تُزاول عملية سكب المعادن منذ أكثر من 6000 سنة، وهذا يعني أن هذه الصناعة ليست جديدة فهي ضاربة في القدم وهي من أول الصناعات التي قام بها الإنسان على مر العصور حيث بدأ باستخدام النحاس والبرونز أولا ثم جاء الحديد والذي أصبح عصب العصر، والآن سبائك الزنك والمعادن الأخرى.

لقد كانت السباكة طوال حقبة طويلة من الزمن تعتمد اعتمادا يكاد يكون كليا على العمل اليدوي، إلا أنه خلال بضع عشرات من السنين الأخيرة أمكن إجراؤها بالوسائل الميكانيكية بدرجة متزايدة وبكفاءة أعلى.

وعملية سكب المعادن هي تشكيل جسم معدني عن طريق صهر المعدن ثم صبه في القالب المحضر وتركه يتجمد وليبرد ليأخذ بعد تجمده شكل فجوة القالب.

والطريقة التقليدية لسكب المعادن هي طريقة السباكة برمال السباكة، وهذه الطريقة كانت بدائية ومكلفة من الناحية الاقتصادية لولا التطورات التي طرأت على طرائق إصلاح الرمال وإعادة استعمالها حيث تستخدم في الوقت الحالي محطات تحضير وإصلاح الرمال واستعمال الآلات نصف الآلية والآلية في صناعة القوالب الرملية واستخدام الخطوط الإنتاجية في إخراج المسبوكات من القوالب وتنظيفها.

اكتشف أثناء تطور علم السباكة عدد من الأساليب الحديثة منها: طريقة السكب بالشمع المهدور، وطريقة السكب في القوالب القشرية، وطرائق الصب بالضغط، والنموذج المتبخر وغيرها...

كما تطورت عمليات صناعة النماذج بصورة فائقة وذلك باستخدام نظم التصميم والرسم باستخدام الحاسوب (كبرنامج CAD، أي التصميم باستخدام الحاسب) وكذلك الإنتاج لتلك النماذج بنظام CAM أي التصنيع باستخدام الحاسب.

تصنع أجزاء الآلات بطريقة السباكة إذا كانت أشكالها قد صممت بحيث لا يتيسر صناعتها بالطرائق الأخرى، أو إذا كانت تلك الطرق غير اقتصادية. وينطبق ذلك على جميع أجزاء الآلات ذات الأشكال الداخلية والخارجية المعقدة كالقطع مزدوجة الجدران أو ذات الزعانف الكبيرة. ولما كانت طرائق السباكة الحديثة تعطي مسبوكات بدقة هندسية وبعدية مقبولة فإن كمية المعدن المتوقع إزالته في عمليات التشغيل اللاحقة تكون قليلة.

وما تزال عمليات السباكة في تطور مستمر ولا نعرف إلى أين ستصل هذه التطورات، إذ إن هذا مرهون بما يخبئه المستقبل لنا.

عملية السباكة هي تشكيل أجسام معدنية تتم بصهر المعدن أو السبيكة وصبه في القالب المراد تشكيل المعدن فيه، وتركه يبرد ويتجمد ليأخذ بعد تجمده شكل فجوة القالب.

تقسم عمليات السباكة إلى السباكة في القوالب الرملية والسباكة بالطرق الخاصة، وسنحاول أن نعطي نبذة مختصرة عن هذه الطرق حتى تتكون للقارئ فكرة عن طرق السباكة وذلك قبل أن نبدأ في بحثنا والذي يتناول آلات الحقن بالضغط المستخدمة في سباكة المعادن.

الشكل (1) عملية سباكة أنبوب بواسطة القوالب الرملية

يتم فيها سكب المعدن بعد صهره في فرن خاص في قوالب تشكل من رمال خاصة بالسباكة، وبعد أن تتجمد المسبوكة تنزع عن طريق هدم الرمل وتأخذ شكل فجوة القالب المشكلة مسبقا.

