ما هو الصب بالقالب

الصب بالقالب هو تصنيع عملية لإنتاج أجزاء معدنية ذات أبعاد دقيقة ومحددة بدقة وناعمة أو ذات سطح أملس أو محكم. ويتم إنجازها عن طريق دفع المعدن المنصهر تحت ضغط عالٍ في قوالب معدنية قابلة لإعادة الاستخدام. وغالباً ما توصف العملية بأنها أقصر مسافة بين المادة الخام والمنتج النهائي. ويستخدم مصطلح "الصب بالقالب" أيضاً لوصف الجزء النهائي.
يشير مصطلح "الصب بالقالب بالجاذبية" إلى المسبوكات المصنوعة في القوالب المعدنية تحت رأس الجاذبية. يُعرف باسم صب القالب الدائم في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا. ما نسميه "صب القوالب" هنا يُعرف باسم "صب القوالب بالضغط العالي" في أوروبا.

كيف يتم إنتاج مصبوبات القوالب

صب القوالب ذات الضغط العالي

أولاً، يجب أن يكون القالب الفولاذي القادر على إنتاج عشرات الآلاف من المسبوكات في تتابع سريع في قسمين على الأقل للسماح بإزالة المسبوكات. يتم تثبيت هذه الأقسام بإحكام في ماكينة ويتم ترتيبها بحيث يكون أحدها ثابتًا (نصف القالب الثابت) بينما يكون الآخر متحركًا (نصف القالب الحاقن). لبدء دورة الصب، يتم تثبيت نصفي القالبين معاً بإحكام بواسطة ماكينة الصب بالقالب. يتم حقن المعدن المنصهر في تجويف القالب حيث يتصلب بسرعة. يتم سحب نصفي القالب عن بعضهما البعض ويتم إخراج الصب. يمكن أن تكون قوالب الصب بالقالب بسيطة أو معقدة، حيث تحتوي على شرائح متحركة أو نوى أو أقسام أخرى حسب درجة تعقيد الصب.
الدورة الكاملة لعملية الصب بالقالب هي الأسرع المعروفة لإنتاج أجزاء معدنية غير حديدية دقيقة. وهذا يتناقض بشكل ملحوظ مع صب الرمل والتي تتطلب قالباً رملياً جديداً لكل عملية صب. في حين أن عملية القالب الدائم تستخدم قوالب حديدية أو فولاذية بدلاً من الرمل، إلا أنها أبطأ بكثير، وليست بالدقة التي صب القوالب.

أنواع ماكينات الصب بالقالب

وبغض النظر عن نوع الماكينة المستخدمة، من الضروري أن يتم تثبيت أنصاف القالب و/أو النوى و/أو الأجزاء الأخرى القابلة للحركة في مكانها بإحكام أثناء دورة الصب. وبوجه عام، تتحكم قوة التثبيت للماكينة من خلال (أ) مساحة السطح المسقطة للقالب (تقاس عند خط فراق القالب) و(ب) الضغط المستخدم لحقن المعدن في القالب. تستخدم معظم الماكينات آليات من نوع التبديل التي يتم تشغيلها بواسطة أسطوانات هيدروليكية (وأحيانًا ضغط الهواء) لتحقيق القفل. ويستخدم البعض الآخر الضغط الهيدروليكي المباشر المفعول. تُستخدم أنظمة تعشيق الأمان لمنع فتح القالب أثناء دورات الصب.
ماكينات الصب بالقالب، كبيرة كانت أو صغيرة، بشكل أساسي فقط في الطريقة المستخدمة لحقن المعدن المنصهر في القالب. يتم تصنيفها ووصفها على أنها إما ماكينات صب القوالب بالغرفة الساخنة أو الباردة.

