ધાતુકાર્ય

ધાતુકાર્ય (metal working) : ધાતુ પર દબાણ આપીને કે તેને ખેંચીને જોઈતો આકાર મેળવવાની ક્રિયા. આ ક્રિયા ઢાળણ અને મશીનિંગ ક્રિયાથી જુદી પડે છે; કારણ કે આ ક્રિયામાં કોઈ ધાતુવ્યય થતો નથી. ધાતુના દાગીનાઓને પ્રાથમિક આકાર આપવાની ઢાળણ પછીની આ મહત્વની ક્રિયા છે. આ ક્રિયાથી ધાતુના યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં સુધારો થાય છે. ધાતુકાર્ય બે પ્રકારનું છે : ઉષ્ણકાર્ય અને શીતકાર્ય. જે ઉષ્ણતામાને ધાતુમાં વિકૃતિ(deformation)રહિત અને સરખા આકાર તેમજ કદના કણો પેદા થાય છે તે ઉષ્ણતામાન પુન:સ્ફટિકીકરણ-ઉષ્ણતામાન કહેવાય છે. ધાતુ તેના પુન:સ્ફટિકીકરણ-ઉષ્ણતામાન કે તેથી વધુ ઉષ્ણતામાને હોય અને તેના પર દબાણ આપી કાર્ય કરવામાં આવે તો તે ઉષ્ણકાર્ય અને જો તેથી નીચા તાપમાને કાર્ય કરવામાં આવે તો તે શીતકાર્ય કહેવાય છે. ઉષ્ણકાર્ય અને શીતકાર્યને તેમના આગવા ફાયદા-ગેરફાયદા છે. સામાન્ય રીતે એકના ફાયદા તે બીજાના ગેરફાયદા છે.

ધાતુ પર કાર્ય કરી વિવિધ આકારના દાગીના મેળવવાની રીતોમાં રોલિંગ, ઘડતર (forging), ઉત્તોદન (extrusion), કર્ષણ (drawing), નમન (bending), પ્રેસકર્તન અને ચક્રણ (spinning) મુખ્ય છે. આ રીતો ઉષ્ણકાર્ય અને શીતકાર્ય  એમ બંનેમાં વાપરવામાં આવે છે. અમુક સંજોગોમાં વસ્તુને આપવાનો મોટાભાગનો આકાર ઉષ્ણકાર્ય દ્વારા અને  અંતિમ ચોક્કસ આકાર શીતકાર્ય વડે આપવામાં આવે છે. હાલમાં જુદા જુદા પ્રકારનાં યંત્રો વડે ધાતુકાર્ય દ્વારા નાના બોલ્ટથી માંડીને વિશાળ ટર્બાઇનના રોટર અને વિમાનની પાંખો બનાવાય છે.

1. રોલિંગ : જુદા જુદા આડછેદ જેવા કે ગોળ, ચોરસ, ઍંગલ (L), ચૅનલ (U), ટી (T), ઝેડ (Z) વગેરે આકારના લાંબા ધાતુના સળિયા રોલિંગ ક્રિયા દ્વારા મળે છે. ધાતુનાં પતરાં અને પટ્ટીઓ પણ રોલિંગ વડે જ બનાવાય છે. રોલિંગ ક્રિયામાં ધાતુના ગઠ્ઠા(લગડી)ને બે રોલ વચ્ચે પસાર કરવામાં આવે છે. જે આકારના આડછેદવાળો સળિયો મેળવવો હોય તેને ધ્યાનમાં લઈ રોલ ઉપર તે પ્રમાણે ખાંચા રાખવામાં આવે છે.

આકૃતિ 1 અને 2 ગઠ્ઠાને બે રોલ વચ્ચે જરૂરિયાત પ્રમાણે એકથી વધુ વખત પસાર કરવાથી સળિયાનો આકાર અને કદ મળે છે. આકૃતિ 3માં ધાતુના ગઠ્ઠા(billet)માંથી ગોળ સળિયો બનાવવા માટે તેને પંદર તબક્કામાંથી પસાર કરવો પડે છે તે દર્શાવ્યું છે.

