در مرحله ی تولید میلگرد که معمولا از بیلت و یا ورق های ضایعاتی بدنه ی کشتی و کنار ورق ها تولید می شود ورق ها را با محاسبه ی با قطر میلگرد به صورت مقطع های مکعب مستطیل با طولهای حدودا یک سوم طول میلگرد نهایی قطعه قطعه می کنند و در کوره با سوخت مازوت و کازوییل در حرارت ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد می گذارند و پس از آنکه ورق ها به صورت کامل و یکنواخت سرخ شدند آنها را در سه مرحله زیر غلطک های مختلف قرار می دهند نورد میکنند و در این سه مرحله تدریجا مقطع مستطیل را به دایره تبدیل میکنند.
روانکارهای دستگاه نورد:
در پروسه ی نورد میلگرد سرد کردن غلطک ها و محصول نورد شده ، یک اصل مهم است. در نتیجه روانکارها هم به منظور سرد کردن و هم برای روانسازی به کار برده می شود. اگر برای یک ماده مشخص، هر دو هدف بالا برآورد نشود آنگاه عامل روانکاری به صورت مخلوط یا محلول در خنک کننده به کار برده می شود.
انتخاب روانکار مناسب به وسیله ی نیازهای ویژه فرایند تعیین می شود بنابراین روانکارهای با گرانروی بالا یا حتی روانکارهای جامد ممکن است برای کاهش اصطحکاک استفاده شود و همچنین ممکن است یک روانکار مناسب برای بهبود سطح نهایی انتخاب شود.
در هر حالت اصطحکاک باید به اندازه کافی بالا باشد تا اجازه ورود قطعه کار به فاصله ی بین دو غلطک داده شود. پخ زدن یا قوسی کردن لبه ی انتهای ورق ( بیلت) به پذیرش یا گرفتن بیلت توسط غلطک کمک می کند.
انواع روانکارهای زیر ممکن است برای این امر در نظر گرفته شود:
• روغن های معدنی: این روغن ها روانکار مناسبی برای قطعه کارهایی می باشند که تنها چسبندگی متوسطی را به سطح غلطک ها از خود نشان می دهند. روغن با گرانروی پایین تر برای یک سطح نهایی براق و روغن سنگین تر برای اصطحکاک پایین تر اما سطح نهایی کدر تر انتخاب می شوند.
• روغن های چربی و مشتقات آن: اعضای این گروه به ویژه روغن طبیعی، روغن دانه چغندر و روغن دانه کتان به دلیل در دسترس بودن آنها و گرانروی مناسبشان و روش روانسازی نیمه خشک بطور وسیعی استفاده می شود. اصطحکاک معمولا پایین است و سطح نورد شده کدر است.
• ترکیبات با فشار بالا: ترکیبات غلیظ به ویژه پارافین های کلره برای نورد مواد فعالی نظیر فولاد ضد زنگ استفاده می شود که افزودنی های نیمه خشک در آن موثر نیست.
• روانکارهای جامد: تنها روانکاری جامدی که در مواردی مقبولیت پیدا کرده اند پلی تترا فلوئوراتین (PTFE) می باشد که از توزیع تری کلروتری فلوئورواتان بر روی سطح بیلت قبل از نورد کاری به کار می رود.
کشش سرد
عملیات شیمیایی قبل از کشش:
در این مرحله ابتدا میلگرد نوردی تولید شده را به سالن اسید کاری می برند و در حوض گرم اسید سولفوریک ۹۸٪ در حال جوشش قرار می دهند.اسید شویی باعث می شود آهن با اسید سولفوریک واکنش دهد و گاز هیدروژن آزاد شود این هیدروژن باعث می شود پوسته ی اکسید از سطح میلگرد جدا شود و به اصطلاح میلگرد اکسید ریزی کند زیرا اگر اکسید بر سطح میلگرد باشد به علت سختی زیاد ذرات اکسید و خاصییت سایندگی اش باعث خط وخطوط وخلل وفرج در سطح میلگرد و همچنین خرابی قالب کشش را به همراه دارد. پس از اسید شویی عملیات شیمیایی را بر روی میلگرد اسید کاری شده انجام می دهند .استفاده از این محلول های شیمیایی باعث می شود یک فیلم لغزنده و محافظ در برابر زنگ زدن و خوردگی بر سطح میلگرد تشکیل شود. سپس میلگردها را در خشک کن قرار میدهند تا خشک شده و آماده ی سرتراشی بشوند
سر تراشی:
پس از مرحله ی اسید شویی میلگرد ها را به قسمت سر تراشی می برند و حدود ۱۰ الی ۱۲ سانتی متر از نوک میله را برای عبور از قالب کشش تقلیل قطر می دهند.
