Turnare vs forjare: O comparație cuprinzătoare

Producția de metale este unul dintre fundamentele civilizației umane, care a făcut posibilă construirea de unelte, utilaje, mijloace de transport și infrastructură. Turnarea și forjarea pot fi considerate două dintre cele mai vechi și mai comune metode de transformare a metalului în obiecte utilizate în viața de zi cu zi. Deși cele două procese sunt utilizate pentru a transforma metalul brut în piese utilizabile, cele două procese sunt foarte diferite în ceea ce privește prelucrarea relevantă a metalului, precum și caracteristicile produsului final.

Procesul de turnare are loc atunci când metalul este topit și turnat într-o matriță pentru a lua forma piesei dorite odată ce se solidifică. Procesul este, de asemenea, foarte versatil, deoarece poate realiza forme complicate și piese mari cu un grad destul de mare de ușurință. Atunci când este utilizat, este adesea folosit pentru piese cu geometrii mai complicate, goale / deschise sau cu necesitatea de a utiliza game largi de tipuri de metale.

Centrul European de Excelență în Construcția Navală, Vetter, (1999), (contrast), folosit pentru a modela metalul prin presarea metalului într-o stare deformată folosind forța de compresie, fie printr-un ciocan, fie printr-o presă. Acest proces îmbunătățește structura granulelor din material, conferindu-i componente de înaltă rezistență, duritate și rezistență la oboseală. Produsele forjate sunt în mod normal aplicate în situații în care este în joc performanța mecanică, cum ar fi industria auto, industria aerospațială și industria mașinilor mari.

Preferința pentru metoda de turnare sau forjare depinde de proprietățile mecanice critice care trebuie îndeplinite, de complexitatea proiectului, de rata de producție și de implicațiile asupra costurilor. Acest articol descrie pe larg fiecare dintre ele și compară abordările, punctele forte, dezavantajele și domeniile generale în care sunt aplicate în principal pentru a contura o imagine clară a situațiilor și circumstanțelor în care fiecare dintre metode este utilizată în producție în prezent.

1. Introducere în procesele de modelare a metalelor

Modelarea metalelor este o parte caracteristică a procesului de fabricație care este implicată în producția de diverse unelte, piese de mașini, componente de automobile, modele aerospațiale și numeroase bunuri de consum. Procesul utilizat pentru a modela un metal nu numai că determină geometria produsului final, dar are, de asemenea, un efect major asupra rezistenței, durabilității și rezistenței la oboseală ale comportamentului său mecanic. În plus, procesul utilizat pentru modelarea metalului afectează costul, precizia, finisarea și performanța generală a producției. Prin urmare, alegerea unui proces de fabricație adecvat este o decizie importantă în materie de inginerie și proiectare.

Două dintre cele mai populare procese de modelare a metalelor includ turnarea și forjarea. Ambele au trecut testul timpului și s-au străduit să fie relevante în fiecare industrie în care au fost utilizate datorită abilităților lor unice.

• Turnare este o cale de producție în care metalul topit este injectat sau turnat într-o cavitate de matriță care preia geometria componentei vizate. După ce metalul se solidifică, acesta preia forma matriței, ceea ce îi conferă o formă aproape netă care, de obicei, necesită puține prelucrări sau finisaje. Turnarea este utilă în special în producția de forme complicate și de piese masive și complicate care nu pot fi produse ușor sau economic prin alte procese.
• Forjare, cu toate acestea, este un proces prin care metalul solid este dezvoltat prin exercitarea unor forțe de compresie prin presare, ciocanare sau stoarcere. Această deformare se realizează de obicei în cazul în care metalul este încălzit până la un stadiu maleabil, dar forjarea la rece își poate avea locul și în anumite aplicații. Structura granulară internă a metalului utilizat în piesele forjate devine mult mai bună, ceea ce face ca piesele forjate să fie mai puternice, mai dure și mai rezistente la oboseală decât piesele turnate, făcând astfel din piesele forjate materialul de alegere în cazul componentelor de înaltă performanță supuse unor niveluri ridicate de solicitări mecanice.

