قالب های صنعتی نقش بسزایی در تولید قطعات به روش‌های مدرن دارند؛ به گونه‌ای که تولید بیشتر قطعات بدون استفاده از این قالب ها امکان پذیر نیست. در این مقاله با پرکاربردترین این قالب‌ها اشنا خواهیم شد.
طراحی قالب های صنعتی فرآیندی سیستماتیک است که نیازمند بررسی دقیق عوامل مختلف برای اطمینان از تولید قطعات با کیفیت و دقیق است. مراحل کلی طراحی قالب های صنعتی به شرح زیر است:
- نیازمندی تحلیل
– آشنایی با الزامات و مشخصات قطعه ای که قرار است تولید شود.
– متریال قطعه، حجم تولید مورد نظر، تلرانس ها، پرداخت سطح و سایر پارامترهای حیاتی را تعیین کنید.
- طراحی مفهومی
– یک مفهوم طراحی اولیه برای قالب بر اساس هندسه و الزامات قطعه ایجاد کنید.
– عواملی مانند مواد قالب، نوع فرآیند قالب گیری (به عنوان مثال، قالب گیری تزریقی، ریخته گری)، محل خط جداسازی، و زوایای پیش نویس را در نظر بگیرید.
- طراحی تفصیلی
– نقشه ها و مشخصات دقیق برای اجزای قالب ایجاد کنید.
– اجزای جداگانه مانند پایه قالب، حفره، هسته، سیستم اجکتور، سیستم خنک کننده، رانرها، دروازه ها و دریچه ها را طراحی کنید.
– از تهویه، دریچه و خنک کننده مناسب برای رسیدن به پر شدن و انجماد یکنواخت مواد اطمینان حاصل کنید.
- انتخاب مواد
– مواد مناسب را برای اجزای قالب بر اساس عواملی مانند مقاومت در برابر سایش، هدایت حرارتی و هزینه انتخاب کنید.
– درمان های سطحی یا پوشش ها را برای افزایش عملکرد و طول عمر قالب در نظر بگیرید.
- تحلیل جریان قالب
– انجام تجزیه و تحلیل جریان قالب با استفاده از نرم افزار شبیه سازی برای پیش بینی و بهینه سازی پر شدن، بسته بندی، خنک سازی و تاب برداشتن قطعه قالب گیری.
– مشکلات احتمالی را شناسایی کنید و طراحی را برای دستیابی به عملکرد مطلوب قالب و کیفیت قطعه اصلاح کنید.
- نقشه های ساخت و مونتاژ
– تهیه نقشه های دقیق ساخت و مونتاژ برای اجزای قالب.
– برای اطمینان از ساخت دقیق و کارآمد، تلورانس‌های ماشینکاری، پرداخت‌های سطح و روش‌های مونتاژ را مشخص کنید.
- نمونه سازی و آزمایش
– ساخت نمونه اولیه قالب و تولید قطعات نمونه برای آزمایش و اعتبار سنجی.
– کیفیت، ابعاد و عملکرد قطعه را برای تأیید طراحی و عملکرد قالب ارزیابی کنید.
– بر اساس نتایج آزمایش، تنظیمات یا اصلاحات لازم را انجام دهید.
- نهایی و مستندسازی
– طراحی قالب را پس از نمونه سازی و آزمایش موفقیت آمیز نهایی کنید.
– مستندات جامع شامل نقشه ها، مشخصات، صورتحساب مواد و دستورالعمل های نگهداری را برای فرآیندهای ساخت و تولید قالب تهیه کنید.
- تضمین ساخت و کیفیت
– اجزای قالب را با استفاده از فرآیندهای ماشینکاری مناسب، عملیات حرارتی و مونتاژ بسازید.
– اقدامات تضمین کیفیت مانند بازرسی، اندازه گیری و آزمایش را برای تأیید صحت ابعادی، عملکرد و دوام قالب اجرا کنید.
- راه اندازی و تولید
– قالب را در محیط تولید نصب و راه اندازی کنید.
