلى (ماشين‏ها‏تر) يا سنبه در ماشين عمودى به عنوان تكيه گاه‏هاى رينگ بكار مى‏روند. با وجود اينكه اين فرايند گستره وسيع‏ترى از رينگ‏ها را شامل مى‏شود وجود عيب اساسى در غلتك كارى تك مسيره (نقص در وجوه انتهايى) موجب توجه بيشتر به غلتك كارى دو مسيره شده است . در دهه اول قرن بيستم ماشين‏هاى افقى آب - هيدروليكى با دريچه‏هاى اتوماتيك، برخلاف ماشين‏هاى تك مسيره اوليه، با تكنيك جديد دو مسيره به منظور كاهش ارتفاع محورى، طراحى و ساخته شدند. اين ماشين‏ها اصطلاحاً ماشين‏هاى محورى - شعاعى نام گرفتند .

ماشين‏هاى كنترل شده محورى - شعاعى كه با سيستم روغن - هيدروليكى كار مى‏كردند و داراى دريچه‏هاى خودكار بودند در اوايل دهه 1960 ميلادى ظهور پيدا كردند. از سال 1930 تا 1980 استفاده سريع و روزافزون ياتاقان‏هاى غلتكى نياز به گونه ويژه‏اى از رينگ‏هاى شيار را افزايش داد. پوسته داخلى و خارجى ياتاقان‏ها با اندازه‏هاى مختلف ساخته مى‏شوند. اندازه اين پوسته‏ها در محدوده زير تغيير مى‏كند: قطر خارجى از 75 تا 1000 ميليمتر، ارتفاع بين 40 تا 250 ميليمتر و وزنى تا حداكثر 140 كيلوگرم (يا 310 پوند) ماشين‏هاى چند سنبه‏اى توليد انبوه براى سهولت نيل به هدف، طراحى و ساخته شدند. گونه‏هاى مختلف ماشين‏ها در نورد رينگ، به چهار دسته اساسى تقسيم بندى مى‏شوند كه همگى ناشی از طرح‏هاى رو به بهبود و سيستم‏هاى كنترل مى‏باشند. پيشرفت‏هاى سريع در الكترونيك استفاده ازميكروپروسسور و تكنولوژى رايانه‏اى را در ابزار نورد رينگ ممكن ساخته است.  همچنين در 70 سال گذشته بسيارى از ماشين‏هاى مختلف كه داراى هدف‏هاى ويژه‏اى بودند در مراحل گوناگون ساخته شده‏اند. استفاده از ماشين‏هاى عمودى و افقى جهت توليد چرخ‏های آهن در سال‏هاى پيش مرسوم بوده است اما امروزه بندرت استفاده مى‏شوند چون چرخ‏هاى ريخته گرى شده  راه را براى ادامه توليد اين قطعات توسط قالب‏هاى پرسى باز كرده‏اند. چهار نوع اساسى كه قبلاً به آن اشاره كرديم عبارتند  ماشين‏هاى نورد عمودى - ماشين‏هاى نورد افقى محورى - شعاعى - ماشين‏هاى چند سنبه‏اى - ماشين‏هاى چند سنبه‏اى شعاعى محورى اتوماتيك. البته اخيرا، ماشين‏هاى غلتك كارى محورى قالب - بسته (آهنگرى مدارى يا چرخشى) براى توليد رينگ‏ها استفاده مى‏شود. در اين روش گرده سوراخ شده يا رينگى كه از قبل سوراخكارى شده توسط فرايند نورد رينگ ابتدا ساخته مى‏شود و پس از آن بين قالب‏هاى چرخنده شيب‏دار تحت فرايند آهنگرى قرار مى‏گيرد. قابل توجه است كه نيروى مورد نياز در آهنگرى حلقوى براى ابعاد بسيار دقيق در محدوده سطح مقطع پيچيده، تنها كسرى از نيرويى است كه در ساير فرايندهاى آهنگرى جهت تغيير شكل لازم است. تلاش‏هاى گذشته براى بكارگيرى اصول آهنگرى چرخشى (مدارى) با موفقيت‏هايى روبرو شده است. طراحى ماشين‏هاى مدرن و استفاده از روش‏هاى جديدتر، ساخت ماشين‏هاى پردوام‏تر را  حایز اهمیت ساخته است.

