Turnare vs forjare: Înțelegerea principalelor procese de fabricație

Turnarea și forjarea sunt două dintre cele mai frecvent utilizate metode de prelucrare a metalelor, ambele având aplicații diferite în sectorul de producție. Aceste tehnici sunt esențiale în fabricarea pieselor metalice care se diversifică în industriile auto, aerospațială, de apărare și a mașinilor goliat. Deși ambele caută să creeze piese funcționale prin modelarea metalului, în cele din urmă ele ating acest obiectiv în moduri definitiv diferite, creând proprietăți și utilizări diferite ale materialelor.

Turnarea face uz de procese de topire a metalului și de turnare a acestuia într-o matriță, unde capătă o formă permanentă. Este cea mai potrivită pentru producerea de forme complicate și complicate care altfel ar fi dificil de obținut prin alte utilaje. Funcționează foarte bine în producția de masă, în special atunci când sunt fabricate volume mari de piese identice. Turnarea este foarte flexibilă și poate utiliza un număr mare de metale și aliaje, astfel încât turnarea poate fi utilizată în industriile în care contează designul de calitate, industria aerospațială, industria auto și arta.

Forjarea, pe de altă parte, este un proces de modelare a metalului prin forțe de compresie, de obicei atunci când materialul este la o temperatură ridicată. Acest proces face metalul mai rezistent prin îndreptarea structurii sale granulometrice, făcând astfel piesele mai rezistente și durabile. Avantajul special al forjării este că se aplică foarte bine în fabricarea pieselor care trebuie să fie întărite sau expuse la condiții extreme, inclusiv la tensiuni ridicate, ca în industria auto, aerospațială și de apărare.

Acest articol va discuta principalele diferențe dintre turnare și forjare, avantajele și dezavantajele fiecăruia, precum și domeniile de aplicare în producția modernă și rolul pe care îl are fiecare proces în cadrul acestor procese.

Ce este turnarea?

Un proces de fabricație conservat în turnare implică turnarea unui material lichid, de obicei metalic, într-o matriță pentru a se fixa și a dobândi forma cavității matriței. Acesta începe când materialul este topit, turnat într-o formă specială și răcit. După ce acest material se întărește, matrița este îndepărtată și rămâne un obiect solid, care este o copie aproape perfectă a formei matriței.

Ce este forjarea?

Forjarea este un proces de prelucrare a metalelor care utilizează forța de compresie, metalul fiind de obicei încălzit la temperaturi ridicate. Metalul este fie bătut, fie presat sau laminat pentru a obține forma dorită. Forjarea se face de obicei la temperaturi ridicate, moment în care metalul devine maleabil și mult mai ușor de prelucrat. Este un proces care este utilizat în principal pentru a crea componente robuste, care pot fi purtate și este utilizat pe scară largă în industrii precum cea auto, aerospațială, precum și cea a utilajelor grele.

Procesul de turnare

Turnarea implică câteva etape majore:

• Crearea modelului: Se realizează un model al obiectului, de obicei dintr-un material capabil să reziste la căldura metalului topit (de obicei, nisip sau metal).
• Formarea mucegaiului: Postul este pus într-un mediu de turnare (nisip, metal sau ceramică) și presat împreună pentru a menține forma.
• Topirea: Metalul sau materialul este încălzit la formă lichidă și este turnat în matriță.
• Răcirea și solidificarea: metalul lichid se răcește și se solidifică în matriță în forma sa.
• Îndepărtarea mucegaiului: După ce materialul s-a solidificat, matrița este îndepărtată pentru a expune mulajul.

Procesul de forjare

Forjarea este mai puțin complicată în procesul de fabricație; cu toate acestea, trebuie să existe un control mai mare asupra temperaturii și presiunii:

• Selectarea materialului: În funcție de ceea ce se dorește în produsul finit (rezistență sau flexibilitate), se alege metalul.
• Încălzire: Încălzirea metalului se face până la punctul în care acesta este înmuiat.
• Modelare: Metalul încălzit este modelat într-o matriță, care este presată de un ciocan sau de o presă. Acest lucru poate fi realizat în mai multe variante: forjare în matriță deschisă, forjare în matriță închisă și laminare inelară.
• Răcire: Odată ce piesa a fost modelată, piesa forjată va fi răcită, eventual prin tratamente termice suplimentare, deoarece acest lucru îmbunătățește proprietățile materialului utilizat.

