قالب‌های دایکاست: ابزار برجسته در تولید فلزات سبک
مقدمه
در ریخته‌گری فلزات، استفاده از قالب‌های قابل استفاده مجدد که برای ریخته‌گری دایکاست مورد استفاده قرار می‌گیرند، به آن‌ها عنوان قالب دایکاست داده می‌شود. این نوع قالب‌ها به ویژه در تولید قطعات پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که استفاده از فلزات سبک مانند آلومینیوم متداول است. فرآیند شامل ذوب آلومینیوم و تزریق آن با فشار بالا به داخل قالب‌ها است. بعد از خنک شدن فلز تزریق شده، قطعه نهایی از قالب خارج شده و آماده مصرف می‌شود.
استفاده از قالب‌های دایکاست امروزه در صنایع مختلف، به ویژه در تولید قطعات آلومینیومی، بسیار حیاتی است. این تکنولوژی امکان ساخت قطعات با ضخامت‌های مختلف از 1.5 تا 15 میلی‌متر را فراهم می‌کند، که نشان از تنوع و کاربرد گسترده آن در صنایع مختلف دارد.
اصول طراحی قالب دایکاست
اصول طراحی قالب دایکاست برای ریخته‌گری باید با توجه به چندین عامل مهم مدنظر قرار گیرد، از جمله قابلیت ساخت ضخامت دیواره‌ها، وزن قالب، یکنواختی ضخامت، شکل گوشه‌ها، زاویه خروج، و بهینه‌سازی فرآیند. در ادامه به بررسی این نکات اصلی در طراحی قالب دایکاست می‌پردازیم.
در طراحی قالب‌های صنعتی برای ریخته‌گری تحت فشار، توجه به نکات مهم زیر می‌تواند منجر به بهبود نتیجه کار شود:
حداکثر ضخامت دیواره
کاهش ضخامت قطعه، به طور کلی باعث کاهش چرخه ریخته‌گری، زمان تزریق و خنک کردن می‌شود. این پارامتر بر مواد مذاب مورد نیاز برای ساخت و حجم قطعه تأثیر می‌گذارد. بنابراین، طراحی ضخامت قطعه باید به گونه‌ای باشد که مواد مصرفی بهینه شده و زمان مدیریت شود.
این نکات مهم در طراحی قالب برای ریخته‌گری تحت فشار، با هدف بهبود عملکرد فرآیند و کاهش هزینه‌های تولید، بسیار حیاتی هستند.
یکپارچه‌بودن ضخامت دیواره:
یکی از عوامل اساسی در خنک شدن یکنواخت و کاهش عیوب احتمالی در تمام قسمت‌های قطعه، یکپارچگی ضخامت دیواره است.
زاویه خروج:
طراحی زاویه مناسب برای تمامی دیواره‌ها، خروج قطعه را پس از انجماد آسان‌تر می‌سازد. زاویه خروج مناسب برای فلزات مختلف به شرح زیر است:
- زاویه خروج برای فلز منیزیم: برای دیواره‌ها حدود 0.75 درجه و برای ماهیچه‌های داخلی حدود 1.5 درجه می‌باشد.
- زاویه خروج برای فلز آلومینیوم: برای دیواره‌ها حدود 1.5 درجه و برای ماهیچه‌های داخلی حدود 2 درجه می‌باشد.
- زاویه خروج برای فلز روی: برای دیواره‌ها حدود 0.5 درجه و برای ماهیچه‌های داخلی حدود 1 درجه می‌باشد.
این زوایا بر اساس نوع فلز و شرایط خاص تولید، بهینه‌سازی می‌شوند تا فرآیند ریخته‌گری به‌طور بهینه انجام شود و قطعات با کیفیت بالا تولید شوند.
شکل گوشه
شعاع انحنای مناسب در گوشه‌های قطعه، کاهش احتمال تمرکز تنش و شکستگی را ارتقا می‌بخشد. به طور کلی، شعاع انحنای داخلی در گوشه‌های قطعه باید با ضخامت دیواره آن هم‌ارز باشد.
آندرکات
در فرآیند تزریق و خنک‌شدن، استفاده از حداقل تعداد آندرکات خارجی برای کنترل حرکت قطعه ضروری است. افزایش تعداد آندرکات خارجی منجر به افزایش ماهیچه‌های کناری و در نتیجه افزایش هزینه ماشین‌کاری می‌شود. استفاده از خطوط جدایش مناسب و طراحی بهینه قالب، می‌تواند این مشکلات را بهبود دهد و کاهش هزینه‌های تولید را فراهم آورد.