Imaginea de ansamblu a înțelegerii principiilor de bază, a avantajelor și a limitărilor metodelor de turnare și forjare este importantă pentru a face o alegere în selectarea celor mai bune procese de modelare a metalelor în funcție de cerințele tehnice specifice.

2. Prezentare generală a turnării

Ce este turnarea?

Turnarea este una dintre cele mai vechi metode de formare a metalelor, datând de mii de ani. Aceasta presupune topirea metalului, turnarea acestuia într-o cavitate de matriță și lăsarea sa să se solidifice. Matrița poate fi făcută din nisip, metal, ceramică sau alte materiale. Odată răcită, piesa turnată este scoasă din matriță și se efectuează adesea operațiuni secundare, cum ar fi prelucrarea sau finisarea.

Procese de turnare

Există mai multe tehnici de turnare, inclusiv:

• Sand Casting: Metalul topit este turnat într-o matriță de nisip. Este rentabilă și potrivită pentru piese mari, complexe, în volume de producție mici sau medii.
• Turnare sub presiune: Folosește matrițe metalice, adesea din oțel, pentru a produce piese precise, în cantități mari, prin injectarea metalului topit sub presiune ridicată.
• Turnare cu investiții (turnare cu ceară pierdută): Produce componente extrem de precise și detaliate prin formarea unui model din ceară, acoperirea acestuia cu ceramică, apoi topirea cerii pentru a crea o matriță.
• Turnarea cochiliei: Un strat subțire de nisip amestecat cu rășină formează matrița, oferind un finisaj de suprafață și o precizie mai bune decât turnarea tradițională cu nisip.
• Turnare centrifugală: Metalul topit este turnat într-o matriță rotativă, utilă pentru piese cilindrice.

Materiale utilizate în turnare

Aproape orice metal care poate fi topit poate fi turnat, inclusiv:

• Aluminiu și aliajele sale
• Fonta
• Oțel și oțel inoxidabil
• Aliaje de cupru (bronz, alamă)
• Magneziu
• Zinc
• Metale prețioase (aur, argint)

Avantajele turnării

• Abilitatea de a produce forme complexe, inclusiv secțiuni goale.
• Potrivit pentru piese mari și componente cu geometrie complexă.
• Utilizare ridicată a materialelor cu risipă redusă.
• Economice pentru producții mici și mari.
• Potrivit pentru o gamă largă de metale.

Dezavantaje ale turnării

• Potențial de defecte cum ar fi porozitatea, contracția și incluziunile.
• În general, proprietăți mecanice mai scăzute în comparație cu piesele forjate.
• Finisarea suprafeței și precizia dimensională pot necesita o prelucrare secundară.
• Unele piese turnate au o structură granulometrică inferioară din cauza solidificării.

3. Prezentare generală a forjării

Ce este forjarea?

Forjarea este un proces de fabricație care modelează metalul prin aplicarea de forțe de compresie, adesea cu ajutorul unui ciocan sau al unei prese. Metalul este deformat plastic, de obicei la temperaturi ridicate (forjare la cald), dar poate fi realizat și la temperatura camerei (forjare la rece). Procesul rafinează structura internă a granulelor, îmbunătățind rezistența și rezistența la oboseală.

Procese de forjare

Tehnicile comune de forjare includ:

• Forjare cu matriță deschisă: Metalul este comprimat între matrițe plate sau de formă simplă, permițând curgerea liberă a materialului.
• Forjare cu matriță închisă (forjare cu matriță imprimată): Metalul este modelat în matrițe care au cavități, producând forme aproape netede cu detalii fine.
• Forjare rulouri: Metalul este trecut prin role pentru a reduce grosimea și a prelungi piesa.
• Forjare prin presare: Folosește o presiune lentă și continuă mai degrabă decât lovituri de impact.
• Forjare la rece: Efectuat la temperatura camerei sau aproape de aceasta pentru a produce piese cu finisaje de suprafață și rezistență excelente.

