صب القوالب

صب القوالب هو عملية صب معادن تتميز بدفع المعدن المنصهر تحت ضغط عالٍ في تجويف القالب . يُصنع تجويف القالب باستخدام قالبين من فولاذ الأدوات المقوى ، تم تشكيلهما مسبقًا، ويعملان بشكل مشابه لقالب الحقن أثناء العملية . تُصنع معظم مصبوبات القوالب من معادن غير حديدية ، وتحديدًا الزنك والنحاس والألومنيوم والمغنيسيوم والرصاص والقصدير وسبائك القصدير . وبحسب نوع المعدن المراد صبه ، تُستخدم آلة ذات حجرة ساخنة أو باردة.

تمثل معدات الصب وقوالب المعادن تكاليف رأسمالية كبيرة، مما يحدّ من استخدام هذه العملية في الإنتاج بكميات كبيرة. يُعدّ تصنيع الأجزاء باستخدام صب القوالب بسيطًا نسبيًا، إذ يتضمن أربع خطوات رئيسية فقط، مما يُبقي التكلفة الإضافية لكل قطعة منخفضة. وهو مناسب بشكل خاص لإنتاج كميات كبيرة من المسبوكات الصغيرة والمتوسطة الحجم، ولذلك يُنتج صب القوالب مسبوكات أكثر من أي عملية صب أخرى. ^{[ 1 ]} تتميز المسبوكات بسطح نهائي ممتاز (وفقًا لمعايير الصب) وتناسق أبعادها.

اختُرعت معدات صب القوالب عام 1838 بهدف إنتاج حروف الطباعة المتحركة لصناعة الطباعة . مُنح أول براءة اختراع متعلقة بصب القوالب عام 1849 لآلة يدوية صغيرة لإنتاج حروف الطباعة آليًا. في عام 1885، اخترع أوتمار ميرجنثالر آلة لينوتايب ، التي كانت تصب سطرًا كاملًا من الحروف كوحدة واحدة باستخدام عملية صب القوالب . وقد حلت هذه الآلة محل عملية ترتيب الحروف يدويًا في صناعة النشر بشكل شبه كامل. وكانت آلة سوس لصب القوالب، التي صُنعت في بروكلين، نيويورك، أول آلة تُباع في السوق المفتوحة في أمريكا الشمالية. ^{[ 2 ]} ونمت تطبيقات أخرى بسرعة، حيث سهّل صب القوالب نمو صناعة السلع الاستهلاكية والأجهزة المنزلية، من خلال خفض تكلفة إنتاج الأجزاء المعقدة بكميات كبيرة بشكل كبير. ^{[ 3 ]} في عام 1966، ^{[ 4 ]} أطلقت شركة جنرال موتورز عملية أكوراد . ^{[ 5 ]}

تشمل سبائك الصب الرئيسية: الزنك ، والألومنيوم، والمغنيسيوم، والنحاس، والرصاص، والقصدير؛ مع العلم أنه من غير الشائع استخدام سبائك الحديد في الصب. ^{[ 6 ]} ومن سبائك الصب المحددة: الزنك والألومنيوم ؛ والألومنيوم، على سبيل المثال، وفقًا لمعايير جمعية الألومنيوم (AA): AA 380، وAA 384، وAA 386، وAA 390؛ والمغنيسيوم AZ91D. ^{[ 7 ]} فيما يلي ملخص لمزايا كل سبيكة: ^{[ 8 ]}

