تشكيل المعادن

تتضمن عملية التشكيل اللدن استخدام الحرارة أو الضغط لجعل قطعة العمل أكثر قابلية للتأثر بالقوة الميكانيكية. تاريخيًا، كان الحدادون يقومون بهذه العملية، إلى جانب الصب، إلا أنها أصبحت اليوم عملية صناعية. في تشكيل المعادن بكميات كبيرة، تُسخّن قطعة العمل عادةً.

• تحديد المقاسات الباردة
• البثق
• رسم
• التشكيل
• تعدين المساحيق
• الحفر الاحتكاكي
• التدحرج
• التلميع

تتضمن هذه الأنواع من عمليات التشكيل تطبيق قوة ميكانيكية في درجة حرارة الغرفة. مع ذلك، تتضمن بعض التطورات الحديثة تسخين القوالب و/أو الأجزاء. وقد أتاحت التطورات في تكنولوجيا تشغيل المعادن الآلية إمكانية التشكيل التدريجي بالقوالب، وهي طريقة تشمل التثقيب، والسك، والثني، والعديد من الطرق الأخرى لتعديل المعدن بتكلفة أقل مع تقليل النفايات. ^{[ 20 ]}

• الانحناء
• سك العملة
• إزالة التشنج
• الرسم العميق (DD)
• تشكيل الطي ^{[ 21 ]}
• التشكيل الهيدروليكي (HF)
• تشكيل الغاز المعدني الساخن
• التصليد بالضغط الساخن ^{[ 22 ]}
• التشكيل التدريجي (IF)
• التشكيل بالغزل ، أو التشكيل بالقص، أو التشكيل بالتدفق

  

• التخطيط
• رفع
• تشكيل اللفائف
• ثني اللفائف
• النقش البارز والمطاردة
• تشكيل وسادة مطاطية
• قص
• ختم
• التشكيل فائق اللدونة (SPF)
• تشكيل العجلات باستخدام عجلة إنجليزية (آلة تشكيل العجلات)

لا يُفضّل استخدام جلاخة الزاوية في القطع نظرًا لانبعاث كميات كبيرة من الشرر والأبخرة الضارة ( والجسيمات الدقيقة ) مقارنةً باستخدام المنشار الترددي أو المنشار الشريطي . ^{[ 23 ]} تُنتج جلاخات الزاوية شررًا عند قطع المعادن الحديدية، كما تُنتج شظايا عند قطع مواد أخرى.

التفريز هو عملية تشكيل معقدة للمعادن أو غيرها من المواد عن طريق إزالة جزء من المادة للوصول إلى الشكل النهائي. ^{[ 24 ]} ويتم ذلك عادةً باستخدام آلة تفريز ، وهي آلة تعمل بالطاقة وتتكون في شكلها الأساسي من قاطع تفريز يدور حول محور المغزل (مثل المثقاب )، وطاولة عمل قابلة للحركة في اتجاهات متعددة (عادةً في بُعدين [محور س ومحور ص] بالنسبة لقطعة العمل). يتحرك المغزل عادةً على المحور ع. ^{[ 25 ]} ويمكن رفع الطاولة (التي تستقر عليها قطعة العمل). يمكن تشغيل آلات التفريز يدويًا أو باستخدام التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، ويمكنها تنفيذ عدد كبير من العمليات المعقدة، مثل قطع الأخاديد، والتسوية ، والحفر، واللولبة ، والتفريز ، والتوجيه ، وما إلى ذلك. ^{[ 26 ] [ 27 ]} ومن أنواع آلات التفريز الشائعة: آلة التفريز الأفقية وآلة التفريز الرأسية. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

