الصب بالقالب بالغرفة الساخنة والقالب بالغرفة الباردة كلاهما طريقتان لصب المعادن. ولكنهما يعملان بطرق مختلفة. يستخدم الصب بالقالب بالغرفة الساخنة فرن مدمج. وهي تعمل بشكل أسرع وتصنع أجزاء من معادن منخفضة نقطة الانصهار مثل الزنك. وفي الوقت نفسه، يستخدم الصب بالغرفة الباردة فرن منفصل لصهر المعادن. ويمكنها إنتاج أجزاء من معادن ذات درجة انصهار متوسطة إلى أعلى مثل الألومنيوم ولكنها لا تعمل بسرعة.
يكمن قرار الاختيار في أنواع المعادن ومدى تعقيد الجزء. اقرأ هذه المقالة لاكتشاف جوانبها وسبائكها وتطبيقاتها وعملياتها المختلفة.
صب القوالب بالغرفة الساخنة
وتسمى هذه العملية بالغرف الساخنة بسبب نظام الحقن المغمور (نظام معقوفة ومكبس) في المعدن المنصهر داخل فرن. وهي تعمل بسرعة أكبر باستخدام تقنية آلية لصنع الأجزاء المعدنية.
تقوم الشركة المصنعة بدفع المعدن المنصهر في قالب فولاذي قابل لإعادة الاستخدام تحت ضغط عالٍ. وتعد سبائك الزنك والقصدير والرصاص هي المعادن الأساسية التي تستخدمها. تعمل هذه العملية مع درجات انصهار منخفضة للمعادن (أقل من 450 درجة مئوية / 842 درجة فهرنهايت) لتجنب تلف نظام الحقن. ومع ذلك، فإن سبائك الرصاص مقيدة في العديد من الصناعات بسبب سميتها.
الحقن المعدني: نظام Gooseneck
تعمل أنظمة عنق المنحنية في صب القالب بالغرفة الساخنة لضخ السبائك المنصهرة في تجويف القالب. يتم غمرها في فرن لتحسين تدفق المعدن. حيث يقوم المكبس الهيدروليكي أو الهوائي المدفوع بالزيت/الغاز عند 7-15 ميجا باسكال / 1,000-2,200 رطل لكل بوصة مربعة بدفع المعدن إلى القالب وإلى أعلى معقوفة القالب. هذا التصميم مثالي للإنتاج بكميات كبيرة، مما يسمح بحقن 2-5 حقن في الدقيقة الواحدة.
التحديات الرئيسية:
يمكن أن تتراكم بعض الشوائب مثل المعدن المؤكسد في عنق المنحنية مكونة خبثًا. وهي تسد التدفق وتقلل من جودة القِطع نتيجة لذلك. لذا، يجب أن تتجنب أنظمة التنظيف المناسبة ذلك.
بالإضافة إلى ذلك، يؤدي التعرض المستمر للسبائك المنصهرة إلى تلف المكبس والغطاس بمرور الوقت. وهذا يتطلب الاستبدال كل 50,000-100,000 دورة.
مواد القالب والمتانة
تُصنع القوالب من مواد أقوى وأصلب مثل الفولاذ (على سبيل المثال، درجة H13). تميل هذه القوالب إلى الصمود أمام الضغوط والحرارة الشديدة. ومع ذلك، تتشكل شقوق صغيرة داخل القالب عندما تكون الحرارة أعلى من 400 درجة مئوية وتبرد. يمكن لأي قالب أن يدوم 100,000-500,000 دورة قبل أن يخضع للإصلاح.
وبالحديث عن تكلفتها، تظل تكلفتها مرتفعة، حيث تتراوح بين $20,000 إلى $50,000 لكل قالب. ويصبح ذلك بدلاً من ذلك ميسور التكلفة عند استخدامه للإنتاج بكميات كبيرة. الصيانة المنتظمة والطلاء وإدارة درجة الحرارة تزيد حتمًا من عمرها الافتراضي.
توزيع وقت الدورة الزمنية
- الملء: تستغرق 0.1-0.5 ثانية لإدخال المعدن المنصهر في القالب. تعتمد السرعة عادةً على قوة المكبس ولزوجة المعدن.
- التصلب: يبرد المعدن المنصهر ويتصلب خلال 2-10 ثوانٍ. تحتاج الأجزاء الأكثر سمكًا إلى وقت أطول، بينما تبرد الأجزاء ذات الجدران الرقيقة (1-3 مم على سبيل المثال) في وقت قصير.
- الإخراج: تجعل دبابيس القاذف هذه العملية سهلة، حيث تزيل القطعة في 1-3 ثوانٍ. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام رذاذ مادة التشحيم على القالب (مثل الجرافيت) يجنبك الالتصاق.