ماكينات الصب بالقالب بالغرفة الساخنة

تُستخدم ماكينات الغرف الساخنة (الشكل 1) في المقام الأول للزنك والسبائك ذات درجة الانصهار المنخفضة التي لا تهاجم بسهولة وتؤدي إلى تآكل الأواني المعدنية والأسطوانات والمكابس. وقد أدت التكنولوجيا المتقدمة وتطوير مواد جديدة ذات درجة حرارة أعلى إلى توسيع نطاق استخدام هذه المعدات من أجل سبائك المغنيسيوم المسبوكة بالقالب.
الشكل 1: ماكينة الحجرة الساخنة. يوضح الرسم البياني آلية المكبس المغمور في المعدن المنصهر. الماكينات الحديثة يتم تشغيلها هيدروليكيًا ومزودة بأدوات تحكم أوتوماتيكية في التدوير وأجهزة أمان.
في ماكينة الحجرة الساخنة، يتم غمر آلية الحقن في معدن منصهر في فرن متصل بالماكينة. عند رفع المكبس، ينفتح منفذ يسمح للمعدن المنصهر بملء الأسطوانة. عندما يتحرك المكبس لأسفل لإغلاق المنفذ، فإنه يدفع المعدن المنصهر من خلال عنق المنحنية والفوهة إلى القالب. بعد أن يتصلب المعدن، يتم سحب المكبس، وينفتح القالب، ويتم إخراج الصب الناتج.
ماكينات الغرفة الساخنة سريعة في التشغيل. تختلف أزمنة الدورات من أقل من ثانية واحدة للمكونات الصغيرة التي تزن أقل من أونصة واحدة إلى ثلاثين ثانية لصب عدة أرطال. يتم ملء القوالب بسرعة (عادةً ما بين خمسة إلى أربعين جزء من الثانية) ويتم حقن المعدن بضغوط عالية (1,500 إلى أكثر من 4,500 رطل من البوصة المربعة). ومع ذلك، تتيح التكنولوجيا الحديثة تحكماً دقيقاً في هذه القيم، وبالتالي إنتاج مصبوبات ذات تفاصيل دقيقة وتفاوتات متقاربة وقوة عالية.

ماكينات الصب بالقالب على البارد

تختلف ماكينات الحجرة الباردة (الشكل 2) عن ماكينات الحجرة الساخنة في المقام الأول في جانب واحد؛ حيث لا يتم غمر مكبس الحقن والأسطوانة في المعدن المنصهر. يتم سكب المعدن المنصهر في "حجرة باردة" من خلال منفذ أو فتحة صب بواسطة مغرفة يدوية أو آلية. يقوم المكبس الذي يتم تشغيله هيدروليكيًا، ويتقدم للأمام، بإغلاق المنفذ دافعًا المعدن إلى القالب المغلق بضغوط عالية. وتتراوح ضغوط الحقن من 3000 إلى أكثر من 10000 رطل لكل من سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم، ومن 6000 إلى أكثر من 15000 رطل لسبائك النحاس الأساسية.

الشكل 2: ماكينة الحجرة الباردة. يوضح الرسم البياني القالب والحجرة الباردة والمكبس أو المكبس الأفقي (في وضع الشحن).
توفر عملية الصب بالقالب أشكالاً معقدة ضمن تفاوتات تحمل أدق من العديد من عمليات الإنتاج الضخم الأخرى. في ماكينة الغرفة الباردة، يتم سكب المزيد من المعدن المنصهر في الحجرة اللازمة لملء تجويف القالب. ويساعد ذلك في الحفاظ على الضغط الكافي لتعبئة التجويف بقوة بسبيكة الصب. يتم قذف المعدن الزائد مع الصب ويكون جزءًا من اللقطة الكاملة.
يكون تشغيل ماكينة "الحجرة الباردة" أبطأ قليلاً من ماكينة "الحجرة الساخنة" بسبب عملية المغرفة. تُستخدم ماكينة "الحجرة الباردة" في حالة درجة الانصهار العالية سبائك الصب بالقالب لأن تجميعات المكبس والأسطوانة أقل عرضة للهجوم لأنها غير مغمورة في معدن منصهر.

صب القوالب وبنائها

تُصنع قوالب الصب بالقالب (الشكل 3) من سبائك الفولاذ في قسمين على الأقل يُطلق عليهما نصف القالب الثابت ونصف القالب القاذف. يتم تركيب نصف القالب الثابت على الجانب باتجاه نظام حقن المعدن المنصهر. ويتم تركيب نصف القالب القاذف، الذي يلتصق به القالب المصبوب والذي يتم إخراجه منه عند فتح القالب، على الصفيحة المتحركة للماكينة.

