پرس گرم چیست و چه کاربردی دارد؟

پرس گرم یکی از روش های شکل دهی فلزات است که با استفاده همزمان از حرارت و فشار، امکان تولید قطعات با فرم های پیچیده و خواص مکانیکی مناسب را فراهم می کند. در این روش، ماده پیش از شکل دهی تا دمای مشخصی گرم می شود تا مقاومت آن در برابر تغییر شکل کاهش پیدا کند و فرآیند فرم دهی با نیروی کنترل شده تری انجام شود. این ویژگی باعث شده پرس گرم در تولید برخی قطعات فولادی، به ویژه قطعاتی که نیاز به استحکام بالا و دقت ابعادی مناسب دارند، کاربرد قابل توجهی داشته باشد. در بررسی اقتصادی این فرآیند نیز علاوه بر هزینه تجهیزات، انرژی و قالب، عواملی مانند نوع فولاد، ضخامت قطعه و قیمت آهن بر هزینه نهایی تولید اثر می گذارند.

کاربرد پرس گرمایی بیشتر در شرایطی اهمیت پیدا می کند که شکل دهی سرد با محدودیت هایی مانند نیروی زیاد، برگشت فنری یا کاهش شکل پذیری مواجه باشد. این فرآیند در صنایع مختلف، به ویژه خودروسازی و تولید قطعات فولادی مقاوم، مورد استفاده قرار می گیرد. البته پرس گرم با روش هایی مانند فورج تفاوت دارد و برای درک دقیق تر این موضوع، شناخت اینکه فورج گرم چیست نیز می تواند مفید باشد. در ادامه این مقاله از مرکزآهن، ابتدا بررسی می کنیم پرس گرم چیست و سپس فرآیند انجام آن، انواع دستگاه پرس گرم، کاربردها، مزایا و معایب، تفاوت پرس گرم و سرد و عوامل موثر بر کیفیت این فرآیند را به صورت جداگانه توضیح می دهیم.

پرس گرم چیست؟

اگر در تعریف صنعتی بخواهیم بدانیم پرس گرم چیست باید گفت پرس گرم یا Hot Stamping فرآیندی ترمومکانیکی است که در آن ورق فولادی مناسب ابتدا تا دمای آستنیته شدن گرم می شود و سپس در قالب پرس شکل می گیرد و همزمان تحت سرمایش سریع قرار می گیرد. در این روش، شکل دهی و عملیات حرارتی فولاد عملا در یک چرخه به هم مرتبط انجام می شوند. فولادهای مخصوص پرس سخت کاری، مانند برخی گریدهای بور دار، پیش از گرم شدن ساختار فریتی و پرلیتی دارند اما با رسیدن به دمای حدود 900 درجه سانتی گراد، ساختار آن ها به آستنیت تبدیل می شود. سپس قطعه داغ وارد قالب خنک شونده می شود و در حالی که تحت فشار قرار دارد، هم شکل نهایی خود را می گیرد و هم با سرعت بالا سرد می شود. این سرمایش می تواند زمینه تشکیل ساختار مارتنزیتی و دستیابی به استحکام بسیار بالا را فراهم کند.

نکته مهم این است که عملکرد دستگاه پرس گرم فقط به اعمال نیرو محدود نمی شود. کوره گرم کننده، سیستم انتقال ورق داغ، قالب های خنک شونده، پرس و سامانه کنترل زمان و دما باید به صورت هماهنگ کار کنند. در روش مستقیم، ورق ابتدا گرم و سپس شکل داده و کوئنچ می شود؛ اما در روش غیرمستقیم، بخش قابل توجهی از فرم دهی پیش از گرم کردن انجام می شود و مرحله نهایی پس از آستنیته شدن و انتقال به قالب صورت می گیرد. این ویژگی ها باعث می شوند پرس گرمایی برای تولید قطعات پیچیده از فولادهای پر استحکام مناسب باشد و در عین حال برگشت فنری قطعه نسبت به بسیاری از فرآیندهای شکل دهی سرد کاهش پیدا کند.