التحكم في درجة الحرارة
وللحصول على جودة صب متسقة، فإن اختيار درجة حرارة دقيقة أمر قيّم. لذلك، يحافظ الفرن على الزنك المنصهر عند درجة حرارة 410-430 درجة مئوية (770-806 درجة فهرنهايت). وهذا يعني أن التغيرات في درجة الحرارة حتى 10 درجات مئوية يمكن أن تسبب عيوبًا.
أثناء الصب، تقوم سخانات المقاومة الكهربائية أو مواقد الغاز بتسخين الفرن. وفي الوقت نفسه، تراقب المزدوجات الحرارية درجة الحرارة طوال الوقت. وذلك لأن سوء التحكم (السخونة المفرطة) يؤدي إلى تدهور المعدن، والبرودة المفرطة تسبب الخبث. وبالمثل، لا يؤدي التصلب المبكر إلى ملء الفجوات أو التسبب في حدوث تشققات.
نظام الطرد
يصبح الجزء جاهزًا للإزالة عندما يكون معدنه صلبًا تمامًا. يفتح المصنعون القالب باستخدام دبابيس قاذفة تدفع الجزء للخارج.
بالإضافة إلى ذلك, المشغلات الهيدروليكية التحكم في القوة وتجنب التلف. وفي الوقت نفسه، تقوم الدبابيس ذات الزوايا بتحرير الأشكال المعقدة بسلاسة. يمكنك أيضًا استخدام رذاذ التشحيم لتبريد القالب وإيقاف الالتصاق. كل هذا يعني أن أنظمة الطرد التي تعمل بشكل جيد تعمل بكفاءة عالية.
المزايا
- هذه العملية أسرع 3-4 مرات من عملية الصب بالقالب على البارد.
- تستخدم الأفران المدمجة طاقة أقل بمقدار 20-30% من تلك التي تصهر المعادن بشكل منفصل.
- تصنع القِطع بتفاوتات تفاوتات ضيقة (± 0.1 مم) وأسطح ملساء.
- يُعد صب الحجرة الساخنة مثاليًا للإنتاج بكميات كبيرة (أكثر من 10,000 قطعة).
- يستخدم على نطاق واسع في مفصلات السيارات أو العلب الإلكترونية.
العيوب
- هذه التقنية غير مناسبة للألومنيوم أو صب القوالب المغنيسيوم. لأن درجة انصهارها أعلى، مما قد يؤدي إلى تلف عنق المنحنية.
- يؤدي الانحراف في درجة الحرارة الناتج عن التدوير المتكرر إلى إجهاد عنق المنحنية ويحدث تشققات نتيجة لذلك.
- يتطلب التخلص من الشوائب لتجنب الخبث.
صب القوالب على البارد
لا تشبه غرفة الصب بالغرفة الباردة الغرفة الساخنة؛ فهي تحتوي على فرن منفصل لصهر المعدن. وبدلاً من ذلك، يقوم المصنعون بتحويل المعدن المنصهر من خلال مغرفة إلى غلاف الحقنة. حيث يدفعه المكبس الهيدروليكي إلى تجويف القالب. وتتشابه العملية الباقية تقريبًا. تعمل هذه العملية بشكل جيد مع درجات حرارة ذوبان معتدلة إلى عالية للمعادن مثل الألومنيوم والمغنيسيوم والسبائك القائمة على النحاس.
غَرْف المعادن والحقن
يمكنك نقل المعدن المسخن نحو الماكينة باستخدام مغرفة يدوية أو آلية.
- المغرفة اليدوية أبطأ وليست متسقة للغاية. يتم استخدامه لصب المعدن المنصهر في غلاف الطلقة. تحدث تباينات في جودة القِطع نتيجة لذلك.
- تشير المغرفة الآلية إلى ذراع روبوتية. الذي يقيس المعدن المسخن ويدخله بدقة. يملأ الفجوات بشكل صحيح ويقلل من الخطأ البشري. تساعد هذه العملية على تحسين معدلات الإنتاج حوالي 10-20%. بالإضافة إلى ذلك، فهي تزيل العيوب مثل انحباس الهواء والتعبئة غير المكتملة.
غلاف الطلقة والغطاس
الأكمام القصيرة هي جزء من أنظمة الحقن. وهي النقطة التي يتم منها صب المعدن المنصهر قبل حقنه في القالب. يقوم المصنعون بتصنيعها باستخدام مواد أكثر صلابة مثل الفولاذ حتى تتمكن من تحمل درجات الحرارة والضغوط الشديدة.
في حين أن المكبس يشبه قضيبًا يعمل بأسطوانة هيدروليكية. وهو يدفع السبيكة المنصهرة إلى القالب. وعادةً ما يكون نوعين: مسطح ومدبب.
يعمل المكبس المسطح مع الأجزاء الأبسط ذات سمك الجدار الثابت. وفي الوقت نفسه، فإن الغطاسات المستدقة مفيدة للتصاميم القاسية، وتوقف الاضطراب وانحباس الهواء.
