سوف تناقش هذه المقالة صب الألومنيوم بالضغط بالقالب بالتفصيل. تعرّف على التطبيقات الرئيسية لهذه التقنية، إلى جانب نظرة عامة على العملية وأنواع السبائك واعتبارات التصميم والتحديات وما إلى ذلك.

ما هي مصبوبات الألومنيوم بالضغط على القوالب؟

تستخدم قوالب الصب بالقالب بضغط الألومنيوم ضغطًا عاليًا (100-1000 بار) أثناء تغذية الألومنيوم المنصهر في القوالب. وعادة ما تكون هذه القوالب مصنوعة من الفولاذ ويمكن إعادة استخدامها.

يعتمد ملء القالب على سيولة المعدن المنصهر. يملأ الشكل السائل الأمثل القالب على الفور (في غضون ثوانٍ). تأخذ هذه المادة شكل الجزء الفعلي أثناء تبريدها. على سبيل المثال، كتل محرك السيارة أو إطارات الهواتف الذكية أو مكونات الطائرات بدون طيار.

تُعد عملية التصنيع هذه مثالية لتصنيع أكثر من 10,000 منتج متطابق بسرعة وبتكلفة زهيدة.

فيزياء العملية

الضغط العالي (100-1000 بار):

كلما كان الضغط أعلى، كلما كان الضغط أعلى، كلما كان الألومنيوم منتشرًا بشكل متساوٍ داخل القالب، وملء أصغر الفجوات. يزيل هذا الضغط حدوث الفقاعات ويحافظ على سلاسة الانتقال في الأسطح. على سبيل المثال، يمكن أن يملأ 500 بار القالب في 0.02 ثانية فقط.

تبريد سريع (500-1000 درجة مئوية في الثانية):

يبرد الألومنيوم أسرع 100 مرة في HPDC من الصب بالرمل، ويتخذ شكل المنتج الفعلي. هذا ما تفعله سرعة التبريد: خلق بنية مجهرية كثيفة ذات حبيبات بلورية دقيقة (0.01 مم). ويمنحها ذلك قوة أكبر من تلك المصنوعة بخيارات أبطأ.

أنواع ماكينات الصب بالقالب

ماكينات الغرف الساخنة:

تستخدم ماكينات الغرف الساخنة في الغالب معادن ذات درجات انصهار منخفضة، مثل الزنك (420 درجة مئوية). هذا لأنها لا تستطيع التعامل مع السبائك ذات درجات انصهار عالية مثل الألومنيوم عند 660 درجة مئوية. حتى إذا كنت لا تزال تصب الألومنيوم في ماكينة الغرفة الساخنة، فقد يؤدي ذلك إلى تلف المعدات.

ماكينات الغرفة الباردة:

تعمل ماكينات الحجرة الباردة بشكل جيد مع المعادن معتدلة الحرارة مثل الألومنيوم. في هذه العملية، يقوم صانعو القوالب بإعداد الشكل المنصهر من السبيكة. ويقومون بشحنها في المكبس لحقن المادة في القالب تحت ضغط يصل إلى 1000 بار. ومع ذلك، فإن هذه التقنية تستغرق وقتاً أطول (زمن الدورة: 30-60 ثانية) ولكنها أكثر أماناً للمواد القاسية.

ملاءمة سبائك الألومنيوم

تشمل سبائك الألومنيوم المناسبة A380 (ألومنيوم 85%، و8% سيليكون) وA383 (ألومنيوم 84%، و10.5% سيليكون). يمكن لهذه السبائك تحمل الضغوط العالية وتجنب التشقق أثناء التبريد. على سبيل المثال، يملأ معدن A380 القالب بسلاسة، مما يؤدي إلى خلق سمك جدار دقيق يصل سمكه إلى 1 مم.

مقارنة بين تقنيات الصب بالقالب

التفاصيل الأساسية حول صب القوالب بالضغط

• يمكن لسرعة إنتاج ماكينة HPDC واحدة أن تنتج 100-200 في الساعة.
• تبلغ تكلفة الإعدادات الأولية حوالي 50,000 إلى مليون وحدة. ومع ذلك، تنخفض التكلفة لكل وحدة بما يصل إلى $0.50 للطلبات الكبيرة التي تزيد عن 50,000 وحدة.
• يمكنك حفر ثقوب صغيرة تصل إلى 1.5 مم.
• تصنع هذه العملية أجزاء ذات جدران رقيقة تصل سمكها إلى 0.8 مم.
• يمكن أن يؤدي استخدام الفولاذ إلى زيادة قابليته للاستمرار إلى حوالي 50,000-500,000 دورة.

