锌压铸热流道的设计与应用

锌压铸热流道的设计及应用铸件流道的损耗对压铸有所认识的都会知道，流道或余料是铸件的一部分，虽然没有利润价值，但在生产过程中是无法避免。这部分的成本一般只计算为铸件成本的固定比率。同时，鉴于锌合金的可回收性，本地最常见的处理方法是实时投回机炉翻熔，由于需要控制质量问题，用中央熔炉回收流道或废品亦渐为业界所接受(图１)。至于炉渣，规模较大的压铸厂可能会自行回收，一般会把这些余料售回原料供货商，换回新料。本地的锌料回收价一般为新料的五至七成。若没有良好的环保条件，处理炉渣易造成空气污染。以一台160吨热室压铸机为例，每次生产至少150克流道(不包括溢流井)，假设以三班生产，生产周期为20秒，机器使用率有80%，年产浇口流道便达190吨。另一例子：以一台80吨机计算，每次生产100克流道，同样的假设但生产周期改为12秒，年产流道更超过210吨。由此可见，流道设计影响成本的重要性。各种回收方式在回收方法当中，直接把流道投回机炉为最简单和节省成本的方法。翻熔刚生产的流道无须预热，而且减少存放的空间，但很难控制熔料的质量，包括炉渣较多，炉温难以控制，合金成份亦无法得知；更重要的是，它依赖操作员工的工艺，如投入新料的比例，观察炉水的变化，而员工把溢流井、飞边投入机炉，不但会令情况更差，这种把废品直接翻熔的方法亦隐藏了高次品率、模具设计及压铸参数不稳定的问题，令管理人员无法有效地作出改善。此方法不适宜生产表面质量要求较高之铸件，且难以正确计算流道损耗成本。中央熔炉回收水口及次品开始流行于产量大的压铸厂，它的好处非常明显，就是集中处理回收料可以提高熔炉效率，控制合金质量。如果以金属液从中央炉直接加入机炉，压铸机料温可保持稳定，少炉渣，如配以自动加料控制，液面高度变化可减至最低。目前流行的中央熔炉分为数类：有较大容量的铸铁坩埚炉，不锈钢坩埚炉，及连续熔化型非坩埚炉。锌液运输亦分为数类：有天车式液料运输，有地面推车式(无轨或有轨)保温炉(附有送料装置)运输及保温槽式重力输送装置，将机炉与中央炉相连。它的缺点是投资较大，只适合单一种合金(这里暂不讨论小型坩埚炉)，车间占地较大，因此小型压铸厂(五台机以下)则不太适合，而且旧厂房难于改造配合，故一般只会在建新厂房时才会重新规划。使用小型坩埚炉翻熔浇口料，由于缺乏规模效益，成本会较中央熔炉高，因此不以此作计算参考。翻熔成本的计算就以使用中央熔炉的方式计算流道的翻熔成本作为参考。以一所公司有五台80吨或160吨压铸机为例，假设该设备的投资为50万，分十年摊分。每年处理约1000吨流道回收料(实际情况应和新料按比例熔化，这里纯粹方便计算翻熔成本)。每公斤浇口料之翻熔成本为$0.93，按上述以五台机的计算，每年生产1000吨流道水口，涉及金额近一千万，如包括次品的回收，此数字更为惊人(如平均铸重为100克而次品率5%，周期12秒，五台机计算，每年回收之次品约为53吨)。虽然，处理数量越大，翻熔成本越低，但这里并没有计算环保及严格的品管成本。由此可见，浇口翻熔的成本相当惊人，压铸厂必需尽量降低成本。因此，如何减少浇口重量是控制成本的重要关键。占地租金20.000港元设备投资摊分50.000港元利息成本5.000港元保养维修25.000港元燃油费（每吨用100公升油渣·2美元/公升）200.000港元电费（1美元/度）30.000港元工资（包括操作工人，管理人员，品管人员）100.000港元金属损耗5%（10美元/公斤）500.000港元总计：930.000港元摊分流道成本的计算方式水口的翻熔成本必须算入铸件的生产成本，最常见的做法是以用料乘固定百分比计算。例如，原料价为$10/公斤，水口翻熔成本为铸件重量的3%，计算铸件材料价时便会用$10.3。此方法虽然简单，但可能令成本计算出现偏差，并隐藏起真实的水口回收成本。现在可用以下例子作一比较：铸件A净重400克，水口流道重100克。