قطعات موجود در وسایل و تجهیزات اطراف ما، با استفاده از فرآیندهای ساخت، تولید می‌شوند که ریخته گری هم یکی از آنهاست. ساخت برخی از این قطعات، در مقیاس‌های کوچک و برخی دیگر، در مقیاس‌های بزرگ و صنعتی انجام می‌گیرد. از شناخته شده‌ترین روش‌های صنعتی ساخت و تولید می‌توان به ریخته‌گری اشاره کرد.
ریخته‌گری، فرآیندی است که به طور گسترده برای تولید قطعات فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرآیند از محبوبیت بالایی در صنایع خودروسازی و ماشین‌سازی برخوردار است. در این مقاله، به معرفی اصول و مفاهیم ریخته گری می‌پردازیم.
در ابتدا، کاربردها، مواد مورد استفاده، انواع روش‌های اجرا، روند کلی اجرا، مزایا، معایب و عیوب این فرآیند را مرور می‌کنیم. سپس، تاریخچه، اصطلاحات رایج و انواع روش‌های ریخته‌گری را مورد بررسی قرار می‌هیم. در انتها نیز به ارائه برخی از نکات تکمیلی و منابع یادگیری این فرآیند مهم می‌پردازیم.
روش های ساخت و تولید
ساخت و تولید، یک اصطلاح کلی است که به مجموعه فعالیت‌‌های مورد نیاز برای ایجاد یک قطعه در صنایع مختلف اشاره می‌کند. روش‌ها و فرآیندهای متنوعی برای ایجاد قطعات صنعتی و غیر صنعتی وجود دارند. به عنوان مثال، قطعات پلاستیکی مورد استفاده در بسیاری از تجهیزات، با استفاده از روش قالب گیری تزریقی ساخته می‌شوند.
شناخته‌شده‌ترین روش‌های ساخت و تولید عبارت هستند از:
1.ریخته گری
2.پوشش‌دهی و حکاکی: حکاکی با لیزر، چاپ، انباشت بخار شیمیایی، لایه‌نشانی کندوپاش، آبکاری و پاشش حرارتی
3.قالب گیری: متالورژی پودر، قالب گیری پلاستیک و پوشش شرینک
4.شکل دهی: فرم دهی انتهای لوله، آهنگری، نورد، اکستروژن، پرسکاری، خم‌کاری، برشکاری و غیره
5.ماشین کاری: فرزکاری، تراشکاری، سوراخکاری، خانکشی، هونینگ، برشکاری با لیزر، واتر جت، برش پلاسما، تخلیه الکتریکی، سنگ‌زنی و غیره
6.اتصال: جوشکاری، لحیم‌کاری، تف جوشی، چسب‌کاری، پیچ‌کاری و غیره
7.ساخت افزایشی: چاپ سه بعدی، تف جوشی لیزری انتخابی، رشته پیچی، رشته ذوبی، لایه‌سازی، تف جوشی با پلاسما، استریولیتوگرافی و غیره
8.روش‌های دیگر: معدنکاری، تولید شیمیایی، پتروشیمی، مونتاژ، لجستیک، بسته‌بندی، چوب‌کاری، عملیات حرارتی (مانند سخت کاری)، پخت و غیره
موارد بالا، به منظور ساخت و تولید قطعات فلزی، پلاستیکی، پلیمری و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند. روش‌های ساخت و تولید می‌توانند کاربری‌های اختصاصی (یک صنعت و یک ماده خاص) یا عمومی داشته باشند. البته توجه داشته باشید که امکان تقسیم‌بندی‌ها روش‌های ساخت و تولید به گروه‌های کلی‌تر نیز وجود دارد. به عنوان مثال، ریخته‌گری، شکل‌دهی و اتصال، به عنوان روش‌های فلزکاری در نظر گرفته می‌شوند.
ریخته گری
ریخته گری (Casting)، یکی از قدیمی‌ترین فرآیندهای ساخت و تولید است که با ذوب مواد و ریختن آن‌ها به درون قالب انجام می‌گیرد. این فرآیند، از متداول‌ترین روش‌های ساخت قطعات فلزی در صنایع مختلف به شمار می‌رود.
