ریخته گری شن و ماسه چگونه کار می کند؟ فرآیند و قطعات توضیح داده شده است

ریخته گری شن و ماسه با بسته بندی مخلوط شن و ماسه در اطراف الگوی قسمت مورد نظر، برداشتن الگو برای ترک یک حفره، ریختن فلز مذاب در آن حفره و شکستن قالب ماسه پس از جامد شدن فلز انجام می شود. این قدیمی‌ترین و پرمصرف‌ترین فرآیند ریخته‌گری فلز در جهان است که تقریباً 70 درصد از کل ریخته‌گری‌های فلزی تولید شده در سطح جهان را از نظر وزنی تشکیل می‌دهد. ریخته گری شن و ماسه می تواند قطعاتی از چند گرم تا بیش از 100 تن را تقریباً در هر فلزی با حداقل هزینه ابزار در مقایسه با سایر روش های ریخته گری تولید کند. نقطه مقابل تحمل ابعادی و پرداخت سطحی است - قطعات ریخته گری شن و ماسه معمولاً به تلورانس 0.03 ± تا 0.06 ± اینچ در هر اینچ و مقادیر زبری سطح 250 تا 500 Ra (µin) دست می یابند که درشت تر از ریخته گری دایکست یا ریخته گری سرمایه گذاری است اما برای طیف وسیعی از کاربردهای ساختاری و مکانیکی کاملاً کافی است.

فرآیند ریخته گری شن و ماسه: گام به گام

ریخته گری شن و ماسه از دنباله ای از مراحل تکرارپذیر پیروی می کند که ماسه خام و فلز مذاب را به یک قطعه تمام شده تبدیل می کند. هر مرحله الزامات فنی خاصی دارد که کیفیت ریخته گری نهایی را تعیین می کند.

1. الگوسازی: یک الگو - یک کپی دقیق از قطعه مورد نظر، که معمولاً با مقدار انقباض 1 تا 2.5٪ بسته به فلز بزرگ می شود - از چوب، پلاستیک، آلومینیوم یا فوم یورتان ساخته می شود. این الگو شامل زوایای کششی (معمولاً 1 تا 3 درجه در هر طرف) است تا بدون ایجاد مزاحمت در دیواره‌های حفره قالب، از ماسه جدا شود.
2. آماده سازی قالب: این الگو در یک جعبه دو قسمتی به نام فلاسک قرار می گیرد (کوپ در بالا، درگ در پایین). شن و ماسه به طور محکم در اطراف الگو در هر نیمه بسته بندی می شود. For green sand casting — the most common method — the sand mixture is 85–95% silica sand, 4–10% bentonite clay as a binder, and 2–5% water. خاک رس و آب باعث ایجاد انعطاف پذیری می شود که در هنگام بیرون کشیدن الگو، شکل قالب را حفظ می کند.
3. حذف الگو: نیمه های فلاسک با دقت از هم جدا می شوند و الگوی بیرون کشیده می شود و یک تصور منفی دقیق از هندسه قطعه در ماسه باقی می گذارد. یک ترکیب جداکننده که قبل از رمینگ روی الگو اعمال می شود از چسبندگی شن و ماسه در حین حذف جلوگیری می کند.
4. تنظیم هسته (در صورت نیاز): برای قطعات دارای حفره داخلی - مانند لوله‌های توخالی، پورت‌های موتور یا سوراخ‌های هسته‌دار - قبل از بسته شدن، هسته‌های ماسه‌ای از پیش ساخته شده در داخل حفره قالب قرار می‌گیرند. هسته ها به طور جداگانه از ماسه با پیوند شیمیایی (بدون پخت، پوسته یا فرآیند جعبه سرد) ساخته می شوند و توسط چاپ های هسته پشتیبانی می شوند - برآمدگی هایی روی الگو که در دیواره قالب فرورفتگی هایی ایجاد می کند که در آن هسته انتهایی استراحت می کند.
5. ایجاد سیستم گیتینگ: کانال های بریده شده یا تشکیل شده در ماسه - به نام سیستم دروازه - فلز مذاب را از فنجان ریختن از طریق اسپرو (کانال عمودی)، در امتداد دونده ها (کانال های افقی) و از طریق دریچه ها به داخل حفره قالب هدایت می کنند. رایزرها (مخازن فلز اضافی) نیز در بخش های ضخیم قرار می گیرند تا فلز مذاب را در حین انجماد شدن به داخل قطعه وارد کنند و از تخلخل انقباض جلوگیری کنند.
6. مونتاژ قالب و ریختن: برای جلوگیری از فشار هیدرواستاتیکی فلز مذاب در حین ریختن، کوپ و درگ مجدداً مونتاژ شده و گیره یا وزن می شوند. فلز در دمای مناسب ریخته می شود - معمولاً 1250-1500 درجه سانتیگراد برای چدن و 650-750 درجه سانتیگراد برای آلیاژهای آلومینیوم - به آرامی و به طور مداوم برای جلوگیری از تلاطم، که می تواند گاز را به دام بیاندازد یا دیواره های قالب را فرسایش دهد.
7. خنک سازی و انجماد: در حالی که فلز سرد می شود، قالب پر شده دست نخورده باقی می ماند. زمان خنک سازی از دقیقه برای قطعات آلومینیومی کوچک تا چندین ساعت برای ریخته گری های بزرگ آهن یا فولاد متغیر است. اختلال زودرس باعث اشک داغ، اعوجاج یا انجماد ناقص می شود.
8. تکان دادن: پس از خنک شدن کافی، قالب شنی از هم جدا می شود - به صورت مکانیکی روی یک صفحه لرزش ارتعاش می شود - تا ریخته گری آزاد شود. شن و ماسه جمع آوری می شود، با افزودن خاک رس تازه و آب، احیا می شود و دوباره به تولید بازمی گردد. در ریخته‌گری‌های با حجم بالا، 90 تا 95 درصد شن و ماسه سبز بازیافت و مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرد.
9. تمیز کردن و تکمیل: ریخته گری خام با شات بلاست یا غلت زدن برای حذف ماسه چسبنده تمیز می شود، سپس سیستم دروازه (اسپر، رانر، رایزر) قطع می شود و خاک می شود. مراحل نهایی ممکن است شامل عملیات حرارتی، ماشینکاری تا تحمل، و عملیات سطحی بسته به کاربرد باشد.