عادةً ما تكون القطع المنتجة عبارة عن مجسمات ثلاثية الأبعاد معقدة، تُحوّل إلى إحداثيات س، ص، ع، ثم تُغذّى إلى آلة CNC لإنجاز المهام المطلوبة. ^{[ 30 ]} تستطيع آلة التفريز إنتاج معظم الأجزاء ثلاثية الأبعاد، لكن بعضها يتطلب تدوير المجسمات حول محاور الإحداثيات س، ص، أو ع (حسب الحاجة). ^{[ 31 ]} تختلف معايير التفاوتات باختلاف المنطقة. ففي الدول التي لا تزال تستخدم النظام الإمبراطوري، يكون التفاوت عادةً بوحدة جزء من الألف من البوصة (وحدة تُعرف باسم "ثاو")، وذلك حسب الآلة المستخدمة. ^{[ 32 ]} أما في العديد من الدول الأوروبية الأخرى، فتُستخدم معايير ISO. ^{[ 33 ]}

للحفاظ على برودة كل من رأس الحفر والمادة المراد حفرها، يُستخدم سائل تبريد ذو درجة حرارة عالية. ^{[ 34 ]} في معظم الحالات، يُرش سائل التبريد من خرطوم مباشرةً على رأس الحفر والمادة المراد حفرها. ^{[ 35 ]} يمكن التحكم في سائل التبريد إما آليًا أو يدويًا، وذلك حسب نوع الآلة. ^{[ 36 ]}

تتراوح المواد التي يمكن تشكيلها بالطحن من الألومنيوم إلى الفولاذ المقاوم للصدأ، وكل ما بينهما تقريبًا. ^{[ 37 ]} تتطلب كل مادة سرعة مختلفة لأداة الطحن، وتختلف كمية المادة التي يمكن إزالتها في تمريرة واحدة للأداة. ^{[ 38 ]} عادةً ما تُطحن المواد الصلبة بسرعات منخفضة مع إزالة كميات قليلة من المادة. أما المواد اللينة، فتختلف سرعتها، ولكنها عادةً ما تُطحن بسرعة عالية. ^{[ 39 ]}

يُضيف استخدام آلة التفريز تكاليف تُؤخذ في الحسبان عند عملية التصنيع. ففي كل مرة تُستخدم فيها الآلة، يُضاف سائل تبريد، ويجب إضافته دوريًا لمنع تكسر رؤوس التفريز. ^{[ 40 ]} كما يجب تغيير رأس التفريز عند الحاجة لتجنب تلف المادة. ^{[ 41 ]} يُعد الوقت العامل الأهم في التكاليف. فقد تستغرق الأجزاء المعقدة ساعات لإنجازها، بينما لا تستغرق الأجزاء البسيطة سوى دقائق. ^{[ 42 ]} وهذا بدوره يُؤثر على وقت الإنتاج، حيث يتطلب كل جزء وقتًا مختلفًا. ^{[ 43 ]}

تُعدّ السلامة أساسية في هذه الآلات. تتحرك رؤوس القطع بسرعات عالية وتزيل قطعًا من معدن ساخن جدًا. ^{[ 44 ] [ 45 ]} وتكمن ميزة استخدام آلة التفريز CNC في أنها تحمي مشغل الآلة. ^{[ 46 ]}

الخراطة هي عملية قطع المعادن لإنتاج سطح أسطواني باستخدام أداة ذات نقطة واحدة. تُدار قطعة العمل على مغزل، وتُغذى أداة القطع إليها شعاعيًا أو محوريًا أو كليهما. يُطلق على إنتاج الأسطح العمودية على محور قطعة العمل اسم التسوية. أما إنتاج الأسطح باستخدام التغذية الشعاعية والمحورية معًا فيُطلق عليه اسم التشكيل. ^{[ 47 ]}

المخرطة هي آلة تقوم بتدوير كتلة أو أسطوانة من المادة بحيث يمكن تشكيلها عند تطبيق أدوات الكشط أو القطع أو التشكيل عليها، لإنتاج جسم يتمتع بتناظر دوراني حول محور الدوران . ومن أمثلة الأجسام التي يمكن إنتاجها على المخرطة: حوامل الشموع ، وأعمدة المرفق ، وأعمدة الكامات ، وقواعد المحامل .