ریخته‌گری، امکان تولید انبوه قطعاتی با ابعاد کوچک تا بزرگ، وزن چند گرم تا چند تن، شکل ساده تا پیچیده و ساختار یکپارچه را فراهم می‌کند. روش‌های متعددی برای اجرای ریخته گری وجود دارند. با این حال، ریخته گری ماسه ای به عنوان قدیمی‌ترین و رایج‌ترین روش اجرای ریخته‌گری شناخته میشود.
تاریخچه ریخته گری
آغاز فرآیند ریخته‌گری، به بیش از 6500 سال پیش باز می‌گردد که ریخته گری طلا، به منظور ساخت قطعات تزئینی و بازیافت فلزات گرانبها مورد استفاده قرار می‌گرفت. پایین بودن دمای ذوب طلا، این فلز گرانبها را به گزینه‌ای مناسب برای ریخته‌گری تبدیل می‌کرد. با گذشت زمان، فلزات دیگر نیز مسیر خود را به این فرآیند پیدا کردند.
برنز و آلیاژ قلع از جمله فلزاتی بودند که به منظور ساخت ابزارآلات و سلاح ها کار گرفته می‌شدند. تا پیش از انقلاب صنعتی در قرن 18 میلادی آهن خام به عنوان اصلی‌ترین ماده مورد استفاده برای ریخته‌گری در نظر گرفته می‌شد. بازه زمانی بین انقلاب صنعتی و شروع قرن 20 میلادی را می‌توان به عنوان مهم‌ترین دوره پیشرفت و ترقی صنعت ریخته گری در نظر گرفت.
اجرای اولین ریخته گری فولاد با استفاده از بوته های ریخته‌گری، افتتاح اولین کارخانه تجاری فولاد و توسعه متالوگرافی، از پیشرفت‌هایی بودند که زمینه تولید انبوه قطعات آهنی و فولادی با کیفیت در سراسر دنیا را فراهم کردند. در ادامه قرن 20 میلادی، الکتریسیته پا به صنعت ریخته‌گری گذاشت؛ امکان ساخت قطعات فولاد ضد زنگ فراهم شد و صنعت خودروسازی نیز در اروپا، آمریکا و ژاپن توسعه یافت.
عکس 1 : ریختن مواد مذاب به درون قالب‌های ماسه‌ای
کاربرد ریخته گری
ریخته گری، تقریبا در تمام صنایع کاربرد دارد. حدود 90 درصد از محصولات تولید شده در صنایع مختلف و ماشین‌آلات صنعتی به نحوی با فرآیندهای ریخته گری در ارتباط هستند.
نمونه‌هایی از قطعات ریخته گری شده مورد استفاده در خودرو
صنایع و حوزه‌های مختلفی که ریخته‌گری در آن‌ها کاربرد دارد، عبارت هستند از:
حمل و نقل: خودروسازی ، تجهیزات راه‌آهن و کشتی‌سازی
ماشین آلات سنگین: ماشین آلات راهسازی، کشاورزی و معدنکاری
ماشین ابزار: تجهیزات ماشین‌کاری، قالب‌سازی، آهنگری، اکستروژن، شکل‌دهی و ریخته گری
ماشین آلات کارخانه: تجهیزات کارخانه‌های تولید مواد شیمیایی، پتروشیمی، کاغذسازی، تولید شکر، نساجی، ذوب و نیروگاه‌ها
صنایع نظامی: تسلیحات، مهمات، مخازن و تجهیزات نگهدارنده
صنایع الکتریکی: موتور، ژنراتور، پمپ و کمپرسور
تاسیسات: لوله‌ها، اتصالات، ولوها و فیتینگ‌های مورد استفاده در پایپینگ، تاسیسات بهداشتی و تاسیسات سرمایشی
لوازم خانگی: وسایل آشپزخانه، مبلمان و تجهیزات باغبانی
هنر: مجسمه‌سازی، وسایل زینتی، دکوراسیون و غیره
مواد مورد استفاده در ریخته گری
چدن ، پرکاربردترین ماده مورد استفاده در فرآیند ریخته گری است. از دیگر فلزات متداول در این فرآیند می‌توان به آلومینیوم، فولاد، مس و روی اشاره کرد. البته امکان استفاده از مواد غیر فلزی مانند بتن، شیشه، پلاستیک و رزین نیز برای ساخت قطعات ریخته‌گری وجود دارد. انتخاب ماده مناسب برای ساخت قطعات، به پارامترهایی نظیر حجم تولید، صرفه اقتصادی، دمای ذوب، سرعت خنک‌کاری، مقاومت در برابر فرسودگی، وزن و قابلیت جذب ارتعاش بستگی دارد. نوع ماده مورد استفاده، یکی از معیارهای تقسیم‌بندی انواع روش های ریخته گری و کاربردهای آن‌ها است.