2. ઘડતર : ધાતુપદાર્થને ઘણ કે હથોડી વડે ટીપીને કે બે ડાઇઓ વચ્ચે દાબીને જોઈતો આકાર મેળવવાની ક્રિયાને ઘડતર કહેવાય. લુહારીકામમાં મુખ્યત્વે ઘડતરક્રિયા જ વપરાય છે. ઘડતરક્રિયામાં મુખ્યત્વે ઉષ્ણકાર્ય કરવામાં આવે છે. આ કારણસર ઘડતરક્રિયામાં ધાતુનું ઉષ્ણતામાન તેના સુઘટ્ય વિસ્તારમાં રહેવું જોઈએ એ અગત્યનું છે. ઘડતરમાં વિવિધતા ઘણી છે. તેનું વર્ગીકરણ ઘણી રીતે થઈ શકે પણ તેના મુખ્યત્વે બે પ્રકાર ગણી શકાય. હાથઘડતર (લુહારીકામ) અને યંત્રઘડતર. લુહારીકામ સદીઓ જૂનું છે. તેનાથી ગમે તેવા અટપટા આકાર મેળવી શકાય છે; પરંતુ તે ઘણું ધીમું છે. એક જ પ્રકારના દાગીના ઘણી મોટી સંખ્યામાં બનાવવા હોય અને આકાર તેમજ પરિમાણની ચોકસાઈ મેળવવી હોય તો યાંત્રિક ઘડતર જરૂરી બને છે. લુહારીકામ માટેનાં પ્રચલિત ઓજારોમાં એરણ, થાપાપાટ, સાણસીઓ, હથોડી, ઘણ, છીણી, વીંધણું, છિદ્રક, સપાટીકારક, કોણકારક તથા અપવાહક મુખ્ય છે. અહીં નીચેની આકૃતિમાં ઓજારો દર્શાવ્યાં છે :

હાથ-ઘડતર(લુહારી ઘડતર)માં ઊભડ ઘડતર, લંબઘડતર, સમાપન-કાર્ય, નમનકાર્ય, છિદ્રણ, અપવહન અને હાથ-સંધાન એ ઘડતરની મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે.

યંત્ર-ઘડતર (machine forging) અથવા અપસેટ ફૉર્જિંગ મોટા દાગીના અને તેમની વધુ સંખ્યાના ઉત્પાદન માટે વપરાય છે. ડાઇના પ્રકાર પ્રમાણે યંત્ર-ઘડતરને બે ભાગમાં વહેંચી શકાય: (1) સપાટ કે ખુલ્લું ડાઇ-ઘડતર, (2) બંધ ડાઇ-ઘડતર.

સપાટ કે ખુલ્લા ડાઇ-ઘડતરને ‘સ્મિથ ફૉર્જિંગ’ કહેવાય છે. અહીં સપાટ ડાઇનો ઉપયોગ કરી ઊભડ ઘડતર, લંબ ઘડતર, નમન ઘડતર, છિદ્રણ, અપવહન વગેરે થઈ શકે છે. સ્મિથ ફૉર્જિંગમાં ડાઇ સપાટ હોઈ એક અથવા વધુ ફટકાઓ પછી બે ડાઇ વચ્ચે દાગીનાને ફેરવીને જોઈતો આકાર અપાય છે.

બંધ ડાઇ-ઘડતરમાં ઘડતર દરમિયાન દાગીનો ડાઇની દીવાલો વચ્ચે પિસાય છે અને ડાઇમાં કંડારાયેલો આકાર મેળવે છે. અહીં બે ફટકા વચ્ચે દાગીનાને ડાઇમાં ફેરવી શકાતો નથી. આ રીતમાં દાગીનાના આકાર(પરિમાણ)ની ચોકસાઈ તેમજ પૃષ્ઠ-સમાપન પ્રમાણમાં સારાં હોય છે.