سیستم پران در قالب دایکاست
در قالب‌های دایکاست، به دلیل انقباض حرارتی ماده در پایان عملیات تولید، قطعه به جداره سنبه قالب خود می‌چسبد. برای جداسازی و خروج سالم محصول، نیاز به زاویه خروج مناسب، پولیش مناسب و سیستم پران میله‌ای وجود دارد. در این مکانیزم، میله‌هایی در موقعیت مناسب در قالب تعبیه شده‌اند. پس از اتمام عملیات تزریق و انجماد قطعه، با استفاده از جک مخصوص پران، قطعه به بیرون هدایت شده و سپس با استفاده از همان جک یا پس پران به محل اولیه بازگشته و قالب برای سیکل بعدی آماده می‌شود.
کشویی قالب
در صورت وجود برجستگی یا فرورفتگی‌های زیاد بر روی بدنه داخلی یا خارجی محصول، مکانیزم حرکتی به نام کشویی تعبیه می‌شود که در خلاف جهت خروج قطعه حرکت می‌کند. این مکانیزم عموماً شامل پین کج می‌باشد به دلیل نیاز به نیروی لازم برای جلوگیری از چسبندگی کشویی به قطعه. همچنین، برای ایجاد هرگونه شیار، سوراخ یا رزوه دقیق، از ماشین‌کاری استفاده می‌شود. طراحی مدارهای آبگرد و سیستم خنک کاری در کشویی‌ها الزامی است.
پولیش قالب دایکاست
استفاده از پولیش مناسب در جهت خروج قطعه می‌تواند نیروی لازم برای سیستم پران و همچنین کاهش استهلاک قالب و پران‌ها را تا حد زیادی کاهش دهد. با توجه به وجود گرما و حرارت در قالب، فنرها خاصیت ارتجاعی خود را از دست خواهند داد؛ بنابراین، در قالب‌های گرمکار از فنر استفاده نمی‌شود، مانند قالب‌های فورج و دایکست.
مزایا
مزایای استفاده از روش دایکاست عبارتند از:
- تولید اشکال پیچیده: این روش امکان تولید قطعات با اشکال پیچیده‌تر را فراهم می‌کند که با روش‌های دیگر دشوار یا غیرممکن است.
- نرخ تولید بالا و کاهش نیاز به ماشین‌کاری: دایکاست به عنوان یک فرایند ریخته‌گری باعث کاهش نیاز به ماشین‌کاری پس از ریخته‌گری می‌شود و نرخ تولید قطعات را افزایش می‌دهد.
- امکان ساخت قطعات نازک‌تر و مقاوم‌تر: دایکاست امکان تولید قطعات با ضخامت کمتر نسبت به روش‌های ریخته‌گری دیگر را فراهم می‌کند و این قطعات از لحاظ مقاومت نیز بهترند، به خصوص نسبت به روش‌های تزریق پلاستیک با ابعاد یکسان.
- هزینه پایین نیروی کار: این روش به دلیل استفاده کمتر از نیروی کار نسبت به روش‌های دیگر، هزینه تولید را کاهش می‌دهد.
- امکان بازیافت و استفاده مجدد مواد: مواد استفاده شده در دایکاست قابلیت بازیافت دارند که این امر به کاهش هدر رفت مواد و هزینه تولید کمک می‌کند.
- طول عمر قالب بالا: قالب‌های دایکاست معمولاً قابلیت تولید هزاران قطعه تا زمانی که اختلافی در ابعاد قطعه تولید شده به وجود نیاید، را دارند که این امر به کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری کمک می‌کند.
- خروج آسان‌تر قطعات: سطح صاف قالب‌های دایکاست نسبت به روش‌های ریخته‌گری دقیق، ماسه‌ای و دائمی باعث می‌شود خروج قطعات به راحتی انجام شود.
- تزریق فلزات دیگر و مواد غیرفلزی: دایکاست امکان تزریق فلزات دیگر و حتی مواد غیرفلزی را نیز فراهم می‌کند که این امکانات برای برخی کاربردها بسیار مفید است.
- مقاومت بالا: قطعات تولید شده به وسیله دایکاست معمولاً دارای مقاومت بالایی هستند، به خصوص قطعات آلومینیومی که نسبت به روش‌های دیگر مقاوم‌تر هستند.
- یکپارچگی بالا: دایکاست منجر به تولید قطعات با یکپارچگی بالا می‌شود که این ویژگی برای برخی از کاربردها اساسی است.
- آمادگی برای عملیات فرز: قطعات تولید شده توسط دایکاست عموماً بدون نیاز به عملیات فرز مجدد آماده استفاده هستند که این امر به کاهش هزینه‌های نهایی تولید کمک می‌کند.