عملية الصب بالقالب بضغط الألومنيوم

1. تصميم الأدوات وتصنيعها

تصميم القالب:

تحتوي تصميمات القوالب على الشكل شبه الصافي للمنتج الذي يتم إنتاجه. وتتمثل مهمتها الرئيسية في تحويل الألومنيوم المصهور إلى تلك الأشكال. وهذا يعني أن إتقان التصميم (الأبعاد، والسماكة، وما إلى ذلك) يسمح لك بالحصول على أجزاء ذات جودة عالية.

أنظمة البوابات

القنوات البوابية هي طرق تدفق الألومنيوم المصهور نحو القالب. وهي عادة ما تكون بعرض 3-8 مم. ومن أجل تنظيم سرعة تدفق المعدن (1-5 م/ثانية)، فإنها تتجنب الاضطراب وانحباس الهواء.

تصميم العداء:

تقوم أنظمة العداء بتوزيع أو نشر المعدن بالتساوي داخل القالب. ويتراوح سمكها من 5 إلى 15 مم. كما أنها تقلل من التناقضات في حالة تجنب الشكل الخاطئ.

التنفيس:

توجد فتحات صغيرة، بعرض 0.1-0.3 مم، مثبتة على الماكينة. تساعد في إزالة الهواء المحبوس لتقليل العيوب مثل المسامية والجيوب الهوائية.

قنوات التبريد:

قنوات التبريد مثل الأنابيب. تتدفق مياه الصب بالقالب 10-20 لترًا في الدقيقة. تحافظ أنظمتها على درجات حرارة تتراوح بين 200-300 درجة مئوية لتهيئة الأجزاء للقذف. هذا الحفاظ على درجة الحرارة مهم لمنع ارتفاع درجة الحرارة والحصول على هياكل موحدة.

مواد القالب:

توفر مادة الفولاذ H13 الشائعة الاستخدام صلابة تتراوح بين 45-50 HRC. كما توجد بالفعل خصائص طبيعية عالية القوة ومقاومة التآكل لهذا المعدن. وهذا موجود لتحمل 50,000-500,000 دورة صب.

برمجيات المحاكاة:

أدوات مثل AutoCAST مفيدة في عملية HPDC، حيث تتنبأ بفشل الأداة في وقت مبكر. يمكنك تحسين تدفق المعدن ووضع قناة البوابات بشكل أفضل. من خلال القيام بذلك، يصبح من الممكن تقليل العيوب بنسبة تصل إلى 30% قبل بدء الإنتاج.

صيانة القالب:

من أجل الحفاظ على القالب، يعد استخدام رذاذ التشحيم كل 5 إلى 10 دورات أمرًا قيمًا. فهو يوقف التصاق المعدن ويجعل الإخراج سلسًا.

2. اختيار المواد وإعدادها

سبائك الألومنيوم:

أهم شيء ليس فقط اختيار سبائك الألومنيوم. بل يعتمد على متطلبات الصب التي تؤثر على القوة والسيولة وملاءمة التطبيق.

• A380: يتدفق بسهولة ويعطي قوة عالية. يستخدمه المصنعون عادة في قطع غيار السيارات.
• ADC12: يعمل هذا المعدن بشكل جيد مع العلب الإلكترونية والأجزاء ذات الجدران الرقيقة (بسماكة 1-2 مم). فهو يتدفق بسلاسة ويقلل من العيوب. كما أنها يمكن أن تنتج أجزاء دقيقة للغاية.

جودة الذوبان:

من الناحية المنطقية، تعطي صيانة نقاء الألومنيوم أجزاءً قوية وخالية من العيوب. وهذا هو الغرض من أعمال أفران التثبيت. فهي تحافظ على الألومنيوم المنصهر عند درجة حرارة 660-700 درجة مئوية، مما يمنع التصلب. بالإضافة إلى ذلك، فإن الهيدروجين المحبوس الذي إزالة الغازات يزيل استخدام غاز النيتروجين يقلل بالفعل من المسامية بمقدار 90% ويمنع الفراغات الداخلية.

3. الصهر والسكب

• الصهر هو فرن يعمل بالغاز. تستخدمه الشركة المصنعة لصهر الكريات الصلبة من الألومنيوم تحت درجات حرارة تتراوح بين 700 و750 درجة مئوية. وهو يضمن حالة انصهار ثابتة.
• يخزن فرن الحجز الألومنيوم المصهور. ويحتفظ بها في سيولة في درجات حرارة مضبوطة حتى تكتمل دورة الإنتاج.
• تقوم أجزاء الكبش وأكمام الطلقات في العملية ببساطة بدفع المعدن إلى تجويف القالب بسرعة 4-10 م/ثانية تحت ضغط عالٍ. وتتمثل مهمتها في ملء القالب بالكامل وإجراء ضغط مناسب.
• تعمل ماكينات الصب بالقالب على أتمتة الأنظمة الميكانيكية للحقن. تضمن نتائج مفصّلة بدقة وتكرار في الأجزاء المصبوبة.
• تستخدم ماكينات الحجرة الباردة مكبس. تقوم بحقن المعدن وتكمل الدورات في 30-60 ثانية لتحقيق كفاءة عالية.