کشش یا روزن رانی میلگرد:
در این فرایند شکل دهی میلگرد با قطر بالاتر به یک میلگرد با قطر کوچکتر تبدیل می شود. زمانی که فلز در دهانه ی خروجی یا در پشت قالب تحت یک نیروی کششی قرار می گیرد فرایند شکل دهی را کشش یا روزن رانی می گویند. نیروی لازم برای کشش یا روزن رانی تابعی از کاهش سطح مقطع، زاویه مخروط قالب و اصطکاک است.بعد از سر تراشی میلگرد آماده ی کشش می شود میلگردها را به قسمت کشش برده و نوک سرتراشی شده را به راحتی از داخل قالب کشش عبور می دهند و گیره ی کشش که توسط یک گیربکس قوی و دنده زنجیرساپورت می شود نوک سر تراشی شده میلگرد را گرفته و با نیروی زیاد میلگرد با قطر بیشتر از قالب را مجبور به عبور از داخل سوراخ قالب می کنند. برای مثال میلگرد نوردی با قطر حدودی ۱۵ میلیمتر را به میلگرد ۱۱/۷۵ با تلورانس ۰/۰۱ میلیمترتبدیل می کنند.
در اثر عبور میلگرد از داخل قالب قطر میلگرد کاهش و به طول آن افزوده می شود بنابراین هرچه قطر میلگرد را کمتراز قطر میلگرد اولیه کنیم میلگرد کشیده شده افزایش طول بیشتری پیدا می کند.این تغییر طول با توجه به جدول زیر دقیقا قابل محاسبه می باشد. در این جدول وزن یک کیلوگرم آهن در متر برای قطر های مختلف و در سه مقطع دایروی چهار گوش و شش گوش آورده شده است.
برای مثال میلگرد قطر ۱۰ میلی متر مطابق جدول دارای وزن ۰/۶۱۷ کیلو گرم در هر متر می باشد و هنگام تبدیل و کشش به میلگرد قطر۸ میلی متر که وزن هر کیلوگرم در متر آن ۰/۳۹۵ است با استفاده از تناسب به این صورت محاسبه می کنیم: یک متر میلگرد ۸ میلیمتر ۰/۳۹۵ کیلوگرم وزن دارد حال ۰/۶۱۷ کیلو گرم میلگرد ۸ میلیمتر چند متر است؟
۰/۳۹۵ kg/m 1 متر قطر ۸ ۰/۶۱۷ Kg/m ؟ متر قطر ۸ ۱/۵۶=؟
بنابراین ۰/۵۶ متر تعییرطول
شکل قالب می تواند متناسب با کاربرد، میلگرد، شش گوش و چهار گوش و غیره باشد که میلگرد خام پس از عبور از داخل قالب شکل مورد نظر را به خود می گیرد.
جنس قالب کشش از آلیاژی به نام تنگستن کارباید است و برای روانکاری و خنک کاری عبور میلگرد از داخل قالب از روغن کشش یا پودر کشش استفاده می شود.
حال به مقوله ی خلاصه ی بررسی ها و تحقیقات صورت گرفته توسط اینجانب که در راستای بالا بردن عمر قالب ها و بالا بردن سرعت کشش صورت گرفته می پردازم.
بررسی نقش پارامتر دلتا(Δ) در فرایند کشش مفتول و چگونگی محاسبه ی این پارامتر:
پارامتر دلتا به عنوان پارامتری مهم برای بیان کردن تاثیر هندسه منطقه تغییر فرم در فرایند کشش مفتول مورد بررسی و استفاده قرار می گیرد.