النموذج الأولي للقطعة المراد الحصول عليها هو عبارة عن نموذج خشبي على الأغلب حيث يوضع هذا النموذج داخل ريزك معدني هو الذي يشكل حدود القالب بعد أن يركّ داخله الرمل حول النموذج الخشبي وبعدها يتم إزالة النموذج فنحصل على القالب والفجوة التي يتم سكب المعدن المنصهر فيها.

وتعرف رمال السباكة على أنها مواد تستخدم لتشكيل القوالب الرملية وهي مواد طبيعية أو اصطناعية. أغلب هذا المواد سيليكونية تحتوي على حتى 50% من المواد الرابطة العضوية. والمكون الرئيس لرمال القوالب هو ثاني أكسيد السيليكون الذي يتواجد على شكل صخور الكوارتز التي تتحطم بفعل العوامل الطبيعية.

والمثال في الشكل (1) كاف لكي يشرح عملية السباكة في قوالب رملية حيث يبين هذا المثال كيفية تشكيل قالب سباكة لسباكة أنبوب ذو فلنجة وكيفية وضع النواة للحصول على التجويف الداخلي للأنبوب.

تعددت طرق السباكة الخاصة في الوقت الحالي وسنذكر هنا أهم هذه الطرق وأكثرها استعمالا.

الشكل (2) مراحل السباكة بطريقة الشمع المهدور

مراحل عملية السباكة (انظر الشكل (2)):

1. تبدأ العملية بتحضير النماذج المصنعة من الشمع أو البلاستيك.

2. تصنع هذا النماذج بحقن مادة النموذج في القالب الرئيسي (الأساس) كما هو مبين في الشكل (2 – أ) والذي يـتم صنعه بدقة تامة بواسطة عمال مهرة في صناعـة القوالب.

3. يتم تشكيل أو تجهيز العنقود (الشجرة) بتجميع عدة نماذج معا بلحامها بالشمع مع مجموعة المصبات المجهزة مع المصب الرئيسي، كما هو موضح بالشكل (2 – ب).

4. توضع القوالب في وضع رأسي.

5. تغمر الشجرة أو عنقود النماذج في مزيج من السيراميك، وتكرر هذه العملية عدة مرات إلى أن نحصل على السماكة المطلوبة من طبقة التغليف الخاصة بالقالب، الشكل (2 – ج).

6. يجهز القالب بإحضار العنقود ويوضع عليه الريزك الخاص به ثم تصب مادة القالب عليه مكونة صلدا، وذلك بعد كسائه بطبقة التغليف، الشكل (2 – د).

7. يملأ الريزك (القالب) بشكل كامل بهذه المادة التي تغطي عنقود النماذج تماما، كما هو موضح بالشكل (2 – د). وقد يستخدم لإعداد القالب ما يسمى المسحوق الباريسي الذي يمزج مع الماء ويملئ القالب مباشرة بدون طبقة تغليف ومن ثم يصبح صلبا بعد جفافه على أن يتم شيّه بعد إخراج الشمع منه.

8. تستخدم الريازك المحتوية على القوالب في وضع مقلوب في أفرن تسخين حتى يسمح للنماذج بالانصهار وتتساقط الخارج القالب.

9. طبقة تغليف تصل سماكتها من 3 إلى 6ميلمتر.

10. توضع الريازك المحتوية على القوالب في وضع مقلوب في أفران تسخين حتى يسمح للنماذج بالانصهار وتتساقط خارج القالب.

11. يصب المعدن بعد ذلك في القالب بالتثاقل كما هو موضح بالشكل (2 – هـ) إلى داخل تجويف القالب.

12. تستخدم طرق أخرى للصب شاملة التفريغ، والطرد المركزي، وضغط الهواء.

13. بعد تمام تجمد المعدن، تكسر القوالب وتنزع منها المسبوكات وتزال النواة بتيار مندفع من الماء أو بغسيلها بالصودا الكاوية.