ઘડતર માટે ઘણા પ્રકારનાં યંત્રો વપરાય છે. બળ આપવાની રીતને લક્ષમાં રાખી આ યંત્રોને મુખ્ય બે વિભાગોમાં વહેંચી શકાય : (1) હથોડાયંત્રો અથવા ઘણયંત્રો, (2) પ્રેસયંત્રો.

ઘણયંત્રોમાં મોટા વજનવાળા ઘણ(ram)ને ગતિ સાથે દાગીના પર અફાળવામાં આવે છે અને તે કારણે એરણ પર મુકાયેલ દાગીનો ટિપાય છે. પ્રેસયંત્રોમાં શક્તિ માટે મોટા વજન અને ગતિ પર આધાર રાખવો પડતો નથી પરંતુ ફ્લાયવ્હીલ કે દબાણવાળા દ્રવમાં થઈ જરૂરી શક્તિ મળે છે. હથોડાયંત્રોમાં આઘાતબળ દ્વારા અને પ્રેસયંત્રોમાં ધીમી ગતિએ એકધારી શક્તિ મળે છે. ઘડતર માટે વપરાતાં યંત્રો નીચે મુજબ છે : (1) કમાન-હથોડાયંત્ર (spring hammer), (2) વાતિક હથોડાયંત્ર (pneumatic hammer), (3) વરાળ-હથોડાયંત્ર (steam hammer), (4) વરાળપાત ઘણયંત્ર, (5) ફલકપાત ઘણયંત્ર, (6) પ્રેસ-ઘડતરયંત્ર, (7) ઊભડ ઘડતરયંત્ર.

આકૃતિ 5માં કમાન-હથોડાયંત્ર, અને આકૃતિ 6માં વરાળ-હથોડાયંત્ર, અને આકૃતિ 7માં ફલકપાત ઘણયંત્રની વિગત દર્શાવી છે.

સાદા કાર્બન પોલાદ અથવા ઉષ્માઅવરોધક ઓજારી પોલાદમાંથી ડાઇ બનાવાય છે. તે હંમેશાં બે ભાગમાં હોય છે. એક ભાગ ટપ કે ઝૂલતા ઘણ ઉપર મથાળે અને બીજો નીચે એરણ ઉપર લગાવવામાં આવે છે. દાગીનાનો અડધો ભાગ ઉપરની ડાઈ અને બીજો અડધો ભાગ નીચેની ડાઇમાં આકાર પામે છે. ડાઇમાં વસ્તુ(દાગીના)નો આકાર કંડારવાની ક્રિયાને ‘ડાઇસિંકિંગ’ કહેવાય છે. ડાઇસિંકિંગ કાર્ય ખૂબ કુશળતા, અનુભવ અને ધીરજ માગી લે છે. આ કાર્ય માટે ખાસ પ્રકારનાં ડાઇસિંકિંગ યંત્રો વપરાય છે. આધુનિક રીતમાં ‘ઇલેક્ટ્રૉડિસ્ચાર્જિંગ મશીન’ (E.D.M.) વધુ પ્રમાણમાં વપરાય છે. આવાં યંત્રોમાં ‘કમ્પ્યૂટરાઇઝ્ડ ન્યૂમરિકલ કન્ટ્રોલ’ (CNC)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આવા મશીનને CNC-EDM મશીન કહેવાય છે.

ઘડતર કરેલ દાગીનામાં આકારફેર, તિરાડો, છિદ્રો, પોપડીઓ વગેરે ખામીઓ રહેવા સંભવ છે. આ ખામીઓ ચકાસણી અને પૃથક્કરણ કરીને દૂર કરી શકાય છે.