Δ نسبت اندازه ناحیه تغییر فرم عمود بر محور کشش(h) ، به اندازه ناحیه تغییر فرم موازی محور کشش (L) را نشان می دهد) (h/L. این نسبت در واقع همان متوسط قطر در ناحیه مخروطی ،تقسیم بر طول این ناحیه می باشد. h=h0-h1 و αL=h/2sin
بر حسب نیم زاویه قالب (α) و مقدار کاهش سطح مقطع (r) می توان مقدار دلتا را به صورت عبارت( ۱۰۰/r)][1+(1-r)1/2 ]2α [(تخمین زد که α بر حسب رادیان و r به صورت درصد کاهش سطح مقطع سیم تقسیم بر ۱۰۰ می باشد.
در فرایندهای کشش سنتی و معمولی مقادیر دلتا بین ۲/۵ الی ۳ می باشد در حالی که در سیستم کشش جدید این مقدار کمتر یا مساوی ۱/۵ می باشد.
به عبارت دیگر هرچه مقدار زاویه قالب کمتر و مقدار کاهش سطح مقطع بیشتر باشد مقدار دلتا کمتر می شود.
نقش مهم دلتا را می توان در فرایند کشش مفتول و تاثیر آن در جلوگیری و محدود کردن عیوب ایجاد ترک در مرکز مفتول(center-burst) و ترک های سهمی شکل (chevrons cracks) توضیح داد که مقادیر دلتای برابر یا کمتر از ۱/۵ رشد ترک های سهمی شکل را به حداقل کاهش می دهد.
به طور کلی مقادیر پایین دلتا در فرایندهای کشش مفتول، کار اضافی نیاز به فرایند آنیلینگ، فشار قالب و سایش قالب را به حداقل می رساند.
علاوه بر این هنگامی که روانکاری به خوبی انجام گیرد مقدار دلتای پایین می تواند ضریب اصطحکاک را کاهش دهد.
فرمول دلتا اجازه می دهد که تاثیرات زاویه قالب و میزان کاهش سطح مقطع به نحو موثری با یکدیگر ترکیب شده و با تغییرات در کاهش سطح مقطع و زاویه قالب بتوان شرایط بهینه ای برای کشش مفتول فراهم آورد.
از معایب مقادیر دلتای کم این است که نیاز به قالب های با هسته های طولانی تر می باشد و مقدار اصطحکاک نیز در مواقعی که شرایط روانکاری مناسب و بحرانی است بیشتر می شود.
بنابراین می توان با انتخاب مقدار دلتای مناسب:
• میزان فشار بر قالب های کشش و در نتیجه احتمال شکست قالب ها را به شدت کاهش داد.
• در یک سایز ورودی مواد اولیه به دستگاه کشش و شرایط روانکاری و تولید یکسان مفتولی با استحکام و انعطاف پذیری بالاتر تولید کرد.
• مدول الاستیک سیم خروجی از دستگاه کشش را افزایش داد.
• احتمال شکست میلگرد در حین کشش و همچنین بعد از کشش را کاهش می دهد.
• کار اضافی و در نتیجه تنش پسماند روی مفتول را به شدت کاهش داد.
• نیاز به فرایند آنیلینگ در کشش های با در صد کاهش سطح مقطع بالا را حذف کرد.
• سایش قالب ها را کاهش و سرعت کشش را تا حدی افزایش داد.
این محاسبه ی علمی و مقاله های ارایه شده به کارخانه با موافقت بخش فنی باعث شد ساخت قالب به روش روز دنیا و محاسبه ی زاوایای قالب جایگزین روش سنتی و تجربی و نادقیق چشمی شد و بعد از عملیاتی شدن ملاحظه شد که عمر قالب و سرعت کشش تا ۳ برابر افزایش یافت راندمان را بطور شگرفی افزایش داد.