Avantajele turnării și forjării

Avantajele turnării:

• Forme complexe: Aici turnarea este utilă pentru a produce piese care pot avea forme complicate și complexe care ar fi greu, sau mai degrabă imposibil, de produs folosind mijloace alternative. Aceasta permite realizarea unor caracteristici fine și a unor modele detaliate, putând fi astfel utilizată în industria aerospațială, în industria auto și în artă.
• Producție de volum mare: Matrița care a fost formulată poate conduce la turnare ca mijloc extrem de eficient de producție în masă, astfel încât va fi capabilă să reproducă aceeași piesă în plăci mari într-un mod foarte consistent. Acest lucru este rentabil în ceea ce privește reducerea forței de muncă și a materiilor prime utilizate pentru realizarea unor volume uriașe de producție.
• Rentabil: Turnarea este foarte economică pentru a produce piese care sunt în volume mari. Deși costul de realizare a primei producții de matrițe este ridicat, costul pe piesă este foarte scăzut în cazul producțiilor la scară largă și, prin urmare, se potrivește cel mai bine unor aplicații precum industria auto și bunurile de consum.
• Varietate de materiale: Numărul de materiale și aliaje care pot fi turnate este destul de mare, implicând materiale comune, cum ar fi aluminiul și fierul, și/sau aliaje speciale. Acest lucru permite fabricanților să aleagă materialele în funcție de proprietățile necesare produsului.
• Mai puține deșeuri: Materialele reziduale sunt mai puține în turnare decât în alte procese. Aceasta implică utilizarea doar a suficientului material necesar pentru umplerea matriței, limitând resturile generate, ceea ce este deosebit de favorabil sustenabilității.
• Flexibilitate de proiectare: Turnarea este, de asemenea, flexibilă în proiectare, astfel încât pot fi adăugate caracteristici interne complexe la o piesă turnată sub forma unor canale de răcire sau secțiuni goale cu design elaborat. Acest lucru poate duce la reducerea costurilor de asamblare, deoarece piesele care ar trebui să fie sudate împreună pot fi realizate într-o singură piesă turnată.

Avantaje de forjare:

• Rezistență și durabilitate: Piesele forjate sunt de obicei mai puternice decât piesele turnate datorită alinierii structurii granulelor materialului în timpul procesului de forjare, fiind astfel supuse unei rezistențe sporite la stres, oboseală și sarcină mecanică. Acest lucru le califică pentru aplicații de înaltă performanță.
• Proprietăți îmbunătățite ale materialelor: Proprietățile materiale ale produselor sunt îmbunătățite în ceea ce privește materialele care au o structură internă mai bună, adică omogene și care nu sunt predispuse la defecte precum porozitatea. Acest lucru ar duce la proiectarea unor piese de mai bună calitate care vor avea proprietăți mecanice mai bune, vor dura mai mult datorită calității și vor funcționa în medii dificile.
• Precizie ridicată: Forjarea poate produce o precizie ridicată sau toleranțe strânse în produsele finite. Se potrivește cel mai bine acolo unde sunt necesare cerințe stricte, cum ar fi industria aerospațială și industria auto.
• Rezistență ridicată: Piesele care sunt forjate sunt rezistente. Această structură granulometrică îmbunătățită este cea care le permite să reziste la sarcini de impact mari și la medii extreme, fiind astfel potrivite în industria aerospațială, auto și militară.