3. ઉત્તોદન (extrusion) : ધાતુને દબાણ આપી ડાઇ વચ્ચેથી પસાર કરી જોઈતો આકાર મેળવવાની રીતને ઉત્તોદનક્રિયા કહેવાય છે. ધાતુકર્મમાં એ એક મહત્વની ક્રિયા છે.

પોલાદ, તાંબાની મિશ્રધાતુ, ઍલ્યુમિનિયમ અને તેની મિશ્રધાતુ, મૅગ્નેશિયમ અને નિકલ વગેરેનું ઉષ્ણ ઉત્તોદન કરી શકાય છે. સળિયા, નળી, નળાકારો, પાટાઓ, પટ્ટીઓ — એમ અનેક આકારો આ ક્રિયા દ્વારા મળી શકે છે. ઍલ્યુમિનિયમની નળીઓ અને અનેક પ્રકારના આડછેદવાળી પટ્ટીઓ બનાવવા માટે ઉત્તોદનનો વધુ ઉપયોગ થાય છે. સામાન્ય રીતે ઉત્તોદન માટે આડી ધરીના હાઇડ્રૉલિક પ્રેસ વપરાય છે.

ઉત્તોદનની બે રીતો છે : (1) પ્રત્યક્ષ અથવા અગ્ર ઉત્તોદન (direct or forward extrusion), (2) પરોક્ષ અથવા અવળું ઉત્તોદન (indirect or backward extrusion). આ બંને રીતો આકૃતિ 8 અને 9 દ્વારા દર્શાવી છે.

1. ડાઇ, 2. નળાકાર, 3. ડાઇધારક, 4. ઉત્તોદિત ધાતુ, 5. છેડાપ્લેટ, 6. રેમ, 7. રેમના છેડા પર મૂકેલ બ્લૉક

પ્રત્યક્ષ ઉત્તોદનમાં સિલિન્ડરમાં ગરમ કરેલ ગઠ્ઠો મૂકવામાં આવે છે. નળાકારને એક છેડે જરૂરી આકાર(છિદ્ર)ની ડાઇ ગોઠવવામાં આવે છે. રૅમ બિલેટને દબાણ આપે છે. બિલેટ ગરમી અને દબાણને લીધે સુઘટ્ય સ્થિતિમાં આવી ડાઇમાંથી બહાર આવે છે. ડાઇમાંથી બહાર નીકળતાં તે ડાઇનો આકાર ધારણ કરે છે.

પરોક્ષ રીતમાં પણ સિલિન્ડર, રૅમ, ડાઇ વગેરે હોય છે. ફેર એટલો કે અહીં ડાઇ રૅમના છેડા પર લગાવાય છે. જ્યારે બિલેટ પર દબાણ આવે છે ત્યારે તેનો ઉત્તોદિત થતો ભાગ રૅમની ઊલટી દિશામાં બહાર આવે છે. આ કારણસર આ રીતને અવળું ઉત્તોદન કહેવાય છે. આ રીતનો પ્રથમ રીત કરતાં ફાયદો એ છે કે તેમાં ઓછા ઉત્તોદનબળની જરૂર પડે છે; પરંતુ અહીં પોલો રૅમ વાપરવો પડે છે જે બનાવવાનું ખર્ચ વધુ હોય છે.