14. العملية الأخيرة عبارة عن إزالة مجموعة المصبات عن المسبوكات باستخدام المناشير أو بأحجار التجليخ كما هو موضح بالشكل (2 – و).

طريقة الصب بالضغط:

يستخدم فرن كهربائي ذو أقطاب أفقية قابلة للدوران حول محاور أفقية بعد انصهار معدن السبيكة بالفرن ويثبت القالب المحمص الساخن على غطائه بحيث تنطبق فوهة الصب على فوهة الغطاء ومن ثم يتم فصل التيار الكهربائي وتدار مجموعة القالب والفرن 180 درجة ثم يرسل تيار من الهواء المضغوط عن طرق ماسورة خلال المحور المجوف فيمتلئ القالب بالمعدن السائل تحت ضغطه وبعد تجمد المسبوكات يرفع القالب عن الفرن ويحطم القالب وتنظف المسبوكات وهذا مبين في الشكل (3).

طريقة الصب بالطرد المركزي:

يثبت الريزك وعليه كتلة النماذج المحمصة على صينية ماكينة الطرد المركزي بحيث ينطبق محور دوران الرأسي على محور دوران القالب والمصب الأوسط وبعد صب المعدن وتجمده تخرج المسبوكات وتنظف من مصباتها وترسل للتنظيف كما هو مبين في الشكل (4).

طريقة الصب المقلوب:

هي طريقة مناسبة عندما يمكن أن يستوعب حجم فجوة القالب كامل المعدن الموجود بالفرن، وبصورة خاصة هنا في السباكة بالشمع المهدور، ويثبت بذلك القالب بحيث تتطابق فتحته مع فتحة الفرن وتقلب المجموعة 180 درجة لينتقل المعدن من الفرن للقالب ويفضل هنا أن تستخدم قناة الصب كمرضع الشكل (5).

الشكل (3): الصب بالضغط

الشكل (4): الصب بالطرد المركزي

يجفف القالب عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية تقريبا لتحسين مقاومته ثم يبرد إلى درجة حرارة تتراوح بين 700 و800 درجة مئوية وتمهيدا لإجراء عملية الصب عند هذه الدرجة حيث تكون سيولة المعدن المصبوب عالية ويملأ المعدن الفجوات الدقيقة للقالب.

الشكل (5) الصب المقلوب: أ-وضع لقالب عند الصهر، وب-وضع القالب بعد الصهر

هي طريقة حديثة لإنتاج المسبوكات الدقيقة.

مراحل عملية السباكة:

1. تندفع مادة البوليسترين (على شكل حبيبات) إلى قلب معدني مسخن (يصنع عادة من الألمنيوم) ويدفع البخار في القالب ليتم صهر البوليسترين ولتشكيل نموذج صلب.

2. يبرد القالب ثم يفتح ليتم لفظ النموذج منه.

3. يتم ربط قناة الصب والمغذيات المصنوعة بالطريقة نفسها إلى النموذج المشكل باستخدام صمغ خاص. ويطلى النموذج بمادة لزجة من المواد المقاومة (مسحوق رمل سيليكوني) وتجفف لتشكيل طبقة مقاومة تتحمل المعدن السائل.

4. يوضع النموذج في قالب ويحاط بالرمل السائب الخالي من المواد الرابطة ويتم سحب الهواء لتشكيل خلاء في القالب (يغطى سطح القالب بطبق من البلاستيك ليتم تشكيل الخلاء).

5. ويرك القالب باستخدام عملية الاهتزاز. ومع استمرار تشكيل الخلاء في القالب يتم صب المعدن المصهور فيه، فيحدث تبخر النموذج فورا ويأخذ المعدن المصهور شكل النموذج تماما.

6. يترك القالب فترة ليبرد ويخرج المسبوك ويعاد استخدام الرمل من جديد.

