طراحی و ساخت قالب اختصاصی اکستروژن آلومینیوم

وقتی محصول شما به مقطعی نیاز دارد که هیچ پروفیل استانداردی در کاتالوگ‌ها با آن مطابقت ندارد — یک هیت‌سینک با گام پره‌ی مشخص، یک ریل نگهدارنده‌ی پنل خورشیدی با کانال پیچ یکپارچه، یا یک مقطع تی‌اسلات متناسب با مونتاژ خودتان — کار از یک قالب اختصاصی اکستروژن آغاز می‌شود. قالب همان ابزار فولادی سخت‌کاری‌شده‌ای است که بیلت داغ آلومینیوم از میان آن رانده می‌شود — برای مقطع توپر یک صفحه‌ی یک‌تکه و برای مقطع توخالی یک مجموعه‌ی چندتکه (صفحه‌ی قالب به‌همراه سنبه و پل‌ها) — و دهانه‌ی آن دقیقاً نگاتیو پروفیل نهایی شماست. شکل ظاهری قطعه، دقت ابعادی و صرفه‌ی اقتصادی تولید آن، همه به کیفیت طراحی و ساخت همین قالب برمی‌گردد.

در کیان مهر طراحی و ساخت قالب به‌صورت درون‌سازمانی و برای پرس حدوداً ۱۶۰۰ تنی خودمان انجام می‌شود؛ یعنی مهندسی که قالب را طراحی می‌کند و تیمی که پرس را می‌راند زیر یک سقف کار می‌کنند. در این مطلب مرور می‌کنیم که یک قالب اختصاصی اکستروژن آلومینیوم چگونه طراحی، شبیه‌سازی، ساخته و نمونه‌گیری می‌شود و شما پیش از ارسال نقشه چه چیزهایی را باید آماده کنید: فرمت نقشه، آلیاژ و تمپر، تلورانس‌های حساس، حداقل تیراژ و زمان تحویل.

از نقشه تا قالب: مسیر کار

هر پروفیل جدید از یک توالی مشخص عبور می‌کند. نخست مقطع را از نظر قابلیت اکسترود شدن بررسی می‌کنیم و جا شدن آن روی پرس را تأیید می‌کنیم. سپس نوبت طراحی قالب است: تعیین توپر یا توخالی بودن مقطع، جانمایی پورت‌ها و محفظه‌های تغذیه، و تنظیم طول بیرینگ (لبه‌ی کاری) که سرعت خروج فلز از هر بخش دهانه را کنترل می‌کند. طراحی از فولاد گرم‌کار ماشین‌کاری می‌شود، تحت عملیات حرارتی و نیتراسیون قرار می‌گیرد و مونتاژ می‌شود. در پایان یک بیلت آزمایشی می‌زنیم، نمونه‌ی اول را اندازه‌گیری می‌کنیم و قالب را پیش از ورود به تولید انبوه اصلاح می‌کنیم.

چه چیزی از شما لازم داریم

• مقطع دوبعدی با فرمت DXF یا DWG (فایل PDF یا STEP هم پذیرفته می‌شود)، ترسیم‌شده در مقیاس واقعی.
• ابعاد حساس و تلورانس آن‌ها به‌روشنی مشخص شود و سطح مبنا (datum) ذکر گردد.
• آلیاژ و تمپر موردنظر — یا صرفاً نیاز استحکامی، سطح و آبکاری آندایز، تا ما گزینه‌ی مناسب را پیشنهاد دهیم.
• کاربرد قطعه و در صورت امکان برآورد تیراژ سالانه، تا عمر و هزینه‌ی قالب بهینه شود.

قالب توپر، نیمه‌توخالی و توخالی

مهم‌ترین تصمیم در طراحی، توپر یا توخالی بودن مقطع است، چون هم نوع قالب و هم بخش زیادی از هزینه‌ی آن را تعیین می‌کند.

قالب توپر و نیمه‌توخالی

مقاطع باز — تسمه، نبشی، بیشتر ریل‌ها، شانه‌های هیت‌سینک و پروفیل‌های ال‌ای‌دی — با یک قالب توپر یک‌تکه تولید می‌شوند. وقتی یک مقطع توپر شکافی عمیق و باریک دارد که بخشی از یک فضا را دربر می‌گیرد (مقطع نیمه‌توخالی)، «زبانه»‌ی باریک قالب بین دیواره‌ها شکننده است و باید نسبت زبانه آن در حد معقول نگه داشته شود، وگرنه قالب در حین کار می‌شکند.

قالب توخالی (پورت‌هول)

مقاطع بسته که یک یا چند حفره‌ی داخلی دارند — لوله‌ی مربع و مستطیل، ریل‌های چندحفره‌ای خورشیدی، مقاطع فریم — به قالب توخالی پورت‌هول (پل‌دار) دوتکه نیاز دارند. فلز حول پل‌هایی که سنبه‌ی مرکزی را نگه می‌دارند به چند جریان تقسیم می‌شود و سپس در محفظه‌ی جوش دوباره زیر فشار به هم می‌پیوندد. به همین دلیل است که اکستروژن‌های توخالی خطوط جوش طولی دارند؛ طراحی درست پورت و محفظه همان چیزی است که این خطوط جوش را سالم و کم‌نمود می‌کند.