این مزایا باعث شده است که دایکاست به یکی از روش‌های محبوب و مورد استفاده در صنایع مختلف تبدیل شود.
معایب
با وجود مزایای بسیاری که ریخته‌گری تحت فشار یا دایکاست ارائه می‌دهد، این روش از برخی محدودیت‌ها نیز رنج می‌برد که عبارتند از:
- عدم کاربری مناسب برای فلزات و آلیاژهای دارای نقطه ذوب بالا مانند فولاد: دایکاست به خوبی برای فلزاتی که نقطه ذوب آن‌ها بالا است مانند فولاد، مناسب نیست. این فلزات نیازمند دمای بالا برای ذوب شدن هستند که اجرای آن در دایکاست دشوار است.
- دشوار بودن قالب‌گیری و ساخت قطعات بزرگ: ساخت قالب‌های بزرگ و قالب‌گیری در دایکاست ممکن است به دلیل نیاز به مکانیکی پیچیده و هزینه بالا، دشوار باشد.
- هزینه بالای سرمایه‌گذاری و تهیه قالب: تهیه قالب‌های دایکاست هزینه‌بر است و ممکن است برای برخی کاربردها غیرقابل قبول باشد. این هزینه می‌تواند بخش قابل توجهی از هزینه تولید را تشکیل دهد.
- زمان نسبتاً زیاد چرخه تولید (از دریافت سفارش تا تحویل قطعات به مشتری): پراکندگی زمانی در چرخه تولید دایکاست ممکن است به دلیل مراحل مختلف از طراحی قالب تا تزریق و خنک شدن، منجر به زمان‌بری بیشتر شود.
- غیراقتصادی بودن روش برای تولید قطعات در تعداد کم: اگر تعداد قطعات تولیدی کم باشد، هزینه تهیه قالب و تنظیمات اولیه دایکاست می‌تواند غیراقتصادی باشد. به عبارت دیگر، دایکاست بیشتر مناسب برای تولید انبوه قطعات است.
این محدودیت‌ها در نظر گرفته شده و برای انتخاب صحیح روش تولید، لازم است با این نکات آشنا باشیم تا بهترین استراتژی تولید را برای هر کاربرد مشخص کنیم.
مراحل اجرای ریخته گری دایکاست شامل پنج مرحله اصلی است:
آماده‌سازی قالب دایکاست: در این مرحله، قالب دایکاست برای آماده سازی قطعات آماده می‌شود. قالب دایکاست از دو بخش متحرک و ثابت تشکیل شده است. بخش ثابت آن روی صفحه ثابت دایکاست قرار دارد و بخش متحرک آن روی صفحه متحرک دستگاه قرار دارد. در این مرحله شامل موارد زیر انجام می‌شود:
-
- تمیزکاری: حذف مواد باقی‌مانده روی قالب و پاکسازی سطوح قطعات برای جلوگیری از کاهش کیفیت سطح قطعه بعد از چرخه ریخته‌گری.
- روانکاری: استفاده از روان‌کننده‌ها مانند روغن یا گریس برای روان کردن قطعات بعد از هر دو الی سه چرخه ریخته گری، به منظور سهولت در باز و بسته نمودن قالب.
- بستن قالب: اتصال بخش ثابت و متحرک قالب، به طور محکم و با استفاده از نیروی مناسب برای نگه‌داشتن قالب در زمان تزریق مواد مذاب.
فرآیند آماده‌سازی قالب به طور معمول به ابعاد قطعات وابسته است. اگر دستگاه بزرگتر باشد و ابعاد قالب بزرگتر باشد، زمان لازم برای تمیزکاری و روانکاری نیز افزایش خواهد یافت.
تزریق نمودن مواد مذاب درون قالب
در مرحله تزریق مواد مذاب در فرآیند دایکاست، فلز مذاب از درون کوره به محفظه دستگاه منتقل می‌شود. نحوه انتقال این مواد به نوع دستگاه دایکاست و شرایط حرارتی محفظه (آیا گرم یا سرد است) بستگی دارد. پس از انتقال، مواد مذاب تحت فشار بالا به درون قالب تزریق می‌شود. فشار تزریق در فرآیند دایکاست معمولاً بین ۷۰ الی ۱۴۰ بار است که برای نگه‌داشتن مواد مذاب در حین انجماد ضروری است.