بررسی اصطحکاک و روانکاری مناسب بین قالب و میلگرد:
در شکل دهی فلزات شرایط اصطحکاک بین قالب و میلگرد به عواملی همچون نیرو، چگونگی تغییر فرم خواص نهایی نمونه، زبری سطح و غیره اهمیت زیادی دارد. تنش اصطحکاکی (Ƭ) بر حسب واحد نیرو بر واحد مساحت سطح تماس اندازه گیری می شود.
مساحت سطح تماس مرز فلز تغییر فرم یافته است. بنابراین تنش اصطحکاکی یا مقاومتی همان تنش برشی در مرز آن است. مکانیزم اصطحکاک یک پدیده پیچیده است و به متغییرهای زیادی نظیر جنس ماده ، اندازه و قطر میلگرد و سرعت تغییر فرم، دما و شرایط جوی و غیره بستگی دارد.
برای یک روانکار مشخص عموما از سه مدل برای تشریح اثر آن استفاده می شود. هیدرودینامیکی، روانکاری مرزی و روانکاری هیدرواستاتیکی .
در روانکاری هیدرواستاتیکی که در شکل دهی فلزات متداول است روانکار در هنگام تماس ابزار با نمونه بصورت تعداد زیادی بسته کوچک در سطح نمونه حبس می شود. در تغییر فرم مومنسان فلز سطح میلگرد واپیچیده می شود و نقش سطح قالب را به خود می گیرد. از این رو مساحت واقعی تماس به چسبندگی ویژه ی سطح تماس مربوط می شود و همانند حالت تغییر فرم کشسان صرف نظر نمی شود.
بنابراین اصطحکاک در تغییر فرم مومنسان ضرورتا با اصطحکاک لغزشی در قطعات ماشین متفاوت است. به هر حال سرعتهای نسبی بالا بین قطعه کار و سطح ابزار همراه با فشار زیاد فصل مشترک و یا مد های سنگین تغییر فرم باعث شکسته شدن فیلم سطحی خواهد شد و سطح جدید اجازه خواهد یافت که با سطح ابزار در تماس باشد.
از این رو ایجاد تماس چسبنده تسهیل می شود برای چنین حالتی ضرورتا فلز در حال تغییر فرم در طول سطح ابزار لغزش نمی کند ضمن آنکه فرض عدم وجود هیچگونه لغزش بین قطعه کار(میلگرد) و ابزار(قالب) نیز نادرست می باشد.
برای چنین مکانیزم مرکبی از اصطحکاک که معمولا در شکل دهی فلزات اتفاق می افتد اصطحکاک تابع لغزش و چسبندگی است. از این رو معادله برشی زیر به دست می آید: [P+ AØ]µ = Ƭ
اصطحکاک در شکل دهی با سرعت بالا بین میلگرد و قالب بدین صورت است که با افزایش سرعت بین قطعه کار و ابزار ضریب اصطحکاک کاهش می یابد ولی همزمان با افزایش سرعت ، دما افزایش یافته و اثر روانساز از بین می رود.
به هر حال در سرعت های خیلی بالا ممکن است دمای کافی برای ذوب لایه ی نازکی از فلز در فصل مشترک قطعه کار و ابزار تغییر فرم را فراهم کند تا به عنوان روانکار عمل کند و معمولا به عنوان ناحیه ی سیلان نامیده می شود.
ضخامت این لایه با کرنش خیلی زیاد، در طول وجه ابزار تغییر فرم و در جهت سیلان افزایش می یابد .
این لایه معمولا می تواند به عنوان سیال نیوتنی در نظر گرفته شود و رابطه ی زیر برای آن صادق باشد:
روانکار در حد وسیعی همچون روانسازی هیدرواستاتیکی بوسیله ی روانکار حبس شده عمل می کند که هم روانکار و هم خواص سطحی نمونه و ابزار برای این مکانیزم مهم هستند. خواص روانکار به ویژه از نظر گرانروی و قابلیت تراکم در فشارهای مختلف اهمیت دارد و هر چقدر سرعت تماس بالا تر باشد احتمال حبس روانکار در فصل مشترک بیشتر می شود که باعث جداسازی کامل بین قطعه کار و ابزار می شود که در این حالت روانسازی هیدرو دینامیکی کامل وجود دارد.