– نظارت بر عملکرد قالب، انجام تعمیر و نگهداری منظم، و انجام هرگونه تنظیمات یا تعمیرات لازم برای اطمینان از تولید سازگار و کارآمد.
با دنبال کردن این مراحل به طور سیستماتیک و ترکیب بهترین روش ها در طراحی و ساخت قالب، طراحان می توانند قالب های صنعتی را ایجاد کنند که مشخصات مورد نظر را برآورده کند، فرآیندهای تولید را بهینه کند و از تولید قطعات با کیفیت بالا اطمینان حاصل کند.
انواع قالب‌های صنعتی
قالب های صنعتی بر اساس قطعات تولیدی مورد نظر و همچنین روش تولید، الزامات و انواع مختلفی دارند که در ادامه انواع قالب های صنعتی پرکاربرد و مهم در صنعت مورد بررسی قرار گرفته است.
قالب صنعتی دایکست
قالب دایکست یا دایکاست از پرکاربردترین قالب‌های صنعتی محسوب می‌گردند. دایکست از دو کلمه die به معنی قالب و casting به معنی ریخته‌گری تشکیل شده است. از آنجا که فولادهای صنعتی موجود تحمل دمای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتیگراد را نداشته و در این دما سختی خود را از دست داده و تحت سایش و فشار دچار تغییر شکل می‌شوند، این نوع ریخته‌گری برای فلزات با نقطه ذوب بالا مناسب نبوده و فقط برای تزریق فلزات زود ذوب به کار می‌رود.
باید توجه داشت که دمای سطح قالب با دمای فلز یا آلیاژ مذابی که دایکست می‌شود، برابر نیست. بیشتر قالب‌های دایکست سیستم آبگرد برای خنک کاری دارند و قالب تنها به مدت کوتاهی در تماس با مذاب داغ قرار می‌گیرد. این عوامل سبب می‌شوند تا دمای سطح قالب بیش از حد افزایش پیدا نکرده و به سرعت سرد شود.
این نوع از قالب های صنعتی به شکل گسترده‌تر برای ریخته‌گری تحت فشار فلزاتی مثل آلومینیوم و روی و به شکل محدودتر برای تولید قطعات برنجی استفاده می‌شود. از آنجایی که فلز یا آلیاژ تحت فشار به داخل قالب تزریق می‌شود، اصلاح ساختاری و حذف مشکلاتی مانند مک و سوسه در آن امکانپذیر است. همچنین دستیابی به کیفیت یکنواخت و ریخته‌گری قطعات پیچیده که به روش ثقلی قابل ساخت نیستند، در این روش امکانپذیر است.
محدودیت ها و الزامات قالب های صنعتی دایکست
عواملی مانند فولاد مرغوب، عملیات حرارتی، فینیشنگ و پولیش، قطعات قابل تعویض و… باعث افزایش هزینه ساخت قالب دایکست می‌شود. در نتیجه، این قالب‌ها گران قیمت بوده و نقش قالب ساز در انتخاب متریال صحیح را پر رنگتر میکند.
متاسفانه محدود شدن صنعت قالب سازی به طراحی سه بعدی و ماشینکاری CNC امروزه به وفور مشاهده می‌شود که میتواند خسارت‌های زیادی را در این قالب‌ها به همراه داشته باشد. به عنوان مثال، استهلاک شدید ناشی از فشار بالا، سایش ناشی از حرکت سریع مذاب در قالب، شوک‌های حرارتی و سرد و گرم شدن‌های مکرر، مباحث انتقال حرارت، انتخاب فولاد و سخت کاری و آماده سازی محفظه و… طراح را با چالش مواجه میکند. به موارد فوق لزوم کروم کاری یا نیتراسیون سطح قالب در کنار کیفیت پولیش مناسب جهت حرکت بهتر مذاب که از الزامات قالب‌های دایکست پر تیراژ است نیز افزوده می‌شود.