تتكون المخارط من أربعة أجزاء رئيسية: السرير، ورأس المخرطة، وعربة القطع، وذيل المخرطة. يُعد السرير قاعدة دقيقة ومتينة للغاية تستند عليها جميع الأجزاء الأخرى لضمان المحاذاة. يثبت مغزل رأس المخرطة قطعة العمل بواسطة ظرف ، حيث تُحكم فكّاه (عادةً ثلاثة أو أربعة) حول القطعة. يدور المغزل بسرعة عالية، موفرًا الطاقة اللازمة لقطع المادة. في حين كانت المخارط تُدار تاريخيًا بواسطة أحزمة من عمود نقل الحركة ، تستخدم النماذج الحديثة محركات كهربائية. تمتد قطعة العمل من المغزل على طول محور الدوران فوق السرير المسطح. عربة القطع عبارة عن منصة قابلة للتحريك بدقة واستقلالية بالتوازي والتعامد مع محور الدوران. تُثبّت أداة القطع الصلبة على الارتفاع المطلوب (عادةً منتصف قطعة العمل) بواسطة حامل الأدوات. ثم تُحرّك عربة القطع حول قطعة العمل الدوارة، فتزيل أداة القطع المادة تدريجيًا من قطعة العمل. يمكن تحريك ذراع التثبيت الخلفي على طول محور الدوران ثم تثبيته في مكانه حسب الحاجة. وقد يحمل مراكز لتثبيت قطعة العمل بشكل أفضل، أو أدوات القطع التي تُغرس في طرف قطعة العمل.

العمليات الأخرى التي يمكن إجراؤها باستخدام أداة ذات نقطة واحدة على المخرطة هي: ^{[ 47 ]}

الشطف: قطع زاوية في ركن أسطوانة. الفصل: يتم إدخال الأداة شعاعيًا في قطعة العمل لقطع طرفها. التخريز : يتم إدخال أداة على طول السطح الخارجي أو الداخلي للأجزاء الدوارة أو عبره لإنتاج خيوط خارجية أو داخلية . التثقيب : يتم إدخال أداة ذات نقطة واحدة بشكل خطي وموازٍ لمحور الدوران لإنشاء ثقب دائري. الحفر : إدخال المثقاب في قطعة العمل محوريًا. التخريش : استخدام أداة لإنتاج نسيج سطحي خشن على قطعة العمل. يُستخدم غالبًا لتسهيل الإمساك باليد بقطعة معدنية.

تستطيع مخارط ومراكز تشغيل CNC الحديثة إجراء عمليات ثانوية مثل التفريز باستخدام أدوات دوارة. عند استخدام هذه الأدوات، تتوقف قطعة العمل عن الدوران، وتقوم الأداة الدوارة بتنفيذ عملية التشغيل باستخدام أداة قطع دوارة. تستخدم آلات CNC إحداثيات x و y و z للتحكم في أدوات الخراطة وإنتاج المنتج. وتستطيع معظم مخارط CNC الحديثة إنتاج معظم الأجسام الخراطة ثلاثية الأبعاد.

يمكن تشكيل جميع أنواع المعادن تقريبًا، على الرغم من أن الأمر يتطلب المزيد من الوقت وأدوات القطع المتخصصة للقطع الأكثر صلابة .

تتضمن عمليات تشكيل الخيوط العديد من الطرق، منها: قطع الخيوط باستخدام مثقاب أو قالب ، وطحن الخيوط، وقطع الخيوط من نقطة واحدة، ودرفلة الخيوط، ودرفلة وتشكيل الجذور على البارد، وطحن الخيوط. ^{[ 48 ] [ 49 ]} يُستخدم المثقاب لقطع خيط داخلي على السطح الداخلي لثقب محفور مسبقًا، ^{[ 50 ] [ 51 ]} بينما يُستخدم القالب لقطع خيط خارجي على قضيب أسطواني مُشكّل مسبقًا. ^{[ 48 ]}

