قالبهای دایکست (die casting) و عیوب آنها
استاد محترم: جناب آقای مهندس اسدی
تهیه و تنظیم: معین اسکندری
شماره دانشجویی: ٣٨٦٠٧٨١٨
ریخته گری تحت فشار(pressure die casting):
تعریف : ریخته گری تحت فشار به روشی اطلاق می شود که در آن مذاب تحت فشار معین محفظه قالب را پر میکند.
ویژگی: در این روش از قالبهای فلزی استفاده می شود . تفاوت اساسی این روش و ریژه در نحوه پر کردن قالب است .
در روش ریژه پر کردن قالب بر اساس نیروی ثقلی مذاب (وزن مذاب) می باشد در حالی که در ریخته گری تحت فشار پر شدن قالب در اثر فشار وارد بر مذاب بوده و انجماد نیز تحت فشار انجام می گیرد .
به همین دلیل در روش ریخته گری تحت فشار امکان تولید قطعات پیچیده تر وجود دارد و از لحاظ مک و حفره های گازی و و نیز خواص مکانیکی شرایط بهتری نسبت به ریخته گری در قالب های ریژه دارد .
ریخته گری تحت فشار بر اساس نیروی فشار اعمال شده به دو روش تقسیم می شود:
1- ریخته گری تحت فشار بالا
2-ریخته گری تحت فشار پایین
روش ریخته گری تحت فشار بالا کاربرد وسیعتری نسبت به روش ریخته گری تحت فشار کم دارد و در صنعت اصطلاحاً به ان ریخته گری تحت فشار و یا دایکاست گفته می شود .
بنابراین زمانی که اصطلاح ریخته گری تحت فشار آورده شد مقصود ریخته گری تحت قشار بالا می باشد.
مزایا و محدودیت ها :
فرآیند ریخته گری تحت فشار علاوه بر مزایا و محدودیت ها ی روش ریخته گری در قالب های ریژه نسبت به روش ریخته گری در قالب های موقت و نیز روش ریژه دارای مزایا و محدودیتهایی است .
مزایای ریخته گری تحت فشار :
مزیت های ریخته گری تحت فشار به شرح ذیل است .
1- کیفیت سطحی قطعات خیلی بالابوده و ماشینکاری محدود می شود .
2- دقت ابعادی این روش بالا می باشد .
3- قابلیت ریخته گری ضخامتهای کمتر از یک میلیمتردر ریخته گری تحت فشار بالا و ضخامتهای کمتر از چهار میلیمتر در ریخته گری با فشارپایین وجود دارد .
4- سرعت تولید بالا بوده و بطور متوسط 350-300 قطعه بر ساعت برای ماشینهای محفظه گرم و 150-75 قطعه بر ساعت برای ماشینهای محفظه سرد امکان پذیر می باشد .
5- راندمان ذوب این روش به علت کوچک بودن راهگاه و راهباره بالا می باشد .
6- این روش دارای محیطی تمیزتر نسبت به یکسری از روشها دارد .
7- این روش دارای تلرانس ابعادی بسته می باشد .
8- اعمال فشار دراین روش تا حدودی سبب جلوگیری حفرات انقباضی می شود .
9- در روش ریخته گری تحت فشار پایین بعلت وارد شدن مذاب با جریانی آرام و بدون اغتشاش از قسمت پایینی قالب واز قسمت مرکزی بوته مذاب تمیزی وارد قالب خواهد شد .
10- قالبهای ریخته گری تحت فشار درستی و ابعاد خود را حفظ کرده و برای دور های طولانی مدت تولید سودمند می باشند .
11- قرار دادن ماشین ریخته گری تحت فشار و ریخته گری کردن به سهولت قابل انجام دادن است .
12- قطعات ریخته گری تحت فشارپس از تولید دارای سطح صاف تری از بیشتر سایر شکلهای ریخته گری دارند .
13- مقاومت به خوردگی آلیاژهای ریخته گری از خوب به بالا می باشند .