مقدار مواد مذابی که به داخل قالب تزریق می‌شود، به عنوان “شات” شناخته می‌شود. زمان تزریق نیز به زمان مورد نیاز برای پر کردن تمامی مجراها و حفره‌های قالب اشاره دارد. این زمان معمولاً بسیار کوتاه‌تر از یک دهم ثانیه است تا از انجماد نامنظم سایر بخش‌های قالب جلوگیری شود. طراحی دقیق زمان تزریق در دایکاست بر اساس خواص ترمودینامیکی مواد و همچنین ضخامت دیواره قطعه انجام می‌شود. با افزایش ضخامت دیواره، زمان لازم برای تزریق نیز افزایش می‌یابد به منظور اطمینان از پر شدن کامل و یکنواخت قالب.
خنک کاری
در مرحله خنک کاری در فرآیند دایکاست، پس از تزریق مواد مذاب به حفره‌های قالب، مواد شروع به خنک شدن می‌کنند و از حالت مایع به حالت جامد تبدیل می‌شوند. این فرآیند خنک کاری به وسیله سیستم خنک کننده انجام می‌شود که در قالب دایکاست نصب می‌شود. هدف از خنک کاری، کاهش دمای قالب و مواد درون آن است تا مواد مذاب بتوانند به‌طور یکنواخت و مطابق با شکل هندسی قالب منجمد شوند.
پس از پر شدن تمامی حفره‌ها و منجمد شدن مواد مذاب، قطعه با شکل نهایی خود شکل می‌گیرد. برای خروج قطعه از قالب، قبل از انجماد کامل قطعه، درب قالب باز می‌شود. زمان لازم برای انجام این عمل معمولاً توسط مهندسین مواد و طراحان قالب با توجه به حداکثر ضخامت دیواره، خواص ترمودینامیکی مواد و پیچیدگی قالب تعیین می‌شود. هرچه پیچیدگی هندسی و ضخامت دیواره بیشتر باشد، زمان لازم برای خنک شدن کامل قطعه نیز بیشتر خواهد بود.
این فرآیند حساسیت زیادی به شرایط دما و فشار دارد و برای اطمینان از کیفیت قطعه نهایی، توجه به جزئیات فرآیند خنک کاری و زمان مناسبی که برای باز کردن قالب در نظر گرفته می‌شود، بسیار حیاتی است.
باز نمودن قالب و خارج کردن قطعه
بعد از اتمام فرآیند خنک‌سازی قطعه در روش دایکاست، مرحله باز نمودن قالب و خروج قطعه از قالب به عمل می‌آید. در این مرحله، قسمت متحرک قالب با استفاده از مکانیزم خروج یا سیستم پران از قالب جدا می‌شود تا قطعه قابل دسترسی شود.
زمان باز نمودن قطعه: این زمان به وابستگی از ابعاد قطعه، قابلیت‌های فنی دستگاه و زمانی که برای خروج کامل قطعه نیاز است، مشخص می‌شود. عواملی مانند انقباض قطعه در اثر خنک شدن، چسبیدگی مواد به دیواره‌های قالب و میزان پیچیدگی هندسی قطعه نیز تأثیرگذار هستند.
فرآیند خروج: قطعه با استفاده از پین‌های مخصوصی که برای مدیریت انقباض قطعه در فرآیند انجماد و جلوگیری از چسبیدگی به دیواره‌های قالب طراحی شده‌اند، از قالب خارج می‌شود. این پین‌ها وظیفه ایجاد نیروهای لازم برای جدا کردن قطعه از قالب را دارند.
بستن قالب مجدد: پس از خروج قطعه، قالب مجدداً بسته شده و آماده برای تکرار فرآیند تزریق و ساخت قطعات دیگر می‌شود.
برش کردن قطعه: در مرحله نهایی، قطعه که شامل زائده‌هایی از مواد مذاب در مجراهای قالب است، از زائده‌های سطحی تمیز می‌شود. این عمل با استفاده از روش‌های مکانیکی یا دستی صورت می‌گیرد تا سطح قطعه صاف و مناسب برای نهایی کردن باشد. زمان لازم برای این مرحله بستگی به ابعاد قطعه و میزان زائده‌های موجود دارد. مواد جدا شده معمولا به بخش بازیافتی یا مدیریت ضایعات منتقل می‌شوند.
این مراحل نشان دهنده فرآیند چگونگی تولید قطعات با استفاده از روش دایکاست هستند که از قالب‌های چندین بخشی، تزریق مواد مذاب، خنک کاری دقیق و فرآیند باز نمودن قالب و خروج قطعه تشکیل شده‌اند.
