الاستقرار البعدي ودقة الصب الاستثماري

إن أحد الأهداف الرئيسية لعمال الصب الاستثماري هو دائمًا تحسين الدقة الأبعادية للصب الاستثماري بشكل مستمر وتقليل الهدر الناجم عن الانحراف الأبعادي.

1. الاستقرار الأبعادي لقالب الشمع والعوامل المؤثرة عليه

يوضح الشكل 1 النتائج التي توصل إليها البروفيسور روبرت سي. فويجت من جامعة بنسلفانيا بعد تتبع وقياس 29 نوعًا من المسبوكات الاستثمارية. يتضح أنه في معظم الحالات، عندما يتقلب حجم قالب الشمع بشكل كبير، تكون تقلبات حجم الصب كبيرة أيضًا، والاستثناءات قليلة. وبشكل عام، يُمثل تقلب حجم قالب الشمع ما بين 10% و70% من تقلبات حجم الصب.

الشكل 1 مقارنة التقلبات في الحجم بين الصب الدقيق وقالب الشمع

ملاحظة: الانحراف المعياري σ

تؤثر معايير العملية بشكل حاسم على ثبات أبعاد قالب الشمع. العوامل الرئيسية هي:

1) درجة حرارة ضغط الشمع

يختلف تأثير درجة حرارة ضغط الشمع باختلاف القوالب (انظر الشكل 2). كما يتضح من الشكل 2، عند استخدام قالب أساسه الشمع، يكون تأثير درجة حرارة ضغط الشمع على ثبات أبعاده حساسًا للغاية، بينما يكون تأثير قالب أساسه الراتنجي ضئيلًا.

2) ضغط الحقن

كما هو موضح في الشكل 3، ينخفض ​​معدل انكماش قالب الشمع بشكل ملحوظ عند انخفاض الضغط وازدياد الضغط. ومع ذلك، عند زيادة الضغط إلى حد معين (>1.6 ميجا باسكال)، يكاد يكون تأثير الضغط على حجم قالب الشمع معدومًا.

درجة حرارة ضغط الشمع / درجة مئوية

الشكل 2 العلاقة بين درجة حرارة ضغط الشمع وانكماش قالب الشمع

ضغط الحقن/ميجا باسكال

الشكل 3 العلاقة بين ضغط الحقن وانكماش قالب الشمع

3) سرعة التدفق

يمكن تغيير سرعة تدفق القالب بالطريقتين التاليتين، ولكن التأثير على حجم قالب الشمع ليس هو نفسه: من خلال تغيير سرعة تدفق إعداد مكبس الشمع، يكون لهذه الطريقة تأثير أقل على معدل انكماش قالب الشمع. ومع ذلك، فإن لها تأثيرًا مهمًا على جودة ملء وسطح قالب الشمع مع أجزاء معقدة رقيقة الجدار أو مع القلب. من خلال تغيير المساحة المقطعية لفم حقن الشمع، يكون لهذه الطريقة تأثير أكبر، لأن زيادة المساحة المقطعية لفم حقن الشمع لا يمكن أن تقلل فقط من درجة حرارة ضغط الشمع، ولكن أيضًا تمدد وقت تصلب مادة القالب عند فم حقن الشمع، وبالتالي زيادة درجة ضغط قالب الشمع، مما يقلل من معدل الانكماش وانكماش السطح.

4) وقت الحقن

يشمل ما يُسمى بزمن حقن الضغط هنا ثلاث فترات: الملء، والضغط، والاحتفاظ. ويُشير زمن الملء إلى الوقت الذي يمتلئ فيه القالب بالضغط.

يشير الضغط إلى الوقت من الضغط الكامل إلى إغلاق فوهة الشمع؛ يشير الإمساك إلى الوقت من إغلاق الفوهة إلى رسم القالب.

يؤثر وقت الحقن بشكل كبير على معدل انكماش قالب الشمع (الشكل 4)، لأن زيادة وقت الحقن قد تؤدي إلى ضغط المزيد من مادة القالب في التجويف، وسيتم ضغط قالب الشمع إلى حد أكبر، مما يقلل من معدل الانكماش. يمكن إثبات ذلك من خلال زيادة وزن قالب الشمع مع تمديد وقت الضغط (انظر الشكل 5). يجب أن يكون وقت الضغط مناسبًا، إذا كان وقت الضغط طويلاً جدًا، فقد تصلب مادة القالب عند فم حقن الشمع تمامًا، ولن يعمل الضغط. يمكن أيضًا ملاحظة من الشكل 4 أنه عندما يكون وقت الحقن قصيرًا نسبيًا (15-25 ثانية)، ترتفع درجة حرارة ضغط الشمع ويزداد معدل الانكماش، ولكن عندما يتم تمديد وقت الحقن إلى 25-35 ثانية (في الواقع، يتم تمديد وقت الضغط على افتراض أن وقت التعبئة يظل ثابتًا)، يصبح تأثير درجة حرارة ضغط الشمع أقل. عندما يزيد وقت الحقن عن 35 ثانية، يحدث العكس، أي أنه مع ارتفاع درجة حرارة ضغط الشمع، يقل معدل انكماش قالب الشمع (انظر الشكل 5). يمكن تفسير هذه الظاهرة بأن زيادة درجة حرارة القالب وإطالة وقت الضغط لهما نفس تأثير زيادة درجة ضغط قالب الشمع.