14- سختی واستحکام قطعات تولید شده به این روش بالا می باشند .
محدودیت: 1- تعداد قطعات های
از لحاظ ابعادی دارای تولیدی در این روش باید مقرون به صرفه باشد .
2- این مساله خروج گاز از قالب مواجه می باشیم که باید یکسری مسیرهای باریکی در طراحی قالب در نظر گرفته شود .
-3 این روش معمولا برای فلزاتی با نقطه ذوب پایین کاربرد دارد .
4 – نکته دیگر ماهیچه است که ابتدا باید تا حد امکان اشکال ساده ای داشته باشند و ثانیا بدلیل اعمال فشار زیاد باید ازماهیچه های فلزی استفاده شود .
5- برای تولید قطعات با تیراژ بالا مقرون به صرفه است .
6- خود سیستم و هزینه های ساخت قالب بالا می باشد .
7- در اثر اعمال فشار بر روی مذاب فرسایش قالب نیز زیاد است .
8- برای قطعاتی که حجم به سطح بالایی دارند این روش مناسب نیست .
9- دراثرمحبوس شدن مکهای گازی در بعضی قطعات امکان عملیات حرارتی وجود ندارد .
10- فقط آلیاژهای غیر آهنی معینی از لحاظ اقتصادی می توانند با این روش تولید شوند .
12- در مورد ریخته گری قطعاتی با جنس آلیاژهای آلومینیوم به عات خوردگی سیستم تزریق از روش محفظه گرم نمی توان استفاده نمود .
تشریح قالب در ریخته گری تحت فشار:
این دو قسمت در خط جدایش قالب روی یکدیگر قالب دایکست عبارت است از یک قالب دائمی فلزی بر روی یک ماشین ریخته گری تحت فشار که برای تولید قطعات ریختگی تحت فشار به کار می رود . این قالب دارای یک حفره است که شامل فضای داخلی با کناره ها و ابعاد قطعه مورد ریختگی می باشد وهدایت کردن فلز مذاب به درون قالب توسط کاناهایی انجام می شود که به آن سیستم مدخل تزریق- گلویی- راهگاه گفته می شود .
هرقالب دایکست از دو قسمت تشکیل شده است تا بتوان قطعه را بعد ازانجماد از حفره قالب بیرون آورد که اجزا قالب که با فلز ریختگی در تماس هستند از فولاد گرم کار و یا از آلیاژهای مخصوص نسوز و مقاوم در برابر تغییر دما ساخته می شوند که باید دارای پایداری ابعادی و مقاوم به ترکهای خستگی گرمایی و فرسایش و زدگی را در برابر آلیاژهای ریختگی را داشته باشند .
حفره قالب معمولا بوسیله عملیات ماشینکاری با دقت و درستی بالا ساخته می شوند و بعضی ازحفره های قالب بوسیله فرآیندی که مشهوربه hobbing است ایجاد می شوند .
قالبهای دایکست از دو بخش اصلی تشکیل یافته اند :
1- نیمه قالب ثابت
2- نیمه متحرک و قسمت پران قرار می گیرند
موادی که برای قالب های ریخته گری تحت فشار مورد استفاده قرار می گیرند باید خواسته های زیر را برآورد نمایند که عبارتند از:
1- باید بتواند شوکهای حرارتی و خستگی را تحمل کند .
2- از استحکام کافی برای تحمل فشارهای زیاد بهره مند باشد .
3- درمقابل تاثیر شیمیایی فلز مذاب مقاومت داشته باشد .
4- سختی خود را در دمای بالا حفظ کند .
5- در مقابل شستشو ولحیم ناشی از تزریق مذاب مقاوم باشد .
6- دارای ثبات ابعادی بوده یعنی پس از هر سیکل حرارتی ابعاد اولیه خود را باز یابد .
7- دارای ضریب انبساط حرارتی کم و ضریب هدایت حرارتی زیاد باشد .
8- براحتی ماشین کاری شود .
