كيفية تصميم قالب بثق المبرد عباد الشمس لملف الألومنيوم؟

1. تحليل الخصائص الهيكلية لمقاطع مقاطع الألومنيوم

يوضح الشكل 1 المقطع العرضي لملف ألومنيوم نموذجي لمشعات دوار الشمس. تبلغ مساحة المقطع العرضي 7773.5 مم²، ويحتوي على 40 سنًا لتبديد الحرارة. يبلغ أقصى حجم لفتحة التعليق بين الأسنان 4.46 مم. بعد الحساب، تبلغ نسبة اللسان بين الأسنان 15.7 مم. في الوقت نفسه، توجد مساحة صلبة كبيرة في وسط الملف، تبلغ مساحتها 3846.5 مم².

بناءً على خصائص شكل القالب، يمكن اعتبار الفراغ بين الأسنان مقاطع شبه مجوفة، ويتكون ملف المبرد من عدة مقاطع شبه مجوفة. لذلك، عند تصميم هيكل القالب، يكمن السر في ضمان متانة القالب. على الرغم من أن الصناعة قد طورت مجموعة متنوعة من هياكل القوالب الناضجة للمقاطع شبه المجوفة، مثل "قالب التقسيم المغطى" و"قالب التقسيم المقطوع" و"قالب تقسيم الجسر المعلق"، إلخ. ومع ذلك، لا تنطبق هذه الهياكل على المنتجات المكونة من مقاطع شبه مجوفة متعددة. يأخذ التصميم التقليدي في الاعتبار المواد فقط، ولكن في عملية قولبة البثق، يكون التأثير الأكبر على المتانة هو قوة البثق أثناء عملية البثق، وعملية تشكيل المعدن هي العامل الرئيسي الذي يولد قوة البثق.

نظرًا لكبر مساحة الجزء المركزي الصلب لملف المبرد الشمسي، من السهل جدًا أن يكون معدل التدفق الكلي في هذه المنطقة سريعًا جدًا أثناء عملية البثق، مما يؤدي إلى إجهاد شد إضافي على رأس أنبوب التعليق بين الأسنان، مما يؤدي إلى كسره. لذلك، عند تصميم هيكل القالب، يجب التركيز على ضبط معدل تدفق المعدن ومعدل التدفق لتحقيق هدف تقليل ضغط البثق وتحسين حالة إجهاد الأنبوب المعلق بين الأسنان، مما يعزز متانة القالب.

2. اختيار هيكل القالب وسعة مكبس البثق

2.1 شكل هيكل القالب

بالنسبة لشكل مشعاع عباد الشمس الموضح في الشكل 1، على الرغم من عدم وجود جزء مجوف، يجب أن يعتمد هيكل القالب المنقسم كما هو موضح في الشكل 2. بخلاف هيكل قالب التحويلة التقليدي، توضع حجرة محطة اللحام المعدنية في القالب العلوي، ويُستخدم هيكل إدخال في القالب السفلي. والغرض من ذلك هو تقليل تكاليف القالب وتقصير دورة تصنيع القالب. كل من القالب العلوي والسفلي عالميان ويمكن إعادة استخدامهما. والأهم من ذلك، يمكن معالجة كتل ثقب القالب بشكل مستقل، مما يضمن دقة سير عمل ثقب القالب بشكل أفضل. صُممت الفتحة الداخلية للقالب السفلي كخطوة. يعتمد الجزء العلوي وكتلة ثقب القالب على ملاءمة الخلوص، وتتراوح قيمة الفجوة على كلا الجانبين بين 0.06 و0.1 متر؛ ويتبنى الجزء السفلي ملاءمة التداخل، وتتراوح كمية التداخل على كلا الجانبين بين 0.02 و0.04 متر، مما يساعد على ضمان التوافق المحوري وتسهيل التجميع، مما يجعل ملاءمة التطعيم أكثر إحكامًا، وفي الوقت نفسه، يمكن أن يمنع تشوه القالب الناتج عن ملاءمة تداخل التركيب الحراري.

2.2 اختيار سعة الطارد

يعتمد اختيار سعة الطارد، من جهة، على تحديد القطر الداخلي المناسب لأسطوانة البثق وأقصى ضغط نوعي للطارد على مقطع أسطوانة البثق لتلبية الضغط أثناء تشكيل المعدن. ومن جهة أخرى، يُحدد نسبة البثق المناسبة، ويختار مواصفات حجم القالب المناسبة بناءً على التكلفة. بالنسبة لملف الألمنيوم المُشعّ على شكل دوار الشمس، لا يُمكن أن تكون نسبة البثق كبيرة جدًا. والسبب الرئيسي هو أن قوة البثق تتناسب طرديًا مع نسبة البثق. كلما زادت نسبة البثق، زادت قوة البثق. وهذا يُلحق ضررًا بالغًا بقالب الألمنيوم المُشعّ على شكل دوار الشمس.