4. કર્ષણ (drawing) : કર્ષણબળથી દાગીનાનું જોઈતું સ્વરૂપ મેળવવું તે કર્ષણક્રિયા કહેવાય છે. ધાતુની નળીઓ, ધાતુના તાર તેમજ પતરાંમાંથી કપ જેવો આકાર મેળવવા કર્ષણક્રિયા વપરાય છે. નાના વ્યાસની નળીઓ જ્યાં ઉચ્ચ સપાટી સમાપન અને પરિમાણની ચોકસાઈ જોઈતાં હોય ત્યાં શીતકર્ષણની રીત વપરાય છે. પ્રથમ ઉષ્ણકાર્ય દ્વારા નળી બનાવાય છે. ત્યારબાદ તેની સપાટી પરના ધાતુ ઑક્સાઇડના પડને રાસાયણિક ક્રિયા દ્વારા નાબૂદ કરાય છે અને પછી સામાન્ય ઉષ્ણતામાને ડાઇમાંથી ખેંચીને નળીનો વ્યાસ ઘટાડાય છે. કર્ષણ દ્વારા નળીઓ બનાવવાની બે રીત છે. એક રીતમાં પટ્ટીને ડાઇમાં ખેંચી નળી બનાવાય છે. આ રીતે બનતી નળીમાં સાંધો રહે છે. સાંધાને વેલ્ડિંગ કરી પૂરવામાં આવે છે. બીજી રીતમાં સાંધા વગરની મોટા વ્યાસની નળીને ડાઇમાંથી ખેંચીને પસાર કરવામાં આવે છે. જરૂરિયાત પ્રમાણે ક્રમશ: એકથી વધુ ડાઇઓમાં પસાર કરી જરૂરી વ્યાસની નાની નળી મેળવાય છે.

ધાતુના તાર મેળવવા સળિયાને નાના આડછેદવાળી ડાઇમાં ખેંચીને પસાર કરવામાં આવે છે. પાતળા તાર માટે ક્રમશ: આડછેદ નાનો થતો હોય તેવી એકથી વધુ ડાઇઓમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે. પતરાને ગરમ કરી પંચ વડે ડાઇમાં ખેંચીને ઉષ્ણકર્ષણ દ્વારા પ્યાલા આકારની વસ્તુ બનાવાય છે. આ રીતને ‘કપિંગ’ કહેવાય છે. વધારે ઊંડાઈવાળો  પ્યાલો/નળાકાર મેળવવો હોય તો એક કરતાં વધારે વાર ડાઇમાંથી ખેંચાણ કરવું જરૂરી બને છે. ઑક્સિજન, ઍસેટિલીન જેવા વાયુના બાટલાઓ આ રીતથી બનાવાય છે. તેમાં આડા રૅમના પ્રેસનો ઉપયોગ કરાય છે.

5. નમન (bending) : નમનક્રિયા દ્વારા પ્લેટ કે પતરાને જરૂરી આકાર આપવાની રીત ઘણી મહત્વની છે. નમનમાં પતરાની સમગ્ર સપાટી પર અસર થતી નથી પરંતુ જે રેખાની આસપાસ નમન થયું હોય ત્યાં જ પ્રતિબળની અસર રહે છે. એક તરફ તાણ અને બીજી તરફ દાબ પ્રતિબળ નિર્માણ થાય છે. નમનના બે પ્રકારો છે : (1) V નમન, (2) છેડાનમન.

V નમનમાં પતરા/પ્લેટને V બ્લૉક પર ગોઠવવામાં આવે છે અને ઊંધા V આકારના પંચ વડે પતરાને દાબવામાં આવે છે અને જોઈતા ખૂણાનું નમન મેળવાય છે. છેડાનમનમાં પંચ ડાઇના છેડા આસપાસ પતરાને વાળે છે.

નમનની એક બીજી રીત છે જેમાં ત્રણ રોલની મદદથી પ્લેટ/પતરાને વાળીને નળાકાર મેળવાય છે. પ્લેટને નળાકારમાં વાળવા માટે આ રીત વપરાય છે.