قطعات اصلی ریخته گری شن و ماسه و عملکرد آنها

درک اجزای منفرد یک راه اندازی ریخته گری شن و ماسه، چگونگی کنترل جریان فلز، توزیع گرما و کیفیت قطعه نهایی را روشن می کند. هر قسمت ریخته گری شن و ماسه در خدمت یک هدف مهندسی خاص است.

انواع فرآیندهای ریخته گری شن و ماسه

اصطلاح "ریخته گری شن و ماسه" شامل چندین نوع فرآیند متمایز است که هر کدام برای حجم های مختلف تولید، پیچیدگی قطعات و الزامات دقت مناسب هستند. انتخاب نوع فرآیند مناسب به اندازه خود طرح ریخته گری مهم است.

ریخته گری شن و ماسه سبز

رایج ترین و کم هزینه ترین روش ریخته گری شن و ماسه. "سبز" نه به رنگ، بلکه به رطوبت شن و ماسه اشاره دارد - معمولاً 2 تا 5٪ آب، چسب بنتونیت رسی را فعال می کند. ریخته گری شن و ماسه سبز فرآیند پیش فرض برای تولید آهن خاکستری و داکتیل با حجم بالا است با بسیاری از ریخته‌گری‌های خودرو که خطوط ماسه سبز کاملاً خودکار را اجرا می‌کنند و هزاران ریخته‌گری در روز تولید می‌کنند. شن و ماسه بلافاصله پس از تکان دادن قابل بازیافت است. محدودیت‌ها شامل دقت ابعادی پایین‌تر نسبت به فرآیندهای پیوند شیمیایی و پتانسیل ایجاد نقص‌های گاز مربوط به رطوبت در صورت عدم کنترل رطوبت قالب است.

ریخته گری شن و ماسه بدون پخت (Air-Set).

ماسه با یک چسب شیمیایی دو بخشی (مانند رزین فوران یا اورتان فنلی) مخلوط می شود که در دمای اتاق از طریق یک واکنش شیمیایی به جای گرما یا رطوبت پخت می شود. قالب‌های بدون پخت سخت‌تر و از نظر ابعادی پایدارتر از قالب‌های ماسه سبز هستند و عملکرد خوبی دارند تلورانس تقریباً 25 تا 50 درصد محکم تر از ماسه سبز است . این فرآیند برای قطعات بزرگ و پیچیده - محفظه پمپ های صنعتی، بدنه شیرهای بزرگ و اجزای ماشین ابزار - که در آن دقت ابعادی هزینه بایندر بالاتر و زمان آماده سازی قالب طولانی تر را توجیه می کند، ترجیح داده می شود.