يتم تصميم نصف القالب الثابت من القالب لاحتواء فتحة الذرب التي يدخل من خلالها المعدن المنصهر إلى القالب. وعادةً ما يحتوي النصف القاذف على العدائين (الممرات) والبوابات (المداخل) التي توجه المعدن المنصهر إلى تجويف (أو تجاويف) القالب. ويتصل نصف القاذف أيضاً بصندوق القاذف الذي يضم آلية إخراج الصب من القالب. ويحدث القذف عندما تتحرك المسامير المتصلة بصفيحة القاذف إلى الأمام لإجبار الصب من التجويف. يحدث هذا عادةً كجزء من شوط فتح الماكينة. يجب ترتيب وضع دبابيس القاذف بعناية بحيث لا تتسبب القوة الموضوعة على الصب أثناء الإخراج في حدوث تشوه. تقوم دبابيس الإرجاع المتصلة بلوحة القاذف بإعادة هذه اللوحة إلى موضع الصب عند إغلاق القالب.
غالبًا ما تستخدم النوى الثابتة والمتحركة في القوالب. إذا كان ثابتًا، يجب أن يكون محور القلب موازيًا لاتجاه قالب الصب بالقالب الفتح. إذا كانت قابلة للحركة، فغالبًا ما يتم ربطها بشرائح أساسية. إذا تطلب جانب تصميم قالب الصب بالقالب انخفاضًا، فيمكن صنع القالب بشريحة واحدة أو أكثر للحصول على النتيجة المرجوة دون التأثير على إخراج القالب من تجويف القالب. يجب تركيب جميع الشرائح والنوى القابلة للتحريك بعناية، وأن يكون لديها القدرة على تثبيتها بإحكام في موضعها أثناء دورة الصب. وبخلاف ذلك، يمكن أن ينزلق المعدن المنصهر إلى داخل ممرات الانزلاق مما يتسبب في تعطيل العمليات. على الرغم من أن الشرائح والقلوب تضيف إلى تعقيد وتكلفة بناء القالب، إلا أنها تجعل من الممكن إنتاج مصبوبات القوالب في مجموعة متنوعة من التكوينات، وعادةً ما تكون أكثر اقتصادًا من أي عملية أخرى لتشغيل المعادن.

نوع قوالب الصب بالقالب

تُصنف القوالب على النحو التالي: القوالب ذات التجويف الواحد، والقوالب ذات التجاويف المتعددة، والقوالب المركبة وقوالب الوحدة (الأشكال من 4-أ إلى 4-د).

لا يتطلب قالب التجويف الواحد أي تفسير. القوالب ذات التجاويف المتعددة تحتوي على عدة تجاويف جميعها متطابقة. إذا كان القالب يحتوي على تجاويف مختلفة الأشكال، فإنه يسمى قالباً مركباً أو عائلياً. ويستخدم القالب المركب لإنتاج عدة أجزاء لتجميع ما. بالنسبة للأجزاء البسيطة، يمكن استخدام القوالب المجمعة لإحداث وفورات في الأدوات والإنتاج. قد يتم صب عدة أجزاء لتجميع ما، أو لعملاء مختلفين، في نفس الوقت باستخدام قوالب الوحدة. يتم تجميع قالب واحد أو أكثر من قوالب الوحدة في حامل مشترك ويتم توصيلها بواسطة عدَّادات بفتحة مشتركة أو فتحة ذرب. وهذا يسمح بملء جميع التجاويف في وقت واحد.

مزايا الصب بالقالب

توفر أجزاء مكونات الصب بالقالب، والزخارف الزخرفية، و/أو المنتجات النهائية العديد من الميزات والمزايا والفوائد لأولئك الذين يحددون عملية التصنيع هذه.