Materiale utilizate în forjare

Forjarea este frecvent utilizată pentru:

• Oțeluri carbon
• Oțeluri aliate
• Oțeluri inoxidabile
• Aliaje de aluminiu
• Aliaje de titan
• Cupru și aliajele sale
• Superaliaje pe bază de nichel

Avantajele forjării

• Proprietăți mecanice superioare: rezistență sporită, tenacitate, rezistență la oboseală.
• Flux îmbunătățit al grăunților aliniat cu forma componentei.
• Risc redus de defecte interne, cum ar fi porozitatea.
• Precizie dimensională și finisare bună a suprafeței.
• Piesele pot fi proiectate pentru aplicații cu solicitări ridicate.

Dezavantaje ale forjării

• Capacitatea limitată de a produce forme foarte complexe în comparație cu turnarea.
• În general, costuri mai mari de scule și de configurare.
• Limitări de dimensiune și formă datorate echipamentelor de forjare.
• Pierderile de material pot fi mai mari din cauza tăierii și prelucrării.

4. Comparație detaliată între turnare și forjare

Tabelul 1 Comparație detaliată între turnare și forjare

5. Descrieri detaliate ale proceselor 

Etapele procesului de turnare

1. Realizarea modelelor Primul pas în turnare este crearea unui model - o replică a piesei dorite - realizată de obicei din lemn, plastic sau metal. Acest model formează forma cavității din interiorul matriței. Acesta trebuie să fie proiectat astfel încât să permită contracția metalului în timpul răcirii și să faciliteze îndepărtarea matriței.
2. Pregătirea mucegaiului Folosind modelul, se formează o cavitate de turnare într-un material de turnare, cum ar fi nisip, ceramică sau metal. Matrița definește forma și textura suprafeței finale a piesei turnate. Matrițele pot fi de unică folosință (cum ar fi matrițele de nisip) sau permanente (cum ar fi matrițele metalice utilizate în turnarea sub presiune).
3. Topire Metalul sau aliajul selectat este topit într-un cuptor, încălzindu-l la temperatura de turnare necesară, asigurându-se în același timp că metalul este omogen și lipsit de contaminanți.
4. Turnare Metalul topit este turnat cu grijă în cavitatea matriței prin intermediul unui sistem de închidere. Turnarea controlată minimizează turbulențele, reducând defectele precum prinderea gazelor și incluziunile.
5. Răcirea și solidificarea Metalul se răcește și se solidifică în interiorul matriței, luând forma exactă a cavității. Ratele de răcire și modelele de solidificare afectează semnificativ microstructura și proprietățile mecanice ale piesei turnate.
6. Scuturare și curățare După solidificare, matrița este spartă sau deschisă, iar piesa turnată este îndepărtată. Materialul în exces, cum ar fi porțile, înălțimile și reziduurile de nisip sunt îndepărtate prin curățare, măcinare sau sablare.
7. Tratament termic și prelucrare În funcție de proprietățile mecanice dorite, piesele turnate pot fi supuse unor procese de tratament termic precum recoacerea sau călirea. Prelucrarea finală este adesea necesară pentru a obține dimensiuni precise și pentru a îmbunătăți finisarea suprafeței.

Etapele procesului de forjare

1. Încălzire

În cazul forjării la cald, lingoul metalic este încălzit la o temperatură care îl face să devină ductil și ușor de deformat, în loc să se rupă instantaneu, fără a-l topi efectiv; cu toate acestea, temperatura este relativ ridicată pentru a facilita plasticitatea. Forjarea la rece nu face acest lucru, ci deformează la rece metalul la temperatura camerei sau în jurul acesteia.

2. Deformare

Sarcinile de compresie sunt exercitate fie de ciocane, fie de prese, fie de role. Acest lucru se datorează faptului că acestea deformează ireversibil metalul pentru a obține forma necesară, astfel cum se decide prin proiectarea matriței. Deformarea poate fi decisă în mai multe etape pentru a obține lent forma finală.