نحوه عمل يك ماشين نورد رينگ از نوع محورى - شعاعى

غلتك اصلى با يك سرعت ثابت كه از قبل تعيين شده است چرخش مى‏كند. در حاليكه سنبه به ديواره رينگ فشار مى‏آورد، رينگ شروع به گردش مى‏كند و اين به نوبه خود باعث مى‏شود كه سنبه شروع به چرخش كند. يك پوسته ياتاقان كه يك جفت غلتك مخروطى را بطور جداگانه نگه مى دارد ‏به گونه‏اى كه اين غلتك‏ها، وجوه انتهايى گرده رينگ را بپوشاند. غلتك مخروطى پايينى در يك موقعيت ثابت نگه داشته مى‏شود به گونه‏اى كه سطح بالايى غلتك به طور نمونه، 3 تا 5 ميليمتر بالاتر از سطح صفحه ميز كار باشد. هر دو غلتك مخروطى حركت چرخشى داشته و غلتك بصورت هيدروليكى حركت داده مى‏شود. غلتك بالایى براى كاهش ارتفاع محورى رينگ به سمت غلتك پايينى مى‏لغزد. همينطور كه قطر حلقه بزرگ مى‏شود، غلتك‏هاى مخروطى عقب مى‏كشند تا فاصله بين اين غلتك‏ها تا وجوه انتهايى رينگ حفظ شود. يك چرخ رسام كه روى شكاف‏هاى تك محورى سوار شده است با قطر خارجى رينگ در تماس مى‏باشد. قطر رينگ هم با اندازه‏گيرى جابجایى نسبى چرخ رسام و حامل غلتك محورى كنترل مي گردد. يك جفت بازوى مركزى هيدروليك كه توسط دو چرخدنده تكه‏اى به هم متصلند براى اين است كه رينگ‏ها در هنگام تغییر شكل گرد باقى بمانند و همچنين نسبت به محور طولى ماشين در موقعيت دقيق و صحيح قرار داشته باشند. غلتك‏هاى متصل به اين بازوها با سطح خارجى رينگ در تماس هستند. بارهاى اعمالى بر دو لغزنده(به عنوان سلول‏هاى بار معرفى مى‏شوند) هر گونه اختلاف نيرويى را نسبت به غلتك مركزى آشكار مى‏كنند.  با استفاده از سيستم كنترل ماشين ، سلولهاى باز باعث تنظيم سريع و سرعت عالى غلتك محورى مى‏شود كه اين عامل باعث حذف هر گونه نيروى نامتعادل مى‏گردد و باعث مى‏شود رينگ در طى فرايند نورد در موقعيت دقيق و صحيح خود باقى بماند.