• الزنك : أسهل المعادن في الصب؛ يتميز بقابلية عالية للطرق؛ وقوة تحمل عالية للصدمات؛ سهل الطلاء؛ اقتصادي للأجزاء الصغيرة؛ يعزز عمر القالب الطويل.
• الألومنيوم : خفيف الوزن؛ يتميز بثبات أبعاد عالٍ للأشكال المعقدة للغاية والجدران الرقيقة؛ مقاومة جيدة للتآكل؛ خصائص ميكانيكية جيدة؛ موصلية حرارية وكهربائية عالية؛ يحتفظ بالقوة في درجات حرارة عالية إلى حد ما.
• المغنيسيوم : أسهل المعادن في التشكيل؛ نسبة قوة إلى وزن ممتازة؛ أخف سبيكة يتم صبها عادةً بالقوالب.
• النحاس : صلابة عالية؛ مقاومة عالية للتآكل؛ أعلى الخصائص الميكانيكية لسبائك الصب بالقالب؛ مقاومة ممتازة للتآكل؛ استقرار أبعاد ممتاز؛ قوة تقارب قوة الأجزاء الفولاذية.
• التومباك السيليكوني : سبيكة عالية القوة مصنوعة من النحاس والزنك والسيليكون. غالباً ما تستخدم كبديل لأجزاء الصلب المصبوب بالاستثمار.
• الرصاص والقصدير : يتميزان بكثافة عالية ودقة أبعاد فائقة، ويُستخدمان في أنواع خاصة من مقاومة التآكل. لا تُستخدم هذه السبائك في تطبيقات خدمات الطعام لأسباب تتعلق بالصحة العامة . يُستخدم معدن الطباعة، وهو سبيكة من الرصاص والقصدير والأنتيمون (مع آثار من النحاس أحيانًا)، في صب حروف الطباعة اليدوية في الطباعة البارزة والطباعة بالرقائق الساخنة. كان يُصب تقليديًا في قوالب يدوية، أما الآن فيُصب بشكل أساسي بالقوالب بعد تصنيع مصانع الطباعة. حوالي عام 1900، ظهرت آلات صب القوالب في السوق، مما أضاف المزيد من الأتمتة، حتى أن عشرات آلات الصب كانت تُستخدم أحيانًا في مكتب صحيفة واحد.

اعتبارًا من عام 2008تُقدّر حدود الوزن القصوى لسبائك الألومنيوم والنحاس الأصفر والمغنيسيوم والزنك بـ 32 كجم ، و 4.5 كجم ، و 20 كجم ، و 34 كجم على التوالي. ^{[ 9 ]} وبحلول أواخر عام 2019، استُخدمت مكابس قادرة على صبّ قطع مفردة يزيد وزنها عن 100 كجم لإنتاج مكونات هياكل السيارات المصنوعة من الألومنيوم . ^{[ 10 ]}        

تحدد المادة المستخدمة الحد الأدنى لسمك المقطع والحد الأدنى للميل المطلوب للصب كما هو موضح في الجدول أدناه. يجب ألا يتجاوز سمك المقطع الأسمك 13 مم (0.5 بوصة) ، ولكن يمكن أن يكون أكبر. ^{[ 11 ]}  

هناك عدد من السمات الهندسية التي يجب مراعاتها عند إنشاء نموذج بارامتري لعملية صب القوالب:

• الميل هو مقدار الانحدار أو التناقص المطبق على النوى أو أجزاء أخرى من تجويف القالب لتسهيل إخراج المسبوكة منه. تتطلب جميع أسطح المسبوكات الموازية لاتجاه فتح القالب وجود ميل لضمان إخراج المسبوكة منه بشكل صحيح. ^{[ 12 ]} تتميز المسبوكات ذات الميل المناسب بسهولة إخراجها من القالب، مما ينتج عنه أسطح عالية الجودة ومنتج نهائي أكثر دقة.
• الحافة المنحنية هي نقطة التقاء سطحين كانا سيلتقيان عند زاوية حادة. ببساطة، يمكن إضافة الحواف المنحنية إلى قوالب الصب لإزالة الحواف والزوايا غير المرغوب فيها.
• يمثل خط الفصل النقطة التي يلتقي عندها جانبان مختلفان من القالب. ويحدد موقع خط الفصل أي جانب من القالب هو الغطاء وأي جانب هو القاذف. ^{[ 13 ]}
• تُضاف نتوءات إلى قوالب الصب لتكون بمثابة دعامات ونقاط تثبيت للأجزاء التي ستحتاج إلى تركيبها. ولضمان أقصى قدر من المتانة والقوة لقوالب الصب، يجب أن تتمتع هذه النتوءات بسماكة جدار موحدة.
• تُضاف الأضلاع إلى عملية الصب بالقالب لتوفير دعم إضافي للتصاميم التي تتطلب أقصى قدر من القوة دون زيادة سمك الجدار.
• تتطلب الثقوب والنوافذ عناية خاصة عند صب القوالب، لأن محيط هذه العناصر سيلتصق بفولاذ القالب أثناء التصلب. ولمعالجة هذا التأثير، ينبغي إضافة ميل كبير إلى الثقوب والنوافذ.