هنگامی که فشار فصل مشترک افزایش می یابد گرانروی در فشار واقعی یکی از عوامل مهم خواهد شد. به هر حال هنگامی که یک حرکت نسبی بین سطوح وجود دارد باز و بسته شدن کانالهای تراوش روانکار اهمیت زیادی خواهد داشت.
بدین ترتیب ثابت می شود که شرایط اصطحکاک در تغییر فرم مومنسان بطور خیلی محسوسی مختلف است. مقدار ضریب اصطحکاک در شکل دهی فلزات نیز به عواملی همچون جنس قطعه کار و قالب ، سطح نهایی ، سرعت تغییر فرم ، دما ، نیرو و طبیعت هر عنصر در فصل مشترک روانکار مایع یا جامد بستگی دارد.
به واسطه ی این عوامل ممکن است تعیین صحیح اصطحکاک بین قالب و میلگرد در یک عملکرد یکسان آسان نباشد . این مساله مشکلاتی را در محاسبه عددی نیرو ها و فرایند تغییر فرم ایجاد می کند.
ضرایب اصطحکاک در یک محدوده ی وسیع از ۰/۰۲ تا ۱۰۰ یا بیشتر ( زمانی که چسبندگی کامل رخ دهد ) تغییر می کند. از این رو برای تحلیل فرایند شکل دهی فلزات از یک فرمول تقریبی برای تنش اصطحکاکی استفاده می شود و این به صورت تابعی از فشار عمودی، توپوگرافی سطح، سرعت لغزش، قابلیت تراکم و گرانروی بیان می شود.
مشخص ترین نتیجه ی تجربی اصطحکاک افزایش مقدار کاری می باشد که در صورت نبودن اصطحکاک به آن نیازی نبود. این مطالب تقریبا برای همه ی فرایند های شکل دهی صادق است. با اصطحکاک بیشتر ، نیروی بیشتری برای انجام یک تغییر فرم خاص نیاز می شود در نتیجه باید توجه بیشتری به روش های کاهش ضریب اصطحکاک داشته باشیم.
به هر حال این عامل معمولا عامل اصلی در انتخاب یک روانکار مناسب برای شکل دهی فلز نیست بلکه نکته ی مهمتر حذف خسارات ناشی از تداخل فلز میلگرد به قالب است . عمر قالب می تواند با کاهش اصطحکاک و ممانعت از تماس فلز به فلز طولانی تر شود. به هر حال اگر یک لایه روانکار خیلی ضخیم باشد آنگاه ممکن است یک سطح مات نتیجه شود.
برای ایجاد یک سطح براق ممکن است مجبور باشیم مقداری از بازدهی روانکار را از دست بدهیم.
بعضی از فرایند ها حتی به یک حداقل اصطحکاک خاصی نیاز دارند مثلا برای نورد اگر اصطحکاک خیلی کم باشد غلطک ها آزادانه خواهند غلتید لذا برای بدست آوردن بزرگترین کاهش سطح مقطع ممکن ، در هر پاس یک روانکار نسبتا ضعیف نیاز است.
جدا از افزایش نیروهای خارجی، تنش اصطحکاکی اثر مهمی روی سیلان فلز دارد و ممکن است ناهمگنی شدیدی مانند ترکهای سطحی و عیوب دیگری در محصول کار شده ایجاد نماید بنابراین روانکار عامل مهمی در شکل دهی فلزات می باشد.
در ایران اغلب روانکارها ی شکل دهی فلزات به صورت تجربی و با روش ساده ی سعی و خطا توسعه داده شده اند . گستره ی روانکاری های مورد استفاده از گازها تا جامدات خنثی می باشند اما اکثرا از خانواده سیالات می باشند.
افزودنی ها برای بهبود روانسازی نیمه خشک تحت شرایط مناسبی از دما و فشار با روغن ها یا امولسیون ها ترکیب می شوند.
یک روانکار ایده آل برای شکل دهی فلز باید دارای کارکرد های زیر باشد:
• روانسازی نیمه خشک یا هیدرودینامیکی را در فشار های بالا فراهم کند.