غلتك‏هاى مركزى تضمين مى‏كنند كه رينگ بصورت گرد و در موقعيت صحيح خود نسبت به محور طولى ماشين باقى بماند رابطه بين كاهش محورى (ارتفاع) و شعاعى (ضخامت ديواره)، قبل از نورد براى اطمينان از عدم وجود نقايص سطحى رينگ انتخاب مى‏شود و كيفيت سطح توسط كامپيوتر كنترل مى‏شود. به طور مشابه، الگو و نمودار افزايش قطر از قبل بررسى و معين شده و سپس توسط كامپيوتر كنترل می گردد. اپراتور دستگاه بايد گرده رينگ را با توجه به ابعاد آن روى دستگاه تنظيم كند و پس از آن چرخه غلتك كارى شروع مى‏شود.  عمليات غلتك كارى در نورد رينگ درست زمانيكه قطر خارجى و داخلى يا قطر متوسط (كه توسط اپراتور انتخاب شده است) به اندازه‏هاى خود برسد به طور اتوماتيك متوقف مى‏شود. دليل غلبه ماشين محورى - شعاعى، دامنه وسيع قابليت‏هايى است كه توسط اين نوع ماشين منحصر بفرد قابل ارایه است. يك نوع از اين ماشين‏ها با دامنه كارى ميانگين كه داراى ظرفيت نيروى افقى 980 كيلونيوتن، نيروى عمودى 780 كيلونيوتن و توان كلى موتور آن 500 كيلووات می باشد، رينگ‏هايى با محدوده ابعاد زير مى‏تواند توليد كند. رينگ‏هايى با اوزانى در محدوده كمتر از 45 كيلوگرم (100 پوند) تا بيشتر از 2000 كيلوگرم (4400 پوند) و ابعادى در حدود قطر داخلى 300 ميليمتر تا قطر خارجى 3000 ميليمتر و ارتفاع آن 50 تا 500 ميليمتر قابل تولید است.

 تقاضاهاى فوق العاده ضرورى در مورد نورد رينگ مواد سوپرآلياژ (سوپرآلياژها موادى هستند كه مقاومت‏شان در برابر تغيير شكل از آلياژهاى كربنى و فولادهاى آلياژى بيشتر است) باعث پيشرفت و بهبود ماشين‏هاى محورى - شعاعى شده است. اين پيشرفت‏ها در مورد ماشينهايى كه مواد پر مصرف‏تر كار مى‏كنند مفيدتر و پرمنفعت‏تر ظاهر مى‏شود. البته نورد سوپر آلياژها نيروهاى بزرگى مى‏طلبد در صورتيكه با استفاده از ساير آلياژها ميزان اين نيروها كمتر است. به هر حال، مواد گرانتر اگر چه هزينه بالاترى دارند ولى جنس آنها بهتر و شكل‏پذيرى ويژه‏اى از خود نشان مى‏دهند. سيستم‏هاى هدايت كننده در چنين دستگاه‏هايى بايد با اصطكاك بسيار پايينى مواجه باشند به گونه‏اى كه اجزا  مختلف نه سایيدگى زيادى پيدا كنند و نه اينكه دچار خلاصى باشند. بنابراين براى اين منظور از ياتاقان‏هاى هاتيك استفاده مى‏گردد. سيستم‏هاى كنترل ماشين به گونه‏اى طراحى مى‏شوند كه تغيير شكل اجزا ماشين را در چارچوب محورى ماشين جبران يا خنثى كنند. اين اجزا  بارگذارى شده به منظور داشتن بيشترين استحكام و كمترين تغيير شكل طراحى مى‏گردند. اگر طراحى مرسوم تغيير كند سنبه را مى‏توان روى يك پوسته ياتاقان ثابت در پايين و غلتك اصلى روى يك حامل متحرك سوار كرد. بنابراين سنبه مى‏تواند بصورت قلاب در هر دو انتها محكم مى‏شود. اين كار استفاده از سنبه‏هايى را كه قطرشان كمتر است و بهتر مى‏توانند به ديواره رينگ نفوذ كنند ممكن می سازد. در دستگاه‏هايى كه در دهه 1980 براى نورد قطعات هواپيما استفاده مى‏شد، ماکزيمم نيروى محورى و شعاعى با هم برابر و ابعاد كلى دستگاه‏ها و ظرفيت آنها از نظر اندازه رينگ‏ها بالا بود. براى مثال يكى از اين دستگاه‏ها براى نورد قطعاتى با قطر 1250 ميليمتر و ار200 ميليمتر، نيروى محورى و نيروى شعاعى معادل 980 كيلونيوتن مورد نياز است. دستگاه‏هاى قديمى‏تر و آنهايى كه از مواد كم مصرف‏تر استفاده مى‏كنند، نيروى محورى آنها از ماکزيمم نيروى شعاعى‏شان كمتر است. البته دليل بيان اين مطلب اين است كه طراحى اين ماشين‏ها بر اساس  نيروهاى محورى و شعاعى غلتك كارى و با توجه به كاربردشان انجام مى‏گيرد.

