طراحي سيستم راهگاهي
براي آنکه قطعات ريختگي بي عيب ريخته گري شوند بايد از يک سيستم راهگاهي مناسب استفاده شود. طراحي و محاسبات سيستم هاي راهگاهي يکي از وظايف مهم مهندسين ريخته گري و متالورژي به حساب مي آيد، و وظيفه مدل ساز در اينگونه موارد فقط توانايي در ساخت مدل هاي صفحه اي با سيستم هاي راهگاهي مي باشد. انواع سيستم هاي راهگاهي به شرح زير است:
سيستم باز: ساده ترين سيستمي که فلز مذاب را به درون قالب هدايت مي کند سيستم باز است، در اين روش فلز مذاب مستقيما به داخل قالب ريخته مي شود، در ريخته گري روباز ناخالصي هاي موجود در فلز مذاب روي سطح قطعه ريخته شده جمع مي شود براي جدا کردن ناخالصي ها از قطعه ريخته شده جدا مي شود و يک قطعه ريختگي سالم به دست مي آيد.در سيستم باز معايب و مشکلات زير وجود دارد:
ناخالصي ها همراه فلز وارد قالب مي شوند.سطح قطعه ريخته شده بسيار خشن و ناهموار است (در اثر تماس شلاکه ها و اجسام سبک با هوا اکسيداسيون به وجود مي آيد).
سيستم بسته: با استفاده از اين سيستم معايبي که در سيستم باز وجود دارد برطرف مي شود. براي اين که در اين سيستم فلز مذاب مسير تعيين شده اي را طي مي کند و آنگاه به آرامي وارد محفظه قالب مي شود.
ويژگي هاي سيستم راهگاهي
سيستم راهگاهي مجموعهاي از کانال هاست که مذاب را از محفظه بار ريزي به محفظه قالب هدايت مي کند. سيستم راهگاهي براي توليد قطعات ريختگي بايد داراي ويژگي هاي زير باشد:
? هدايت جريان مذاب به صورت آرام ويکنواخت، جلوگيري از تلاطم سطحي آن در سيستم راهگاهي و محفظه قالب
? پر کردن به ترتيب و کامل اجزاي سيستم از مذاب
? جلوگيري از تشکيل اکسيد، آخال، سرباره، گاز وحباب و ورود آن ها به محفظه قالب
? تنظيم شيب دمايي مناسب به منظور ايجاد انجماد جهت دار در قطعه ريختگي
? پر کردن يکنواخت وکامل محفظه قالب از مذاب
? توليد قطعه سالم با توجه به تقاضا
? اقتصادي بودن وزن سيستم راهگاهي
علاوه براين، سهولت جدا کردن سيستم راهگاهي از قطعه و کاهش عمليات ريخته پيرايي از نکات مهي است که در طراحي سيستم راهگاهي مورد توجه قرار مي گيرذد
اجزاي اصلي سيستم راهگاهي
• حوضچه/ حوضچه بار ريز ( Pouring basin )
• لوله راهگاه/ راهگاه بارريز ( Sprue )
• کانال اصلي/ راهبار ( Runner )
• کانال هاي فرعي/ راهباره ( Gate )
در روش هاي ريخته گري وزني معمولا مذاب از طريق يک کانال عمودي به نام راهگاه بارريز ( Sprue ) به درون قالب ريخته مي شود. سپس راهگاه به کانلا اصلي به نام راهبار ( Runner ) متصل مي شود. براي اتصال راهبار به قطعه از کانال فرعي به نام راهباره ( Gate ) استفاده
مي شود تا مذاب زا وارد محفظه قالب کند. دو جزء ديگر سيستم راهگاهي، حوضچه بار ريز ( Pouring basin ) و حوضچه پاي راهگاه ( Well ) هستند که اولي در بالاي راهگاه بار ريز و دومي در پايين آن قرار دارد. حوضچه بارريز عمل ريختن مذاب را تسهيل مي کند و حوضچه پاي راهگاه، آشفتگي مذاب سقوط کرده را کاهش مي دهدانواع سيستم هاي راهگاهي
سيستم هاي راهگاهي بر اساس چگونگي تغييرات سرعت و فشار مذاب در اجزاي سيستم به فشاري ( واگرا ) و غير فشاري ــ فشاري تقسيم مي شوند.