يوجد نوعان أساسيان من آلات صب القوالب: آلات الحجرة الساخنة وآلات الحجرة الباردة . ^{[ 14 ]} ويتم تصنيفها حسب قوة التثبيت التي يمكنها تطبيقها. تتراوح التصنيفات النموذجية بين 400 و4000 ستون (2500 و25400 كجم) . ^{[ 8 ]}  

صب القوالب في غرفة ساخنة

تعتمد عملية صب القوالب بالغرفة الساخنة، والمعروفة أيضًا باسم آلات العنق المعقوف ، على حوض من المعدن المنصهر لتغذية القالب. في بداية الدورة، يُسحب مكبس الآلة للخلف، مما يسمح للمعدن المنصهر بملء "العنق المعقوف". ثم يقوم المكبس، الذي يعمل بالهواء المضغوط أو الهيدروليكي ، بدفع هذا المعدن من العنق المعقوف إلى القالب. تشمل مزايا هذا النظام سرعة دورات الإنتاج (حوالي 15 دورة في الدقيقة) وسهولة صهر المعدن داخل آلة الصب. أما عيوب هذا النظام فتتمثل في اقتصار استخدامه على المعادن ذات درجة الانصهار المنخفضة ، وعدم إمكانية استخدام الألومنيوم لأنه يمتص بعض الحديد أثناء وجوده في حوض المعدن المنصهر. لذلك، تُستخدم آلات الغرفة الساخنة بشكل أساسي مع سبائك الزنك والقصدير والرصاص. ^{[ 14 ]}

صب القوالب في غرفة التبريد

تُستخدم هذه الآلات عندما يتعذر استخدام سبيكة الصب في آلات الحجرة الساخنة؛ وتشمل سبائك الألومنيوم والزنك ذات التركيب العالي من الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس. تبدأ عملية هذه الآلات بصهر المعدن في فرن منفصل. ^{[ 15 ]} ثم تُنقل كمية محددة من المعدن المنصهر إلى آلة الحجرة الباردة حيث يُضخ إلى حجرة حقن غير مُسخّنة (أو أسطوانة حقن). بعد ذلك، يُدفع هذا المعدن المنصهر إلى القالب بواسطة مكبس هيدروليكي أو ميكانيكي. أكبر عيوب هذا النظام هو بطء دورة الإنتاج نتيجة الحاجة إلى نقل المعدن المنصهر من الفرن إلى آلة الحجرة الباردة. ^{[ 16 ]}

• 
  أدوات مفتوحة وفوهة حقن
• 
  خلية عاملة كاملة

يُستخدم قالبان في عملية صب القوالب؛ أحدهما يُسمى "نصف قالب الغطاء" والآخر "نصف قالب الطرد". وتُسمى نقطة التقائهما خط الفصل . يحتوي قالب الغطاء على قناة الصب (في آلات الحجرة الساخنة) أو فتحة الحقن (في آلات الحجرة الباردة)، مما يسمح بتدفق المعدن المنصهر إلى القوالب؛ وتتطابق هذه الفتحة مع فوهة الحقن في آلات الحجرة الساخنة أو حجرة الحقن في آلات الحجرة الباردة. يحتوي قالب الطرد على دبابيس الطرد، وعادةً ما يحتوي على قناة التغذية ، وهي المسار من قناة الصب أو فتحة الحقن إلى تجويف القالب. يُثبّت قالب الغطاء على اللوح الثابت، أو الأمامي، لآلة الصب، بينما يُثبّت قالب الطرد على اللوح المتحرك. يُقطع تجويف القالب إلى جزأين منفصلين، يمكن استبدالهما بسهولة نسبية، ويُثبّتان بمسامير في نصفي القالب. ^{[ 17 ]}