توليد و تكنولوژى فرايند نورد رينگ

 با يك نگاه سطحى، فرايند نورد رينگ يك فرايند ساده با ظاهرى فريبنده است اما در نگاه واقعى و در حقيقت اين فرايند بسيار پيچيده و غيرقابل پيش بينى است و هنوز بطور كامل فهميده نشده است. در طول ساليان متمادى، توليدكنندگان دستگاه‏هاى نورد رينگ و كاربران آنها، تاحد زيادى بوسيله تجربه و روش آزمايش و خطا، تكنيك‏هاى توليد را ارتقا و بهبود بخشيدند و از آن پس، امكان توليد رينگ‏هاى طرح‏وار پيچيده از گستره وسيعى از مواد قابل فورجينگ فراهم شده است حتى امروزه بسيارى از ماشين‏هاى نورد رينگ وجود دارند كه براى توليد مطلوب يك قطعه بر مهارت و زبردستى اپراتور دستگاه متكى هستند. به هر حال، فهم روزافزون از رفتار اساسى مواد در طى نوردكارى، به اتصال اين دانش مانند جديدترين تكنولوژى‏هاى كنترل فرايند نورد  و توليد موفقيت‏آميز تجهيزات نوردكارى، منتهى شده است. اولين ماشين نورد رينگ محورى - شعاعى كه توسط كامپيوتر كنترل مى‏شد، در سال 1980 ميلادى بكار گرفته شد. اين ماشينها قادر به نورد رينگ‏هاى بدون عيب و نقص با نسبت‏هاى ديواره به ارتفاع فوق العاده بالا بود با سرعت‏هاى خيلى بالاتر از سرعت‏هاى ممكن در ماشين‏هاى كنترل معمولى كار مى‏كردند. تحقيقات اوليه روى جابجایى نواحى خاصى از ماده تحت فرايند نورد رينگ، متمركز شد. نتايج اين تحقيقات نشان داد كه اگر نواحى لغزشى (مخروطهاى نيرو) روى هم بيافتند در  سطح مقطع رينگ تغيير شكل رخ خواهد داد. نواحى لغزشى براثر فشردگى كه دو غلتك در ناحيه تماس دارند ايجاد مى‏شوند. جابجایى قابل توجه ماده در قطر داخلى رينگ اتفاق مى‏افتد و جابجایى كمترى هم در قطر خارجى رخ مى‏دهد. اما هر دو از جابجایى ماده در قطر ميانگين كه دست نخورده‏تر است جابجایى بيشترى دارند  جريان رگه‏ها آنگونه كه در شكل هم پيداست به صورت محيطى در شكل ثبت شده است.

تحقيقات اساسى در فرايند نورد تك مسيرى - محورى پيش بينى و تأييد كرده است كه ناحيه‏اى از رينگ تغيير شكل مى‏دهد كه اين ناحيه را بند پلاستيكى معرفى مى‏كنيم. اين ناحيه در امتداد قطر غلتك و درست مقابل نقطه تماس رينگ با غلتك است. اين پديده (بند پلاستيكى) به عنوان منبعى براى كنترل چقرمگى رينگ در سرعت‏هاى غلتك كارى بالاست.  اين پديده جالب توجه است و وقتى كه اثرات تركيبى نورد محورى و تغيير شكل پلاستيك مربوط به مفصل بند (hinge) در نقاط مشابه روى يك رينگ در نظر گرفته شود، عملاً اهميت آن بيشتر مى‏شود. به هر حال، تلاشهاى اوليه باعث شد كه درك تئورى مناسبى از اين فرايند پيچيده بدست آيد.