9- ارزان و براحتی در بازار یافت شود .
10- دارای قابلیت جوشکاری باشد .
عمر قالب با خیلی از فاکتورها تعیین می شود که عبارتند از :
1- طراحی قالب
2- انتخاب مواد قالب
3- روشهای ساخت
4- عملکرد تعمیر و نگهداری می باشد .
عملیات پیش گرم کردن قالب:
هر قالب دایکاست بایستی بر روی ماشین دایکاست قبل از شروع به کار کردن تا دمای لازم برای کار گرم گردد . تحت هر شرایطی نبایستی با یک قالب سرد و یا به قدر کافی گرم نشده ریخته گری را آغاز نمود در غیر اینصورت تنشهای حرارتی بالایی در سطح خارجی قالب پدید می آیند که معمولا ازبین نمی روند و باعث تشکیل ترکهای زودرس می شوند . به طور کلی اگر در نزدیکی مرز دمای بالی درجه حرارت توصیه شده برای قالب کار شود برای قالب بهتر بوده و طول عمر قالب می تواند به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد زیرا اختلاف بین دمای ریخته گری و دمای قالب کمتر باشد به همان نسبت نیز انبساط درسطح خارجی قالب و خطر ایجاد ترک کمتر است .
2-4 پوششهای
4 پوششهای مهندسی سطح درقالبهای ریخته گری تحت فشار:
سایش قالبها و عیوب در ریخته گری تحت فشاریکی دیگرازعوامل مسئله ساز می باشند وهمچنین بیشترعوامل وعلتهای زودرس نقص وعیوب در قالب که عبارتند از:
ترک های خستگی گرمایی 2- فرسایش وسایش 3- خوردگی می باشند که دراثروجود این عوامل باعث ایجاد ترکهایی درسطوح قالب شده وتشکیل این ترکها درسطوح قالبها سبب کاهش عمرقالبهای ریخته گری تحت فشارشده وهمین عامل باعث کاهش اقتصادی بودن ریخته گری تحت فشار شده و باید با انجام تدابیری خاص برروی سطوح قالبها باعث جلوگیری ازبوجود آمدن این ترکها شده وعمرقالبهای ریخته گری تحت فشاررا بالا برد و بنابراین سه عاملی که وجودشان ملاک مهمی برای پوشش کردن قالب هستند شامل مقاومت سایشی و نچسب بودن و مقاومت به خوردگی می باشند .
می توان اشاره نمود که هیچیک از پوششهای منفرد روش بهینه ای را فراهم نخواهد کرد و باید درروش بهینه طراحی چند لایه را باید در نظر بگیریم که هر یک از این لایه های فیلمی نازک برای اهداف و مقصود خاصی به کار می روند که در این میان قشر نازک نزدیک به زیرلایه باید چسبندگی خوبی را فراهم نموده و همچنین دورترین لایه باید سبب فراهم شدن مقاومت خوردگی وسایشی و اکسیداسیون وعدم تر شوندگی شده در حالی که لایه های میانی مستلزم تطبیق و به حداقل رساندن تنش های حرارتی و پسماند است . این روش ها با اهدافی که شامل به حداقل رساندن نقص وعیب زودرس قالب ها وافزایش عمرقالب می باشد وروش های پوشش کردن مهندسی سطح می تواند باعث بهبود یافتن هزینه قابل رقابت ریخته گری تحت فشار شده است . شکل 1-2 شمایی از پوشش کاری پیشرفته را نشان می دهد .
گرافی ازلایه گذاری برروی سطوح قالبهای ریخته گری تحت فشار
انواع مختلف قالب :
عبارت است از قالبهای تک حفره ایی وچند حفره ایی قالب با حفره های مختلف برای
قطات مختلف و قالب با حفره های قابل تعویض .
1-در قالبهای تک حفره ای که یک قطعه تولید میشود .
2-قالب های چند حفره ای که دارای چند حفره مشابه برای تولید یک قطعه باشند.