صُممت القوالب بحيث ينزلق المسبوك النهائي من نصف غطاء القالب ويبقى في نصف القاذف عند فتح القوالب. يضمن هذا التصميم إخراج المسبوك في كل دورة، لأن نصف القاذف يحتوي على دبابيس قاذفة تدفع المسبوك خارج هذا النصف من القالب. تُحرك دبابيس القاذف بواسطة صفيحة دبابيس قاذفة ، والتي تُحرك جميع الدبابيس بدقة في الوقت نفسه وبنفس القوة، حتى لا يتضرر المسبوك. كما تقوم صفيحة دبابيس القاذفة بسحب الدبابيس بعد إخراج المسبوك استعدادًا للطلقة التالية. يجب أن يكون عدد دبابيس القاذفة كافيًا للحفاظ على القوة الإجمالية المؤثرة على كل دبوس منخفضة، لأن المسبوك لا يزال ساخنًا وقد يتضرر بفعل القوة الزائدة. تترك الدبابيس أثرًا، لذا يجب وضعها في أماكن لا تعيق فيها هذه الآثار وظيفة المسبوك. ^{[ 17 ]}

تشمل مكونات القالب الأخرى النوى والمنزلقات . تُستخدم النوى عادةً لإنتاج الثقوب أو الفتحات، ولكن يمكن استخدامها أيضًا لإنشاء تفاصيل أخرى. هناك ثلاثة أنواع من النوى: ثابتة، ومتحركة، ومُحرَّكة. النوى الثابتة هي تلك الموجهة بالتوازي مع اتجاه سحب القوالب (أي اتجاه فتح القوالب)، وبالتالي فهي ثابتة أو مُثبَّتة بشكل دائم بالقالب. أما النوى المتحركة فهي تلك الموجهة بأي اتجاه آخر غير التوازي مع اتجاه السحب. يجب إزالة هذه النوى من تجويف القالب بعد تصلب المادة المصبوبة، ولكن قبل فتح القوالب، باستخدام آلية منفصلة. تُشبه المنزلقات النوى المتحركة، إلا أنها تُستخدم لتشكيل أسطح مُقعَّرة . يزيد استخدام النوى المتحركة والمنزلقات بشكل كبير من تكلفة القوالب. ^{[ 17 ]} تُستخدم النوى المُحرَّكة، والتي تُسمى أيضًا بالفتحات ، لصبّ ميزات مُعقدة، مثل الثقوب الملولبة . يتم إدخال هذه النوى المُحرَّكة في القالب يدويًا قبل كل دورة، ثم تُخرَج مع القطعة في نهاية الدورة. يجب إزالة القلب يدويًا بعد ذلك. تُعدّ القلوب السائبة أغلى أنواع القلوب نظرًا للجهد الإضافي المطلوب وزيادة وقت دورة الإنتاج. ^{[ 11 ]} تشمل الميزات الأخرى في القوالب ممرات تبريد مائي وفتحات تهوية على طول خطوط الفصل . عادةً ما تكون هذه الفتحات واسعة ورفيعة (حوالي 0.13 مم أو 0.005 بوصة ) بحيث يتصلب المعدن المنصهر بسرعة عند ملئها، مما يقلل من الهدر. لا تُستخدم أنابيب تغذية لأن الضغط العالي يضمن تغذية مستمرة للمعدن من البوابة. ^{[ 18 ]}  

أهم خصائص المواد المستخدمة في صناعة القوالب هي مقاومة الصدمات الحرارية والتليين عند درجات الحرارة المرتفعة؛ وتشمل الخصائص المهمة الأخرى قابلية التصليد ، وقابلية التشغيل الآلي ، ومقاومة التشققات الحرارية، وقابلية اللحام، والتوافر (خاصةً للقوالب الكبيرة)، والتكلفة. يعتمد عمر القالب بشكل مباشر على درجة حرارة المعدن المنصهر وزمن دورة الإنتاج. ^{[ 17 ]} عادةً ما تُصنع القوالب المستخدمة في صب القوالب من فولاذ الأدوات المُقسّى ، لأن الحديد الزهر لا يتحمل الضغوط العالية، ولذلك تكون القوالب باهظة الثمن، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف بدء التشغيل. ^{[ 18 ]} تتطلب المعادن التي تُصب في درجات حرارة أعلى قوالب مصنوعة من سبائك فولاذية ذات خصائص حرارية أعلى . ^{[ 19 ]}