علاوه براين، سيتم هاي راهگاهي را مي توان بر اساس روش هاي متداول و روند پر کردن قالب از مذاب به سيستم هاي سر يز، پهلوريز، کف ريز، کاردي و پله اي طبقه بندي نمود که بر حسب شرايط و خواص مورد انتظار از قطعه، قالب و امکانات انتخاب مي شوند.
در حالت اول، نسبت سطوح مقاطع اجزاي سيستم راهگاهي ( Gating Ratio ) به صورت S:R:G ( راهباره : راهبار : راهگاه بارريز )، تعيين کننده نوع سيتم راهگاهي است و براي محاسبه سطوح مقاطع اجزاي سيستم به کار مي رود. ( در صورت چند شاخه بودن سيستم، نسبت مجموع مقاطع اجزا در نظر گرفته مي شود). نوع سيستم راهگاهي به محل قرار گرفتن تنگه بستگي دارد. تنگه کوچکترين سطح مقطع در سيستم است که نه تنها کنترل کننده دبي جريان است، بلکه مکان قرار گيري آن در سيستم، تعيين کننده الگوي جريان نيز مي باشد.
سيستم فشاري
در اين سيستم مجموع سطوح مقاطع راهباره ها به عنوان تنگه عمل مي کند. اين نظريه بر اساس برگشت جريان مذاب به راهبارها و راهگاه بار ريز و پر شدن آن ها بنا شده است تا سرباره و مذاب کثيف از جريان مذاب ورودي به قالب جدا گردد. پس از پر شدن کامل سيستم همواره فشاري در پشت مذاب در حال جريان وجود دارد. سرعت جريان مذاب در راهباره ها بسته به ارتفاع راهگاه بار ريز، از 6/0 تا 6 متر بر ثانيه تغيير مي کند.
در اين سيستم، ترجيحا قسمت تحتاني راهبار و راهباره در يک سطح قرار مي گيرند تا مذاب تميز پس از شناوري سرباره، از قسمت زيرين وارد قالب گردد.
در اين سيستم امکان ورود شلاکه به محفظه قالب از طريق آخرين راهباره و قبل از پر شدن کامل سيستم وجود دارد و براي جلوگيري از آن ها راه هاي زير پيشنهاد شده است:
? نازک و عريض کردن راهباره ها
? امتداد راهبار بعد از آخرين راهباره
? شيب دار کردن قسمت انتهاي راهبار
? تعبيه چاهک در انتهاي راهبار
همچنين پس از پر شدن کامل سيستم، امکان ورود شلاکه به همراه مذاب به درون راهباره وجود دارد و براي جلوگيري از آن موارد زير پيشنهاد شده است:
? حرکت اغتشاشي مذاب در راهبار بايد حداقل گردد.
? با انتخاب نسبت مناسب R :G مذاب را با سرعت کم در راهبار جريان داد.
? فاصله مناسبي بين راهگاه بار ريز و اولين راهباره در نظر گرفت.
? با استفاده از راهبار نازک و بلند فاصله مناسبي بين راهباره تا سطح فوقاني راهبار انتخاب کرد.
از سيستم هاي فشاري متداول مي توان به 8/0 :9/0 :1 و 3:2:1 اشاره نمود.
سيستم غير فشاري
در اين سيستم تنگه در پاي راهگاه بار ريز و يا نزديک کردن آن قرار گرفته است. اين امر سبب پر شدن سريع راهگاه بارريز و پايداري دبي جريان مي گردد وچون معمولا راهبار در درجه پايين و راهباره در درجه بالا قرار دارد، مذاب قبل از پر کردن کامل راهبار امکان جريان يافتن در راهباره را ندارد. همچنين مذاب کثيف اوليه در انتهاي راهبار به دام مي افتد و پس از پر شدن کامل راهبار، سرباره هاي شناور شده به سقف فوقاني آن مي چسبند.