تستخدم عملية التجليخ مواد كاشطة لإزالة المواد من قطعة العمل. ^{[ 52 ]} آلة التجليخ هي أداة آلية تُستخدم لإنتاج أسطح نهائية فائقة النعومة، أو إجراء قطع خفيفة جدًا، أو تشكيل أشكال عالية الدقة باستخدام عجلة كاشطة كأداة للقطع. ^{[ 53 ]} يمكن أن تُصنع هذه العجلة من أحجام وأنواع مختلفة من الأحجار أو الماس أو المواد غير العضوية . ^{[ 54 ]}

أبسط أنواع المطاحن هي المطاحن المكتبية أو المطاحن الزاوية المحمولة باليد، لإزالة النتوءات من الأجزاء أو قطع المعادن باستخدام قرص القطع.

ازدادت آلات التجليخ حجماً وتعقيداً مع مرور الوقت وتطور التكنولوجيا. فمنذ أيام استخدام آلات التجليخ اليدوية في ورش الأدوات لشحذ رؤوس القطع في ورش الإنتاج، وصولاً إلى خلايا التصنيع الحديثة التي تعمل بنظام التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC) بسرعة 30000 دورة في الدقيقة لإنتاج التوربينات النفاثة، تتنوع عمليات التجليخ بشكل كبير. ^{[ 55 ]}

تتطلب آلات التجليخ صلابة عالية جدًا لإنتاج التشطيب المطلوب. بل إن بعضها يُستخدم لإنتاج مقاييس زجاجية لتحديد موضع محاور آلات التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC). والقاعدة العامة هي أن تكون الآلات المستخدمة في إنتاج هذه المقاييس أكثر دقة بعشر مرات من الآلات التي تُصنع الأجزاء من أجلها. ^{[ 56 ]}

في الماضي، كانت آلات التجليخ تُستخدم فقط في عمليات التشطيب نظرًا لمحدودية الأدوات. أما اليوم، فقد أتاحت المواد الحديثة المستخدمة في عجلات التجليخ، واستخدام الماس الصناعي أو الطلاءات المصنعة الأخرى (مثل نتريد البورون المكعب) على أشكال العجلات، لآلات التجليخ تحقيق نتائج ممتازة في بيئات الإنتاج، بدلًا من اقتصار استخدامها على ورش العمل. ^{[ 57 ]}

لقد ساهمت التكنولوجيا الحديثة في تطوير عمليات الطحن لتشمل أنظمة التحكم الرقمي الحاسوبي (CNC)، ومعدلات إزالة المواد العالية بدقة متناهية، مما يجعلها مناسبة تمامًا لتطبيقات صناعة الطيران والفضاء، ولإنتاج كميات كبيرة من المكونات الدقيقة. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

التبرد هو مزيج من الطحن والقطع المسنن باستخدام المبرد . قبل تطوير معدات التشغيل الحديثة، كان يوفر وسيلة دقيقة نسبيًا لإنتاج الأجزاء الصغيرة، وخاصة تلك ذات الأسطح المستوية. ^{[ 60 ]} سمح الاستخدام الماهر للمبرد للفني بالعمل بدقة متناهية، وكان سمة مميزة لهذه الحرفة. اليوم، نادرًا ما يُستخدم التبرد كتقنية إنتاج في الصناعة، على الرغم من أنه لا يزال طريقة شائعة لإزالة النتوءات . ^{[ 61 ]}

التخريش عملية تشغيلية تُستخدم لقطع مجاري المفاتيح في الأعمدة. ^{[ 62 ]} أما التشغيل بشعاع الإلكترون (EBM) فهو عملية تشغيلية يتم فيها توجيه إلكترونات عالية السرعة نحو قطعة العمل، مما يُولد حرارة ويُبخر المادة. ^{[ 63 ]} ويستخدم التشغيل بالموجات فوق الصوتية اهتزازات فوق صوتية لتشغيل المواد شديدة الصلابة أو الهشاشة. ^{[ 64 ]}