همچنین از آنجایی که قطعات و اجزای کوچک محفظه (اینسرت‌ها) به دلیل تمرکز تنش مکانیکی و حرارتی در شرایط حادتری قرار دارند، لازم است در طراحی قابلیت تعویض داشته باشند. همچنین، ضروری است که تغییرات ابعادی ناشی از اختلاف دما در دو کف قالب در طراحی آن پیش بینی شده و راهکارهای مناسب جهت پیشگیری از گیرپاژ پین و بوش‌های راهنما ارائه شود.
قالب صنعتی اکستروژن
قالب اکستروژن یکی دیگر از انواع قالب های صنعتی است. اکستروژن در لغت به معنای با فشار بیرون دادن است. در این فرایند مواد پلیمری یا هر ماده دیگری با فشار از داخل قالبی با شکل مشخص عبور کرده و سطح مقطع آن کاهش می‌یابد. این روش در مقایسه با برخی روش‌های دیگر، روشی نسبتاً جدید و کاربردی به شمار می‌آید. اگر بخواهیم فرایند اکستروژن را به زبان ساده توصیف کنیم، می‌توان آن را به خارج شدن خمیر دندان از تیوب و یا خروج خامه از قیف تشبیه نمود.
برخی از کاربردهای اکستروژن عبارتند از:
- تولید لوله و پروفیل
- تولید گرانول
- تولید ورقه های بسیار نازک
- تولید انواع محصولات پلاستیکی
فلزاتی مانند آلومینیوم، مس، منیزیم و همچنین فولادهای کربنی و استنلس استیل به دلیل قابلیت انعطاف و شکل‌پذیری بالایی که دارند، به راحتی می‌توانند با مقاطعی به شکل‌های مختلف با قالب صنعتی اکستروژن، اکسترود شوند. اما برخی فلزات دیگر مانند تیتانیوم را به دلیل سایش شدید به سختی می‌توان اکسترود مستقیم نمود.
قالب صنعتی فورج
قالب های فورج ابزار دقیقی هستند که در فرآیند آهنگری برای شکل دادن به فلزات با اعمال نیروهای فشاری استفاده می شوند. آنها از دو نیمه تشکیل شده اند: قالب های بالا و پایین که فلز را به شکل دلخواه در می آورند.
قالب‌های فورج ابزارهای تخصصی مورد استفاده در فرآیند آهنگری هستند، یک روش ساخت که در آن فلز با اعمال نیروهای فشاری موضعی با استفاده از چکش، پرس یا سایر ماشین‌های آهنگری شکل می‌گیرد. قالب های آهنگری ابزارهای ماشینکاری دقیقی هستند که شکل، ابعاد و سطح مورد نظر را در طول عملیات آهنگری به فلز خام می بخشند. آنها از دو نیمه تشکیل شده اند: قالب بالا (یا قالب چکشی) و قالب پایین (یا قالب سندان) که به هم می رسند تا قطعه کار را به شکل دلخواه تغییر شکل دهند.
عمده قالب‌های فورج گرم به شکل باز طراحی و ساخته می‌شوند؛ زیرا استفاده از این نوع قالب در ساخت قطعات پیچیده و دقیق، باعث جلوگیری از اعمال فشار زیاد به قالب شده و در نتیجه عمر قالب افزایش می‌یابد. البته هزینه ساخت این نوع قالب‌ها نیز بسیار پایین‌تر از قالب‌های بسته است.
انواع قالب های فورج
- قالب های فورج باز قالب
– در فورج قالب باز، قطعه کار بین قالب های مسطح قرار می گیرد و با ضربات مکرر چکش یا ضربه های پرس تغییر شکل می دهد. قالب ها قطعه کار را به طور کامل محصور نمی کنند و این امکان را برای فرآیند آهنگری انعطاف پذیرتر و همه کاره تر مناسب برای تولید اجزای بزرگ و سفارشی شکل می دهد.
- قالب های فورج بسته با قالب
– آهنگری قالب بسته که به نام فورج قالب قالبی نیز شناخته می شود، شامل استفاده از قالب های طراحی شده ویژه ای است که قطعه کار را محصور می کند و فلز را مجبور می کند تا به داخل حفره های قالب جریان یابد تا اشکال دقیق و پیچیده با دقت ابعادی و پرداخت سطح بالا ایجاد شود.