فرآیند پرس گرم چگونه انجام می شود؟

فرآیند پرس گرم معمولا با برش ورق خام به ابعاد مورد نیاز آغاز می شود. در روش مستقیم، بلنک فولادی پس از آماده سازی وارد کوره شده و تا دمای آستنیته شدن گرم می شود. برای فولادهای متداول پرس سخت کاری مانند 22MnB5، این دما معمولا در محدوده حدود 880 تا 900 درجه سانتی گراد یا بیشتر قرار دارد. پس از رسیدن ورق به شرایط حرارتی مناسب، قطعه باید در مدت کوتاهی از کوره خارج و به دستگاه پرس گرم منتقل شود تا افت دما پیش از شکل دهی کنترل شود. در همین مرحله، دمای ورق و سرعت انتقال اهمیت زیادی دارند؛ زیرا کاهش بیش از حد دما می تواند قابلیت شکل پذیری را کم کرده و بر کیفیت نهایی قطعه اثر بگذارد.

پس از قرار گرفتن ورق داغ در قالب، پرس بسته می شود و قطعه تحت فشار به شکل مورد نظر درمی آید. همزمان، کانال های خنک کننده داخل قالب حرارت قطعه را با سرعت بالا خارج می کنند و فرآیند کوئنچ در همان قالب انجام می شود. در فولاد 22MnB5، اگر سرعت سرمایش کافی باشد، ساختار آستنیتی می تواند عمدتا به مارتنزیت تبدیل شود و استحکام نهایی به میزان قابل توجهی افزایش پیدا کند. پس از رسیدن قطعه به دمای مناسب، قالب باز می شود و عملیات تکمیلی مانند برش لبه ها یا سوراخ کاری انجام می گیرد. در روش غیرمستقیم، ترتیب متفاوت است و بخش عمده فرم دهی ابتدا در حالت سرد انجام می شود؛ سپس قطعه گرم و در قالب خنک شونده کوئنچ می شود.

انواع پرس گرم

انواع پرس گرم را می توان بر اساس ترتیب گرم کردن، شکل دهی و کوئنچ قطعه دسته بندی کرد. رایج ترین روش، پرس گرم مستقیم است. در این فرآیند، ورق فولادی ابتدا تا دمای آستنیته شدن گرم می شود، سپس به سرعت به قالب انتقال پیدا می کند و در حالت داغ شکل می گیرد. پس از بسته شدن قالب، قطعه همزمان تحت فشار و سرمایش سریع قرار می گیرد تا ساختار سخت و پر استحکام ایجاد شود. این روش برای تولید قطعات پیچیده از فولادهای پر استحکام مناسب است و می تواند برگشت فنری را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. روش دوم، پرس گرم غیرمستقیم است که در آن بخش اصلی شکل دهی، برش و سوراخ کاری ابتدا در حالت سرد انجام می شود و قطعه پس از آن گرم شده و برای مرحله نهایی شکل دهی و کوئنچ وارد قالب می شود.

علاوه بر دو روش اصلی، فرآیندهای دیگری نیز برای نیازهای تخصصی توسعه یافته اند. پرس گرم هیبریدی ترکیبی از مراحل سرد و گرم است و برای کنترل بهتر شکل قطعه استفاده می شود. در روش Pre-Cooled Direct، ورق پس از آستنیته شدن و پیش از ورود به قالب تا دمای مشخصی سرد می شود تا رفتار شکل دهی و خواص نهایی کنترل شوند. روش Multi-Step نیز فرآیند شکل دهی و سرمایش را در چند مرحله انجام می دهد. همچنین می توان با کنترل موضعی دما یا سرعت سرد شدن، در یک قطعه نواحی با استحکام و شکل پذیری متفاوت ایجاد کرد. بنابراین انتخاب نوع دستگاه پرس گرم و روش فرآیند باید بر اساس گرید فولاد، هندسه قطعه، استحکام نهایی و ظرفیت تولید انجام شود.

کاربردهای پرس گرم در صنایع مختلف

کاربردهای پرس گرم بیش از هر چیز در تولید قطعاتی دیده می شود که باید در کنار وزن کم، استحکام بسیار بالا و هندسه پیچیده داشته باشند. مهم ترین حوزه استفاده از این فرآیند صنعت خودروسازی است. فولادهای مخصوص پرس سخت کاری برای تولید ستون های A و B، تقویت کننده رکاب، تیرهای عرضی سقف و داشبورد، تیرهای سپر، تقویت کننده درها و ستون شیشه جلو استفاده می شوند. همچنین در خودروهای برقی، قطعات محافظ باتری نیز می توانند با این روش تولید شوند. دلیل استفاده گسترده از پرس گرم در این بخش، امکان شکل دهی فولادهای فوق پر استحکام در دمای بالا و تولید قطعات نازک تر با مقاومت زیاد است؛ موضوعی که به کاهش وزن بدنه و بهبود عملکرد ایمنی کمک می کند.

