در این مقاله با انواع ماشینهای چکش یا پتک آهنگری آشنا خواهید شد.

راهنمای انواع چکش و پتک آهنگری

حتما در فیلمهای تاریخی تصاویری از کوباندن چکش آهنگری در ساخت شمشیر یا چاقو را دیده اید! ابزاری که بیشترین کاربرد را در آهنگری داشته و امروزه نیز بعنوان یکی از تجهیزات کارآمد و ارزان قیمت مکانیزه شده است، بطوریکه بصورت خودکار بالا رفته و پس از رها شدن با شدت زیادی بر روی سطح قطعه کار کوبیده میشود.

در این راهنما تمامی انواع چکشهای آهنگری بصورت کاملا ساده مورد بررسی قرار میگیرند و انتظار میرود به بخش زیادی از سوالاتتان پاسخ داده باشیم.

پتک یا چکش آهنگری چیست ؟!

در فرآیند آهنگری برای تغییر شکل قطعات، از ضربه زدن یا کوبش استفاده میکنند که یکی از تجهیزات آن، چکش آهنگری یا Forging Hammer است.

چکشهای آهنگری شباهتی به چکشهای دستی و معمولی ندارند و ویژگی مشترکشان بالا رفتن خودکار توسط مکانیزمهای مختلف و رها شدن برای ایجاد ضربه است که میتواند بصورت سقوط آزاد یا با همراهی نیروهای نیوماتیکی، هیدرولیکی و … باشد.

با توجه به اسامی یکسان چکش دستی (Manual Hammer) و دستگاه چکش آهنگری (Forging Hammer Machine) منابع فارسی ترجیح میدهند از عنوان پتک آهنگری استفاده کنند، با این حال از هر دو ترجمه ی چکش و پتک در این راهنما استفاده شده و لازم نیست تفاوتی میانشان قائل شوید.

تفاوت پتک آهنگری با پرس چیست !؟

پتک آهنگری نیرو را در زمان کوتاهتری به قطعه کار اعمال میکند و یک فرآیند تدریجی نیست.

اجزای اصلی چکش آهنگری (+ اصطلاحات مهم)

چکشهای آهنگری اجزای متنوع و متفاوتی دارند که در این راهنما با بخش زیادی از آنها آشنا میشوید، اما بعضی قطعات میانشان مشترک است که نقش کلیدی دارند و متاسفانه از عناوین مختلفی برایشان استفاده میشود، لذا بهتر است برای ابهام زدایی مروری روی آنها داشته باشیم.

اجزای اصلی چکش آهنگری (پتک آهنگری)

کوبه، فک متحرک (Ram)

با در نظر گرفتن چکشهای سنتی، کوبه همان تکه آهن پهنی است که روی میخ یا آهن کوبانده میشود و لذا در این راهنما واژه ی کوبه بعنوان معادل فارسی Ram انتخاب شده است.

همین کلمه در راهنمای ماشینهای پرس، فک متحرک خوانده شده و علتش آهسته بودن سرعت حرکت Ram در ماشینهای هیدرولیکی میباشد که تداعی کننده کوبش نیست.

راهنمای کوبه (Ram Guide)

کوبه در پتک آهنگری فقط بصورت عمودی حرکت میکند و باید حرکات افقی آن محدود شود تا انطباق میان قالبهای بالایی و پایینی برقرار بماند، راهنمای کوبه یا Ram Guide برای مقید کردن کوبه از نظر حرکت افقی است که به طرق مختلف در ماشین آلات در نظر گرفته میشود.

قالب (Die)

دیگر زمان کوباندن چکش روی قطعه کار تمام شده و لازم است تغییر شکل هدفمندتری داشته باشیم! ضمن اینکه تعویض کوبه چندان آسان نیست و بهتر است مستقیما با قطعات در تماس نباشد.

روی کوبه قطعه ای فرم دار نصب میشود تا شکل خاصی را روی قطعه کار ایجاد کند، البته این قطعه به تنهایی کافی نیست و قالب دیگری نیز روبه روی آن قرار میگیرد تا با همکاری هم شکل قطعه کار را تغییر دهند.