تُظهر التجربة أن نسبة البثق لمقاطع الألومنيوم المستخدمة في مشعات دوار الشمس أقل من 25. بالنسبة للمقاطع الموضحة في الشكل 1، تم اختيار آلة بثق بقوة 20.0 ميجا نيوتن وقطر داخلي لأسطوانة بثق يبلغ 208 مم. بعد الحساب، كان أقصى ضغط نوعي للآلة 589 ميجا باسكال، وهي قيمة أكثر ملاءمة. إذا كان الضغط النوعي مرتفعًا جدًا، فسيكون الضغط على القالب كبيرًا، مما يؤثر سلبًا على عمره الافتراضي؛ وإذا كان منخفضًا جدًا، فلن يتمكن من تلبية متطلبات التشكيل بالبثق. تُظهر التجربة أن الضغط النوعي في نطاق 550 إلى 750 ميجا باسكال يُلبي متطلبات العملية المختلفة بشكل أفضل. بعد الحساب، كان معامل البثق 4.37. تم اختيار مواصفات حجم القالب لتكون 350 مم × 200 مم (القطر الخارجي × درجة).

3. تحديد معلمات هيكل القالب

3.1 معلمات هيكل القالب العلوي

(١) عدد وترتيب فتحات التحويل. في قالب تحويلة مشعاع دوار الشمس، كلما زاد عدد فتحات التحويل، كان ذلك أفضل. أما بالنسبة للمقاطع ذات الأشكال الدائرية المتشابهة، فيتم عادةً اختيار ٣ إلى ٤ فتحات تحويلة تقليدية. ونتيجة لذلك، يكون عرض جسر التحويلة أكبر. وبشكل عام، عندما يزيد عرضه عن ٢٠ مم، يكون عدد اللحامات أقل. ومع ذلك، عند اختيار سير العمل لثقب القالب، يجب أن يكون سير العمل لثقب القالب أسفل جسر التحويلة أقصر. في حال عدم وجود طريقة حساب دقيقة لاختيار سير العمل، سيؤدي ذلك بطبيعة الحال إلى عدم تحقيق ثقب القالب أسفل الجسر والأجزاء الأخرى نفس معدل التدفق أثناء البثق بسبب اختلاف سير العمل. سيؤدي هذا الاختلاف في معدل التدفق إلى إجهاد شد إضافي على الكابولي، مما يؤدي إلى انحراف أسنان تبديد الحرارة. لذلك، بالنسبة لقالب بثق مشعاع دوار الشمس ذي العدد الكثيف من الأسنان، من الضروري للغاية ضمان ثبات معدل تدفق كل سن. مع زيادة عدد فتحات التحويل، يزداد عدد جسور التحويل تبعًا لذلك، ويصبح معدل تدفق المعدن وتوزيعه أكثر توازنًا. وذلك لأنه مع زيادة عدد جسور التحويل، يمكن تقليل عرضها تبعًا لذلك.

تُظهر البيانات العملية أن عدد فتحات التحويل عادةً ما يكون 6 أو 8 فتحات، أو حتى أكثر. وبالطبع، بالنسبة لبعض مقاطع تبديد الحرارة الكبيرة على شكل زهرة عباد الشمس، يُمكن للقالب العلوي أيضًا ترتيب فتحات التحويل وفقًا لمبدأ عرض جسر التحويل ≤ 14 مم. الفرق هو أنه يجب إضافة صفيحة تقسيم أمامية لتوزيع وضبط تدفق المعدن مسبقًا. يمكن تحديد عدد وترتيب فتحات التحويل في صفيحة التحويل الأمامية بالطريقة التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك، عند ترتيب فتحات التحويل، يُراعى استخدام القالب العلوي لحماية رأس ذراع الكابولي لسن تبديد الحرارة بشكل مناسب، وذلك لمنع المعدن من الاصطدام المباشر برأس أنبوب الكابولي، وبالتالي تحسين حالة إجهاده. يمكن أن يكون الجزء المسدود من رأس الكابولي بين الأسنان ما بين خُمس وربع طول أنبوب الكابولي. يوضح الشكل 3 تصميم فتحات التحويل.