3. Modelare

De asemenea, metalul este modelat astfel încât să curgă și să umple cavitățile matriței pentru a produce o formă aproape netă și chiar caracteristici detaliate în cazul forjării în matriță închisă. În cazul forjării în matriță deschisă, se realizează mai puține scule prin lovirea sau presarea metalului prin mai multe lovituri.

4. Răcire

Componenta răcită este acum răcită în mod controlat după forjare pentru a menține microstructura rafinată dezvoltată și pentru a preveni tensiunile sau deformările nedorite.

5. Tundere

În timpul procesului de forjare, surplusul de material sau scamele ies la suprafață și trebuie rase pentru a putea obține dimensiunile finale ale pieselor.

6. Tratament termic

Pentru a obține cele mai bune proprietăți mecanice (duritate, rezistență și tenacitate), piesele forjate sunt de obicei supuse unor procese de tratare termică, inclusiv normalizare, călire și revenire.

7. Prelucrare și finisare

Procesele de prelucrare și finisare sunt efectuate pentru a obține dimensiuni cu toleranță redusă și un finisaj de suprafață ridicat pentru a pregăti în cele din urmă piesa pentru a fi asamblată sau pusă în funcțiune.

6. Compararea proprietăților mecanice

Componentele metalice au proprietăți mecanice cum ar fi rezistența, duritatea, rezistența la oboseală și ductilitatea, care sunt considerații semnificative privind adecvarea componentelor pentru a face față diferitelor aplicații. Deoarece turnarea și forjarea implică metode de producție atât de diferite, ambele procese conferă componentelor finale proprietăți mecanice care sunt unice. Cunoașterea acestor diferențe poate ajuta un inginer să facă alegerea corectă a celui mai bun proces de urmat, în funcție de performanța necesară.

Putere

Decaparea severă implicată de fabricarea componentelor care sunt în mod normal mult mai puternice (rezistență la tracțiune și limită de curgere) decât cele turnate. Această excelență este cauzată în principal de procesul de forjare în sine, care supune metalul la deformare în forma sa solidă și îi modifică structura internă a granulelor. Boabele devin aliniate și alungite în direcția de curgere a forțelor de compresiune din forjare, ceea ce duce la o curgere densă și continuă a boabelor, rezultând un material cu o capacitate sporită de susținere a sarcinii.

În schimb, piesele turnate sunt solidificate sub formă de metal topit, având, prin urmare, o structură granulometrică mai aleatorie, cu posibile discontinuități precum porozitatea, cavitățile de contracție și incluziunile. Aceste defecte pot servi drept surse de tensiune, inhibând rezistența și integritatea structurii pieselor turnate.

Medicamente pentru forță și anduranță

De asemenea, piesele forjate s-au dovedit a fi mai dure și mai rezistente la oboseală. Structura fină a granulelor și lipsa golurilor interne reduc potențialul de inițiere și propagare a fisurilor în timpul unei situații de încărcare dinamică sau ciclică. Acest lucru califică utilizările cheie ale componentelor forjate în domenii importante din industria aerospațială, industria auto și industria mașinilor grele, unde piesele sunt supuse unor solicitări variate și unor condiții de funcționare dificile.

În schimb, piesele turnate nu sunt, de obicei, la fel de rezistente ca piesele forjate sau extrudate și nici nu prezintă o durată de viață la oboseală la fel de ridicată din cauza defectelor de turnare și a uniformității mai slabe a microstructurii. Aceste proprietăți pot fi îmbunătățite prin procesare termică și printr-o turnare mai bună, dar forjarea este procedeul de alegere atunci când durabilitatea trebuie să fie ridicată.

Ductilitate

Procesul de fabricație afectează, de asemenea, ductilitatea sau capacitatea de deformare plastică înainte de rupere. Forjarea, datorită fluxului direcțional al grăunților, îmbunătățește ductilitatea în ceea ce privește direcția, prin care piesa formată urmează această direcție a grăunților, oferind astfel o rezistență sporită atât la propagarea fisurilor, cât și la neconcluzie.