که دارای مزیت:
الف – تعداد قطعه تولیدی در واحد زمان
ب-کیفیت بهتر
ج-بالانس حرارتی در سطح قالب د-بالانس مکانیکی درکفه قالب
محدودیت ها :
1-مشکلات تولید را افزایش میدهد 2-ضایعات بیشتر 3-تعداد ضرب در ساعت تا حدی کاهش می یابد
طراحی قالب :
طبیعتا هر قالب باید شکل قطعه را داشته باشد که قرار است تولید شود ولی در ساخت قالب عوامل زیر باید از نظر دور نماند:
1-شیب دیوارها (draft)2-اضافه اندازه برای انقباض مواد
3-در نظر گرفتن انبساط حفره در اثر حرارت .
4-انتخاب محل خط جدایش قالب .
5-محل کشویی ها و ماهیچه ها ی متحرک
6-انتخاب محل تزریق بطوری که در محلی از قطعه قرار گیرد که دارای حساسیت بیشتر نباشد.
7-انتخاب محل گلویی تزریق بطوری که مواد ورودی به حفره با مانعی نظیر ماهیچه ها برخورد مستقیم نداشته باشد .
باید توجه داشت بهترین راهنما در طراحی قالبها تجربیات طراح می باشد.
انقاض مواد(shrinkage allowances) :
اندازههای نهایی حفره و ماهیچه های قالب پس از در نظر گرفتن مقدار انقباض مواد در اثر سرد شدن تعییین می شود . جدول زیر مقدار اضافه اندازه برای جبران انقباض را در مواد مختلف نشان می دهد.
توضیح اینکه مقادیر فوق به تناسب شکل و اندازه قطعه تغییر پذیر هستند.
شیب دیواره ها Draft:
برای آنکه قطعه به راحتی از درون قالب بیرون آید دیواره های حفره ها باید همگی دارای شیب باشند. مقدار این شیب بستگی به نوع مواد تزریقی و ارتفاع دیواره دارد .
پرداخت سطح حفره قالب:
در دایکست حفره قالب باید به اندازه کافی صاف و صیقلی باشد تا مذاب بتواند با حداقل اغتشاش آن را پر کند . میزان پرداخت سطح مورد نیاز به نحوه کاربرد قطعه بستگی دارد . مثلا اگر قرار باشد قطعه تحت عملیات رنگ کاری یا آبکاری قرار گیرد باید از پرداخت سطح خوبی برخوردار باشد.
یکی از روشهای پرداخت سطح حفره قالب با کیفیت خوب پرداخت توسط ذرات بسیار ریز الماس می باشد. با ادامه عمل تزریق این پرداخت خوب کمی تغییر می کند(خش بر می دارد ) ولی با مقدار کمی پرداختکاری مجدد صافی اولیه خود را به دست می اورد . این نوع پرداخت سطح برای قالبهایی به کار می رود که مذاب تزریق شده در انها دارای نقطه ذوب پایین باشد .
برای قالبهایی که آلیاژ مس در آنها تزریق می گردد پرداخت خیلی خوب نامناسب است زیرا تماس آلیاژ مس مذاب با سطح قالب به دلیل دمای بالای مس مذاب پرداخت اولیه سطح حفره قالب را از بین می برد و لذا از همان ابتدا سطح ان را پرداخت مات می کنند. مزیت پرداخت مات یا پرداخت کند در این است که در هنگام روغنکاری سطح حفره روغن را بهتر در خود نگه می دارد و باعث طول عمر بیشتر قالب می گردد .
بهتر است حفره قالب هایی که برای تولید قطعات آلومینیومی به کار می روند توسط کرم یا الکترولیز نیکل آبکاری گردد. همچنین برای تولید قطعات از جنس آلیاژ روی نیز آبکاری حفره قالب توسط الکترولیز نیکل مناسب است.