مواد القوالب
في الأساس، تشتمل قوالب الحجرة الباردة بشكل أساسي على فولاذ الأدوات المقوى مثل H13 أو H11. توجد بالفعل نسب قوة إلى الوزن ومقاومة للتآكل في هذه المادة. وبالتالي فهي تتعامل مع الحرارة العالية (حتى 700 درجة مئوية/ 1292 درجة فهرنهايت) وضغوط الحقن الشديدة دون تشوه.
ومع ذلك، هناك بعض التحديات التي يواجهها القالب. على سبيل المثال، تتسبب الفحوصات الحرارية الناتجة عن الحرارة والتبريد المستمر في حدوث تشققات في السطح. وفي الوقت نفسه، يؤدي التآكل من السبائك عالية الحرارة إلى تآكل تدريجي.
ولذلك، حاول التركيز على الصيانة المنتظمة والمعالجات السطحية والطلاء (النيترة أو PVD). يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة عمر القالب وتحسين الأداء أيضًا.
قنوات التبريد
يدمج المهندسون قنوات التبريد في القالب بشكل استراتيجي. ويرجع ذلك إلى أن هذه القنوات تنظم خطوة التصلب وتقلل من أزمنة الدورات. ويمكن أن يؤدي وضعها بالقرب من المناطق ذات الحرارة العالية إلى تبريد مستمر. وبالتالي، لا يتسبب ذلك في حدوث اعوجاج أو انكماش أو تشققات داخلية.
نظام السبرينغ والعدّاء
تساعد هذه المكونات في ماكينة الحجرة الباردة في توجيه السبيكة المسخنة من غلاف الطلقة إلى تجويف القالب.
يميل جزء الذرب إلى أن يكون نقطة دخول من حيث تقوم العدّادات بتوزيع المعدن بعيدًا. قم بتصميمها بشكل مناسب لإزالة العيوب الرئيسية مثل انحباس الهواء ومنع التدفق.
نظام الطرد
في مرحلة إزالة المسبوكات المتصلبة من القالب دون تلف، تضمن أنظمة القذف الأداء السلس. وتشمل هذه الأنظمة استخدام دبابيس القاذف، ورذاذ مواد التشحيم، والمشغلات الهيدروليكية، وصناديق القاذف التي تشبه الغرف الساخنة.
حيث يبرد الجزء، ويصبح القالب باردًا، وينفتح القالب، مما يؤدي إلى تنشيط صندوق القاذف وتدفع دبابيس القاذف الجزء المصبوب للخارج.
المزايا
- يمكنها صب مجموعة واسعة من السبائك مثل الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس.
- هناك صدمة حرارية أقل لأن غلاف الطلقة والمكبس لا يواجهان معدنًا منصهرًا ثابتًا، مما يقلل من التآكل.
- يمكنها صنع أجزاء حادة للغاية ومفصلة بجدران رقيقة.
العيوب
- إنها أبطأ من عملية الغرفة الساخنة وتستغرق من 20-60 ثانية لكل جزء.
- يحتاج إلى المزيد من الطاقة والصيانة بسبب ارتفاع درجات الحرارة والضغط. وهذا يجعلها مكلفة.
- يزيد استخدام المغرفة اليدوية وصيانة القوالب بشكل متكرر من متطلبات العمالة.
مقارنة بين صب القوالب بالغرفة الساخنة والغرفة الباردة
| المعلمة | صب القوالب على الساخن | صب القوالب على البارد |
| السبائك النموذجية | الزنك، والقصدير، والسبائك التي أساسها الرصاص | الألومنيوم، والمغنيسيوم، والسبائك النحاسية |
| درجات حرارة المعدن | 400-450 درجة مئوية (752-842 درجة فهرنهايت) | 600-700 درجة مئوية (1112-1292 درجة فهرنهايت) |
| ضغوط الحقن | 7-15 ميجا باسكال (1,000-2,200 رطل لكل بوصة مربعة) | 30-150 ميجا باسكال (4,350-21,750 رطل لكل بوصة مربعة) |
| أوقات الدورات | 5-15 ثانية | 20-60 ثانية |
| درجات حرارة القالب | 150-200 درجة مئوية (302-392 درجة فهرنهايت) | 200-300 درجة مئوية (392-572 درجة فهرنهايت) |
| تكاليف الأدوات | أقل (قوالب أبسط، صيانة أقل) | أعلى (قوالب معقدة، صيانة متكررة) |
| معدلات الإنتاج | 300-700 جزء/ساعة | 100-300 جزء/ساعة |
| تشطيب السطح | سلسة، تتطلب الحد الأدنى من المعالجة اللاحقة | جيد، قد يتطلب تشطيباً إضافياً |
| قدرات التحمل | ± 0.1 مم | ± 0.2 مم |
| استهلاك الطاقة | يستخدم طاقة أقل من 20-30% | يتطلب ذوبانًا خارجيًا، مما يزيد من استخدام الطاقة |
| جزء التعقيد الجزئي | التعامل مع قطع صغيرة إلى متوسطة الحجم، بسيطة إلى متوسطة التعقيد | الأفضل للأجزاء الأكبر حجماً والأكثر تعقيداً |
دراسات الحالة
يستخدم المصنعون عادةً الصب بالقالب بالغرفة الساخنة لصنع أبازيم ومثبتات سبائك الزنك. ويستخدمون هذه التقنية بسبب قدرتها على إنتاج أجزاء صغيرة الحجم والإنتاج بكميات كبيرة.