 اين تلاشها و كارهاى بعدى بصورت آشكار سبب گرديد مطالعات تحليلى و تجربى مختلف درباره نورد رينگ از كشورهاى مختلف جهان از قبيل ژاپن، آلمان غربى، كره و ايالات متحده آمريكا در كنار هم جمع آورى گردند. تحقيقات در اين زمنيه، امروزه همچنان ادامه دارد.

 بيشتر اين كارها به منظور بهبود بخشيدن به دقت و صحت مدل‏هاى رياضى اين فرايند است. به همين خاطر براى رسيدن به اين هدف مى‏توان از شبيه سازى‏هاى كامپيوترى بهره گرفت. بنابراين توانايى نورد اشكال رينگى كه غلتك كارى آنها مشكل است، در ماشين‏هاى با خصوصيات اراده قابل پيش بينى‏تر است. همچنين طراحى ماشين بايد به گونه‏اى باشد كه بتوان رينگ‏هاى با اشكال ويژه را توليد و همچنين مواد آن را به درستى معين كرد.

 اكثر ماشين‏هاى نورد رينگ كه از سال 1960 به بعد در سراسر جهان براى كار نصب شدند از آلمان غربى سرچشمه مى‏گيرند. در حقيقت شركت‏هاى آلمان غربى باعث بروز بسيارى از پيشرفتها در اين زمينه خاص فورجينگ شده‏اند. بويژه كه يك محقق در يكى از اين شركت‏ها، تلفيق بین روابط تجربى و تئورى را ارائه داده كه بطور موفقيت‏آميزى در طراحى ماشين نورد بكار گرفته شده است.  يكى از اهداف اوليه در نورد رينگ دو مسيره(محورى – شعاعى) ايجاد شرايطى است كه همزمان با كاهش مسطح مقطع، قطر افزايش پيدا كند (البته بدون ايجاد عيوب سطحى)، بگونه‏اى كه سرعت كافى نيز برقرار باشد. در مسير محورى غلتك، منبع خطایى با توجه عيوب سطوح انتهايى و غيرگرد بودن كامل قطعه كار ايجاد مى‏گردد. براى جلوگيرى از سايش و لغزيدن در وجوه انتهايى رينگ و همچنين كاهش ارتفاع وجود جفت غلتك‏هاى مخروطى لازم و ضرورى مى‏باشد. در اين روش سرعت حركت سطح رينگ و غلتك با سرعت عرض وجوه رينگ مطابقت دارد. براى حفظ اين حالت بدون لقی بايد حامل غلتك محورى در طى غلتك كارى (نورد رينگ) با همان آهنگى كه مركز رينگ حركت مى‏كند (يعنى با نصف آهنگ افزايش قطر) عقب بكشد. يك مزيت ديگر اين اصل عملى اين است كه نيروى عمود ي بيشترى، در ازا يك توان مشخص موتور، مى‏توان بكار برد. زيرا نيروى كمترى در لقی به هدر مى‏رود. بنابراين سطح مقطع‏هاى تخت با نسبت‏هاى ارتفاع به ديواره  تا 16 قابل نورد هستند. عملا در شروع عمليات نورد، اين شرايط ايده‏آل غلتك كارى غالبا بخاطر هندسه گرده و ماشين امكانپذير نيست. مراكز تئورى غلتك محورى مى‏توانند پشت محور گرده قرارداده شوند تا اين امكان براى غلتك‏هاى محورى برقرار شود كه تمام وجوه انتهايى گرده را تحت پوشش قرار بدهد. به علاوه هنگام نورد رينگ‏هايى كه اقطارشان بزرگتر از آن است كه در ابعاد عملى، بدون لغزش باشند، حامل غلتك محورى بايد با همان سرعت افزايش قطر خارجى رينگ، عقب بكشد.