آیا به دنبال ابزاری برای سوراخکاری دقیق در مواد فلزی هستید؟ دستگاه سوپر دریل با توانایی‌های منحصر به فردش می‌تواند گزینه‌ی ایده‌آلی باشد. همراه با استفاده از قالب‌های دایکاست با کیفیت بالا، می‌توانید فرآیند ساخت قطعات صنعتی را بهبود دهید. برای اطلاعات بیشتر، مقاله نقش برجسته دستگاه سوپر دریل در صنایع فلزی را ببینید.
انواع دستگاه دایکست
دستگاه‌های دایکاست به دو نوع محفظه گرم و محفظه سرد تقسیم می‌شوند، هر کدام با ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود. در ادامه به توضیح این دو نوع دستگاه می‌پردازم:
۱. دستگاه دایکست محفظه گرم
در دستگاه‌های دایکست محفظه گرم، مواد فلزی در داخل یک محفظه گرم مذاب می‌شوند و با استفاده از جک‌ها به قالب منتقل می‌شوند. ویژگی‌های این نوع دستگاه عبارتند از:
- مناسب برای فلزات با نقطه ذوب بالا: این دستگاه‌ها به دلیل محفظه گرم، برای فلزاتی مانند فلز روی و آلیاژهای آن مانند زاماک مناسب هستند که نیاز به دمای زیادی برای ذوب دارند.
- مشکلات کاهش دما: برای جلوگیری از کاهش دما و اثرات منفی آن بر روی فلزات مذاب، قالب‌های استفاده شده باید برای مقابله با این مشکلات مناسب و بهینه شده باشند.
- تمایز ظاهری: دستگاه‌های محفظه گرم از نظر ظاهری به شکل راهگاه آن‌ها قابل تمایزند.
۲. دستگاه دایکست محفظه سرد
در دستگاه‌های دایکست محفظه سرد، مواد فلزی در داخل بوته ذوب شده و با استفاده از ملاقه به سیلندر دستگاه منتقل شده و سپس با فشار جک به داخل قالب تزریق می‌شود. ویژگی‌های این نوع دستگاه عبارتند از:
- تزریق مواد مذاب: فرآیند تزریق مواد مذاب به داخل سیلندر و از طریق مسیر راهگاه به حفره‌ها وارد شده و قطعه را شکل می‌دهد.
- محفظه over flow: به دلیل وجود اکسید و سرباره همراه با مذاب، در انتهای حفره‌ها یک محفظه کوچک به نام over flow تعبیه می‌شود تا این اجزا جمع شده و جداگانه مدیریت شوند.
هر دو نوع دستگاه دایکست با توجه به نوع مواد استفاده شده و شرایط فرآیند ریخته‌گری، مزایا و محدودیت‌های خود را دارند و برای تولیدات خاصی از جمله قطعاتی با طراحی و مواد خاص استفاده می‌شوند.
مزایای استفاده از قالب دایکاست به شرح زیر است:
- تولید قطعات با کیفیت بالا: قالب دایکاست به دلیل سطح صاف و دقیق آن، قطعات با کیفیت بالا تولید می‌کند که نیاز به پس‌کاری کمتری دارند.
- تولید قطعات با تیراژ بالا: با توجه به دوام قالب‌های دایکاست، این روش امکان تولید تعداد زیادی از قطعات را با کیفیت یکسان فراهم می‌کند.
- عدم وجود بخش‌های زاید و پلیسه: در قالب‌های دایکاست، عدم وجود بخش‌های پلیسه یا پلیسه‌گیری به دلیل استفاده از یکپارچگی بالا و صاف بودن سطح قالب، به معنای کاهش مراحل پس‌کاری است.
- عدم نیاز به پلیسه‌گیری و سنگ‌زنی بعد از استفاده: قطعات تولید شده با قالب دایکاست نیاز کمتری به پلیسه‌گیری و سنگ‌زنی بعد از خروج از قالب دارند، که زمان و هزینه را کاهش می‌دهد.
- کاهش هزینه تولید در هر قطعه: به دلیل کاهش نیاز به پس‌کاری‌های زیاد و همچنین افزایش تولید و تعداد دوره‌های استفاده از قالب، هزینه تولید هر قطعه با قالب دایکاست کاهش می‌یابد.
- کاهش زمان تولید هر قطعه: فرآیند تولید با استفاده از قالب دایکاست به دلیل فشار تزریق بالا و سرعت بالای پر شدن قالب، زمان تولید هر قطعه را کاهش می‌دهد.
استفاده از قالب دایکاست به عنوان یک فرآیند ریخته‌گری پیچیده‌تر اما با مزایای فراوان، برای تولید قطعاتی با کیفیت و همچنین افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها بسیار مناسب است.