4. الحقن والتصلب

المرحلة الأولى: تملأ المادة المنصهرة 80-90% من تجويف القالب. يستغرق الحقن 0.01-0.1 ثانية. تأكد من أن المادة تملأ الفجوات بالتساوي وتصل إلى كل ركن من أركان القالب.

المرحلة الثانية: تطبق الشركة المصنعة ضغطًا عاليًا (200-400 بار). يزيل فجوات الهواء ويعطي جودة كثيفة وسلامة هيكلية.

التبريد: يقوم ماء الصب بالقالب أو هواء التبريد بتبريد المعدن المحقون بسرعة عند 500-1000 درجة مئوية في الثانية. وخلال ذلك، فإنها تأخذ بكفاءة بنية مجهرية قوية ذات أحجام حبيبات دقيقة (0.01-0.05 مم).

5. الإخراج والمعالجة اللاحقة

بمجرد أن يتصلب الجزء، تساعد دبابيس الطرد على إزالة الصب من القالب بأمان. وهي تمارس قوة تتراوح بين 5 و20 طنًا من القوة.

وفي الوقت نفسه، يستخدم خزان التبريد الماء لتبريد أجزاء الصب بسرعة لمدة 10-30 ثانية. تتجنب هذه العملية الإضافية الالتواء وترفع من سمات المواد.

بالإضافة إلى ذلك، تستخدم ماكينات التشذيب قوة تتراوح بين 20 و50 طنًا من القوة لقطع البقايا المعدنية (البوابات، والوميض). تساعدك في صنع أجزاء ذات جودة أعلى.

قسم التشطيب:

يستخدم المصنعون تقنية إزالة الأزيز لإزالة الحواف الحادة. توفر هذه العمليات أسطحًا ناعمة تحقق قيمة خشونة تتراوح بين 1.6 و3.2 ميكرومتر Ra.

تخلق الثقوب والميزات الدقيقة التي تقوم بها الماكينات تفاوتات ضيقة (± 0.05 مم). ونتيجة لذلك يفي المنتج في النهاية بالمواصفات الخاصة.

7. إدارة النفايات

أعادت صانعات القوالب صهر أو إعادة استخدام 5-10% من نفايات الألومنيوم. لأن إعادة تدوير الخردة يقلل من تكاليف المعدن الخام.

يمكن معالجة النفايات الناتجة عن مواد التشحيم وبقايا المعادن في نظام معالجة مياه الصرف الصحي. تعمل معالجة الحمأة والزيوت هذه على إزالة 95% من الملوثات قبل التخلص منها.

بالإضافة إلى ذلك، يستخدم المصنعون أجهزة تنقية العادم. وتتمثل مهمتها في التعامل مع الانبعاثات عن طريق تصفية الغازات الضارة. تساعد هذه الأدوات في الحصول على معدل نجاح 99% في الحد من تلوث الهواء.

الموارد المستدامة مثل أبراج التبريد التي تعيد تدوير 80% من المياه المستخدمة. تقلل هذه التقنيات أيضًا من التأثير البيئي.

التطبيقات والصناعات

السيارات

وقد تم اكتشاف أن أكثر من 200 كجم لكل سيارة من السيارات المنتجة في أوروبا تستخدم عادةً محتوى الألومنيوم. وإلى جانب ذلك، تنتج قطاعات السيارات أجزاء مختلفة خفيفة الوزن وقوية باستخدام عملية HPDC. على سبيل المثال، كتل المحرك، ومبيت محرك المساحات، وأجهزة التحكم في التيار المتردد/ التيار المستمر، وأغطية البطاريات، إلخ.

الفضاء الجوي

ستكون الأجزاء الفضائية المنتجة باستخدام قوالب صب الألومنيوم أقوى وأخف وزنًا. على سبيل المثال، تتمتع أقواس الطائرات والأقمار الصناعية بقوة شد تصل إلى 300 ميجا باسكال. ونتيجة لذلك، يعمل الجزء بشكل جيد ويستخدم وقودًا أقل.