شبیه‌سازی جریان فلز و اصلاح قالب

آلومینیوم به‌خودی‌خود از میان یک دهانه‌ی پیچیده به‌طور یکنواخت جاری نمی‌شود؛ نواحی ضخیم و لبه‌های بیرونی مقطع معمولاً سریع‌تر یا کندتر از بخش‌های نازک و مرکزی حرکت می‌کنند و نتیجه‌اش خمش، پیچش یا انحراف ابعادی است. این عدم توازن را ابتدا در مرحله‌ی طراحی و با شبیه‌سازی جریان فلز (تحلیل المان محدود) برطرف می‌کنیم؛ سرعت جریان در سرتاسر دهانه پیش‌بینی و طول بیرینگ، محفظه‌های تغذیه و اندازه‌ی پورت‌ها پیش از برش فولاد تنظیم می‌شود. اصلاح جریان روی مانیتور بسیار ارزان‌تر از اصلاح آن روی پرس است.

هیچ قالبی با نخستین بیلت بی‌نقص نیست. پس از پرس آزمایشی، نمونه‌ی اول را با نقشه‌ی شما تطبیق می‌دهیم و اصلاح قالب انجام می‌شود — تنظیم بیرینگ‌ها، اصلاح گوشه‌ها یا بازکاری محفظه‌ها — و دوباره نمونه‌گیری می‌کنیم تا پروفیل در محدوده‌ی تلورانس و بدون انحراف قرار گیرد. تنها پس از آن قالب وارد تولید می‌شود و برای سفارش‌های بعدی شما نزد ما نگهداری و سرویس می‌شود.

تلورانس، آلیاژ و کنترل کیفیت

هر ذوب پیش از رسیدن به پرس با آنالیز کوانتومتری (نشرسنجی نوری) بررسی می‌شود تا ترکیب شیمیایی آلیاژ تأیید گردد، و پروفیل‌های نهایی تحت بازرسی ابعادی ۱۰۰٪ با نقشه‌ی شما کنترل می‌شوند. ابعاد کنترلی تا ±۰.۱ میلی‌متر نگه داشته می‌شوند؛ البته تلورانس دست‌یافتنی روی هر مشخصه به ضخامت دیواره، اندازه‌ی کلی و آلیاژ بستگی دارد. کار ما مطابق الزامات استاندارد ملی ایران (INSO) انجام می‌شود و پروفیل‌های سازه‌ای خورشیدی بر اساس مشخصات ساتبا (SATBA) برای سازه‌ی نیروگاه‌های خورشیدی تولید می‌شوند.

آلیاژ و تمپر متناسب با کاربرد انتخاب می‌شوند. ۶۰۶۳-T5 گزینه‌ی عمومی برای پروفیل‌های نما و محفظه با سطح آندایز تمیز است؛ ۶۰۰۵A-T6 استحکام بالاتری برای سازه‌ها و ریل‌های باربر خورشیدی فراهم می‌کند؛ و ۶۰۶۰ سطحی عالی برای قطعات تزئینی و آندایزشده می‌دهد. تمپر T5 با کوئنچ پای پرس و پیرسازی مصنوعی به‌دست می‌آید، در حالی که T6 یک مرحله‌ی عملیات حرارتی انحلالی جداگانه برای بیشترین استحکام اضافه می‌کند.

حداقل تیراژ، زمان تحویل و طراحی برای اکستروژن

به‌عنوان یک برآورد تقریبی، قالب یک پروفیل جدید در حدود ۳ تا ۵ هفته — شامل نمونه‌ی اول — آماده می‌شود؛ قالب‌های توپر ساده سریع‌تر و قالب‌های توخالی پیچیده زمان‌برترند و نخستین سری تولید غالباً از حدود ۵۰۰ کیلوگرم به ازای هر پروفیل آغاز می‌شود. این ارقام صرفاً جنبه‌ی راهنما دارند و به وزن و هندسه‌ی مقطع و تیراژ شما بستگی دارند؛ نقشه‌ی خود را برای ما بفرستید تا زمان تحویل، حداقل تیراژ و هزینه‌ی یک‌بارِ قالب را برای قطعه‌ی شما به‌طور دقیق اعلام کنیم. قالب پس از آن برای سفارش‌های آینده نزد ما نگهداری و سرویس می‌شود.

با طراحی درست‌تر مقطع می‌توانید هزینه‌ی قالب را کاهش دهید، دستیابی به تلورانس را آسان‌تر کنید و عمر قالب را بالا ببرید:

• ضخامت دیواره را تا حد امکان یکنواخت نگه دارید؛ تغییرات ناگهانی ضخیم به نازک، جریان فلز را نامتوازن و مقطع را دچار اعوجاج می‌کند.
• گوشه‌های تیز را با شعاع‌های داخلی و بیرونی مناسب جایگزین کنید؛ پرشدگی بهتر و عمر قالب بیشتر می‌شود.
• مقطع متقارن را ترجیح دهید؛ پروفیل‌های متوازن مستقیم‌تر پرس می‌شوند و تنظیمشان بسیار ساده‌تر است.
• از شیارهای عمیق و باریک غیرضروری (نسبت زبانه‌ی بالا) که زبانه‌ی شکننده در قالب باقی می‌گذارند بپرهیزید.
• کل مقطع را درون دایره‌ی محیطی ۱۷۸ میلی‌متری پرس نگه دارید.