(٢) علاقة مساحة ثقب التحويلة. نظرًا لصغر سمك جدار جذر السن الساخن وارتفاعه البعيد عن المركز، واختلاف مساحته الفيزيائية بشكل كبير عن المركز، يُعد هذا الجزء أصعب أجزاء تشكيل المعدن. لذلك، من النقاط الأساسية في تصميم قالب مشعاع دوار الشمس جعل معدل تدفق الجزء الصلب المركزي أبطأ ما يمكن لضمان ملء المعدن لجذر السن أولًا. ولتحقيق هذا التأثير، من الضروري اختيار سير العمل، والأهم من ذلك، تحديد مساحة ثقب التحويل، وخاصة مساحة الجزء المركزي المقابل لثقب التحويل. تُظهر الاختبارات والقيم التجريبية أن أفضل تأثير يتحقق عندما تُلبي مساحة ثقب التحويل المركزي S1 ومساحة ثقب التحويل الخارجي المفرد S2 العلاقة التالية: S1 = (٠٫٥٢ ~٠٫٧٢) S2

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون طول قناة التدفق المعدني الفعالة لثقب الفاصل المركزي أطول بمقدار 20 إلى 25 مم من قناة التدفق المعدني الفعالة لثقب الفاصل الخارجي. ويراعي هذا الطول أيضًا هامش وإمكانية إصلاح القالب.

(3) عمق غرفة اللحام. يختلف قالب بثق مشعاع عباد الشمس عن قالب الشنت التقليدي. يجب أن تكون غرفة اللحام بأكملها في القالب العلوي، وذلك لضمان دقة معالجة كتلة الثقب في القالب السفلي، وخاصةً دقة سير العمل. بالمقارنة مع قالب الشنت التقليدي، يجب زيادة عمق غرفة اللحام في قالب الشنت الخاص بمشعاع عباد الشمس. كلما زادت سعة آلة البثق، زاد عمق غرفة اللحام، والذي يتراوح بين 15 و25 مم. على سبيل المثال، عند استخدام آلة بثق بقوة 20 ميجا نيوتن، يكون عمق غرفة اللحام في قالب الشنت التقليدي بين 20 و22 مم، بينما يجب أن يكون عمق غرفة اللحام في قالب الشنت الخاص بمشعاع عباد الشمس بين 35 و40 مم. تكمن ميزة هذا في لحام المعدن بالكامل وتقليل الضغط على الأنبوب المعلق بشكل كبير. يوضح الشكل 4 هيكل غرفة اللحام في القالب العلوي.

3.2 تصميم إدخال ثقب القالب

يتضمن تصميم كتلة ثقب القالب بشكل أساسي حجم ثقب القالب، وحزام العمل، والقطر الخارجي وسمك كتلة المرآة، وما إلى ذلك.

(1) تحديد حجم فتحة القالب. يمكن تحديد حجم فتحة القالب بالطريقة التقليدية، مع الأخذ في الاعتبار بشكل أساسي مقياس المعالجة الحرارية للسبائك.

(2) اختيار سير العمل. يعتمد اختيار سير العمل على ضمان كفاية إمداد المعدن أسفل جذر السن، مما يضمن سرعة تدفقه مقارنةً بالأجزاء الأخرى. لذلك، يجب أن يكون سير العمل أسفل جذر السن الأقصر، أي ما بين 0.3 و0.6 مم، مع زيادة طوله عند الأجزاء المجاورة بمقدار 0.3 مم. يجب زيادة طوله بمقدار 0.4 و0.5 مم كل 10 إلى 15 مم باتجاه المركز؛ ويجب ألا يتجاوز طول سير العمل عند أكبر جزء صلب من المركز 7 مم. وإلا، في حال كان فرق الطول كبيرًا جدًا، ستحدث أخطاء كبيرة في معالجة أقطاب النحاس وتقنية التفريغ الكهربائي (EDM) لسير العمل. وقد يؤدي هذا الخطأ بسهولة إلى كسر انحراف السن أثناء عملية البثق. يظهر سير العمل في الشكل 5.