در یک تعریف کلی به قطعاتی که شکل سطح آنها روی قطعه کار منتقل میشود قالب یا Die میگویند، اگر یکی از قالبها بالا و دیگری در زیر آن قرار بگیرد به اولی قالب فوقانی (Upper Die) و به دیگری قالب زیرین (Lower Die) گفته میشود.

نکته: در ماشینهای سفارشی سازی شده، مثل خط تولید، ممکن است کوبه مستقیما در تماس با قطعه کار قرار بگیرد. (که در این حالت احتمالا برای شکلدهی قطعه ای کوچک و ساده بصورت فورج باز است)

سندان یا Anvil

سندان ابزاری فلزی از جنس فولاد یا چدن است که در گذشته آهنگران قطعه کار را روی آن میکوبیدند و امروزه نیز در چکش آهنگری، بعنوان بستری برای قالب زیرین در نظر گرفته میشود. (تلفظ صحیح آن Sendan است)

معمولا سطح رویی سندان عملیات حرارتی میشود تا در برابر سایش مقاومت بیشتری داشته باشد و زیر آن نیز تکیه گاهی ضربه پذیر (مانند چوب یا فلزات چقرمه)  قرار میگیرد.

نکته: به ناحیه ی بالایی سندان که در تماس با قالب زیرین است، کلاهک سندان یا Anvil Cap گفته میشود.

 

طبقه بندی انواع پتک آهنگری

همانطور که گفتیم در دستگاه پتک آهنگری هدف کوباندن قطعه در میان دو قالب است، و بر مبنای شیوه ی انجام کوبش این تجهیزات به چند نوع تقسیم میشوند:

۱- اگر کوبه از ارتفاع رها شود تا روی قطعه افتاده و آن را بکوبد اصطلاحا چکش آهنگری از نوع سقوط آزاد یا Gravity Drop است.

۲- اگر علاوه بر نیروی جاذبه، از نیروهای هیدرولیکی، هوا یا بخار آب برای شدت بخشیدن به سرعت و قدرت کوبه استفاده شود، پتک آهنگری از نوع سقوط قدرتی یا Power Drop است.

۳- اگر دستگاه دو کوبه متحرک داشته باشد به آن پتک آهنگری متقابل یا Counter blow گفته میشود.

۴- اگر برای افزایش سرعت (تعداد ضرب چکش در دقیقه) از انفجار استفاده شود، پتک آهنگری از نوع پرسرعت یا انرژی بالا یا High Energy Rate Forging است.

هر یک از این طبقات شامل طراحیها و عملکردهای متفاوتی هستند که در ادامه بررسی میشوند.

۱- انواع پتک آهنگری سقوط آزاد (Gravity Drop Hammers)

در ماشین آلات مربوط به پتک آهنگری سقوط آزاد، کوبه (ram) برای رسیدن به نقطه ی دلخواه بالا کشیده میشود (در این نقطه انرژی پتانسیل تابعی از وزن کوبه و ارتفاع آن است)، سپس با رهایش آن انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل شده و به شکل ضربه روی قطعه کار منتقل میشود.

هر پتک آهنگری که کوبه را بدون نیروی کمکی رها نماید، اصطلاحا Gravity Drop Hammer یا پتک سقوط آزاد است و برمبنای روش بالا کشیدن کوبه انواع مختلفی دارند که بررسی خواهیم کرد.

۱ ۱ – پتک آهنگری کلاچ تخته ای (Board Drop Hammer)

به هیچ وجه ما را بخاطر اصطلاح کلاچ تخته ای سرزنش نکنید! شاید عبارت زیر دقیقتر باشد:

“پتک آهنگری با کوبه بالارونده توسط تخته چوب”

از عنوان معلوم است که کوبه (Board) به یک تخته چوب (Board) متصل شده و با آن بالا کشیده میشود، برای اینکار تخته چوب در میان دو غلتک قرار گرفته و با چرخش آنها بالا میرود.

