تشغيل المعادن Metalworking، هي عملية الشغل بالفلزات لخلق أجزاء مستقلة أومجمعة أوبنى كبيرة. يضم هذا المصطلح طيفا واسعا من الأعمال من السفن الكبيرة والجسور إلى أجزاء المحرك الدقيقة والمجوهرات الرقيقة. إذن يتضمن أيضا المهارات والعمليات والأدوات الكثيرة.

صنع الأدوات المعدنية هوفهم وفن وهواية وصناعة وتجارة. وجذوره التاريخية تمتد في الحضارات لآلاف السنين. وقد تطور بدءًا من صهر المواد الخام المتنوعة، وإنتاج المعادن المطيلية المفيدة في تصنيع الأدوات والحلي. تصنف عمليات الحديثة في خلق الأدوات المعدنية إلى عمليات تشكيل أوبتر أوتوصيل. يتضمن مخزن الآلات في أيامنا هذه عددًا من أدوات التشغيل القادرة على تكوين منتجات مفيدة ودقيقة.

عمليات عامة في تشغيل المعادن

يصنف خلق الأدوات المعدنية إلى الأصناف التالية: الحدادة، والبتر، والتوصيل. وكل من هذه الأصناف تحتوي الكثير من العمليات.

ويخضع الفلز، قبل معظم العمليات، إلى تحديد أبعاده أو/والقياس بحسب الأبعاد النهائية المطلوبة من المنتج.

وضع علامات الحدود أووضع علامات التشغيل: وهي عملية نقل التصميم أوالنموذج إلى المشغولة وهي المستوى الأولى في الحرفة اليدوية لصناعة الأدوات المعدنية. وتنجز في الكثير من الصناعات أوالهوايات، مع حتى وضع العلامات في العمليات الصناعية المتكررة لكل بترة على حدة قد ألغيت منذ زمن. وفي مجال المعادن، تتألف عملية وضع علامات الحدود من نقل المخطط الهندسي إلى المشغولة من أجل تحضيرها إلى المراحل التالية من التشغيل أوالتصنيع.

قدمة ذات الورنية هي إحدى الأدوات المصممة لكي تقيس الأبعاد بين نقطتين. معظم القدمات لها مجموعة من الحافات المستوية والمتعامدة، تستخدم لقياس الأقطار الداخلية والخارجية. هذه القدمات دقيقة ضمن مجال جزءًا من الألف من الإنش (أي 25,4 ميكرومتر). القدمات المتنوعة لها آليات مختلفة لإظهار قراءة المسافة المقاسة. ومن أجل قياس الأبعاد الأكبر ولكن بدقة أقل يستخدم شريط قياس غالبا.

عمليات التشكيل

تعدل عمليات التشكيل المعدن أوالمشغولة بتشويهها بدون إزالة أي مادة. تنجز عمليات التشكيل على البارد أوالساخن تحت الضغط أوباستخدام قوى ميكانيكية أوبكليهما معًا.

السباكة

تشكل السباكة المشغولة بصب المعدن المصهور ضمن نطقب وهجره ليبرد دون تأثير أي قوة ميكانيكية. وللسباكة عدة أنواع:

• سباكة دقيقة (تسمى أيضا سباكة بطريقة الشمع الضائع في السباكة الفنية)
• سباكة تدويمية
• سباكة في قوالب
• سباكة في قوالب رملية
• سباكة في قوالب قشرية
• سباكة مغزلية

التشوه اللدن

يتضمن التشوه اللدن استخدام الحرارة أوالضغط من أجل جعل المشغولة أكثر انقيادًا للقوة الميكانيكية. وكان الحداد من يقوم بهذه العملية تاريخيًا، ولكن في زمننا الحاضر أصبحت العملية صناعية.

• ضبط القياس على البارد
• بثق
• حدادة
• تشكيل المعدن الساخن بالغاز
• ميتالورجيا المساحيق

تشكيل الصفائح المعدنية

تتضمن هذه الأنواع من عمليات التشكيل تطبيق قوة ميكانيكية عند درجة حرارة الغرفة.