Consecințele turnării și forjării

Dezavantajele turnării:

• Porozitate și defecte: Piesele turnate pot prezenta defecte precum porozitate, fisuri și alte defecte interne din cauza procesului de răcire. Astfel de defecte au capacitatea de a afecta rezistența și integritatea produsului final și necesită inspecții suplimentare și controlul calității.
• Rezistența materialului este, de asemenea, limitată: deși pot fi turnate forme complicate, rezistența materialului poate fi mai mică, în comparație cu materialul forjat. Acest lucru face ca piesele turnate să fie nepotrivite pentru locurile în care rezistența și durabilitatea excepționale sunt importante, în special în locurile cu tensiuni ridicate.
• Costuri de mucegai: Dezvoltarea costurilor de turnare de înaltă calitate pentru turnare, în special pentru piese complexe sau cantități mici, poate fi foarte costisitoare de creat. Acest lucru poate crește prețul procesului de turnare ca întreg și, prin urmare, nu este atât de potrivit pentru a produce la volume mici.

Dezavantajele forjării:

• Forme restricționate: Forjarea funcționează bine pentru piese de formă simplă și nu este cea mai potrivită metodă de creare a unor forme geometrice complexe. Acest proces se potrivește pieselor care trebuie să fie puternice, dar nu complexe.
• Cheltuieli crescute în cazul tirajelor mici: În comparație cu tirajele mari, în timpul forjării loturilor mici sunt suportate costuri ridicate din cauza costurilor de instalare a sculelor și matrițelor, deși este rentabilă atunci când sunt fabricate cantități mari dintr-un produs.
• Selecție restrânsă de materiale: Forjarea poate avea loc numai pentru metalele care pot suporta temperaturi ridicate, cum ar fi oțelul, aluminiul și titanul. Procesul este mai puțin versatil în ceea ce privește adecvarea materialelor care sunt greu de forjat la temperaturile necesare.

Materiale de turnare și forjare

Materiale de turnare

Acest proces de turnare este un proces divers care poate fi realizat folosind o gamă largă de materiale în funcție de nevoile aplicației. Metalele utilizate în mod obișnuit în turnare sunt aluminiu, oțel, fier, bronz și alamă, care sunt caracterizate de proprietăți unice care le califică pentru a fi utilizate în diverse industrii. Ca un alt exemplu, aluminiul este ușor și are o bună rezistență la coroziune, ceea ce va fi ideal în piețele auto și aerospațiale. Oțelul și fierul sunt mai preferate datorită durabilității și rezistenței lor și sunt, de obicei, utilizate în componentele mașinilor și industriilor grele. Bronzul și alama pot fi văzute în utilizarea metalelor atunci când este necesar elementul de rezistență, dar trebuie luată în considerare și nevoia de rezistență la coroziune și de atractivitate pentru ochi, cum ar fi piesele decorative sau echipamentele de pe nave.

Pe lângă aceste metale comune, turnarea poate implica și aliaje specializate, cum ar fi magneziul, aliajele de zinc și aliajele pe bază de cupru, care sunt selectate pentru a se potrivi anumitor aplicații deoarece posedă proprietăți de funcționare specifice. Un exemplu de aliaje de magneziu este utilizat în industriile care au nevoie de componente ușoare, un alt exemplu fiind aliajele de zinc care ar putea fi aplicate în diverse industrii în care există necesitatea de a turna anumite piese care nu ar trebui să fie vulnerabile la uzură. Astfel de aliaje de cupru sunt dominante în lucrările electrice și sanitare datorită rezistenței lor ridicate la coroziune și a conductivității electrice. Turnarea poate utiliza diferite metale și aliaje, ceea ce înseamnă că producătorii pot modifica piesele pentru a se potrivi cel mai bine aplicației respective.

Materiale de forjare

Materialele utilizate pentru fabricarea pieselor forjate sunt de obicei alese datorită rezistenței lor în ceea ce privește tensiunea și proprietățile de rezistență la presiune. Aliajele de oțel care includ oțelul carbon, oțelul inoxidabil și oțelul pentru scule sunt cele mai frecvent utilizate materiale în forjare. Oțelul carbon este puternic și dur și, prin urmare, este utilizat la construirea structurilor și a componentelor mașinilor grele. Avantajul oțelului inoxidabil este că nu poate fi ușor corodat, prin urmare este ideal în locuri în care piesele sunt inospitaliere, cum ar fi industria auto și cea medicală. Oțelul pentru scule este deosebit de rezistent la uzură și, prin urmare, este aplicabil în scule, matrițe și alte componente ale mașinilor de înaltă performanță.