در ارتفاع مورد نظر، غلتکها تخته چوب را رها میکنند تا کوبه روی قطعه کار کوبانده شود؛ هرچند همانطور که گفتیم کوبه تماس مستقیم نداشته و قالب متصل روی آن (Upper Die) با همراهی قالب متصل به سندان (Lower Die) شکلدهی را انجام میدهند.

برای حفظ دقت میان قالبهای بالا و پایین از صفحات راهنما در طرفین کوبه استفاده میشود.

پتک آهنگری کلاچ تخته ای یا Board Lift hammer

در تصویر بالا به نحوه ی رهایش تخته چوب توجه نمایید که با زیاد شدن فاصله ی غلتکها از یکدیگر انجام میشود.

از آنجایی که در شروع راهنما هستیم، درک کامل مطالب این بخش میتواند تسهیل کننده ی مباحث دشوارتر باشد، لذا پیشنهاد میکنیم ویدئوی زیر را در خصوص عملکرد پتک آهنگری کلاچ تخته ای مشاهده فرمایید.

برای چرخش غلتکها از یک یا دو موتور (متناسب با وزن کوبه) استفاده میشود که با تسمه ی V به غلتکها متصل شده اند و بصورت کلی این نوع از پتک آهنگری برای ظرفیتهای بسیار بالا در نظر گرفته نمیشود بطوریکه وزن کوبه از ۴۰ تا ۳۴۰۰ کیلوگرم، انرژی ضربه حداکثر ۴۷٫۵ کیلوژول و سرعت آن (برای کورس کوتاه) حداکثر ۴۵ تا ۶۰ ضرب در دقیقه انتخاب میشود.

نکته تکمیلی: لزوما لازم نیست از یک تخته ی چوبی استفاده شود و هر قطعه ی محکم، ضربه پذیر و دارای سطحی با ضریب اصکاک بالا قابل استفاده است که در این حالت عنوان Friction Board Hammer برای این ماشین استفاده میشود.

۱ ۲ – چکش آهنگری تسمه ای سقوطی (Belt Lift Hammer)

پتک تسمه ای سقوطی یا چکش آهنگری با بالابر تسمه ای از مکانیزم سقوط آزاد استفاده میکند و برای بالا کشاندن کوبه از تسمه ای استفاده میشود که در میان دو غلتک حرکت کرده و در نقطه ی دلخواه قفل میشود.

تنها تفاوت این ماشین یا پتک آهنگری کلاچ تخته ای، جایگزینی تسمه با تخته چوب است، به تصویر زیر توجه فرمایید.

چکش آهنگری تسمه ای سقوطی یا Belt Drop Hammer

۱- ۳ – پتک هوا یا بخار آب سقوط آزاد (Air Lift Hammer)

تکلیف ماشین آلات پتک هوا یا بخار آب روشن است، آنها بجای تخته چوب و تسمه از جریان آب یا بخار آب برای بالا کشیدن کوبه استفاده میکنند.

این کار مزایای زیادی دارد، چون کوبه به پیستون نیوماتیکی متصل است و طول کورس و سرعت آن کاملا در کنترل اپراتور خواهد بود اما بسیاری از منابع آنها را در نوع سقوط آزاد طبقه بندی نمیکنند!

بعید است که با وجود پمپ و مدار و سیلندر نیوماتیکی تصمیم بگیریم که کماکان بدون نیروی کمکی، کوبه را بصورت آزاد رها کنیم و در غیر اینصورت نیز دستگاهمان Power Drop تلقی میشود  که در بخش بعدی بررسی میکنیم، به مکانیزم پتک هوای سقوط آزاد در تصویر زیر توجه نمایید.