اللحام عملية تصنيع تربط المواد، عادةً المعادن أو اللدائن الحرارية ، عن طريق الالتحام . ويتم ذلك غالبًا عن طريق صهر قطع العمل وإضافة مادة حشو لتشكيل بركة من المادة المنصهرة التي تبرد لتصبح وصلة قوية، ولكن في بعض الأحيان يُستخدم الضغط مع الحرارة ، أو بمفرده، لإنتاج اللحام. ^{[ 65 ]}

تُستخدم مصادر طاقة متنوعة في اللحام، منها اللهب الغازي ، والقوس الكهربائي ، والليزر، وشعاع الإلكترون ، والاحتكاك ، والموجات فوق الصوتية . ورغم أن اللحام عملية صناعية في الغالب، إلا أنه يُمكن إجراؤه في بيئات مختلفة، كالهواء الطلق، وتحت الماء ، وفي الفضاء . ومع ذلك، يبقى اللحام خطيرًا بغض النظر عن الموقع، ويجب اتخاذ الاحتياطات اللازمة لتجنب الحروق، والصدمات الكهربائية ، والأبخرة السامة، والتعرض المفرط للأشعة فوق البنفسجية .

اللحام بالنحاس هو عملية ربط يتم فيها صهر معدن حشو وسحبه إلى قناة شعرية تتشكل من تجميع قطعتين أو أكثر من قطع العمل. يتفاعل معدن الحشو مع قطع العمل ويتصلب داخل القناة الشعرية، مكونًا وصلة قوية. على عكس اللحام التقليدي، لا تنصهر قطعة العمل في هذه العملية. يشبه اللحام بالنحاس عملية اللحام التقليدي، ولكنه يتم عند درجات حرارة تتجاوز 450 درجة مئوية (842 درجة فهرنهايت) . يتميز اللحام بالنحاس بإنتاج إجهادات حرارية أقل من اللحام التقليدي، كما أن القطع الملحومة بالنحاس تميل إلى أن تكون أكثر مرونة من القطع الملحومة بالقصدير لأن عناصر السبائك لا تنفصل ولا تترسب.  

تشمل تقنيات اللحام بالنحاس: اللحام باللهب، واللحام بالمقاومة، واللحام بالفرن، واللحام بالانتشار، واللحام بالحث، واللحام بالتفريغ.

اللحام عملية ربط تتم عند درجات حرارة أقل من 450 درجة مئوية (842 درجة فهرنهايت) . وهي تشبه عملية اللحام بالنحاس من حيث صهر مادة حشو وسحبها إلى أنبوب شعري لتشكيل وصلة، ولكن عند درجة حرارة أقل. وبسبب انخفاض درجة الحرارة واستخدام سبائك مختلفة كمواد حشو، يكون التفاعل المعدني بين مادة الحشو وقطعة العمل ضئيلاً، مما ينتج عنه وصلة أضعف.  

يُعدّ التثبيت بالمسامير من أقدم عمليات وصل المعادن. ^{[ 66 ]} وقد انخفض استخدامه بشكل ملحوظ خلال النصف الثاني من القرن العشرين، ^{[ 67 ]} ولكنه لا يزال يحتفظ باستخدامات مهمة في الصناعة والبناء، وفي الحرف اليدوية مثل صناعة المجوهرات ، وصناعة الدروع في العصور الوسطى، والأزياء المعدنية في أوائل القرن الحادي والعشرين. ويجري حاليًا استبدال استخدام المسامير القديم بتحسينات في تقنيات اللحام وتصنيع المكونات .

البرشام عبارة عن مسمار ذي رأسين غير ملولب، يُستخدم لربط قطعتين معدنيتين معًا. تُثقب أو تُثقب فتحات في القطعتين المراد وصلهما. بعد محاذاة الفتحات، يُمرر البرشام من خلالها، ثم تُشكل رؤوس دائمة على طرفيه باستخدام المطارق وقوالب التشكيل (بالتشكيل على البارد أو الساخن ). عادةً ما تُباع البراشيم برأس واحد مُشكل مسبقًا.