انتخاب متریال قالب صنعتی فورج
یکی از مهم‌ترین فاکتورها در ساخت قالب‌های صنعتی، انتخاب درست متریال یا جنس بکار رفته در قالب است؛ زیرا انتخاب نادرست فولاد باعث به وجود آمدن خسارت‌های سنگین خواهد شد. انواع فولادهای گرمکار مورد استفاده در ساخت قالب فورج، طبق استانداردهای مختلف جهانی و بازار ایران در جدول زیر عنوان شده است.
| AISI | H11 | H13 | H10 | – | H21 | H12 | L6 |
| JIS | SKD60 | SKD61 | – | – | SKD5 | SKD62 | SKT4 |
| DIN | 1.2343 | 1.2344 | 1.2365 | 1.2367 | 1.2581 | 1.2606 | 1.2713 |
| SS | 2241 | 2242 | – | – | 2730 | – | – |
| BS | BH11 | BH13 | BH10 | – | BH21 | BH12 | – |
این فولادها خواص ویژه‌ای دارند که تعدادی از آنها عبارتند از:
- چکش خواری مناسب که همان مقاومت در برابر تغییر شکل یا طول در حین ضرب پرس است
- مقاومت به سایش و ضربه در دماهای زیاد
- خاصیت جوشکاری مناسب
- توان تحمل دمای بالا بدون از دست دادن خواص مثل سختی
بعد از عملیات حرارتی، تمام کاری قالب (به دلیل سختی زیاد قالب که در حدود ۴۴ تا ۵۰ راکول است) با دستگاه اسپارک یا ماشین‌های فرز و تراش با ابزارهای مقاومتر مانند ابزار تنگستن انجام شده و آماده استفاده می‌شود.
کاربرد قالب صنعتی فورج
- قالب های صنعتی فورج به طور گسترده در صنایع مختلف برای تولید طیف گسترده ای از قطعات آهنگری استفاده می شود، از جمله:
- خودرو: آهنگری میل لنگ، میله های اتصال، چرخ دنده ها و سایر اجزای مهم موتور و پیشرانه.
- هوادفضا: تولید اجزای ساختاری، قطعات ارابه فرود، اجزای موتور و سایر قطعات هوافضا با کارایی بالا که نیاز به خواص مکانیکی و قابلیت اطمینان بالایی دارند.
- نفت و گاز: آهنگری یقه های مته، اجزای سر چاه، دریچه ها و سایر اجزای تحت فشار بالا، خورنده و شرایط عملیاتی چالش برانگیز.
- ماشین آلات صنعتی: ساخت شفت، چرخ دنده، یاتاقان و سایر اجزای ماشین که نیاز به استحکام، دوام و دقت بالایی دارند.
- ساخت و ساز و زیرساخت: تولید اجزای ساختاری، اتصال دهنده ها و سایر قطعات مرتبط با ساخت و ساز که به استحکام، چقرمگی و قابلیت اطمینان بیشتر نیاز دارند.
به طور خلاصه، قالب‌های فورج ابزاری حیاتی در صنعت آهنگری هستند که امکان تولید کارآمد قطعات آهنگری با کیفیت بالا و مهندسی سفارشی را فراهم می‌کنند که در کاربردهای مختلف در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.
قالب گیری تزریقی
- قالب های قالب گیری تزریقی در فرآیند قالب گیری تزریق پلاستیک برای تولید قطعات پلاستیکی با تزریق مواد پلاستیکی مذاب به داخل حفره قالب تحت فشار بالا استفاده می شود. قالب از دو نیمه (هسته و حفره) تشکیل شده است که به هم فشرده می شوند تا شکل قطعه مورد نظر را ایجاد کنند.
- همه جا در صنایع مختلف از جمله کالاهای مصرفی (برای تولید بطری، ظروف و قطعات)، دستگاه های پزشکی (برای ساخت سرنگ، ایمپلنت) و الکترونیک (برای تولید محفظه ها و قطعات) استفاده می شوند.