فرسایش قالب :
عواملی که بر سرعت فرسایش قالب موثر هستند عبارتند از :دمای فلز مذاب و چگونگی طراحی قالب. هنگام که دمای ریخته گری فلز کمتر از دمای ریخته گری آلیاژ روی باشد معمولا تا 500000 تزریق فرسایش قابل توجهی در قالب به وجود نمی آید . هر چه میزان این درجه حرارت بیشتر گردد ( از آلیاژ روی تا الومینیم و پس از ان آلیاژ مس ) سرعت فرسایش قالب افزایش می یابد . هر چقدر طراحی سیستم تغذیه پیچیده تر باشد سرعت فرسایش بویژه با ازدیاد درجه حرارت بیشتر می شود . همچنین فرسودگی قالب در نقاط تجمع فلز مذاب بیشتر است .
اگر چه سرعت فرسایش برای دو آلیاژ با یک فلز مبنا یکسان است ولی استثنائهایی برای این مطلب وجود دارد . بعنوان مثال آلیاژ آلومینیم با سیلیسیم بالا نسبت به آلیاژ آلومینیم با سیلیسیم پایین قالب را سریعتر فرسوده می کند. برای آلیاژ با سیلیسیم بالا (حدود 9% Si) دیده شده است که پس از 12000 تزریق قطر بوش تزریق به اندازه 0.25 میلیمتر خورده شده است . در حالیکه برای آلیاژ آلومینیم با سیلیسیم پایین ( حدود 5% Si) این میزان خوردگی پس از 20000 تزریق اتفاق می افتد .
یکی از روشهایی که توسط ان از فرسایش سریع قالب جلوگیری می شود استفاده از آستین و یا اجزای جاسازی شده قابل تعویض در حفره قالب می باشد. این اجزا در نواحی از قالب به کار می روند که احتمال فرسایش بیشتر باشد. پس از فرسایش این اجزا می توان با تعویض آنها قالب را بازسازی نمود . روش دیگر برای جلو گیری از فرسودگی سریع سطح قالب آبکاری آن است. با این روش مقاومت سطح حفره قالب در برابر فشار تزریق و حرارت مذاب افزایش می یابد.
متغیرهایی که زمان تناوب ریخته گری را تعیین می کنند.
بهتین زمانمناسببرای یک سیکل ریخته گری از تجربیات گذشته و چند تزریق آزمایشی به دست می آید.
تغییراتی که در یک سیکل ریخته گری می توان ایجاد کرد عبارتند از:
زمان توقف دستگاه , زمان تزریق و درجه حرارت تزریق , تغییر در روشهای تمیز کاری و روغنکاری قالب . مثلا برای تغییر در میزان خنک سازی قالب می توان یا سرعت جریان آب را تغییر داد و یا از سردکن های خاری کمک گرفت.
بطور کلی زمان یک سیکل کامل ریخته گری به عوامل زیر بستگی دارد:
1- زمان باز و بسته کردن قالب :
معمولا زمان باز و بسته کردن قالب از زمان بستن آن وقت کمتری می گیرد , بطور کلی زمان کل باز و بسته کردن به سرعت نیمه متحرک قالب و فاصله ای که باید بپیماید و همچنین به تعداد, پیچیدگی و سرعت عمل هر کدام از اجزای متحرک قالب از قبیل ماهیچه ها و پرانها و کشوئیها بستگی دارد .
2- زمان ریختن فلز مذاب :
این زمان به نوع سیستم انتقال مذاب از پاتیل نگهداری به محفظه تزریق و مقدار فلزی که در هر مرتبه ریخته میشود بستگی دارد.
3- زمان تزریق:
بطور کلی زمان تزریق به حجم تزریق و شکل و اندازه گلوییهای حفره قالب بستگی دارد .
برای تعیین این زمان باید دو نکته ذیل رعایت گردد:
الف: پر شدن حفره قالب از مذاب باید به حدی آهسته باشد که تخلیه هوا به طور مطلوب انجام گیرد .