1. يتم إنتاج مصبوبات القوالب بمعدلات إنتاج عالية. ولا يتطلب الأمر سوى القليل من التصنيع الآلي أو لا يتطلب أي تصنيع آلي.
2. يمكن إنتاج مصبوبات القوالب بجدران أرق من تلك التي يمكن الحصول عليها بطرق الصب الأخرى ... وأقوى بكثير من قوالب حقن البلاستيك بنفس الأبعاد.
3. توفر قوالب الصب بالقالب أجزاءً متينة وثابتة الأبعاد وذات ملمس ومظهر عالي الجودة.
4. قوالب الصب بالقالب يمكن أن تنتج الآلاف من المسبوكات المتماثلة ضمن التفاوتات المحددة قبل أن تكون هناك حاجة إلى أدوات إضافية.
5. مصبوبات الزنك المصبوبة بالقالب يمكن طلاؤها بسهولة أو تشطيبها بأقل قدر من التحضير السطحي.
6. يمكن إنتاج مصبوبات القوالب بأسطح تحاكي مجموعة متنوعة من القوام.
7. تكون أسطح القوالب المصبوبة، كما هي مصبوبة، أكثر سلاسة من معظم أشكال الصب الأخرى.
8. يمكن حفر الثقوب في مصبوبات القوالب وصنعها بمقاسات حفر الصنبور.
9. يمكن أن تكون اللوالب الخارجية على الأجزاء مصبوبة بالقالب بسهولة.
10. توفر مصبوبات القوالب عناصر تثبيت متكاملة، مثل الرؤوس والأزرار، والتي يمكن أن تؤدي إلى وفورات في التجميع.
11. يمكن صب إدخالات المعادن الأخرى وبعض المعادن غير المعدنية في مكانها.
12. تتراوح معدلات مقاومة التآكل في سبائك الصب بالقالب من جيدة إلى عالية.
13. مصبوبات القوالب متجانسة. فهي تجمع بين العديد من الوظائف في جزء واحد معقد الشكل. ولأن مصبوبات القوالب لا تتكون من أجزاء منفصلة، ملحومة أو مثبتة معًا، فإن القوة هي قوة المادة، وليس قوة الخيوط أو اللحامات، إلخ.
14. عملية الصب بالقالب يمكن أن تنتج صب القوالب الألومنيوم، غلاف القالب المغنيسيوم، صب الزنك بالقالب، صب الزنك بالقالب، صب النحاس الأصفر بالقالب وصب الرصاص وما إلى ذلك، وكل ذلك يمكن إنتاجه بسهولة على نطاق واسع.

تُعد عملية الصب بالقالب عملية فعالة واقتصادية، وعند استخدامها بأقصى إمكاناتها، فإنها تحل محل تجميعات مجموعة متنوعة من الأجزاء التي تنتجها عمليات التصنيع المختلفة مع توفير كبير في التكلفة والعمالة.

المقارنات مع المنتجات الأخرى

أجزاء حقن البلاستيك المصبوبة بحقن البلاستيك

بالمقارنة مع أجزاء حقن صب البلاستيك بالحقن البلاستيكي،مسبوكات القوالب هي الأقوى والأكثر صلابة وثباتًا في الأبعاد، والأكثر مقاومة للحرارة، وتتفوق كثيرًا على البلاستيك من حيث الخصائص/التكلفة. وهي تساعد على منع الترددات الراديوية والانبعاثات الكهرومغناطيسية. بالنسبة للطلاء بالكروم، تتفوق مصبوبات القوالب على البلاستيك. وتتمتع مصبوبات القوالب بدرجة عالية من الثبات تحت الحمل عند مقارنتها بالبلاستيك، وهي مقاومة تمامًا للأشعة فوق البنفسجية والعوامل الجوية والتشقق الإجهادي في وجود كواشف مختلفة. تكون دورات التصنيع لإنتاج مصبوبات القوالب أسرع بكثير من دورات التصنيع الخاصة بقوالب حقن البلاستيك. ومع ذلك، قد تكون المواد البلاستيكية أرخص على أساس وحدة الحجم، ولها خصائص متأصلة في اللون تميل إلى التخلص من التشطيب، وهي حساسة لدرجة الحرارة، وهي عوازل كهربائية جيدة.