5) معدات درجة حرارة القالب وضغط الشمع

يبرد قالب الشمع ببطء، ويزداد معدل الانكماش مع ارتفاع درجة حرارة القالب. وذلك لأن قالب الشمع لا يزال في المكبس قبل سحب القالب، ويكون الانكماش محدودًا، وبعد أن يتحول القالب إلى انكماش حر. لذلك، إذا كانت درجة حرارة القالب مرتفعة، يكون معدل الانكماش النهائي كبيرًا، والعكس صحيح، يكون معدل الانكماش صغيرًا.

وبالمثل، قد يكون لنظام التبريد الخاص بمكبس الشمع تأثير بنسبة 0.3% تقريبًا على حجم قالب الشمع.

أخيرًا، تجدر الإشارة إلى أن عجينة الشمع، عند استخدام مادة صب الشمع، هي نظام تعايش ثلاثي الأطوار: صلب وسائل وغازي. تؤثر نسبة الحجم بين الأطوار الثلاثة بشكل كبير على حجم قالب الشمع. لا يمكن التحكم في هذه النسبة أثناء الإنتاج الفعلي، وهو أيضًا سبب مهم لضعف ثبات أبعاد قالب الشمع المضغوط باستخدام قالب الشمع.

الشكل 4 التأثيرات الشاملة لوقت الحقن ودرجة حرارة الشمع على انكماش قالب الشمع

وقت الحقن /ثانية

الشكل 5 تأثير وقت الضغط على درجة ضغط قالب الشمع

2. تأثير مادة الغلاف وعملية تصنيع الغلاف على الاستقرار الأبعادي للمسبوكات

إن تأثير الغلاف على حجم المسبوكات ينشأ بشكل أساسي من التمدد الحراري والتشوه الحراري (الزحف عند درجة حرارة عالية) وتقييد (إعاقة) الغلاف على الانكماش الناتج عن تبريد المسبوكات.

1) التمدد الحراري للقشرة

يعتمد ذلك بشكل أساسي على مادة الغلاف. يختلف معدل تمدد المواد الحرارية المختلفة. من بين المواد الحرارية الشائعة الاستخدام، يُعد الكوارتز المنصهر هو الأقل معدل تمدد، يليه سيليكات الألومنيوم، ثم السيليكا الأكبر والأكثر تفاوتًا. بعد اختبار غلاف سيليكات الألومنيوم من درجة حرارة الغرفة إلى 1000 درجة مئوية، يمكن أن يُنتج الغلاف تمددًا بنسبة 0.25% تقريبًا، ونسبة الانكماش الكلية لحجم المسبوكات ليست كبيرة، لذلك عند استخدام هذه المواد الحرارية، يتمتع الغلاف بثبات أبعاد جيد، كما أن استخدام الكوارتز المنصهر سيكون أفضل بلا شك. ومع ذلك، عند استخدام السيليكا، يتقلب حجم الغلاف بشكل كبير.

2) التشوه الحراري

على سبيل المثال، تكون درجة زحف الغلاف مع الزجاج المائي كمادة رابطة أكبر بكثير من درجة زحف غلاف السيليكا سول والسيليكات الإيثيلية عند درجة حرارة عالية تزيد عن 1000 درجة مئوية.

على الرغم من أن الكوراندوم المنصهر نفسه يتمتع بقدرة حرارية عالية، بسبب وجود شوائب مثل أكسيد الصوديوم، فإن درجة حرارة تحميص القشرة فوق 1000 درجة مئوية قد تؤدي أيضًا إلى زحف، مما يؤدي إلى ضعف الاستقرار الأبعادي.

3) قيود القشرة على انكماش الصب - تعتمد قابلية القشرة للتوافق والانهيار بشكل أساسي على مادة القشرة.
باختصار، يؤثر الغلاف على تقلبات حجم الصب، وتلعب المادة المقاومة للحرارة دورًا رئيسيًا، ولكن لا يمكن تجاهل دور المادة الرابطة. في المقابل، يكون تأثير عملية تصنيع الغلاف أقل.

3. تأثير الإجهاد على الاستقرار البعدي الناتج عن التبريد غير المتساوي للمسبوكات
تختلف سرعة تبريد كل جزء من أجزاء المسبوكات (بما في ذلك نظام الصب)، ويؤدي الإجهاد الحراري إلى تشوه المسبوكات، مما يؤثر على ثبات أبعادها. ويحدث هذا غالبًا في الإنتاج الفعلي. ويُعدّ خفض معدل تبريد المسبوكات وتحسين أداء مجرى الصب من التدابير الوقائية الفعالة.