مراحل عملية السباكة:

1. تسخن لوحة النماذج المعدنية لحرارة بين 200 و300 درجة مئوية وذلك بحسب نوع المادة الرابطة.

2. تثبت لوحة النماذج على مستودع الرمل القشري.

3. يقلب مستودع الرمل بحيث يغطي النموذج بالرمل فتنصهر المادة الرابطة الموجودة في الرمل عند التلامس مع لوحة النماذج المسخنة ونتحكم بزمن التلامس بحيث نحصل على قشرة ذات سماكة محددة تقريبا بحيث تصل إلى 10 ميلمتر.

4. يزال الرمل المتبقي غير المتأثر بالحرارة وذلك بقلب مستودع الرمل.

5. تحمص قشرة الرمل المتوضعة فوق النماذج وذلك بحرارة 450 درجة مئوية لكي تتصلب بشكل كامل ويفيد التسخين بالمحافظة على حرارة النموذج وتزال القشرة عن النماذج بواسطة لوافظ موجودة في لوحة النماذج.

6. يجمع نصفا القالب ويوضعان في وعاء ويحاطان بالرمل الحر (رمل السيليس بدون مادة رابطة) أن يلصق نصفا القالب مع بعضهما بمواد خاصة يستطيع القالب مقاومة ضغط المعدن المصهور حتى يتجمد المعدن ثم يتفتت القالب بعد ذلك حيث تحترق المادة الرابطة.

ملاحظة: يمكن استخدام نوى رملية مصنوعة من أحد رمال النوى السابقة الذكر أو يمكن استخدام نوى قشرية حيث تحضر بإحماء قالب النواة المعدنية ويملئ بعد ذلك بالرمل القشري الذي يُترك لفترة من الزمن ضمن القالب حتى تتصلب سماكة محددة من الرمل القشري وبعدها يفرغ القالب المعدني من الرمل القشري الزائد (غير المتأثر بالحرارة) وبذلك نحصل على نواة قشرية حيث نقوم بتحميصها بالحرارة لتستخدم ضمن تجويف القالب.

ظهرت هذه الطريقة في اليابان من أكثر من عقدين وقد استخدمت بداية الأمر للأعمال الفنية ذات التفاصيل الدقيقة وتتميز بأن الرمل فيها لا يحتوي على مادة رابطة ويوجد حوله تجويف مبطن بالبلاستيك وذلك باستخدام تخلية الهواء من أجل تشغيل البلاستيك ورص رمل السباكة ضمن القالب. والرمل هنا يختلف عن الرمل الرطب الغني بالمادة الرابطة، وهي أفضل من عملية السباكة بالقوالب المعدنية والتي يظهر بها مشاكل نتيجة لميلان السطوح.

مراحل عملية الصب:

1. تحضير النموذج المثقب ويكون السحب على النموذج.

2. تسخين الرقاقة من أجل تشكيلها.

3. يسحب الهواء ويشكل البلاستيك على النموذج.

4. يوضع الريزك الخاص فوق الرقاقة ويطلى بالطلاء الخاص.

5. يملأ الريزك بالرمل.

6. يشكل قمع الصب ويسوى سطح القالب ويغطى بالبلاستيك.

7. توقف التخلية ويزال الريزك عن النموذج.

8. يجمع نصفا القالب وتكون الفجوة مغطاة بالبلاستيك وتبقى التخلية أثناء الصب.

9. بعد التبريد يتم إيقاف التخلية ويسقط الرمل عن النموذج وتسقط المسبوكة ويبرد الرمل لإعادة استخدامه.

القوالب المعدنية عبارة عن قوالب دائمة تستخدم لسباكة أعداد كبيرة من المسبوكات ويتوقف عدد المسبوكات المنتجة على نوع المعدن المصبوب وعلى شكل المنتج. ولإطالة عمر القالب نخفف من الصدمة الحرارية المؤثرة على سطح القالب بإحماء القالب إلى درجة حرارة وبحسب درجة تعقيد المسبوكة، ويمكن أن يكون القالب المعدني فونت من قطعة واحدة أو قطعتين أو أكثر، حيث يكون في القالب في القطعة الواحدة الجزء المتبقي من القالب رمليا، ولكن يكون سطح الفصل أفقي أو شاقولي أو مركب.