سيستم غير فشاري/ فشاري
اين سيستم، ترکيبي از مزاياي دو سيستم غير فشاري و فشاري را دربر دارد. تنگه در پايين راهگاه بارريز قرار مي گيرد و راهباره ها که در بالاي راهبار قرار دارند همواره از مذاب پر هستند. کنترل جريان مذاب در اينسيستم، در ابتدا توسط تنگه پاي راهگاه صورت مي گيرد و پس از پر شدن راهباره ها و ورود مذاب به محفظه قالب، راهباره ها اين عمل را انجام مي دهند.
سيستم عير فشاري ــ فشاري براي توليد چدن هاي نشکن به روش افزودن منيزيم در راهگاه، کاربرد فراواني دارد. به علت غير فشاري بودن اوليه سيستم، مذاب به آرامي وارد محفظه تلقيح شده تا منيزيم فرصت کافي براي حل شدن در آن را داشته باشد. در ادامه به دليل زمان ميرايي کم منيزيم جهت افزايش سرعت مذاب و فرستادن آن با زمان کم به داخل محفظه قالب، از سيستم فشاري استفاده مي شود.
انتخاب بين سيستم فشاري و غير فشاري
مهمترين عامل در جهت انتخاب سيستم راهگاهي مناسب، عدم وجود تلاطم در سيستم است که رابطه مستقيمي با سرعت حرکت مذاب دارد.
در سيستم فشاري به دليل کاهش تدريجي سطح مقطع اجزاء سيستم، سرعت حرکت مذاب همواره در حال افزايش است ( 6/0 تا 6 متر ثانيه ) وراهبار در ابتدا به صورت تونلي و فواره اي پر مي شود. اين افزايش سرعت سبب تلاطم و آشفتگي مذاب مي شود و پاره شدن لايه اکسيدس و دخول آن به مذاب، ايجاد حباب هاي هوا، سايش قالب و ماهيچه و ورود آخال هاي ماسه اي به مذاب و... را به دنبال دارد. سيستم فشاري بر خلاف تصوري که در طراحي آن به کار رفته است، نمي تواند برگشت جريان مذاب به راهگاه بارريز و راهبار را در لحظات اوليه در بر داشته باشد. به عبارت ديگر به دليل قرار گيري راهباره در پايين راهبار، حدود25 تا 30 درصد از نذاب وارد محفظه قالب شده ( که اين مذاب سرد اوليه داراي حباب هوا، اکسيد و سرباره است ) و زمان کافي جهت شناور شدن سرباره ها داده نمي شود. کافي نبودن طول راهبار براي آرام سازي مذاب نيز به اين موضوع کمک مي کند. با توجه به آنکه يکي از اساسي ترين اصول سيستم هاي راهگاهي آن است که اجزاي سيستم به ترتيب و به تدريج پر شوند، با اين وجود در سيستم اين اصل رعايت نمي شود.
سيستم فشاري معمولا داراي راندمان ريختگي بيشتري نسبت به سيستم غير فشاري است؛ ولي راندمان کل آن به خاطر عدم تضمين سلامت قطعه، معمولا کمتر است.