قالب گیری پوسته (فرایند کرونینگ)

ماسه سیلیسی ریز پوشیده شده با رزین فنولیک گرما سخت بر روی یک الگوی فلزی گرم شده (175-370 درجه سانتیگراد) ریخته یا دمیده می شود و پوسته نازکی به ضخامت 10 تا 20 میلی متر را تشکیل می دهد که در 10 تا 30 ثانیه خشک می شود. دو نیمه پوسته با چسب به یکدیگر متصل می شوند تا قالب کامل را تشکیل دهند. قالب‌گیری پوسته پوشش‌های سطحی 125-250 Ra (µin) و تحمل‌های ابعادی 0.010 ± اینچ را ایجاد می‌کند - به طور قابل‌توجهی بهتر از ماسه سبز. معمولاً برای میل بادامک خودرو، میل لنگ، میله های اتصال و سایر قطعات دقیق با حجم متوسط ​​استفاده می شود.

ریخته گری فوم گم شده (فرایند قالب کامل)

یک الگوی فوم پلی استایرن منبسط شده (EPS) - یکسان با قسمت نهایی - در ماسه خشک سست و بدون پیوند دفن شده است. هنگامی که فلز مذاب ریخته می شود، فوم را بخار می کند و شکل دقیق خود را می گیرد. نیازی به حذف قالب نیست و هندسه های پیچیده با ویژگی های داخلی که در ریخته گری شن و ماسه معمولی به چندین هسته نیاز دارند را می توان به صورت یک الگوی فوم تولید کرد. ریخته گری فوم گم شده به طور گسترده برای سرسیلندرهای آلومینیومی، منیفولدهای ورودی و بلوک های پیچیده موتور آهنی استفاده می شود. - جنرال موتورز با استفاده از این فرآیند بیش از 15 میلیون سرسیلندر تولید کرده است.

ریخته گری خلاء (V-فرآیند).

ماسه خشک و بدون پیوند در برابر یک لایه پلاستیکی نازک که با فشار خلاء به جای یک چسب شیمیایی روی الگو قرار گرفته است، در جای خود قرار می گیرد. پس از ریختن و انجماد، خلاء آزاد می شود و ماسه آزادانه دور می شود - بدون نیاز به تکان دادن. ریخته‌گری با فرآیند V به پرداخت‌های سطحی 150 تا 300 Ra و قابلیت تکرار ابعادی عالی دست می‌یابد، با مزیت اضافه‌شده تولید تقریباً بدون گازهای زائد در حین ریختن، و آن را به یکی از تمیزترین روش‌های ریخته‌گری شن و ماسه از نظر زیست‌محیطی تبدیل می‌کند.

موادی که می توانند ماسه ریخته شوند

یکی از مهمترین مزایای ریخته گری شن و ماسه نسبت به فرآیندهای رقیب، تطبیق پذیری مواد آن است. ریخته گری شن و ماسه تقریباً با هر فلز و آلیاژ ریخته گری سازگار است از جمله آنهایی که نقطه ذوب بالایی دارند که قالب های فلزی دائمی را از بین می برند.

عیوب رایج ریخته گری شن و ماسه و نحوه پیشگیری از آنها

عیوب ریخته گری شن و ماسه حدود 5 تا 10 درصد از تولید را در ریخته گری های با مدیریت خوب و تا 20 تا 30 درصد در عملیات های کنترل شده ضعیف تشکیل می دهد. درک علل نقص برای طراحی کنترل های فرآیندی که نرخ ضایعات را به حداقل می رساند ضروری است.

تخلخل (گاز و انقباض)

تخلخل شایع ترین عیب ریخته گری شن و ماسه است ، به صورت حفره های درون فلز جامد شده ظاهر می شوند. تخلخل گاز زمانی شکل می گیرد که هیدروژن یا بخار تولید شده توسط رطوبت قبل از انجماد در مذاب به دام می افتد. تخلخل انقباض زمانی شکل می گیرد که فلز مذاب در حین جامد شدن منقبض شود و فلز مایع کافی برای پر کردن شکاف موجود نباشد. پیشگیری شامل کنترل میزان رطوبت ماسه زیر 4 درصد، گاززدایی مذاب با پاکسازی نیتروژن یا آرگون، و اندازه‌گیری و قرارگیری صحیح بالابرها است.