ب: پر شدن حفره قالب از مذاب باید به حدی سریع باشد که حفره قبل از رسیدن به مرحله فشار پر گردد و همچنین قبل از این که انجماد در دورترین نقطه حفره قالب نسبت به گلویی تزریق و نیز در نازکترین ضخامت قطعه صورت گیرد قالب پر شده باشد . به طور کلی هر چه گلویی تزریق کوچکتر باشد زمان تزریق بیشتر لازم است .
4- زمان توقف ( به منظور انجماد قطعه ) :
زمان توقف به سرعت سرد شدن قالب و وزن قطعه ریختگی ( بخصوص اگر دارای مقاطع ضخیم باشد ) و به دمای ذوب فلز ریخته شده بستگی دارد
5- زمان خارج کردن قطعه از قالب :
این زمان به نوع عملکرد و سرعت و فاصله ای که نیمه متحرک قالب طی میکند و امکان انجام عمل خارج سازی قطعه در حین باز شدن قالب و همچنین کارآیی کارگر و اولادی و خوشخو بستگی دارد .
دیگر عوامل دخیل در تعیین زمان خارج کردن قعه عبارتند از: اندازه و تعداد پرانها و وزن و شکل قطعه .
6-زمان تمیز کاری قالب :
زمان تمیز کاری قالب به نحوه و وسایل تمیز کاری و میزان مواد پسمانده در قالب بستگی دارد . اگر کار به صورت دستی باشد٬سرعت عمل کارگر و همچنین ابعاد و شکل قالب نیز در تعیین زمان تمیز کاری قالب موثر هستند .
7-زمان روغن کاری قالب :
مقدار این زمان به روش و تجهیزات مورد استفاده در روغنکاری و میزان روغنکاری و سطح و شکل حفره قالب و بازده کار کارگر بستگی دارد.
تعیین ضخامت در طراحی قطعه:
باید مقاطع قطعات ریخته شده تا انجا اجازه میدهد نازک طراحی شوند . زیرا این امر نه تنها و
وزن فلز مذاب مورد نیاز بلکه زمان ریختن تزریق و سرد شدن قطعه را نیز کاهش میدهد .
قطعهای که مقطع ان نازکتر است دارای خلل فرج کمتر و شکلی متناسبتر است .
همچنین چون زمان سرد شدن مقاطع نازک سریتر است . این قطعات محکمتر از قطعات
ضخیم هستند و خواص مکانیکی بهتری دارند .
به علاوه سطح این قطعات صافتر قطعات ضخیم است .ولی باید توجه داشت که مقاطع نباید
بیش از حد نازک باشند .زیرا امکان تغییر شکل و شکستن وصدمه دیدن انها در هنگام حرکت
پرانها وجود دارد.
حداقل صخامتی که قطعه می تواند داشته باشد٬ برای آلیاژهای مختلف در جدول زیر ارائه شده است. این مقادیر تقریبی هستند و در عمل نمی توان به این حداقل دست یافت و بنابراین باید کمی بیشتر از این مقادیر را در نظر گرفت. افزایش ضخامت قطعه باعث ایجاد عیوب دیگری از قبیل ایجاد نقاط داغ و انقباض بیش از حد می شود بطور کلی وقتی در ضخامت قطعه تغییرات شدید بدهیم٬ احتمال به وجود آمدن این عیوب بیشتر می گردد٬ لذا اگر بخواهیم تغییراتی در ضخامت ایجاد کنیم باید این تغییرات به صورت تدریجی اعمال گردد.
فهرست مراجع:
1-مجموعه مقالات دایکست جامعه قالب سازان ایران
Metals Hand book (Vol-5)-2
[2]www.cpcmachines.com
[3]www.diecasting.org/faq
[4]www.imsteel.com
[5]www.zincspecialties.com
[6]www.maccansales.com/book/die casting
[7]www.diecasting.com
[8]www.modern casting.com/morelnfo
[9]www.castmetalsfederation.com
[10]www.media-wiley.com/product-data/rxcerpt
[11]www.diecasting.org/dce
[12]www.actamat – journals.com