Libertatea sporită în producerea de forme complexe de turnare are tendința de a avea un cost, de obicei sub forma pierderii ductilității. Piesele turnate au o capacitate limitată de a se deforma fără a ceda, deoarece orientarea grăunților destul de aleatorie și defectele lor interne le diminuează capacitatea de deformare.

7. Considerații economice

Costul este un factor determinant în alegerea între turnare și forjare, în special în ceea ce privește costul sculelor, volumul de producție și costul ciclului de viață al piesei.

• Costurile inițiale de scule și de înființare a turnării tind să fie mai mici. Matrițele, în special cele care sunt create folosind nisip sau alte suprafețe de unică folosință, sunt relativ ieftine și relativ ușor de creat. Acest lucru face, de asemenea, ca turnarea să fie deosebit de rentabilă, fie în cazul loturilor de dimensiuni mici sau medii, fie atunci când este nevoie de un prototip. În plus, în comparație cu asamblarea pieselor turnate individuale, în mare parte din cauza complexității lor și a capacităților lor de a avea o formă aproape netă, procedeul de turnare permite frecvent ca produsele să fie foarte complexe fără a fi necesară asamblarea mai multor piese între ele, reducând astfel și mai mult costurile de producție și făcând procesul ușor de realizat. Cu toate acestea, în unele cazuri, procesul de turnare poate necesita procese suplimentare, cum ar fi prelucrarea, tratamentul termic și finisarea, ceea ce face ca piesele turnate să fie mai scumpe.
• În comparație, însă, investiția inițială necesară este mult mai mare în cazul forjării, deoarece sunt necesare matrițe de precizie, o presă de forjare și unelte. Aceste costuri se justifică doar în cazul producției în serie sau în cazul în care componentele necesită proprietăți mecanice specifice și durabilitate. Componentele forjate sunt, de asemenea, susceptibile de a suferi mai puține prelucrări ulterioare, deoarece produc forme aproape netede care sunt mai puternice și au un finisaj mai bun. De asemenea, datorită duratei de viață mai lungi a componentelor și performanței îmbunătățite a componentelor forjate, se pot obține costuri mai mici de întreținere și înlocuire a componentei pe durata de viață a acesteia, ceea ce oferă o valoare mai bună în cazul produselor de înaltă performanță, sensibile la siguranță sau foarte încărcate.

Turnarea este de obicei mai ieftină în cazul formelor complexe și al cantităților mici, în timp ce forjarea este o alternativă mai ieftină pe termen lung în cazul în care sunt necesare cantități mari și componente puternice, cu rezistență ridicată.

8. Aplicații comune

Aplicații de turnare

• Blocuri motor și capete de cilindri
• Carcase de pompe și supape
• Metalurgie decorativă și artă
• Piese pentru utilaje mari
• Țevi și fitinguri

Aplicații de forjare

• Arbori cotiți, biela, angrenaje pentru automobile
• Componente structurale aerospațiale
• Unelte de mână și cuțite
• Piese pentru echipamente hidraulice
• Componente critice pentru industria de petrol și gaze

9. Aspecte de mediu și sustenabilitate

Contribuțiile la mediu și durabilitatea au devenit, de asemenea, un factor semnificativ în lumea actuală a producției, atunci când se determină procesele de modelare a metalelor. Atât turnarea, cât și forjarea au caracteristici de mediu distincte, în funcție de utilizarea materialului, de energie și de eliberarea de deșeuri.