فرایند ریخته گری
با وجود روش‌های مختلف برای اجرای ریخته گری، این فرآیند، معمولا طی چندین مرحله کلی انجام می‌گیرد. این مراحل عبارت هستند از:
1.مدل‌سازی
طراحی و ساخت قالب های صنعتی مورد استفاده در فرآیند ریخته گری توسط نرم افزارهای تخصصی.
2.ساخت ماهیچه
طراحی و ساخت ماهیچه‌های مورد نیاز برای ایجاد سطوح داخلی قطعه.
3.قالب سازی
ساخت قالب ریخته‌گری با توجه به مستندات طراحی و با استفاده از موادی نظیر ماسه، موم، فولاد و غیره.
4.ذوب و ریختن
اعمال دمای بالا به فلزات برای تبدیل به حالت مایع و ریختن مواد مذاب به درون قالب.
5.انجماد
کاهش دمای فلز مذاب پس از اتمام فرآیند ریختن.
6.باز کردن قالب
جدا کردن قالب و خارج کردن قطعه شکل گرفته شده.
7.پرداخت
اجرای برشکاری، سنگ‌زنی و غیره به منظور جدا کردن بخش‌های اضافی قطعه و یا ایجاد بافت مناسب .
ابزار های اصلی ریخته گری
1. قالب
ابزاری است که به منظور شکل‌دهی به فلز مذاب مورد استفاده قرار می‌گیرد و دارای حفره ای برای ریختن فلز مذاب است و میتواند از ماسه ، گچ ، سرامیک و … ساخته شود و می تواند یکبار مصرف یا دائمی باشد.
2. قطعه ریخته گری شده
جسمی است که پس از فرآیند انجماد از درون حفره قالب خارج میشود. به قطعه ریخته گری شده، اصطلاحا کستینگ (Casting) می‌گویند.
3. فلاسک
ابزاری است که به منظور نگهداری قالب ریخته گری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این وسیله، فقط دارای دیواره‌های جانبی است و هیچ بخش بالایی یا پایینی ندارد. مقطع فلاسک، معمولا به شکل مقاطع ساده‌ای نظیر مربع، مستطیل و دایره است.
4. مدل
مدل یا الگو جسمی کاملا مشابه با قطعه نهایی ریخته گری است. این جسم به منظور ایجاد حفره قالب (فضای جریان یافتن مواد مذاب) مورد استفاده قرار می‌گیرد. از مواد قابل استفاده برای ساخت مدل ریخته گری می‌توان به چوب، فلز و موم اشاره کرد.
5. بوته
ظرفی است که به منظور نگهداری فلزات در حین فرآیند ذوب مورد استفاده قرار می‌گیرد. بوته ریخته گری معمولا از جنس مواد سرامیکی یا فلزی با نقطه ذوب بسیار بالا ساخته میشود. این وسیله درون کوره قرار می‌گیرد و حرارت کوره را به فلز درون خود انتقال می‌دهد.
6. پاتیل
وسیله ای است است که برای انتقال فلز ذوب شده به داخل قالب به کار می رود و برخلاف بوته داخل کوره قرار نمیگیرد.
7. ماهیچه
در قطعات تو خالی، نقش ماهیچه‌ها ایجاد محفظه‌های داخلی اصلی در قطعه می‌باشد.