در مقايسه با مطالب فوق، سيستم غير فشاري داراي مزاياي زير است:
? کمتر بودن تلاطم واثرات مضر ناشي از آن
? سرعت کمتر جريان مذاب و درنتيجه احتمال کمتر پاره شدن لايه اکسيدي
? پر شدن ترتيبي سيستم راهگاهي و کاهش جذب هوا
? راندمان کل بالاتر به دليل ضايعات کمتر
روش هاي پر کردن قالب :
از آنچه که گفته شد مي توان به سادگي نتيجه گرفت که مذاب بايد به آرامي و بدون تلاطم سطحي در سيستم راهگاهي جريان يابد و با سرعت کمتر از حد بحراني وارد محفظه قالب شود. همچنين مذاب داخل محفظه قالب نيز بايد آرامش خود را حفظ کند. انتخاب نقطه يا نقاطي از قطعه که چگونگي و محل ورود مذاب به درون قالب را تعيين مي کند در دستيابي به اين شرط بسيار مؤثر است. ورود مذاب از بالاي محفظه قالب ممکن است باعث شود که مذاب باسرعتي بيش از حد به اداخل محفظه قالب سقوط کند. در صورتي که ارتفاع سقوط مذاب بيشتر از حدود 5/12 ميليمتر باشد تلاطم سطحي ايجاد مي شود. بنابر اين بهترين حالت، جراين رو به بالاست که به وسيله يک سيستم کف ريز حاصل مي شود. اين سيستم به دليل توزيع نامناسب درجه حرارت ممکن است در هنگام مذاب رساني با مشکلات انجمادي و در نهايت، تشکيل مک و تخلخل مواجه شود. در ادامه بحث به ويژگي هاي سيستم هاي سرريز، کف ريز و پهلوريز پرداخته مي شود:
سيستم سرريز
در اين سيستم، مذاب از بالاي محفظه قالب وارد مي شود؛ بنابراين مهم ترين مزيت آن توزيع مناسب درجه حرارت است. مذاب از قسمت پايين به طرف بالاي قطعه منجمد شده و بنابراين با تعبيه يک تغذيه فوقاني مي توان مشکلات انقباضي را رفع کرد. اين در حالي است که اگر ارتفاع سقوط مذاب از 5/12 ميليمتر تجاوز کند،تلاطم سطحي مذاب را به همراه خواهد داشت و مزيت سيستم را از بين مي برد.
به دليل مزيت هايي که سيستم هاي سرريز از نظر انجماد جهت دار دارند، تلاش هاي بسياري در جهت کاهش تلاطو و حذف اکسيد هاي تشکيل شده به عمل آمده است.
سيستم کف ريز
در اين سيستم مذاب از پايين ترين نقطه قالب وارد آن مي شود. همانطور که قبلا نيز ذکر شد، اين سيستم با داشتن مزاياي بسيار، با مشکل عدم انجماد جهت دار روبه رو است. پر شدن آرام قطعه باعث مي شود تا مذاب از کناره هاي راهباره به سمت کناره هاي قطعه جريان يافته و سرد شود و در نهايت به صورت لايه هاي درو از مذاب گرم ورودي منجمد شود. منطقه مياني قطعه تا پايان پر شدن آن به صورت مذاب باقي مي ماند که اين حالت را جريان فواره اي ناميده اند. انجماد مسير جريان مذاب و اطراف ان به دليل پيش گرم شدن به آهستگي صورت مي گيرد و نتيجه آن تشکيل ساختار درشت و متخلخل و بورز مک هاي گازي و انقباضي ( به دليل کوتاه شدن برد تغذيه ) است.
چنين عيبي در قطعات بزرگ بيشتر رخ مي دهد که دليل آن زمان طولاني پر شدن قالب است. در اين حالت منطقه اي با دانه هاي بزرگ و مک هاي ريز ايجاد مي شود که بهشکل ساختار انقباضي است و به همين دليل معمولا با انقباض اشتباه گرفته مي شود. حتي پر کردن سريع در حالتي که تغذيه در بالاي قطعه قرار بگيرد ، نمي تواند جوابگو باشد.
سيستم پهلوريز
سيستم سرريز و کف ريز به ترتيب داراي مزاياي عمده انجماد جهت دار و عدم تلاطم سطحي ( پر شدن آرام ) هستند. براي استفاده از هر دوي اين مزيت ها در يک سيستم واحد، انواع سيستم هاي راهگاهي پهلوريز پيشنهاد شده است که در اين واحد درسي از اين سيستم بارريزي استفاده نشده است.