في حين أن قوالب الغرفة الباردة، ينتج الصب كتل محرك الألومنيوم. يتضمن هذا الجزء الحجم الكبير والهندسة المعقدة والحاجة إلى قوة عالية. وهذا هو السبب في أن صب الغرفة الباردة هو الأفضل.
التطبيقات والصناعات
السيارات:
تستخدم صناعات السيارات غرفًا ساخنة لإنتاج أجزاء من سبائك الزنك مثل مكونات أحزمة الأمان وأجزاء المساحات وأغطية صوت السيارة. تمنحهم الخصائص الرائعة للزنك تشطيبات ناعمة ومتانة عالية.
وعلى العكس من ذلك، يساعد الصب بالقالب بالغرفة الباردة في صنع أقواس المحرك المصنوعة من الألومنيوم ومكونات غرفة المحرك وأجزاء الإضاءة. وذلك لأنه يمكن أن يصنع أي تصميمات صعبة ذات قوة عالية.
الفضاء الجوي:
كما تعلم، نادرًا ما يتم استخدام الصب بالقالب بالغرفة الساخنة في الأجزاء الفضائية. وذلك لأن معدن الصب (الزنك، المغنيسيوم) لديه نقطة انصهار أقل. ولكن هذا لا يعني أنه لا يوجد استخدام لهذه العملية في هذه الصناعة. حيث يتم تصنيع العديد من الأجزاء الفضائية الصغيرة المصنوعة من المغنيسيوم المغنيسيوم مثل الأقواس والأغلفة والموصلات. وهذا يوفر قوة خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل والمتانة.
ومع ذلك، يتم استخدام أجزاء الصب بالقالب بالغرفة الباردة المصنوعة من سبائك المغنيسيوم في الطائرات. على سبيل المثال، إطارات المقاعد ومكونات المقصورة. هذه الأجزاء أخف وزناً وأقوى.
السلع الاستهلاكية:
يقوم المصنعون بتصنيع منتجات شائعة في مجال الأزياء والإكسسوارات باستخدام الصب بالقالب بالغرفة الساخنة. على سبيل المثال، الأبازيم المصنوعة من سبائك الزنك والسحابات والزخارف الزخرفية.
تُستخدم العبوات الإلكترونية والمشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم على نطاق واسع في الإلكترونيات الاستهلاكية. وهي مصنوعة من عملية الحجرة الباردة.
التطبيقات الناشئة
السيارات الكهربائية (EVs):
يتم استخدام الصب بالقالب بشكل متزايد لإنتاج أغطية بطاريات خفيفة الوزن ومكونات هيكلية للمركبات الكهربائية.
إن الطلب المتزايد على السيارات الكهربائية على الأجزاء خفيفة الوزن هو السبب وراء الاستخدام الواسع لتقنية الصب بالقالب. وتنتج هذه العملية علب البطاريات والمكونات الهيكلية التي تحتوي على وزن أقل من المتوسط وتكون أقوى.
تقنية الجيل الخامس 5G:
لقد أصبح الألومنيوم والمغنيسيوم المصبوب من الألومنيوم والمغنيسيوم الآن من المكونات المهمة للبنية التحتية لشبكة الجيل الخامس. على سبيل المثال، علب الهوائي وأنظمة إدارة الحرارة.
الخاتمة
يعمل الصب بالقالب بالغرفة الساخنة بسرعة وهو خيار ميسور التكلفة. وهو يتعامل مع المعادن ذات درجة الانصهار المنخفضة مثل الزنك. على الجانب الآخر، تستخدم عملية الصب بالقالب بالغرفة الباردة المزيد من الطاقة لأنها تصهر السبيكة بشكل منفصل. ومع ذلك، فإن هذه العملية فعالة بالنسبة للمواد ذات درجة الانصهار القوية والعالية مثل الألومنيوم والنحاس وغيرها. عند الاختيار، ابحث عن مدى ملاءمة المعادن وتعقيد التصميم وحجم الإنتاج. وبهذه الطريقة، ستحصل على النتائج المرجوة.