اجزای شن و ماسه و درپوش سرد

شن و ماسه زمانی رخ می دهد که ماسه سست فرسایش یافته از قالب یا سطوح هسته توسط جریان فلزی متلاطم به داخل قالب منتقل شود. دریچه های سرد زمانی ایجاد می شوند که دو جریان فلز در قالب به هم می رسند و به درستی جوش نمی خورند - معمولاً به دلیل فلزی است که قبل از پر کردن حفره بیش از حد سرد شده است، یا یک سیستم دروازه ای که به خوبی شکاف می دهد. طراحی مناسب دروازه با سرعت پرکن کنترل شده (زیر 0.5 متر بر ثانیه در ورودی برای آهن)، پیش گرمایش مناسب قالب برای آلومینیوم، و شن و ماسه خوب متراکم همگی این عیوب را کاهش می دهند.

اشک داغ و تحریف

اشک داغ ترک هایی هستند که در هنگام انجماد زمانی که انقباض حرارتی توسط قالب یا هسته محدود می شود در قالب ریخته گری ایجاد می شود. آنها در مقاطع نازک مجاور قطعات ضخیم و در فلزات با محدوده انجماد گسترده مانند برنز آلومینیوم رایج هستند. راه‌حل‌های طراحی شامل افزودن فیله‌ها (حداقل شعاع ۳ تا ۵ میلی‌متر) در انتقال بخش، افزایش قابلیت جمع‌شدگی هسته، و تنظیم توالی انجماد از طریق لرزش یا قرار دادن رایزر است.

تحمل های ریخته گری شن و ماسه، پایان سطح و قابلیت های ابعادی

تعیین انتظارات ابعادی واقع بینانه قبل از انجام فرآیند ریخته گری شن و ماسه، از طراحی مجدد پرهزینه جلوگیری می کند. این فرآیند دارای محدودیت‌های قابلیتی است که بسته به نوع فرآیند، فلز و اندازه قطعه متفاوت است.

برای مرجع، ریخته‌گری سرمایه‌گذاری معمولاً 0.005 ± اینچ در هر اینچ و 63-125 Ra است. ، در حالی که ریخته گری فشار بالا به ± 0.002-0.005 اینچ در هر اینچ می رسد - هر دو با هزینه های ابزار به طور قابل ملاحظه ای بالاتر. تلورانس های ریخته گری شن و ماسه برای اکثر قطعات ساختاری، محفظه ها و براکت هایی که به هر حال نیاز به ماشینکاری رابط های حیاتی دارند، کاملاً کافی است.

ریخته گری شن و ماسه در مقابل سایر فرآیندهای ریخته گری: چه زمانی ماسه را انتخاب کنیم

ریخته گری شن و ماسه همیشه انتخاب فرآیند بهینه نیست. درک اینکه کجا برتر است و در کجا نسبت به جایگزین ها کوتاه است، از اشتباهات پرهزینه انتخاب فرآیند جلوگیری می کند.

مزایای ریخته گری شن و ماسه

• کمترین هزینه ابزار در هر فرآیند ریخته گری: یک الگوی ساده چوبی یا پلاستیکی برای ریخته گری شن و ماسه سبز را می توان با 500 تا 5000 دلار ساخت. یک قالب قابل مقایسه با قالب 20000 تا 200000 دلار قیمت دارد. این باعث می شود ریخته گری شن و ماسه تنها گزینه مقرون به صرفه برای مقادیر نمونه اولیه، دوره های کوتاه (زیر 500 قطعه) و قطعات بسیار بزرگی باشد که در آنها ابزار قالب غیرعملی است.
• بدون محدودیت اندازه عملی: ریخته گری شن و ماسه بزرگترین ریخته گری فلز ساخته شده توسط هر فرآیند را تولید می کند. بزرگترین قطعات ریخته گری شن و ماسه - قاب های عظیم برای توربین های برق آبی، ملخ های کشتی و قاب های پرس - بیش از 100 تن وزن دارند و با هیچ روش دیگری قابل تولید نیستند.
• سازگار با تمام آلیاژهای ریخته گری: از جمله آلیاژهای آهنی با نقطه ذوب بالا (فولاد، فولاد ضد زنگ، آهن با کروم بالا) که می توانند ابزار ریخته گری آلومینیوم یا روی را در یک شلیک فرسایش یا تخریب کنند.
• هندسه داخلی پیچیده از طریق هسته: هسته های شنی به گذرگاه های داخلی، حفره ها و ویژگی هایی اجازه می دهند که نمی توان آنها را از یک قالب دائمی استخراج کرد - برای بلوک های موتور، بدنه سوپاپ ها و منیفولدهای هیدرولیک بسیار مهم است.