6. પ્રેસ–કર્તન (press cutting) : પ્રેસ મશીનમાં ડાઇ અને પંચની મદદ વડે પતરા/પ્લેટમાં કર્તનક્રિયા કરીને જોઈતો આકાર મેળવવાની રીત ખૂબ ઉપયોગી છે. પ્રેસ-કર્તનક્રિયામાં પતરાને ડાઇ અને પંચની વચ્ચે મૂકવામાં આવે છે. ડાઇમાં પંચ કરતાં થોડું મોટું કાણું હોય છે. જ્યારે પંચ નીચે આવે છે ત્યારે પંચ અને ડાઇની દીવાલ વચ્ચે, જેમ કાતર વડે પતરું કપાય છે તેમ કપાય છે. ડાઇ અને પંચની દીવાલો વચ્ચે કેટલી જગ્યા રાખવી એ મહત્વની બાબત છે કારણ કે કર્તનબળ અને કર્તન થયેલ સપાટીનું સમાપન આ જગ્યા પર આધાર રાખે છે. સામાન્ય રીતે આ જગ્યા જે પતરું કાપવાનું હોય તેની જાડાઈના 5 % થી 8 % જેટલી રખાય છે. પ્રેસ-કર્તનક્રિયા દ્વારા અનેક પ્રકારનાં કાર્યો કરી શકાય છે. બ્લૅન્ક-કર્તન, વેધન, છિદ્રણ, સમાકૃન્તન, વિદરણ, લાંસ-કર્તન, સંકર્તન અને ખાંચકરણ એ મહત્વની પ્રેસ-કર્તન ક્રિયાઓ છે. પ્રેસ-કર્તનમાં વિદરણ અને લાંસકર્તન સિવાયની બધી ક્રિયાઓમાં કર્તન થઈને અમુક ભાગ છૂટો પડે છે. છૂટો પડતો ભાગ ઉપયોગી હોય તો બ્લૅન્ક-કર્તન કહેવાય અને નકામો હોય તો વેધન કહેવાય. વેધનને પંચિંગ પણ કહે છે.

7. સ્પિનિંગ : ચક્રણ : શીત સ્પિનિંગ પાતળા પતરાને દાબીને જોઈતો પોલાણવાળો આકાર મેળવવા માટે વપરાય છે. ઉષ્ણ સ્પિનિંગમાં પણ આ પ્રમાણે કરાય છે. ફેર માત્ર ધાતુના ઉષ્ણતામાનનો છે.

અહીં પતરાને જરૂરી આકારના મેન્ડ્ર્રિલ સાથે બાંધીને મેન્ડ્રિલ અને પતરાને ફેરવવામાં આવે છે. બુઠ્ઠા સળિયા વડે પતરાને દાબવાથી પતરું મેન્ડ્રિલનો આકાર મેળવે છે. જરૂરી આકાર માટે સળિયાને ફરતા પતરા પર અનેક વખત ફેરવવો પડે છે. આ ક્રિયા દરમિયાન સારા પ્રમાણમાં ગરમી ઉત્પન્ન થાય છે. માટે સ્નેહક(lubricant)નો ઉપયોગ કરવો પડે છે. અટપટા આકારને લીધે સ્પિનિંગ થઈ ગયા બાદ દાગીનાને મેન્ડ્રિલથી છૂટો પાડવો મુશ્કેલ હોય તેવા સંજોગોમાં મેન્ડ્રિલ એકથી વધુ ટુકડા(ભાગ)માં બનાવવામાં આવે છે કે જેથી દાગીનો છૂટો પડી શકે. સ્પિનિંગની રીતથી દાગીના બનાવવા માટે કુશળ અને અનુભવી કારીગરની જરૂર પડે છે. મેન્ડ્રિલ સામાન્ય રીતે, લાકડા કે ભૂખરા ભરતર લોખંડ(grey cast iron)માંથી બનાવવામાં આવે છે.

આ રીત સમમિતીય (symmetrical) દાગીનાઓ માટે વપરાય છે. તેમાં પ્રાથમિક ખર્ચ ઓછું રહે છે. ઍલ્યુમિનિયમનાં વાસણો, પરાવર્તકો, ઢાંકણાં વગેરે માટે આ રીત વપરાય છે. લેથ મશીન કે સાદા થડાવાળાં મશીન સ્પિનિંગ માટે વપરાય છે.

ગાયત્રીપ્રસાદ હીરાલાલ ભટ્ટ