ماشین آهنگری سقوط آزاد نیوماتیکی

در ادامه میتوانید ویدئوی یک چکش آهنگری بخار با ظرفیت ۱۳ تن را مشاهده کنید:

۲- پتک آهنگری توان بالا (Power Drop Hammers)

همانطور که گفتیم در چکشهای آهنگری سقوط آزاد، انرژی وارد شده به قطعه کار در لحظه ی شروع شکلدهی برابر با انرژی پتانسیل مجموعه ی کوبه و قالب و .. است که به جنبشی تبدیل شده است، اما در چکشهای توان بالا نیروهای کمکی نیز اضافه میشوند تا سرعت سقوط و انرژی ضربه بیشتر شود.

برای اینکار از همراهی نیروی هوا، بخار آب یا سیال هیدرولیکی نیز استفاده میشود که در تصویر نشان داده شده است:

پتک آهنگری توان بالا یا Power Drop 

شیرهای پنوماتیکی یا هیدرولیکی (متناسب با نوع ماشین) طوری باز میشوند که فشار سیال در جهت بالا بردن کوبه باشد اما هنگام رهایش، جهت جریان تغییر خواهد کرد تا به نیروی گرانش در پایین راندن کوبه کمک کند.

این چکشها کنترل پذیری مناسبی دارند چون طول کورس کاملا انعطاف پذیر است و با تنظیم فشار سیستم، تعداد ضربه نیز کنترل میشود که در ماشین آلات امروزی این موارد به عهده محاسبه گرها و کنترلرهای دیجیتال است.

در پتک آهنگری توان بالا (Power Drop) وزن کوبه از ۱٫۵ تا ۷۰ تن انتخاب میشود، حداکثر انرژی ضربه (در چکشهای عمومی) ۱۱۴۰ کیلوژول است و سرعت فرآیند نیز متناسب با طول کورس و فشار سیستم حداکثر ۶۰ الی ۱۰۰ ضربه در دقیقه میباشد.

چکش آهنگری توان بالا، ضربات شدیدی به پایه ها و سندان منتقل میکند و استفاده از مواد نرم و ضربه پذیر در پایه ها و فونداسیون قدرتمند در کف دستگاه ضرورت دارد به حدی که گاها محدودیت تناژ این ماشین برای جلوگیری از آسیب چهارچوب پتک یا سازه ی ساختمان است.

۳- چکش آهنگری دوسویه (متقابل) یا Counterblow hammer

پتک آهنگری تقابلی یا دوسویه نامهای متفاوتی در زبان انگلیسی دارد که رایجترین آنها Counterblow forging hammer یا Double Action Forging Hammer میباشد.

این ماشین عملکردی شبیه چکش آهنگری توان بالا دارد اما بجای یک کوبه، دارای دو کوبه ی بالا و پایین است که به سمت هم حرکت کرده و قطعه کار در میان قالبهایشان کوبیده میشود، اما چرا از چنین مکانیزمی استفاده میشود؟

در ماشینهای توان بالا بخش زیادی از انرژی ضربه به پایه ها و فونداسیون زیرین دستگاه منتقل میشود، اما با حرکت تقابلی کوبه ها از اتلاف انرژی کاسته شده و فشار کمتری به چارچوب و فونداسیون منتقل میشود تا محدودیت ظرفیت چکشهای توان بالا را نداشته باشد.

پس عمر دستگاه بیشتر است، به بلوکهای ضربه گیر کمتری برای پایه ها و فونداسیون نیاز است و انرژی بیشتری برای تغییر شکل قطعه استفاده میشود.

برای حرکت همزمان کوبه ها از روشهای تمام هیدرولیکی و پنوماتیکی یا ترکیبی از این روشها با مکانیزمهای سنتی استفاده میشود که حالت اول برای قطعات بزرگ و پیچیده و انواع مکانیکی برای قطعات کوچک و متوسط است.

به تصویر زیر دقت نمایید:

چکش آهنگری متقابل یا Counterblow Drop Hammer

این دستگاه میتواند از دو مدار نیوماتیکی یا هیدرولیکی مستقل برای کوبه ی بالا و پایین استفاده کند یا یک مدار نیوماتیکی مشترک هر دوی آنها را کنترل نماید که قاعدتا حالت اول کنترل پذیری بالاتری دارد اما گرانتر است.