يُعدّ التآكل أو التحات السبب الرئيسي لفشل قوالب الصب . ومن أسباب الفشل الأخرى التشققات الحرارية والإجهاد الحراري . يحدث التشقق الحراري عندما تظهر تشققات سطحية على القالب نتيجة لتغير كبير في درجة الحرارة في كل دورة. أما الإجهاد الحراري فيحدث عندما تظهر تشققات سطحية على القالب نتيجة لعدد كبير من الدورات. ^{[ 20 ]}

فيما يلي الخطوات الأربع في عملية صب القوالب التقليدية ، والمعروفة أيضًا باسمتُعدّ عملية صب القوالب بالضغط العالي [ ^{5 ]} أساسًا لجميع أنواع صب القوالب الأخرى: تحضير القالب، وملؤه، وإخراج المسبوكة، وفصلها. تُحضّر القوالب برشّ تجويف القالب بمادة ^تشحيم .تُساعد مادة التشحيم في التحكم بدرجة حرارة القالب، كما تُسهّل إخراج المسبوكة. تُغلق القوالب بعد ذلك، ويُحقن المعدن المنصهر فيها تحت ضغط عالٍ يتراوح بين10 و175ميجاباسكال(1500 و25400رطل لكل بوصة مربعة). بمجرد امتلاء تجويف القالب، يُحافظ على الضغط حتى تتصلب المسبوكة. ثم تُفتح القوالب، ويُقذف المسبوكة (يختلف المسبوكة عن المسبوكة لأن القالب قد يحتوي على تجاويف متعددة، مما يُنتج عدة مسبوكات لكل عملية قذف) بواسطة دبابيس القذف. أخيرًا، يتضمن فصل المسبوكة إزالة الخردة، التي تشمل البوابة،والمجاري،وقنواتالصبوالزوائدالمعدنية. يُجرى ذلك غالبًا باستخدام قالب تشذيب خاص في مكبس كهربائي أو مكبس هيدروليكي. تشمل طرق الفصل الأخرى النشر والطحن. أما الطريقة الأقل استهلاكًا لليد العاملة فهي تدوير الصفائح المعدنية إذا كانت البوابات رقيقة وسهلة الكسر؛ ويجب فصل البوابات عن الأجزاء النهائية بعد ذلك. يُعاد تدوير هذه الخردة بإعادة صهرها. ^{[ 14 ]} تبلغ نسبة العائد حوالي 67%. ^{[ 22 ]} 

يؤدي الحقن عالي الضغط إلى ملء القالب بسرعة، وهو أمر ضروري لضمان امتلاء التجويف بالكامل قبل تصلب أي جزء من المسبوكة. وبهذه الطريقة، يتم تجنب عدم التجانس ، حتى لو تطلب الشكل أقسامًا رقيقة يصعب ملؤها. يُسبب هذا مشكلة انحباس الهواء، لأنه عند ملء القالب بسرعة، لا يتوفر وقت كافٍ لخروج الهواء. يتم تقليل هذه المشكلة عن طريق إضافة فتحات تهوية على طول خطوط الفصل، ومع ذلك، حتى في عملية دقيقة للغاية، ستظل هناك بعض المسامية في مركز المسبوكة. ^{[ 23 ]}

يقوم معظم مصنعي القوالب بعمليات ثانوية أخرى لإنتاج ميزات لا يمكن صبها بسهولة، مثل حفر ثقب، أو التلميع، أو الطلاء، أو الصقل، أو الدهان.

• قولبة الحقن ذات النواة القابلة للانصهار
• لعبة مصبوبة

• رابطة أمريكا الشمالية لصب القوالب
• التفاوتات المسموح بها في عملية الصب بالقوالب (وفقًا للمعيار الألماني DIN 1688 GTA 13)
• ورقة بيانات تصميم صب القوالب العامة