• عملية الحني
• السك
• تسوية التقويس
• السحب العميق
• السحب
• التشكيل بالرحو
• التكوير
• التشكيل بالدرفلة
• الدرفلة
• التشكيل بلينه من المطاط
• نص=القص
• التشكيل بالختم

عمليات البتر

البتر هومجموعة من العمليات التي تعطي شكلا محددًا للمادة بإزالة المادة الزائدة باستخدام أنواع متعددة من الأدوات للوصول إلى المواصفات المطلوبة. ينتج عن عملية البتر المنتج النهائي والمواد الزائدة أوالضائعة. إذا كانت المادة المشغلة خشبية القوام، فإن المادة الضائعة ستكون نشارة الخشب والخشب الزائد. وفي عملية بتر الفلزات، تكون المواد الضائعة هي رقائق أوالرايش والفلز الزائد. يمكن حتى تقسم هذه العمليات إلى عمليات بتر منتجة للرايش، وتسمى عادة عمليات التشغيل، فعمليات البتر باستخدام اللهب الأوكسيجيني أوعمليات اللحام ليست عمليات تشغيل. كما يوجد عمليات متنوعة خاصة مثل التشغيل الكيميائي (chemical milling).

تتمثل عملية البتر تقريبا بـ:

• عمليات تولد الرايش وتعهد غالبا بتشغيل الفلزات.
• الحرق، وهي مجموعة عمليات تبتر فيها المشغولة بأكسدة شق لفصل بتر من الفلز.
• عمليات خاصة

عملية ثقب المعدن أكثر الأمثلة شيوعا لعملية إنتاج الرايش. واستخدام اللحام بالغاز لفصل الصفائح الفولاذية إلى بتر أصغر هي مثال عن عمليات الحرق. عمليات التشغيل الكيميائي هي مثال عن العمليات الخاصة التي تزيل المادة الزائدة باستخدام المواد الكيميائية المنمشة والمواد الكيميائية المغطية (masking chemicals).

يوجد عدة تقنيات متوفرة لبتر الفلزات، تتضمن:

• تقنيات يدوية: منشار، وإزميل، ومقراض.
• تقنيات آلية: خراطة، وتفريز، وثقب، وجلخ، ونشر.
• تقنيات اللحام والحرق: الحرق بالليزر، واللحام بالغاز، والبتر بالبلازما.
• تقنيات الحت: بتر بنفث الماء أوتشغيل بالتفريغ الكهربائي.

يستخدم سائل البتر أوالمبرد عندما تولد عملية البتر احتكاكًا كبيرًا وحرارة في مكان البتر بين أداة البتر مثل ريشة الثقب والمشغولة. يُدخل المبرد عادة بنفثه على سطح تماس المشغولة مع الأداة ليقلل من الاحتكاك ودرجة الحرارة في ذلك السطح فيمنع بذلك اهتراء الأداة المتسارع. وهناك عدة طرق عمليا لإيصال المبرد إلى المكان المرغوب.

تشغيل آلي

تشغيل المعادن هي عملية معقدة لإعطاء الفلز أوالمواد الأخرى الشكل المطلوب، بإزالة المادة لتعطي الشكل النهائي. وتنجز عمليات التشغيل عادة على آلة تفريز، وهي آلة مدارة آليًا وتتألف ببساطة من مِبتر تفريز يدور حول محور دوران (مثل المثقب)، ومن طاولة يمكن حتى تتحرك باتجاهات متعددة عادة اتجاهين [محوران x وy] نسبة إلى المشغولة. يتحرك محور الدورات بالاتجاه z عادة. ويمكن حمل الطاولة مع المشغولة المثبتة عليها. يمكن التحكم بالفارزة يدويًا أوباستخدام التحكم الرقمي باستخدام الحاسوب (CNC)، ويمكنها حتى تنجز عددًا واسعا من العمليات المعقدة، مثل بتر الأخاديد، والقشط، والثقب واللولبة، وبتر الفرزات ومسحاج التخديد، إلخ. وهناك نوعان من الفارزات، فارزة ذات محور دوران أفقي، وفارزة ذات محور دوران عمودي.

تكون البتر المنتجة عادة أجسامًا معقدة ثلاثية الأبعاد تحول إلى إحداثيات x وy وz ثم تدخل إلى الآلة المتحكم بها باستخدام الحاسوب وتهجر لها مهمة إنهاء الأعمال المطلوبة. يمكن للفارزة إنجاز معظم الأجزاء ثلاثية الأبعاد، ولكن بعض الأجسام بحاجة لأن تدار وفق المحاور الأحداثية الثلاثة بحسب الحاجة وهذا يحتاج فارزة ذات مواصفات خاصة.

ويستخدم سائل التبريد لتبريد كلا من المادة وأدات البتر. وينفث سائل التبريد من خرطوم مباشرة على المادة والأداة. يمكن حتى يضبط معدل التبريد آليا أويدويًا بحسب نوع الآلة.