در تصویر زیر پتک آهنگری ارزان و قدیمی مشاهده میشود که از سیستم پنومکانیکی استفاده میکند:

پتک آهنگری دو کوبه ای یا Counterblow

در این حالت کوبه ی بالایی بصورت نیوماتیکی کنترل و شتاب دهی میشود، اما با یک تسمه به کوبه ی پایین متصل است و هنگام سقوط آن را بالا میکشد، پس انرژی نیوماتیکی برای جابجایی دو کوبه استفاده شده و سرعت و ظرفیت دستگاه کاهش میابد.

در این دستگاه کوبه ی فوقانی توسط سیلندر نیوماتیکی به بالا کشیده شده و هنگام سقوط نیز توسط همین مدار تقویت میشود اما کوبه ی پایینی چگونه بالا میرود؟

برای اینکار کوبه ی بالایی توسط تسمه به کوبه پایینی متصل شده و در هنگام سقوط آن را بالا میکشد تا با سرعت جابجایی برابر به یکدیگر نزدیک شوند.

در ادامه ویدئوی یک چکش آهنگری دوسویه (Counter blow) با ظرفیت ۴۰ تن را برایتان در نظر گرفته ایم:

۴- ماشینهای آهنگری با نرخ انرژی بالا (HERF)

در پتکهای آهنگری سقوط آزاد (Gravity Drop) و توان بالا (Power Drop) هر چقدر طول کورس بیشتر شود، انرژی پتانسیل افزایش یافته و کوبش سنگین تری ایجاد میشود اما پیمودن یک کورس طولانی زمان بیشتری نیاز دارد و بعبارتی تعداد ضرب دستگاه را کاهش میدهد.

ماشین های آهنگری با نرخ انرژی بالا ((High Energy Rate Forging Machines با هدف کاهش طول کورس  بدون کم شدن ظرفیت پتک و نتیجتا افزایش چشمگیر تیراژ تولید عرضه میشوند.

آنها برای جبران کاهش طول کورس و انرژی پتانسیل از انفجار استفاده میکنند تا سرعت و انرژی جنبشی کوبه را افزایش دهند و برای کاهش اثرات نیرو بر فریم و فونداسیون از طراحی متقابل (چیزی شبیه Counterblow) بهره میگیرند.

گاها از انرژی مغناطیسی (جاذبه ی میان صفحات با بار مثبت و منفی) بجای انفجار استفاده میشود که چندان رایج نیست و چهارچوب دستگاه تفاوت چندانی با طرحهای انفجاری ندارد.

در ادامه انواع پتک آهنگری با نرخ انرژی بالا بررسی میشوند.

۴ ۱ پتک آهنگری HERF با چهارچوب داخلی

این ماشینها شامل دو چهارچوب هستند که بخش داخلی درون چهارچوب خارجی قرار گرفته و میتواند حرکت آزادانه ی عمودی داشته باشد.

بخشی از کوبه درون محفظه ی احتراق است که با گاز (سوخت) پر میشود و پس از کشیدن ماشه ی انفجار (که بصورت پنوماتیکی فعال میشود) به پایین پرتاب میشود.

انفجار سبب میشود محفظه ی داخلی هم بسمت پایین متمایل شود اما جکهای فنر بادی از انتقال آن به فریم خارجی و فونداسیون زیرین تا حد زیادی جلوگیری خواهد کرد.

تا زمان پر شدن محفظه جکهای هیدرولیکی فعال شده و کوبه را به نقطه ی اولیه بازمیگردانند تا برای ضربه ی بعدی آماده شود.

این چکش آهنگری در ابعاد متفاوت و از ظرفیت ۱۷ تا ۷۴۵ کیلوژول تولید میشود.