يمكن أن تكون قناة الصب الرئيسية في القالب المعدني عند سطح الفصل الشاقولي أو المائل ويمكن أن تشكل النواة الرملية كما يمكن أن تشكل المرضعات في القالب. يفتح القالب المعدني إما يدويا أو بواسطة ميكانيزم هوائي، وتطرد منه المسبوكة بواسطة دوافع (لوافظ) موجودة بأحد جزئي القالب. تتولد في القالب المعدني عند عملية الصب غازات ناتجة عن طلاء سطح القالب وعن الهواء المزاح من تجويف القالب، ويتم إخراج هذه الغازات عن طريق سطح الفصل بأقنية تهوية (تنفيس).

تنظم درجة حرارة القالب المعدني إما بالتبريد الطبيعي أو بالتبريد القسري، إما بنفخ الهواء أو بجريان الزيت أو الماء خلال مجرى موجود ضمن معدن القالب.

مميزات السباكة بالقوالب المعدنية:

• خلوها من الرمل والجزيئات الأخرى العالقة.

• خلوها من الفقاعات الدقيقة الناجمة عن الغازات.

• بنيتها ناعمة لأنها تتجمد بسرعة في القوالب المعدنية.

• دقة أبعاد المسبوكة (صغر التسامحات والتجاوزات في أبعادها أو يمكن الحصول على تسامح في الأبعاد قدره 0.01mm±)

• نعومة سطح المسبوكة أفضل بكثير من مسبوكات القوالب الرملية، لذا يمكن تقليل عملية التشغيل المتممة ويمكن في حالات كثيرة إهمال هذه العمليات كليا أي أن طرائق الصب في القوالب المعدنية دقيقة.

خطوات السباكة بالقوالب المعدنية:

1. تنظيف القالب بالفراشي أو الهواء الحار المضغوط وحفظه عند درجة حرارة مناسبة للصب، وتتوقف درجة الحرارة هذه على نوع المعدن المصبوب.

2. طلاء السطح العامل للقالب بالمادة المقاومة للحرارة.

3. وضع النواة مكانها داخل تجويف القالب وإحكام إغلاق القالب.

4. سكب المعدن المصهور داخل تجويف القالب.

5. ترك المسبوكة فترة زمنية كي تتجمد وتبرد في القالب.

6. فتح القالب وإخراج المسبوكة حيث يجب إخراج المسبوكة بأسرع ما يمكن لتجنب تقلص المسبوكة ضمن القالب وبالتالي صعوبة إخراجها.

تقسم القوالب المعدنية إلى قسمين:

• القوالب المعدنية التي تعمل بالثقالة.

• القوالب المعدنية التي تعمل بالضغط.

أولا – القوالب المعدنية التي تعمل بالثقالة:

تشبه القوالب المعدنية التي تعمل بالثقالة القوالب الرملية، حيث يتم إملاء فجوة القالب بتأثير ثقالة المعدن ويجب التحكم بحرارة القالب وأن يصب المعدن ضمن القالب المسخن إلى درجة حرارة مناسبة كما ورد سابقا. يستخدم التبريد للقالب المعدني ويمكن أن يكون التبريد طبيعيا أو قسريا (انظر الشكل (6)). يبين الشكل (6) القالب المعدني المستخدم لإنتاج مكبس محرك السيارة المصبوب من خليطة ألمنيوم. يتألف القالب من نصفين متناظرين 1 و2، وتتألف النواة في الشكل الداخلي للمكبس من ثلاثة أجزاء منفصلة 3 و4 و4، وذلك كي يسهل إخراجها من المسبوكة. تستخدم النوى الجانبية لتشكيل ثقوب المكبس الجانبية 5 وتتم عملية إخراج المكبس كما يلي:

الشكل (6) سباكة مكبس سيارة بواسطة طريقة السباكة في القوالب المعدنية التي تعمل بالثقالة

1. يجهز القالب بتنظيف سطحه الداخلي ويسخن لدرجة حرارة مناسبة للصب.