• Turnare are avantajele ecologice remarcabile ale reciclării deșeurilor metalice. Majoritatea funcțiilor de turnare utilizează metal reciclat ca materie primă și, astfel, economisesc foarte mult din nevoia de a utiliza produse virgine. De asemenea, matrițele de nisip utilizate într-un proces precum turnarea în nisip pot fi reciclate/reutilizate în mai multe rânduri, iar deșeurile sunt reduse. Cu toate acestea, procedurile de turnare pot produce emisii de miros de la cuptoarele de topire, iar unele dintre substanțele din matrițe pot produce deșeuri care trebuie aruncate și tratate cu precauție.
• Forjare joacă un rol major în durabilitate; o modalitate este durata de viață mai lungă a pieselor forjate. Deoarece forjarea îmbunătățește proprietățile mecanice și beneficiază de o durabilitate sporită, piesele produse vor avea tendința de a dura mai mult înainte de a fi necesară înlocuirea sau repararea lor, reducând astfel la minimum utilizarea generală de materiale și deșeurile în ciclul de viață al produselor. În plus, deși forjarea poate crea mai multe resturi de material în fazele inițiale de formare, de exemplu scame, care trebuie îndepărtate, aceste resturi pot fi, în general, reciclate eficient ca parte a procedurii de fabricație.
• Consumul de energie: Există o mare diferență în ceea ce privește consumul de energie în cele două procese. Turnarea implică multă energie pentru topirea metalelor la temperaturi considerabile, în timp ce este nevoie de multă energie pentru încălzirea lingourilor (în forjarea la cald) și pentru alimentarea ciocanelor mari sau a preselor mecanice masive. Eficiența cuptorului, materialele matrițelor și optimizarea proceselor au sporit utilizarea eficientă a energiei în cele două domenii. Impactul net asupra mediului al unei anumite întreprinderi depinde, de obicei, de preferințele individuale ale proceselor, de dimensiunea producției și de furnizorii de energie.

Este necesar să se echilibreze acești factori între producătorii care se așteaptă să își reducă la minimum amprenta asupra mediului și nevoia de a produce bunuri de calitate care să fie în continuare viabile din punct de vedere economic.

10. Tendințe și tehnologii emergente

• Fabricarea aditivă ca metodă complementară și/sau alternativă la turnare și forjare a geometriei complicate.
• Forjare de precizie folosind matrițe și prese îmbunătățite pentru a obține forme nete mai apropiate.
• Utilizarea unor metode avansate de turnare, cum ar fi turnarea în vid și asistată de presiune, pentru a reduce defectele.
• Software de simulare pentru optimizarea proceselor de turnare și forjare pentru a fi mai rentabile și de calitate superioară.

11. Concluzii

Unele dintre cele mai vechi metode flexibile de formare a metalelor sunt turnarea și forjarea și fiecare dintre acestea are avantajele și dezavantajele sale. Costul de turnare a formelor complexe și complicate și a pieselor de mari dimensiuni este relativ scăzut ca cost inițial de scule și, prin urmare, este adecvat pentru a fi luat în considerare în serii de producție mici și medii (de exemplu, 10 000 de piese) ale unui articol în cazul în care complexitatea geometrică este necesitatea de producție. Cu toate acestea, proprietățile mecanice ale pieselor turnate sunt mai scăzute deoarece există defecte de diferite origini în cadrul pieselor și acestea au o structură granulometrică mai grosieră.

Pe de altă parte, aceasta din urmă este renumită în ceea ce privește funcționarea sa pentru a face piese mai puternice, mai dure, rezistente la oboseală și ductile prin turnare. Fluxul de granulație este îmbunătățit prin deformarea plastică a piesei forjate, ceea ce permite realizarea unor piese rezistente, care pot fi utilizate în domenii cu tensiuni intense sau care necesită performanțe de siguranță. Forjarea ar avea ca rezultat un cost mai ridicat pentru primele scule și echipamente, dar în majoritatea circumstanțelor proprietățile mecanice superioare și durata de viață a pieselor depășesc costul, în special atunci când sunt utilizate în industria auto, aerospațială și a mașinilor grele.

Pentru a decide care este cel mai potrivit proces, trebuie luați în considerare numeroși factori care includ complexitatea piesei, cerințele mecanice și volumele de producție, rentabilitatea și politicile ecologice ale procesului care ar trebui utilizat. Tehnologia de turnare și forjare a crescut nu numai în ceea ce privește capacitatea sa, ci permite și optimizarea calității și sustenabilității produselor fabricate. În concluzie, abordarea holistică a turnării și forjării introduce o judecată informată pentru a proteja mediul, eficiența și accesibilitatea în industria modernă.