در صنایع حمل و نقل و تولید سازه های سبک نیز از فناوری پرس گرمایی برای ساخت قطعاتی استفاده می شود که باید در برابر ضربه یا بارهای موضعی مقاومت بالایی داشته باشند. با این حال، میزان رواج این فرآیند در این حوزه ها به اندازه خودروسازی نیست و انتخاب آن به نوع آلیاژ، تیراژ تولید و هزینه تجهیزات وابسته است. دستگاه پرس گرم همچنین در خطوط تولید قطعات ایمنی خودرو به همراه کوره، سیستم انتقال سریع و قالب های خنک شونده به صورت یک مجموعه خودکار کار می کند. Schuler برای نمونه از خطوط پرس سخت کاری در تولید ستون A و رکاب خودرو استفاده کرده است. بنابراین کاربرد اصلی پرس گرم زمانی توجیه دارد که ترکیب استحکام بالا، دقت ابعادی، کاهش برگشت فنری و امکان تولید فرم های پیچیده مورد نیاز باشد.

مزایا و معایب پرس گرم

پرس گرم مزایای مهمی برای شکل دهی فولادهای پر استحکام دارد و به همین دلیل در تولید قطعات ایمنی و سازه ای خودرو کاربرد گسترده ای پیدا کرده است. یکی از مهم ترین مزایا، افزایش شکل پذیری ورق در دمای بالا است؛ در نتیجه می توان هندسه های پیچیده را با احتمال کمتر ترک خوردگی ایجاد کرد. از طرف دیگر، انجام کوئنچ در قالب باعث افزایش استحکام نهایی قطعه می شود. کاهش برگشت فنری نیز از مزیت های مهم این فرآیند نسبت به شکل دهی سرد فولادهای بسیار پر استحکام است و به دستیابی به دقت ابعادی بهتر کمک می کند. همچنین نیروی مورد نیاز برای شکل دهی ورق داغ می تواند نسبت به پرس سرد همان فولاد کمتر باشد. منابع تخصصی AHSS نیز شکل پذیری بهتر در دمای بالا، کنترل مناسب تر برگشت فنری و امکان تولید قطعات بسیار پر استحکام را از مزیت های اصلی این روش می دانند.

با این حال، پرس گرمایی محدودیت هایی نیز دارد. تجهیزات مورد نیاز شامل کوره، سامانه انتقال سریع، دستگاه پرس گرم، قالب های دارای کانال خنک کننده و سیستم کنترل دقیق است که هزینه سرمایه گذاری را افزایش می دهد. گرم کردن ورق نیز انرژی مصرف می کند و زمان سیکل تولید را تحت تاثیر قرار می دهد. در ورق های بدون پوشش، تشکیل اکسید و دکربوره شدن سطح می تواند مشکل ساز باشد و به عملیات تکمیلی نیاز ایجاد کند. همچنین تماس نامناسب قطعه و قالب، سایش ابزار یا سرمایش ناکافی می تواند باعث تشکیل ناقص مارتنزیت و افت خواص مکانیکی شود. بنابراین در مقایسه پرس گرم و سرد، انتخاب فرآیند باید بر اساس گرید فولاد، تیراژ، هندسه قطعه، استحکام مورد نیاز و هزینه تولید انجام شود.

تفاوت پرس گرم و پرس سرد

تفاوت پرس گرم و سرد بیشتر به دمای شکل دهی، رفتار فولاد، میزان برگشت فنری و تجهیزات مورد نیاز مربوط می شود. در پرس سرد، ورق در دمای محیط شکل داده می شود و خواص مکانیکی اولیه فولاد تا حد زیادی از کارخانه سازنده دریافت می شود. این روش سرعت تولید بالاتری دارد، انرژی کمتری مصرف می کند و به کوره گرم کننده یا قالب خنک شونده نیاز ندارد. با این حال، شکل دهی فولادهای بسیار پر استحکام در حالت سرد دشوارتر است و با افزایش استحکام، نیروی پرس و احتمال برگشت فنری بیشتر می شود. کنترل این برگشت برای حفظ دقت ابعادی قطعه اهمیت زیادی دارد. AHSS Guidelines نیز افزایش خطر Springback در فولادهای پر استحکام را یکی از چالش های اصلی شکل دهی سرد معرفی می کند.