زمان انتخاب یک فرآیند متفاوت

• دیوارهای نازک با تحمل حجم بالا → ریخته گری: برای قطعات آلومینیومی یا روی در مقادیر بالاتر از 10000 تا 50000 با ضخامت دیواره کمتر از 2 میلی متر و تحمل کمتر از 0.010 اینچ، ریخته گری فشار بالا علیرغم سرمایه گذاری بیشتر در ابزار، هزینه کمتری برای هر قطعه دارد.
• پرداخت سطح ظریف هندسه پیچیده → ریخته گری سرمایه گذاری: قطعاتی با دیواره‌های نازک، جزئیات دقیق و نیاز به شکل نزدیک به شبکه (که اکثر ماشین‌کاری‌ها را حذف می‌کند) علیرغم هزینه بالای هر قطعه، با ریخته‌گری سرمایه‌گذاری بهتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• قطعات چرخشی ساده → ریخته گری گریز از مرکز: لوله‌ها، لوله‌ها، حلقه‌ها و بوش‌های استوانه‌ای به‌طور اقتصادی‌تر و با خواص مکانیکی بهتر (به دلیل جداسازی گریز از مرکز) با ریخته‌گری گریز از مرکز نسبت به ریخته‌گری شن و ماسه تولید می‌شوند.

صنایع و محصولات متکی به ریخته گری شن و ماسه

ریخته‌گری شن و ماسه عمیقاً در زنجیره تأمین تولید چندین صنعت بزرگ جای گرفته است. بسیاری از اجزایی که هر روز در محصولات نهایی ظاهر می شوند به عنوان ریخته گری شن و ماسه شروع شدند.

صنعت خودرو

صنعت خودرو بزرگترین مصرف کننده ریخته گری شن و ماسه در جهان است تقریباً 35 تا 40 درصد از کل خروجی ریخته گری بر حسب وزن را تشکیل می دهد. یک موتور احتراق داخلی شامل ده ها جزء ریخته گری شن و ماسه است: بلوک موتور، سرسیلندر، منیفولد ورودی، منیفولد اگزوز، میل لنگ (در بسیاری از طرح ها)، محفظه دیفرانسیل، جعبه انتقال، کالیپرهای ترمز و توپی چرخ ها. یک ماشین سواری معمولی حاوی 150 تا 250 پوند ریخته گری شن و ماسه آهن و آلومینیوم است.

ماشین آلات صنعتی و پمپ

پایه های ماشین ابزار، محفظه پمپ، محفظه کمپرسور، بدنه سوپاپ ها، پروانه ها و منیفولدهای هیدرولیک به طور گسترده از چدن، فولاد و برنز با ماسه ریخته گری می شوند. ترکیبی از هندسه داخلی پیچیده (لوله‌های پمپ، محفظه‌های شیر)، اندازه بزرگ و حجم تولید کم تا متوسط، ریخته‌گری شن و ماسه را به فرآیند بهینه برای اکثریت قریب به اتفاق تجهیزات انتقال سیال صنعتی تبدیل می‌کند.

هوافضا و دفاع

در حالی که قطعات دقیق هوافضا اغلب از ریخته‌گری سرمایه‌گذاری یا آهنگری ماشین‌کاری شده استفاده می‌کنند، ریخته‌گری شنی بسیاری از اجزای ساختاری بدنه هواپیما، محفظه‌های گیربکس، ساختارهای ناسل و قطعات تجهیزات پشتیبانی زمینی را در آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم تولید می‌کند. ریخته‌گری شن و ماسه همچنین فرآیند اولیه برای قطعات بزرگ توپخانه، براکت‌های زرهی خودرو و سخت‌افزار نیروی دریایی است که در آن اندازه قطعات و آلیاژ مورد نیاز از قابلیت‌های ریخته‌گری سرمایه‌گذاری فراتر می‌رود.

ساخت و ساز، معدن و انرژی

فک های سنگ شکن، آستر آسیاب، دندانه های بیل مکانیکی، اتصالات خط لوله، روکش منهول ها و هاب توربین های بادی از جمله قطعات ریخته گری شن و ماسه با سایش بالا و استحکام بالا هستند که در این صنایع استفاده می شوند. یک هاب توربین بادی منفرد - که معمولاً از چدن شکل‌گیری می‌شود - می‌تواند 15 تا 30 تن وزن داشته باشد. و مستلزم ثبات ابعادی و استحکام داخلی است که فقط یک فرآیند ریخته گری شن و ماسه بدون پخت به خوبی مهندسی شده می تواند به طور قابل اعتماد در این مقیاس ارائه دهد.