Utilizări ale turnării și forjării

Turnarea și forjarea au mai multe aplicații similare în diferite industrii, iar fiecare tip este specializat pentru a răspunde nevoilor produsului final. Tipul de turnare sau forjare este determinat de rezistență, complexitate, proprietățile materialului utilizat și utilizarea finală. Principalele aplicații ale proceselor sunt următoarele.

Utilizări ale turnării

Turnarea s-a dovedit a fi utilă și în producția de piese cu forme complexe sau volume mari. Unele dintre cele mai importante aplicații în industrie sunt următoarele:

• Industria automobilelor: Printre piesele realizate prin turnare se numără blocuri motor, carcase de transmisie și colectoare de evacuare. Formele acestor piese sunt de obicei complicate, iar cantitățile care trebuie turnate sunt în număr mare; prin urmare, turnarea este o metodă eficientă de adoptat. În plus, turnarea va permite utilizarea de materiale ușoare, dar puternice, cum ar fi aliajele de aluminiu, care sunt necesare pentru a îmbunătăți economia de combustibil a vehiculelor.
• Aerospațial: Industria aerospațială este o altă industrie care depinde foarte mult de turnare, deoarece permite producția de structuri sofisticate, cum ar fi carcasele turbinelor, structurile aripilor și părțile motorului. Aliajele de titan și aluminiu sunt alte materiale de turnare care sunt utilizate pe scară largă, oferind rezistență și greutate redusă, care sunt extrem de importante pentru performanța aeronavelor și economia de combustibil.
• Industria marină: În industria navală, elemente precum elicele, piesele de motor și alte componente importante ale navelor sunt turnate. Majoritatea acestor componente necesită rezistență la coroziunea provocată de apa sărată și, prin urmare, pot fi turnate aliaje precum bronzul, alama și aliaje speciale. Procesul garantează că aceste componente vor rezista condițiilor marine neospitaliere.
• Artă și sculptură: Turnarea joacă, de asemenea, un rol important în producția de artă și sculptură. Capacitățile de detaliere fină ale matrițelor permit artiștilor să creeze modele de nedescris pe alte materiale precum bronzul și aluminiul, printre alte metale. Turnarea poate fi utilizată pentru a crea un mediu versatil de exprimare de-a lungul istoriei și în arta contemporană.

Utilizări ale forjării

Forjare. În cazurile în care produsul final necesită o rezistență ridicată, durabilitate și integritate a materialului, procesul este realizat prin forjare. Acestea sunt industriile și piesele comune în care forjarea este importantă:

• Industria auto: Industria automobilelor utilizează, de asemenea, forjarea în producția sa de automobile. În această industrie, forjarea este aplicată în zone precum interiorul motorului, care sunt supuse unor tensiuni scăzute și ridicate. Unele dintre piesele puternic solicitate care utilizează forjare includ arborele cotit, bielele și componentele suspensiei. Acestea sunt supuse forțelor majore și expuse la un mediu de funcționare brutal; prin urmare, rezistența și durabilitatea procesului de forjare sunt cruciale pentru succesul și durata de viață a acestor piese.
• Aerospațial: Industria aerospațială se bazează, de asemenea, pe forjare în producția de componente cu rezistență ridicată, cum ar fi trenul de aterizare, discurile turbinelor și piesele structurale. Aceste componente turnate trebuie să funcționeze la temperaturi și sarcini ridicate, iar structura crescută a granulelor care poate fi obținută în forjare va furniza proprietățile mecanice necesare, garantând siguranța și fiabilitatea în industria aeronautică.
• Petrol și gaze: Sectorul de petrol și gaze implică forjarea ca unul dintre cele mai vitale domenii, cu piese cum ar fi supapele, fitingurile și piesele pompelor supuse unei presiuni mari sau coroziunii. Aliajele metalice forjate includ piese care pot face față rigorilor extreme ale presiunii și temperaturii ridicate, coroziunii chimice și gazelor.
• Apărare și echipamente grele: Industria de apărare și a utilajelor grele utilizează în mod obișnuit piese realizate prin forjare. Piesele de automobile, cum ar fi buldozerele, excavatoarele și diverse echipamente militare din tancuri sunt construite cu forța și rigiditatea celor turnate, deoarece acestea suportă tensiuni mai mari decât cele normale în cursul utilizării lor. De asemenea, forjarea conferă integritate acestor piese și le permite să suporte sarcini mari într-un mod fiabil.