يمكن تفريز مواد تتراوح بين الألومنيوم إلى الفولاذ غير القابل للصدأ ومعظم المواد بينهما. تتطلب جميع مادة سرعات بتر مختلفة على آلة البتر وتتفاوت بحسب كمية المادة التي يمكن إزالتها بمرور واحد للأداة. المواد القاسية تفرز عادة بسرعات بطيئة وتزال منها كميات صغيرة مقارنة بالمواد الأطرى.

إن استخدام الفارزة يضيف كلفة على المنتج. فكل مرة نستخدم فيها الآلة، نستخدم سائل التبريد من أجل الحفاظ على المِبتر. كما يجب تغيير مبتر التفريز المتآكل لأنه يضر بالمشغولة. والوقت من أكبر عوامل التكلفة، فالأجزاء المعقدة بحاجة ساعات من العمل حتى تكتمل في حين بحاجة البتر البسيطة إلى دقائق معدودة.

الأمان هوأبرز الأمور في هذه الآلات. فسكينة البتر تتحرك بسرعات كبيرة وتزيل بترًا من الفلز الساخن جدًا. من مزايا الفارزة المتحكم بها باستخدام الحاسوب CNC أنها تحمي مشغل الآلة.

الخراطة

الخراطة هي عملية بتر تنتج سطوحا أسطوانية باستخدام أدوات البتر. تدور المشغولة حول محور دوران وتحرك أداة البتر لتبتر المشغولة بحركة قطرية أومحورية أوكليهما معا. تسمى عملية إنتاج سطوح عمودية على محور الدوران بالتسوية القابلية facing. وتسمى عملية إنتاج سطوح باستخدام التغذية القطرية والمحورية معا بعملية تشكيل الجانبية profiling.

المخرطة هي آلة تشغيل تدوّر كتلة أوأسطوانة لتشغيلها، وذلك باستخدام البتر أوالسحج أوالتخريش الجانبي (طرطرة)، فتعطي أجساما ذات تناظر دوراني حول محور الدوران. من الأمثلة عن البتر المنتجة على المخرطة أقدام الطاولة الخشبية ذات الشكل الأسطواني، عصي البيسبول، الأعمدة المرفقية، أعمدة الحدبات ومدرجة الكريات (Race) في المحمل.

اللولبة

هناك عدة عمليات للولبة تتضمن: بتر اللولب باستخدام ذكر ولقمة اللولبة، تفريز اللولب، بتر اللولب برأس واحد، دلفنة وتشكيل اللولب، وتجليخ اللولب. يستخدم ذكر اللولبة لبتر اللولب في السطح الداخلي لثقب ما، في حين تستخدم لقمة اللولبة لبتر اللولب الخارجي على قضيب أسطواني.

الجلخ

التجليخ هي عملية بتر تستخدم مادة سحج لإزالة المادة من المشغولة. آلة الجلخ هي آلة تشغيل تستخدم في الأنهاء الناعم جدًا، والبتر الصغير جدًا، أوالأشكال الدقيقة جدًا. وتستخدم الجلاخة من أجل عملها عجلة سحج كأداة للبتر. يمكن صناعة هذه العجلة بأبعاد ومقاييس مختلفة من الحجارة، والألماس، أوالمواد غير العضوية.

البرد

البَرْدُ هودمج للبتر بالتجليخ والبتر بأسنان المنشار باستخدام المبرد. قبل تطوير تجهيزات التشغيل الحديثة، كان يعد وسيلة دقيقة نسبيا في إنتاج الأجزاء الصغيرة، وخصوصا ذات السطوح المستوية. والاستخدام الماهر للمبرد يسمح للعامل الميكانيكي بالعمل ضمن تسامحات صغيرة وكان دليلا رسميا للمهارة. قلما يستخدم البرد في وقتنا الحاضر كوسيلة للإنتاج الصناعي، وبقي استخدامه شائعا في إزالة الرائش.

عمليات أخرى

التخليق هي عملية تشغيل تستخدم لبتر مجاري الخوابير في المحاور. التشغيل بالحزمة الإلكترونية هي عملية تشغيل توجه فيها حزمة من الإلكترونات ذات السرعة العالية إلى المشغولة فتسخن وتبخر المعدن. التشغيل بالموجات فوق الصوتية عملية تستخدم فيها اهتزازات الموجات فوق الصوتية لتشغيل المواد القاسية جدًا أوالقصفة.

عمليات التوصيل

اللحام

اللحام عملية تصنيع تستخدم لتوصيل المواد، عادة من الفلزات أواللدائن المتلدنة بالحرارة بلحمها مع بعضها البعض. وتنجز العملية غالبا بصهر المشغولة وإضافة مواد ملئ لتشكل بركة من المادة المصهورة التي تبرد لتصبح وصلة قوية، وقد يستخدم الضغط أحيانا موافقا للحرارة، أولوحده.