• اصطحکاک سطحی را حداقل کند تا از افزایش دما جلوگیری شود.
• حرارت تولید شده در فرایندهای شکل دهی فلزات را ناپدید نماید.
• میزان سایش در فصل مشترک قطعه کار و ابزار را کاهش دهد.
• از چسبندگی فلز و کندگی قطعه کار و ابزارهای شکل دهی جلوگیری کند.
• آلودگی هایی نظیر ذرات ، کثافات و پوسته را از بین سطوح قالب و میلگرد ناپدید کند.
• به حفظ سطح نهایی مورد نظر و مشخصات متالورژیکی محصول نهایی کمک کند.
روانکاری های مختلفی با اهداف ویژه ای به منظور براورده کردن این نیازها توسعه داده شده اند. اغلب روانکاری های معمول شامل انواع روغنها، ترکیبات شیمیایی، محلول های صابون، فسفات و پوششهای اکسالات هستند.
همچنین عناصر خاصی به عنوان یک عامل ضد جوش و خوردگی به سیالها اضافه می شود.
اکنون پیشرفت در این زمینه باعث استفاده از واکنشهای شیمیایی بین سیال ها و سطوح برای تشکیل لایه هایی با استحکام برشی کم ، نظیر فلوریدها و کلریدها شده است.در حالت های خاصی قرار دادن یک لایه ی نازک از موادی نظیر سرب یا تفلن بین دو سطح نیز مفید است.
آزمایشات نشان داده که برای کاهش اصطحکاک به وسیله ی ارتعاش یا نوسانات نیرو باید در شرایط زیر وجود داشته باشد:
الف) روانکار باید شامل یک عنصر فعال باشد.
ب) ابزار و قطعه کار باید دارای یک تمایل قوی به جوش خوردگی سطحی سرد داشته باشند.
ج) زمان رها شدن نیرو یا دامنه ارتعاش که برای جداسازی جوش خوردگی میکروسکوپی، به اندازه کافی بزرگ باشد و بنابراین سطوح جدید حاصل از اتصالات شکسته شده در معرض روانکارهای فعال قرار گیرد.
عیوب و ناپیوستگی ها:
بعضی از مهمترین عیوب و ناپیوستگی ها که در فرایند بعد از کشش اتفاق می افتد عبارتند از:
• پوسته: این عیب هنگامی ایجاد می شود که مغز محصول سریعتر از پوسته ی آن سیلان کند و باعث شکسته شدن پوسته گردد.
• ترک های مرکزی : هنگامی که سیلان پوسته سریعتر از مغز میلگرد باشد ترک مغزی اتفاق می افتد و مغز شمش دچار ناپیوستگی می شود.
• عیوب حفره ای یا لوله ای : حفره به صورت یک فرورفتگی کوچک در پشت میلگرد شروع می شود و بطور سریعی گسترش می یابد و عیب لوله ای توسعه می یابد.
مراحل کار پس از کشش به روش سرد
پس از کشش توسط دستگاه برش میلگرد را به قسمتهای کوچکتر و بنا به سفارش مشتری که معمولا ۳ متری است برش می زنند که میلگرد ها در این مرحله صاف نیستند و انحنا دارند و استفاده از میلگرد انحنا دار در صنعت ممکن نیست.
برای صاف کردن میلگرد های کشیده شده آن ها را به قسمت تابگیری می برند.
مکانیزم دستگاه تابگیری متشکل از دو غلطک که یکی از آنها محدب و دیگری مقعر می باشد که به صورت زاویه دار روبه روی یکدیگر قرار گرفته اند و دوران میکنند بنابراین میلگرد عبوری از وسط این غلطک ها نیز دوران میکنند وبرایند این دو غلطک محدب و مقعر یک میلگرد صاف و بدون انحنا را تولید می کند.برای روانکاری وخنک کاری در این مرحله از روغن استفاده میکنند.
بعد از اتمام مرحله تابگیری، میلگردها آماده ی استفاده در صنعت می باشند.