Distincțiile majore dintre forjare și turnare

Deși turnarea și forjarea sunt tehnici de fabricație destul de asemănătoare, este important să se realizeze principalele particularități ale fiecăreia pentru a afla care este cea mai potrivită într-un caz specific:

Problemele de turnare și forjare

Turnarea este în mod clar avantajoasă, dar are și dezavantajele sale, la fel ca și forjarea. Controlul calității poate fi o mare problemă în cazul turnării. Adesea poate fi necesar să se utilizeze tehnici speciale și să se mențină o atenție deosebită pentru a se asigura că nu vor exista defecte într-o piesă turnată, iar problemele de contracție, porozitate sau fisuri nu dezamăgesc de obicei. Deciziile de înaltă calitate contează foarte mult în industriile în care precizia este imperativă. Pe lângă aceasta, turnarea este un proces care necesită multă energie, deoarece este nevoie de energie pentru topirea și încălzirea metalelor la temperaturi ridicate, ridicând astfel unele probleme de mediu și emisii. Procesul actual de fabricarea matrițelor, în special cele care implică trasee complexe și complexe, pot fi, de asemenea, costisitoare, mai ales atunci când este vorba despre cantități reduse de piese produse. La aceasta se adaugă și faptul de a crește costul inițial.

În schimb, forjarea reprezintă o provocare în materie de scule și a apărut. În timpul forjării, trebuie utilizate matrițe de calitate superioară și mașini high-end și, de cele mai multe ori, această investiție majoră este necesară. Acest lucru reduce producțiile mici din punct de vedere economic. Forjarea este, de asemenea, limitată în ceea ce privește flexibilitatea producției de geometrii complexe. Spre deosebire de turnare, care este capabilă să creeze forme complexe, forjarea este, de asemenea, mai restrictivă, având în vedere că pot fi produse structuri și forme mai simple. De asemenea, în timpul procesului de forjare se creează deșeuri de material, deoarece este frecvent să se găsească bucăți mici care trebuie tăiate pe măsură ce metalul este modelat. O astfel de risipă poate contribui la costul de producție, afectând astfel eficiența procesului.

Modul în care industriile se ajustează

Industria turnării și forjării se schimbă pe măsură ce tehnologia evoluează. Cele mai recente progrese includ:

Turnare: Realizarea de matrițe și piese turnate prin imprimare 3D devine o practică obișnuită și a oferit posibilitatea de a realiza prototipuri mai rapide și de a realiza tipuri complexe de forme. Fabricarea aditivă este, de asemenea, adoptată în procesul de turnare pentru a crea mai multe piese cu mai puține defecte și complicații.

Forjare: Utilizarea liniilor automate de forjare și a echipamentelor robotizate îmbunătățește precizia și prețul. Noile tratamente termice îmbunătățesc, de asemenea, proprietățile pieselor forjate, deoarece, în situații extreme, se pot obține performanțe și mai bune.

Turnarea și forjarea sunt viitorul

Atât tehnologiile de turnare, cât și cele de forjare se confruntă cu progrese tehnologice pe măsură ce acestea conduc la creșterea eficienței și a capacităților lor:

• Distribuția: Cele mai avansate tehnologii de fabricare a matrițelor, cum ar fi imprimarea 3D, sunt aplicate pentru a dezvolta matrițe mai complicate și mai complexe la un cost mai mic. Există, de asemenea, îmbunătățiri continue ale materialelor și proceselor de turnare, ceea ce duce la obținerea unor piese turnate mai bune, cu mai puține defecte de turnare.
• Forjare: Următorul pas în domeniul forjării este reprezentat de sistemele automatizate și procesele controlate de computer, care au ca rezultat o mai mare precizie și costuri mai mici. De asemenea, utilizarea de noi materiale și tratamente termice va extinde domeniul de aplicare al pieselor forjate la întreprinderi precum industria aerospațială și industria energetică.