المسبوكات الرملية

مقارنة بالمسبوكات الرملية, مصبوبات القوالب تتطلب معالجة آلية أقل بكثير؛ ويمكن صنعها بجدران أرق؛ ويمكن أن تكون جميع الثقوب أو كلها تقريبًا ذات أحواض متقاربة الحجم؛ ويمكن أن تكون ضمن حدود أبعاد أقرب بكثير؛ ويتم إنتاجها بسرعة أكبر في قوالب تصنع آلاف المسبوكات دون استبدال؛ ولا تتطلب نوى جديدة لكل مسبوك؛ ويمكن تزويدها بسهولة بإدخالات مصبوبة في مكانها؛ ولها أسطح أكثر سلاسة وتتضمن تكلفة عمالة أقل بكثير لكل مسبوك. من ناحية أخرى، يمكن صنع المسبوكات الرملية من المعادن الحديدية ومن العديد من السبائك غير الحديدية غير المناسبة للصب بالقالب. الأشكال التي لا يمكن إنتاجها عن طريق الصب بالقالب متوفرة في المسبوكات الرملية؛ يمكن أن يكون الحجم الأقصى أكبر؛ وغالباً ما تكون تكلفة الأدوات أقل ويمكن إنتاج كميات صغيرة بشكل اقتصادي أكثر. صب الألومنيوم بالرمل

مصبوبات القوالب الدائمة

بالمقارنة مع مصبوبات القوالب الدائمةيمكن صنع مصبوبات القوالب في حدود أبعاد أقرب وبمقاطع أرق؛ يمكن أن تكون الثقوب ذات فتحات؛ يمكن إنتاجها بمعدلات أعلى مع عمالة يدوية أقل؛ لها أسطح أكثر سلاسة وعادة ما تكون تكلفتها أقل لكل قالب صب. ينطوي صب القالب الدائم على تكاليف أدوات أقل إلى حد ما؛ ويمكن صنعها باستخدام نوى رملية تنتج أشكالاً غير متوفرة في الصب بالقالب.

المطروقات

مقارنة بالمطروقات, مصبوبات القوالب يمكن أن تكون أكثر تعقيدًا في الشكل ولها أشكال غير قابلة للتشكيل؛ يمكن أن يكون لها مقاطع أرق؛ يمكن أن تكون ذات أبعاد أقرب ويمكن أن يكون لها حفر غير ممكن في المطروقات. ومع ذلك، فإن المطروقات أكثر كثافة وأقوى من المسبوكات القوالب؛ ولها خواص السبائك المشغولة؛ ويمكن إنتاجها من المعادن الحديدية والمعادن الأخرى وبأحجام لا تناسب المسبوكات القوالب.

الختم

بالمقارنة مع الختم، يمكن لقالب صب واحد أن يحل محل عدة أجزاء في كثير من الأحيان. تتطلب مصبوبات القوالب في كثير من الأحيان عمليات تجميع أقل؛ ويمكن الاحتفاظ بها في حدود أبعاد أقرب؛ ويمكن أن يكون لها أي اختلاف مرغوب فيه تقريبًا في سمك المقطع؛ وتنطوي على نفايات أقل في الخردة؛ ويمكن إنتاجها بأشكال أكثر تعقيدًا ويمكن صنعها بأشكال لا يمكن إنتاجها في أشكال مختومة. ومن ناحية أخرى، يتميز الختم بخصائص المعادن المشغولة؛ ويمكن صنعه من الفولاذ والسبائك غير المناسبة للصب بالقالب؛ ويتم إنتاجه في أشكاله الأبسط بسرعة أكبر؛ وقد يكون وزنه أقل من المسبوكات بالقالب.

منتجات الماكينات اللولبية

مقارنة بمنتجات الماكينات اللولبية, مصبوبات القوالب وغالبًا ما يتم إنتاجها بسرعة أكبر؛ وتنطوي على نفايات أقل بكثير في الخردة؛ ويمكن صنعها بأشكال يصعب أو يستحيل إنتاجها من مخزون القضبان أو الأنبوبي، وقد تتطلب عمليات أقل. من ناحية أخرى، يمكن تصنيع منتجات الماكينات اللولبية من الصلب والسبائك التي لا يمكن صبها في قوالب؛ فهي تتمتع بخصائص المعادن المشغولة، وتتطلب نفقات أقل في الأدوات.