ماشین آهنگری با نرخ انرژی بالا یا HERF

۴ ۲ پتک آهنگری HERF دو کوبه

در این چکش آهنگری مشابه ماشینهای Counterblow از دو کوبه ی بالایی و پایینی استفاده میشود که آزادانه بصورت عمودی جابجا میشوند اما حرکت افقی آنها توسط فریم محدود شده است.

پیش از هر ضربه سوخت با فشار زیاد از دریچه (ناحیه ماشه) عبور کرده و به محفظه ی احتراق وارد میشود، سپس انفجار، کوبه ی زیرین، میله و پیستون را به بالا و کوبه بالایی و سیلندرها را به پایین پرتاب میکند تا قطعه کار میان قالبهایشان فشرده شود.

برای حفظ انطباق قالبها از دو یا چند میله راهنما استفاده میشود.

چکش آهنگری انرژی بالای دو کوبه یا HERF

با فعال شدن شیر هیدرولیکی، پیستون های معلق به سمت پایین میرند و گاز سیلندر فشرده میشود، همچنین کوبه ها به نقاط اولیه باز میگردند تا مقدمات ضربه ی بعدی فراهم شود.

حداکثر ظرفیت پتک آهنگری HERF دو کوبه ۴۰۷ کیلوژول میباشد و همانطور که در تصویر مشاهده کردید انفجار هر دو کوبه را همزمان پرتاب میکند، لذا قدرت انفجار صرف جایجایی دو کوبه میشود که از ظرفیت آن میکاهد.

۴ ۳ پتک آهنگری HERF کنترلی

در پتک آهنگری کنترلی، هدف نظارت بیشتر روی فرآیند آهنگری است به همین علت از دو کوبه با محفظه احتراق جداگانه استفاده میشود تا میزان فشار سوخت توسط اپراتور تنظیم شود.

همچنین برای کنترل طول کورس، کوبه ی پایینی میتواند توسط سیستم هیدرولیک در راستای عمودی موقعیت دهی شود.

کلیدی ترین نکته ی این طرح انفجار همزمان هر دو محفظه است که با تحریک یک مکانیزم مشترک انجام میشود و برای اینکار نیز از تحریک پنوماتیکی استفاده میکنند تا تمام شرایط در کنترل اپراتور باشد.

چکش آهنگری HERF کنترلی در دو مدل حداکثر ۹۹ کیلیوژول و ۵۴۲ کیلوژول ساخته میشود.

نکته تکمیلی: بعضی مخاطبان سوال کردند که چگونه اپراتور تمامی پارامترهای وزن کوبه، قدرت انفجار، طول کورس، انرژی ضربه و … را محاسبه میکند؟ این تجهیزات از کنترلرهای به روزی استفاده میکنند که تمامی محاسبات را برای اپراتور انجام میدهد و بسادگی از طریق نرم افزار کنترل میشوند، با این حال استفاده از آنها نیاز به تجربه و دانش بیشتری دارد.

طبقه بندی چکشهای آهنگری بر مبنای شکل چهارچوب (Frame)

شکل فریم یا چهارچوب یکی از ملاکهای انتخاب چکش آهنگری است که در مقاله ی ماشین های پرس بررسی شده است، پس در صورت تمایل با کلیک روی لینک زیر با انواع چهارچوب یا فریم ماشینهای پرس یا پتک آهنگری آشنا شوید.

 

راهنمای چهارچوب در ماشینهای پرس (که برای پتک آهنگری نیز قابل استفاده است)

 

معرفی منابع بیشتر برای پتکهای آهنگری

– جلد چهاردم کتاب ASM یا موضوع آهنگری یکی از کاملترین راهنماهای ارائه شده است که میتوانید با کمی جست و جو آن را بیابید، اما بعلت قوانین کپی رایت تصمیم گرفتیم لینک دانلود را در ویکی تولید حذف کنیم.

– یک کاتالوگ خوب و کامل از چکشهای آهنگری دوسویه JINACOM

– جزوه الکترونیکی ۱۷۷ صفحه ای لاتین از دانشگاه استنفورد