2. كما يطلى السطح العام لقالب بطلاء مقاوم للحرارة ويساعد على عدم التصاق المسبوكة بسطح القالب،

3. يغلق القالب وتوضع النواة المجمعة ضمن فجوة القالب ويصب المعدن المصهور ضمن القالب وبعد تجمد المعدن يتم إخراج النواة كما في الخطوتين التاليتين،

4. يرفع الجزء الأوسط للأعلى للنواة العلوية، وتحرك النوى 4 للداخل ثم للأعلى،

5. تسحب النوى 5 أفقيا فتتحرر عند ذلك المسبوكة، ويفتح القالب لإخراج المسبوكة ويكرر العمل لإنتاج مسبوكة جديدة.

ثانيا – السباكة في القوالب المعدنية التي تعمل بالضغط

تتميز السباكة في القوالب المعدنية التي تعمل بالضغط عنها من التي تعمل بالثقالة في أن المعدن يدفع إلى فراغ الأسطمبة (جوف القالب) بسرعة كبيرة وتحت تأثير ضغط عال قد يتراوح من 10 إلى 500 ضغط جوي. كما تصل سرعة حقن القالب بالمعدن نحو 60 متر في الثانية، وتعد درجة مكننة العمل في هذه العملية عالية لأن معظم الآلات المستخدمة في الوقت الحاضر أوتوماتيكية وفيها يتم تبادل الأسطمبات (القوالب) أو استبدالها دون تغيير الآلة نفسها.

يصنع القالب من نصفين متناظرين يثبت أحدهما على لوحة متحركة (بمكبس هيدروليكي أو غير ذلك)، أما النصف الآخر فيثبت على لوحة ثابتة في الآلة تحمل المصب. تنزع المسبوكات بواسطة لوافظ مركبة في النصف المتحرك من الأسطمبة.

تستخدم هذه الطريقة للحصول على منتجات صغيرة رقيقة الجدران من سبائك المعادن الحديدية وغير الحديدية كالزنك والألمنيوم والنحاس والقصدير والرصاص.

تستعمل طريقة الصب بالضغط حاليا على نطاق واسع. فباستخدامها يمكن إنتاج أجزاء التركيبات الكهربائية وأجزاء الماكينات الحاسبة وأجهزة الراديو وبعض أجزاء السيارات والجرارات وغيرها. ولما كانت هذه الطريقة باهظة التكاليف إلى حد ما، فإن استخدامها ينحصر في نطاق الإنتاج الكبير أو الإنتاج بالجملة أي عندما يراد الحصول على منتجات جيدة وبأعداد كبيرة.

للحصول على الضغط المستخدم لحقن أو دفع المعدن المصهور إلى فجوة القالب تستعمل إما آلات تعمل بمساعدة الهواء المضغوط وإما آلات مكبسية ذات حجرات ضغط ساخنة أو باردة، وهذا هو موضوع بحثنا في الفصول القادمة.

الجامعة

كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية

 قسم التصميم والإنتاج

دبلوم أتمتة الإنتاج

العام الدراسي 2005 – 2006

تأليف

المهندس إبراهيم حسين أحمد

البريد

 عنوان البريد الإلكتروني هذا محمي من روبوتات السبام. يجب عليك تفعيل الجافاسكربت لرؤيته.

إشراف

الدكتور المهندس عبد الوهاب الوتار

نوع البحث

مشروع أعُد لنيل درجة الدبلوم في الهندسة الميكانيكية

الملفات

النسخة الأصلية بصيغة pdf