عند الحاجة إلى إزالة المسامير ، يتم قص أحد رؤوس المسامير باستخدام إزميل بارد . ثم يتم دفع المسمار للخارج باستخدام مطرقة ومثقب .

يشمل ذلك البراغي والصواميل . يُستخدم هذا الأسلوب بكثرة لأنه لا يتطلب معدات متخصصة كثيرة، ولذلك يُستخدم غالبًا في الأثاث الجاهز للتجميع . كما يُستخدم عند وصل معدن بمادة أخرى (مثل الخشب ) أو عندما لا يلتحم معدن معين جيدًا (مثل الألومنيوم ). يمكن القيام بذلك لربط المعادن مباشرةً، أو باستخدام مادة وسيطة مثل النايلون . على الرغم من أن هذه الطريقة غالبًا ما تكون أضعف من طرق أخرى كالحام أو اللحام بالنحاس، إلا أنه يمكن إزالة المعدن بسهولة، وبالتالي إعادة استخدامه أو تدويره. كما يمكن القيام بذلك باستخدام الإيبوكسي أو الغراء، مما يُعيد فوائده البيئية.

يمكن معالجة المعادن حرارياً لتغيير خصائصها من حيث القوة، والليونة، والمتانة، والصلابة، أو مقاومة التآكل. وتشمل عمليات المعالجة الحرارية الشائعة التلدين ، والتصليد بالترسيب ، والتبريد السريع ، والتطبيع .

• تعمل عملية التلدين على تليين المعدن من خلال السماح باستعادة خصائص التشكيل على البارد ونمو الحبيبات.
• يمكن استخدام التبريد السريع لتصليد سبائك الصلب، أو في السبائك القابلة للتصليد بالترسيب، لحبس ذرات المذاب المذابة في المحلول.
• ستؤدي عملية التطبيع إلى ترسيب عناصر السبائك المذابة، أو في حالة الفولاذ المروي، تحسين قوة الصدم وخصائص الليونة.

غالباً ما تُدمج المعالجات الميكانيكية والحرارية فيما يُعرف بالمعالجات الحرارية الميكانيكية لتحسين خصائص المواد وزيادة كفاءة معالجتها. وتُعدّ هذه العمليات شائعة في صناعة الفولاذ الخاص عالي السبائك، والسبائك الفائقة، وسبائك التيتانيوم.

الطلاء الكهربائي تقنية شائعة لمعالجة الأسطح. تتضمن هذه التقنية ربط طبقة رقيقة من معدن آخر، كالذهب أو الفضة أو الكروم أو الزنك ، بسطح المنتج عن طريق التحلل المائي. يُستخدم الطلاء الكهربائي للحد من التآكل، وزيادة مقاومة الاحتكاك، وتحسين المظهر الجمالي للمنتج. بل ويمكنه تغيير خصائص القطعة الأصلية، بما في ذلك التوصيل الكهربائي، وتبديد الحرارة، والسلامة الهيكلية. توجد أربع طرق رئيسية للطلاء الكهربائي لضمان التغطية المناسبة والفعالية من حيث التكلفة لكل منتج: الطلاء الشامل، والطلاء على الرفوف، والطلاء المستمر، والطلاء الخطي. ^{[ 68 ]}

تُعدّ تقنيات الرش الحراري خيارًا شائعًا آخر للتشطيب، وغالبًا ما تتميز بخصائص أفضل في درجات الحرارة العالية مقارنةً بالطلاءات الكهربائية نظرًا لسمك الطبقة. تشمل عمليات الرش الحراري الرئيسية الأربع: الرش بقوس السلك الكهربائي، والرش باللهب (احتراق الأوكسي أسيتيلين)، والرش بالبلازما، والرش بالوقود الأكسجيني عالي السرعة (HVOF). ^{[ 69 ]}