 

(3) القطر الخارجي وسمك القطعة. في قوالب الشنت التقليدية، يكون سمك فتحة القالب مساويًا لسمك القالب السفلي. أما في قالب مشعاع دوار الشمس، فإذا كان السمك الفعال لفتحة القالب كبيرًا جدًا، فسيصطدم القالب بسهولة بالقالب أثناء البثق والتفريغ، مما يؤدي إلى عدم تساوي الأسنان أو خدوشها أو حتى انحشارها. وهذا بدوره قد يؤدي إلى كسر الأسنان.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان سمك فتحة القالب طويلاً جدًا، فمن ناحية، يكون وقت المعالجة طويلاً أثناء عملية التفريغ الكهربائي، ومن ناحية أخرى، من السهل التسبب في انحراف التآكل الكهربائي، ومن السهل أيضًا التسبب في انحراف الأسنان أثناء البثق. بالطبع، إذا كان سمك فتحة القالب صغيرًا جدًا، فلا يمكن ضمان قوة الأسنان. لذلك، مع مراعاة هذين العاملين، تُظهر التجربة أن درجة إدخال فتحة القالب السفلي تتراوح عادةً بين 40 و50؛ ويجب أن يكون القطر الخارجي لإدخال فتحة القالب بين 25 و30 مم من أكبر حافة لفتحة القالب إلى الدائرة الخارجية للإدخال.

بالنسبة للملف الموضح في الشكل 1، فإن القطر الخارجي وسمك كتلة ثقب القالب هما 225 مم و50 مم على التوالي. يظهر ملحق ثقب القالب في الشكل 6. D في الشكل هو الحجم الفعلي والحجم الاسمي هو 225 مم. يتم مطابقة الانحراف الحدي لأبعاده الخارجية وفقًا للفتحة الداخلية للقالب السفلي لضمان أن تكون الفجوة أحادية الجانب ضمن نطاق 0.01 ~ 0.02 مم. تظهر كتلة ثقب القالب في الشكل 6. الحجم الاسمي للفتحة الداخلية لكتلة ثقب القالب الموضوعة على القالب السفلي هو 225 مم. بناءً على الحجم الفعلي المقاس، تتم مطابقة كتلة ثقب القالب وفقًا لمبدأ 0.01 ~ 0.02 مم لكل جانب. يمكن الحصول على القطر الخارجي لكتلة ثقب القالب على أنه D، ولكن لسهولة التركيب، يمكن تقليل القطر الخارجي لكتلة مرآة ثقب القالب بشكل مناسب ضمن نطاق 0.1 متر عند نهاية التغذية، كما هو موضح في الشكل.

4. التقنيات الرئيسية لتصنيع القوالب

لا تختلف عملية تصنيع قالب مشعاع دوار الشمس كثيرًا عن تصنيع قوالب الألومنيوم العادية. ويتجلى هذا الاختلاف بشكل رئيسي في المعالجة الكهربائية.

(1) عند قطع الأسلاك، من الضروري منع تشوه قطب النحاس. نظراً لثقل قطب النحاس المستخدم في عملية التفريغ الكهربائي، وصغر أسنانه، وليونته، وضعف صلابته، وارتفاع درجة الحرارة الموضعية الناتجة عن قطع الأسلاك، يُسهل تشوهه أثناء عملية القطع. عند استخدام أقطاب نحاسية مشوهة لمعالجة أحزمة العمل والسكاكين الفارغة، قد تظهر أسنان مائلة، مما قد يؤدي بسهولة إلى تآكل القالب أثناء المعالجة. لذلك، من الضروري منع تشوه أقطاب النحاس أثناء عملية التصنيع عبر الإنترنت. أهم الإجراءات الوقائية هي: قبل قطع الأسلاك، قم بتسوية كتلة النحاس باستخدام قاعدة؛ استخدم مؤشر قرص لضبط الوضع الرأسي في البداية؛ عند قطع الأسلاك، ابدأ من الجزء ذي الأسنان أولاً، ثم اقطع الجزء ذي الجدار السميك؛ استخدم من حين لآخر سلك فضي خردة لملء الأجزاء المقطوعة؛ بعد الانتهاء من صنع السلك، استخدم آلة سلك لقطع جزء قصير بطول حوالي 4 مم على طول قطب النحاس المقطوع.

(٢) يختلف تشغيل التفريغ الكهربائي بشكل واضح عن القوالب العادية. يُعدّ تشغيل التفريغ الكهربائي (EDM) بالغ الأهمية في معالجة قوالب مشعاع دوار الشمس. حتى لو كان التصميم مثاليًا، فإن أي عيب طفيف في تشغيل التفريغ الكهربائي سيؤدي إلى تلف القالب بالكامل. لا يعتمد تشغيل التفريغ الكهربائي على المعدات بقدر اعتماده على قطع الأسلاك، بل يعتمد بشكل كبير على مهارات وخبرة المُشغّل. يُولي تشغيل التفريغ الكهربائي اهتمامًا خاصًا بالنقاط الخمس التالية:

①تيار تشغيل التفريغ الكهربائي. يُستخدم تيار 7-10 أمبير في التشغيل الأولي لآلة EDM لتقصير وقت المعالجة؛ ويُستخدم تيار 5-7 أمبير في التشغيل النهائي. الهدف من استخدام تيار منخفض هو الحصول على سطح جيد.