همچنین بخوانید: انواع روش های ریخته گری
مزایای ریخته گری
از مهم‌ترین مزیت‌های ریخته‌گری نسبت به دیگر روش‌های ساخت و تولید می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. امکان ساخت قطعات پیچیده با جزئیات ریز و دقیق با هزینه نسبتا کم
2. عدم تاثیر ابعاد قطعه مورد نظر بر روی فرآیند
3. خواص مکانیکی بسیار خوب قطعه نهایی
4. عدم وجود محدودیت در مواد قابل استفاده
5. امکان ساخت قطعات کامپوزیتی (متشکل از چندین ماده)
محدودیت های ریخته گری
برخی از محدودیت‌های ریخته‌گری عبارت هستند از:
پرداخت نسبتا ضعیف سطح و نیاز به انجام پرداخت ثانویه در اغلب موارد
امکان رخ دادن عیب و نقص در قطعه
کنترل نسبتا دشوار به دلیل وجود مراحل زیاد
مقاومت پایین در برابر خستگی نسبت به آهنگری
معایب ریخته گری
هر یک از روش های ریخته گری، مستعد رخ دادن عیب و نقصهای مختص به خود هستند. برخی از این عیب و نقص‌ها، کیفیت و عملکرد قطعه را تحت تاثیر قرار می‌دهند. به همین دلیل، این عیوب، معمولا طی فرآیندهای کنترل کیفیت شناسایی می‌شوند.
از رایج‌ترین نواقص احتمالی در قطعات ساخته شده به روش ریخته‌گری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. عدم انطباق: عدم جانمایی مناسب نیمه‌های قالب و ماهیچه
2. تورم: افزایش ابعاد حفره قالب به دلیل فشار زیاد مواد فشار
3. جوشیدن (سوسه و مک): محبوس شدن گاز در سطح قطعه به دلیل فرآیند انجماد
4. ماسه ریزی: وجود ترک بر روی سطح بالایی ماسه و اضافه شدن ذرات ماسه به درون فلز مذاب
5. نفوذ فلز: سطوح ناهموار و زبر قطعه به دلیل دانه‌بندی بزرگ ماسه و نفوذ مواد مذاب به درون قالب
6. حفره‌های کوچک: حفره‌های بسیار ریز (حدود 2 میلی‌متر) بر روی سطح قطعه به دلیل آزاد شدن گاز هیدروژن از مواد مذاب
7. حفره‌های انقباضی: ایجاد حفره‌های داخلی ناشی از کاهش حجم قطعه در حین انجماد
8. اتصال سرد: به جا ماندن اثر خط برخورد مواد مذاب در قالب‌های دارای دو مجرای ورودی
9. نیامد: انجماد مواد مذاب قبل از پر کردن کامل تمام حفره
10. آخال سرباره‌ای: وجود ذرات سرباره درون مواد مذاب
11. ترک گرم: شکست کششی ناشی از تنش‌های پسماند در مواد مذاب
12. سخت ریزه: انجماد سریع‌تر برخی از نقاط نسبت به مواد اطراف
13. ماهیچه ماسه‌ای: حفره‌های داخلی یا خارجی ناشی از ورود ذرات سست ماسه به درون حفره قالب یا ریختن سریع مواد مذاب به درون قالب
14. لکه: ناهمواری سطح قطعه به دلیل وجود ذرات اضافی بر روی سطح داخلی قالب
15. حفره‌های شبکه‌ای: ایجاد چندین حفره کوچک و نزدیک به هم در سطح خارجی قطعه
16. تابیدگی: تغییر شکل قطعه در حین انجماد یا پس از انجماد به دلیل یکنواخت نبودن نرخ کاهش دمای مواد
17. پلیسه: ایجاد لایه نازک
همان طور که مشاهده می‌کنید، احتمال رخ دادن عیب و نقصهای زیادی در فرآیند ریخته‌گری وجود دارد. همین موضوع، اهمیت طراحی مناسب، اجرا اصولی و نظارت مداوم بر روی ساخت قطعات توسط این روش را دو چندان می‌کند.