السلع الاستهلاكية

تُعد عملية الصب الثنائي مفيدة في صناعة الأجزاء ذات الجدران الرقيقة. وهذا ينطبق بشكل خاص على فئات السلع الاستهلاكية. على سبيل المثال، يمكن أن تصنع حاويات إلكترونية لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف بجدران رقيقة تصل إلى 1 مم. وينتج المصنعون ما يزيد عن 50 ألف وحدة غسالة ملابس (سنويًا) باستخدام هذه التقنية.

معدات صناعية

بالنسبة للمكونات التي يمكن أن تتحمل ضغوطًا أعلى (حتى 100 بار)، فإن اختيار الأجزاء المصبوبة بالقالب مثل علب المضخات والصمامات أمر ذو قيمة. تحتوي هذه الأجزاء على مواد مانعة للتسرب وخشونة تشطيب تتأرجح حول Ra 1.6 و3.2 ميكرومتر.

مزايا الصب بالقالب بضغط الألومنيوم

• يمكن لهذه العملية حقًا صب الأجزاء بتفاوت محكم يبلغ ± 0.1 مم (أفضل 5 مرات من الصب بالرمل).
• يعطي ملاءمة مثالية.
• تحتوي الأجزاء على أسطح ملساء (ناعمة مثل Ra 1.6 ميكرومتر)
• تقليل المعالجة اللاحقة.
• سبائك الألومنيوم 100% قابلة لإعادة التدوير.
• تستخدم هذه العملية طاقة أقل بـ 40-50% من الصب بالرمل.
• يقلل من انبعاثات الكربون.
• الأجزاء المصبوبة قوية بنصف وزن الفولاذ.
• يقلل الإنتاج الضخم من تكلفة القطعة الواحدة.

التحديات والقيود

حجم الجزء وتعقيده:

هناك قيود على الحجم الأقصى، وذلك لأنه يمكن أن ينتج حوالي 600 × 600 مم (أبعاد باب السيارة تقريبًا).

سوف تتسبب الجدران الرقيقة التي تقل عن 0.8-1.5 مم في ملء غير مكتمل. وتتجاوز هذه الحاجة سرعات حقن تصل إلى 4 م/ثانية. وعلاوة على ذلك، قد يكون من الصعب إعادة إنتاج ميزات معقدة أقل من 0.5 مم.

الحدود المادية:

هذه العملية مناسبة فقط للسبائك الخاصة مثل A380. وذلك بسبب سيولتها الجيدة وميزات الصب.

العيوب الشائعة

يتسبب انحباس الهواء في حدوث مسامية غازية وعندما تتمدد هذه الغازات تتحول إلى عيوب مثل التقرحات. يحدث هذا عادةً في الأجزاء الأكثر سمكًا (أقل من 10 مم) ويمكن التحكم فيه عن طريق التفريغ.

وبالمثل، تحدث مسامية الانكماش والتشققات عندما يكون معدل التبريد غير متساوٍ ويقل عن 500 درجة مئوية/ثانية. لتجنب ذلك، يمكن أن يحافظ ضغط 200-400 بار على الكثافة والسلامة أثناء التصلب.

الاختبار والتحكم:

أنت تحتاج فقط إلى التنبؤ بأداء مشروعك وأن تكون متقدمًا بخطوات قليلة عبر الاختبارات غير المدمرة. يستخدم نظام الفحص بالأشعة السينية رأس أنبوبي. هذه هي النقطة التي تنبعث منها البؤرة البؤرية الأشعة عبر الصب. يؤدي وجود فراغ إلى تغيير اختراق الأشعة السينية. ينتج صورة فريدة لتبسيط التحليل.

وبالمثل، يساعد اعتماد الاختبار بالموجات فوق الصوتية على تحديد الشقوق الداخلية في غضون 2-5 ثوانٍ لكل جزء. وتراقب أجهزة الاستشعار سرعة الحقن (± 0.1 م/ث) والضغط (± 10 بار). وبالتالي يعطي ذلك ضمانًا لجودة ثابتة.

الخلاصة:

صب الألومنيوم بالضغط بالقالب الألومنيوم عملية موثوقة. وتستخدمها معظم القطاعات، بما في ذلك قطاع السيارات والفضاء والإلكترونيات، نظرًا لقدرتها على تحمل التكاليف وتوصيلها العالي للطلبات الكبيرة.

هذا هو الخيار الذي يعمل على الحصول على أشكال دقيقة وتشطيبات ناعمة مع استخدام طاقة أقل. على الرغم من أنه ليس كذلك، إلا أن هناك تحديات مثل حدود الحجم والعيوب العرضية. ولهذا، فإن استخدام الاختبارات والضوابط الحديثة يحافظ على ثبات الإنتاج.