در پرس گرم، ورق ابتدا تا دمای بالا و معمولا محدوده آستنیته شدن گرم می شود، بنابراین مقاومت آن در برابر تغییر شکل کاهش می یابد و تولید فرم های پیچیده آسان تر می شود. سپس قطعه در قالب شکل گرفته و با سرمایش سریع به استحکام نهایی می رسد. این روش برگشت فنری را به شدت کاهش می دهد و برای تولید قطعات دقیق از فولادهای فوق پر استحکام مناسب است. در مقابل، زمان سیکل بیشتر، مصرف انرژی بالاتر و تجهیزات گران تری نسبت به پرس سرد نیاز دارد. SSAB نیز در مقایسه این دو روش، سرعت بیشتر و هزینه کمتر شکل دهی سرد را در برابر آزادی طراحی بالاتر و برگشت فنری کمتر پرس گرم قرار می دهد. بنابراین انتخاب میان پرس گرمایی و پرس سرد باید بر اساس گرید فولاد، شکل قطعه، تیراژ تولید، دقت ابعادی و استحکام مورد نیاز انجام شود.

عوامل موثر بر کیفیت فرآیند پرس گرم

کیفیت فرآیند پرس گرم به کنترل همزمان دما، زمان، فشار و نرخ سرمایش وابسته است. نخستین عامل، دمای آستنیته کردن ورق است. برای فولادهای پرس سخت کاری، دما و زمان حضور در کوره باید به اندازه ای باشد که ساختار مناسب برای مرحله بعد ایجاد شود؛ برای نمونه SSAB برای برخی فولادهای PHS محدوده تقریبی 870 تا 950 درجه سانتی گراد و زمان حدود 3 تا 5 دقیقه را مطرح می کند. ضخامت ورق و توان کوره نیز بر زمان مورد نیاز اثر دارند. پس از خروج از کوره، زمان انتقال به دستگاه پرس گرم باید کنترل شود؛ زیرا افت بیش از حد دمای ورق پیش از فرم دهی می تواند شکل پذیری را کاهش دهد و سبب ایجاد عیوب در قطعه شود.

عامل مهم دیگر، تماس مناسب قطعه با قالب و سرعت سرمایش است. فشار تماس باید به اندازه ای باشد که انتقال حرارت میان ورق و قالب خنک شونده به صورت یکنواخت انجام شود. SSAB نیز فشار تماس، زمان حضور در کوره و شرایط سرمایش را از متغیرهای موثر بر خواص نهایی قطعه معرفی می کند. رخ سرمایش نیز باید از مقدار بحرانی فولاد بیشتر باشد تا ساختار مارتنزیتی مورد نظر تشکیل شود؛ برای 22MnB5 این مقدار حدود 27 درجه سانتی گراد بر ثانیه گزارش شده است. علاوه بر این، هندسه قالب، کیفیت پوشش ورق، سرعت اعمال فشار و یکنواختی سیستم خنک کننده می توانند بر ترک خوردگی، دقت ابعادی و خواص مکانیکی قطعه اثر بگذارند. بنابراین کیفیت پرس گرمایی نتیجه کنترل یک متغیر نیست، بلکه حاصل هماهنگی تمام مراحل فرآیند است.

پرس گرم یکی از روش های مهم شکل دهی فولادهای پر استحکام است که با ترکیب حرارت، فشار و سرمایش کنترل شده، امکان تولید قطعات پیچیده و مقاوم را فراهم می کند. در این فرآیند، ورق ابتدا تا دمای مناسب گرم می شود، سپس در دستگاه پرس گرم شکل می گیرد و در بسیاری از کاربردها همزمان داخل قالب سرد می شود. کنترل دقیق دما، زمان انتقال، فشار، سرعت شکل دهی و نرخ سرمایش تاثیر مستقیمی بر کیفیت نهایی قطعه دارد. مقایسه پرس گرم و سرد نشان می دهد که پرس گرمایی برای قطعاتی که استحکام بالا، دقت ابعادی و کاهش برگشت فنری اهمیت دارد، گزینه مناسبی است. با این حال، هزینه تجهیزات، مصرف انرژی و پیچیدگی کنترل فرآیند باید در انتخاب این روش در نظر گرفته شوند. در نهایت، موفقیت فرآیند پرس گرم به هماهنگی صحیح تجهیزات، متریال و پارامترهای تولید وابسته است.

سوالات متداول