② تأكد من استواء سطح نهاية القالب وعمودية قطب النحاس. ضعف استواء سطح نهاية القالب أو عدم كفاية عمودية قطب النحاس يُصعّب ضمان تطابق طول سير العمل بعد معالجة EDM مع الطول المُصمّم له. من السهل أن تفشل عملية EDM أو حتى تخترق سير العمل المسنن. لذلك، قبل المعالجة، يجب استخدام آلة تجليخ لتسطيح طرفي القالب لتلبية متطلبات الدقة، ويجب استخدام مؤشر قرص لتصحيح عمودية قطب النحاس.

③ تأكد من تساوي المسافة بين السكاكين الفارغة. أثناء التشغيل الأولي، تأكد من وجود إزاحة للأداة الفارغة كل 0.2 مم، كل 3 إلى 4 مم من المعالجة. إذا كانت الإزاحة كبيرة، فسيكون من الصعب تصحيحها بالتعديلات اللاحقة.

④إزالة الرواسب الناتجة عن عملية التفريغ الكهربائي في الوقت المناسب. سيؤدي تآكل تفريغ الشرارة إلى إنتاج كمية كبيرة من الرواسب، والتي يجب تنظيفها في الوقت المناسب، وإلا فسيختلف طول حزام العمل بسبب اختلاف ارتفاع الرواسب.

⑤يجب إزالة المغناطيسية من القالب قبل EDM.

5. مقارنة نتائج البثق

تم اختبار الشكل الموضح في الشكل 1 باستخدام القالب المنقسم التقليدي ومخطط التصميم الجديد المقترح في هذه المقالة. وتوضح مقارنة النتائج في الجدول 1.

يتضح من نتائج المقارنة أن بنية القالب تؤثر بشكل كبير على عمر القالب. يتميز القالب المصمم وفقًا للمخطط الجديد بمزايا واضحة، ويزيد من عمره بشكل كبير.

6. الخاتمة

قالب بثق مشعاع دوار الشمس هو نوع من القوالب يصعب تصميمه وتصنيعه، كما أن تصميمه وتصنيعه معقدان نسبيًا. لذلك، لضمان نجاح عملية البثق وعمر خدمة أطول للقالب، يجب مراعاة النقاط التالية:

(1) يجب اختيار الشكل الهيكلي للقالب بشكل معقول. يجب أن يكون هيكل القالب مناسبًا لتقليل قوة البثق، مما يقلل الضغط على ذراع القالب المشكل بواسطة أسنان تبديد الحرارة، وبالتالي تحسين متانة القالب. يكمن السر في تحديد عدد وترتيب فتحات التحويلة ومساحتها، بالإضافة إلى معايير أخرى، بشكل معقول: أولًا، يجب ألا يتجاوز عرض جسر التحويلة المتشكل بين فتحات التحويلة 16 مم؛ ثانيًا، يجب تحديد مساحة فتحة الانقسام بحيث تتجاوز نسبة الانقسام 30% من نسبة البثق قدر الإمكان، مع ضمان متانة القالب.

(2) يجب اختيار سير العمل بعناية واتخاذ إجراءات مناسبة أثناء التشغيل الآلي، بما في ذلك تقنية معالجة أقطاب النحاس والمعايير الكهربائية القياسية للتشغيل الآلي. النقطة الأساسية الأولى هي تجليخ سطح قطب النحاس قبل قطع الأسلاك، واستخدام طريقة الإدخال أثناء القطع لضمان عدم ارتخاء الأقطاب أو تشوهها.

(3) أثناء عملية التشغيل الكهربائي، يجب محاذاة القطب بدقة لتجنب انحراف الأسنان. بالطبع، بناءً على التصميم والتصنيع المعقولين، فإن استخدام فولاذ عالي الجودة لقوالب العمل الساخن، بالإضافة إلى عملية المعالجة الحرارية الفراغية بثلاث درجات أو أكثر، يمكن أن يُحسّن من كفاءة القالب ويحقق نتائج أفضل. من التصميم والتصنيع إلى إنتاج البثق، لا يمكن ضمان بثق قالب مشعاع عباد الشمس إلا بدقة جميع الحلقات.