تستخدم مصادر مختلفة للطاقة من أجل اللحام، منها اللهب الغازي، والقوس الكهربائي، والليزر، والاحتكاك، والموجات فوق الصوتية. يمكن اللحام في مختلف بيئات العمل، بما فيها الهواء، وتحت الماء، وفي الفضاء الخارجي. وبغض النظر عن مكانها، فإن عملية اللحام خطرة جدًا، ويجب أخذ الحيطة والحذر لتجنب الاحتراق، والصدمة الكهربائية، والأدخنة السامة، والتعرض إلى الأشعة فوق البنفسجية.

التنحيس

التنحيس هي عملية توصيل يصهر فيها معدن الملء ويسيل في المجاري الشعرية المشكلة بين البتر الملحومة. يتفاعل معدن الملء بنيويا مع المشغولة ويتصلب في المجاري مشكلا وصلة قوية. وعلى نقيض اللحام، لا تذوب المشغولة. عملية التنحيس تشبه عملية اللحام بالقصدير، ولكنها تنجز عند درجات حرارة لا تزيد عن 450 درجة مئوية. تتميز عملية التنحيس بإنتاج إجهادات حرارية أقل من تلك المتولدة أثناء اللحام، والوصلات الناتجة تكون أكثر مطيلية لأن العناصر السبائكية الناتجة لا يمكن عزلها وترسيبها.

تتضمن تقنيات التنحيس، التنحيس باللهب، والتنحيس بالمقاومة، والتنحيس في الفرن، والتنحيس الانتشاري، والتنحيس الحثي.

اللحام بالقصدير

اللحام بالقصدير هي عملية توصيل تنجز عند درجة حرارة تحت 450 درجة مئوية. وهي عملية تشبه التنحيس بأن معدن الملء ينصهر ويسيل في المجاري الشعرية التي تشكلها الوصلة، ولكن عند درجة حرارة أخفض. وبسبب درجة الحرارة المنخفضة والسبائك المتنوعة المستخدمة كمعدن للملء، فإن التفاعل البنيوي بين معدن الملء والمشغولةقد يكون صغيرًا مؤديًا إلى وصلة أضعف.

عمليات مرافقة

مع حتى العمليات التالية ليست عمليات أساسية في خلق الأدوات المعدنية، إلا أنها تنجز غالبا قبل أوبعد عمليات التنصيع.

المعالجات الحرارية

يمكن معالجة الفلزات معالجة حرارية لتعديل خواص المقاومة، والمتانة، والمطيلية، والقساوة أومقاومة التآكل. تضم عمليات المعالجات الحرارية الشائعة التلدين، والتصلد بالترسيب، السقاية، والتطبيع. تطري عملية التلدين الفلز حيث تسمح بزياد نموالحبيبات. يمكن استعمال السقاية لتصليد سبائك الفولاذ أوالسبائك القابلة للتصلد بالترسيب، حيث تحجز الذرات المنحلة في المحلول. تؤدي عملية التطبيع إلى ترسيب العناصر السبائكية المنحلة، أوفي حالة الفولاذ المسقى، تحسن مقاومة الصدم وخواص المطيلية.

تدمج المعالجات الحرارية والميكانيكية بما يعهد المعالجات الميكانيكية الحرارية التي تعطي خواصا أفضل ومعالجة أكثر فاعلية للمواد. تجرى هذه المعالجات على الفولاذ السبائكي، السبائك الفائقة وسبائك التيتانيوم.

التصفيح بطلاء معدني

التصفيح الكهربائي هي تقنية معالجة سطحية شائعة الاستخدام. تتضمن العملية لصق طبقة رقيقة من فلز آخر مثل المضى، أوالفضة، أوالكروم، أوالزنك على سطح المنتج. تستخدم لتقليل التآكل السطحي وتحسين المظهر الجمالي للمنتج.

انظر أيضاً

• Metalworking hand tools
• National Ornamental & Miscellaneous Metals Association
• قائمة عمليات التصنيع
• قائمة مهن تشغيل المعادن
• خط زمني لتكنولوجيا المواد
• Unimat

المصادر

المراجع

• Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.), Wiley, ISBN 0-471-65653-4. 

قراءات إضافية

• Possehl, Gregory L. (1996). Mehrgarh in Oxford Companion to Archaeology, edited by Brian Fagan. Oxford University Press.

وصلات خارجية

• نطقب:Usenet
• Elementary Knowledge of Metalworking
• Popular Mechanics' Metalworking Basics (December 2001)
• , October, 2009
• , November, 2009