Concluzie

Turnarea și forjarea sunt ambele procese de fabricație vitale, care au avantajele și dezavantajele lor. Turnarea este cea mai potrivită pentru a realiza forme complicate și volume mari la un cost redus. Este bună atunci când componentele nu au rezistență sau durabilitate maximă. Forjarea, cu toate acestea, este cea mai bună pentru a produce piese care necesită rezistență ridicată și rezistență la stres. Se potrivește cel mai bine în cazul pieselor critice, unde problema performanței și a fiabilității este cea mai importantă.

Alegerea între turnare sau forjare este determinată de designul și scopul piesei. Proiectele complicate, volumele mari și cazurile în care rentabilitatea este o preocupare favorizează utilizarea turnării. Piesele de înaltă performanță în condiții dificile sunt turnate folosind forjarea care are o rezistență mai mare a materialului.

Odată cu schimbarea industriilor, cele două procese sunt supuse beneficiilor schimbărilor tehnologice. Automatizările în utilizarea inovațiilor, cum ar fi imprimarea 3D în turnare, o fac mai precisă, precum și mai eficientă. Capacitatea de a distinge nevoile unui anumit proiect le permite producătorilor să aleagă procesul adecvat, iar această strategie va garanta că produsul final va fi capabil să îndeplinească toate cerințele privind calitatea, performanța și prețul.

Întrebări frecvente

1. Care este diferența majoră dintre turnare și forjare?

Forma metalului este principala diferență. Turnarea este procesul care implică topirea metalului și turnarea acestuia într-o matriță care îl ajută să devină o structură dorită. Forjarea, dimpotrivă, îndoaie metalul prin exercitarea unei presiuni mari asupra unui material de înaltă presiune într-o stare fierbinte care modifică structura metalului. Turnarea este adecvată atunci când modelele sunt elaborate; pe de altă parte, forjarea produce elemente durabile.

2. În ce condiții ar trebui să turnăm în loc să forjăm?

Turnarea este adecvată atunci când trebuie să realizați forme complexe sau când aveți nevoie de volume mari de componente cu forme complicate. Se potrivește cel mai bine componentelor care ar fi dificil sau costisitor de creat în alt mod, în special atunci când sunt necesare detalii precise și producție la scară largă. Turnarea este, de asemenea, mai ieftină atunci când vine vorba de piese cu pereți subțiri sau piese cu forme complexe.

3. Materialele pe care le pot turna sunt aceleași materiale pe care le pot forja?

Nu, materialele de turnare și forjare pot fi diferite. La turnare se pot folosi zeci de metale și aliaje diferite, aluminiu, fier, bronz și materiale exotice precum magneziu și zinc. Cu toate acestea, forjarea se face în mod normal pentru metale care nu devin fragile la temperaturi ridicate, de exemplu, aliaje de oțel, aliaje de aluminiu/titan/cupru.

4. Care sunt dezavantajele turnării și forjării?

În timpul turnării apar porozități și fisuri, iar rezistența materialului este în mod normal mai scăzută în cazul pieselor turnate în comparație cu cele forjate. De asemenea, este un proces costisitor, în special în cazul producției complexe sau de volum redus, deoarece necesită matrițe personalizate costisitoare. Cu toate acestea, deși este mai capabil să producă piese mai puternice și mai durabile, nu poate face față decât unor forme mai simple și, la fel ca turnarea, forjarea este mai costisitoare, în special atunci când trebuie realizate serii mici de producție.

5. Care sunt industriile care beneficiază cel mai mult de avantajele turnării și forjării?

Operațiunile de producție care necesită construcția de forme și componente delicate în cantități mari, cum ar fi producția de automobile, industria aerospațială, industria navală și cea artistică, necesită în mare măsură turnarea. Domeniile care preferă forjarea în detrimentul altor procese includ industria auto, industria aerospațială, industria de apărare și industria producătoare de petrol și gaze, în care rezistența, duritatea și durabilitatea pieselor critice precum arbori cotiți, palete de turbine și componente structurale sunt factori importanți.