铸件B净重同为400克，水口流道重量则为250克。如用固定百分比计算：铸件A与铸件B的成本应同为($10.3x0.4)=$4.12。如用实际回收成本计算：铸件A应为($10x0.4+$0.93x0.1)=$4.093铸件B应为($10x0.4+$0.93x0.25)=$4.233这差别看似细小，但以20秒作生产周期，机器使用率为80%及以三班生产，每台机每年生产1,261,440次来计算，差别如下：流道水口成本铸件A铸件B差别固定比例法5.197.132港元5.197.132港元0港元实际成本法5.163.074港元5.339.675港元176.601港元差别34.058港元142.543港元如用固定比例法，铸件A与B的成本一样，但实际上铸件B的成本较高。从这案例看出，用固定比例法计算铸件B，不但低估了生产成本，更间接鼓励设计者不以减少水口流道的重量为目标，应该推广实际成本法的应用(见下表)。要减低浇口重量，较常见的是短浇口(短唧咀)设计，及减薄定模板厚度。它使用较长的机器射咀(一般较正常长20mm)，配合深穴的进浇口模具设计，以减少浇口重量，以下是一项崭新的热室压铸浇道设计。热室压铸浇道设计压铸浇道是金属液从射咀流入模腔的路径，它是由直浇道及横浇道的分支组成。由于需要附着铸件及便于脱模，直浇道必须要有斜度。同时，动模板上的分流块，可以减低直浇道的厚度；在分流块里加冷却水道，方便平衡模热、缩短冷却时间及拉出铸件并顶出。澳洲CSIRO机构在70年代初期的研究发现，在可接受的误差下，锌合金液在压铸情况下可归纳为：液态表现为非压缩性流体符合一般流体力学原理雷诺数值(Reynoldnumber)高，显示流动过程为紊流。根据以上研究结果，理想的金属液流动状态应为：图21.流道剖面为圆形由于圆周／面积比数值最低，圆形剖面管道的表面阻力最低，因此压力损失亦最低。比起相等梯形剖面积，周边少20%以上。(图２)2.流动管道为直线弯曲管道会产生偏流，把气泡混入熔液，并造成压力损失。尤其当弯曲半径/管道直径比小于1，压力损耗急速增加。3.流道剖面往液流方面渐次缩小管道剖面急促改变，不论变大或变小，均会造成高压力损耗及产生涡流。最佳的方案是剖面渐次缩小，以补偿管道面造成的阻力损耗。传统设计的缺点目前流行的流道在设计上与理想的流动状态相违：1.流动剖面变化时大时小，造成涡流(Eddycurrent)(图３)2.横浇道剖面为梯形，死角位置容易产生冷隔(Coldflake)，不利表面要求高的铸件。3.横浇道与直浇道的急促弯曲角会造成偏流卷气(Flowseparation)(图4)图3图4要填补以上缺憾，就要用较大的压力以抵消高压力损耗，这样会导至飞边，降低铸件尺寸精度，及缩短模具寿命。此外，涡流卷气导至铸件内部气孔，电镀或烤漆时起泡，及增加溢流井来排出杂渣气泡(图5)。短浇口设计虽然可节省浇口重量，但无助于解决以上问题。图5HOTFLO压铸热流道设计热流道系统在注塑工艺上已广泛受应用，它减低了水口回收的问题，对减低注塑件困气亦有很大帮助。相同的概念正应用于热室锌压铸上，从事压铸工艺的澳洲HOTFLO公司的压铸热流道系统的工作原理(图6和7a-7e)。该设计不再需要动模上的分流锥，机器上的射咀紧贴锁合环(Clampingring)，热流道的杯套(Spruebush)装在定模板上，由发热条加热至400℃以上，令锌液不会在杯套内凝固，导流块(Spruetip)装在动模板，金属液由射咀进入杯套，经过导流块再流入横浇道。整个流道的剖面为圆形并渐次变小，导流块的弯曲设计使压力损耗及涡流卷气的情况减至最低(图8)。铸件的凝固过渡在这弯曲位置前，杯套内的锌液流回「鹅颈」，铸件冷却后开模顶出。图6图8HOTFLO热流道的特点大大缩短冷流程(图9)，过长的冷流程会产生冷纹，不利于生产表面要求高之铸件，HotFlo热流道可改善这一缺点。流道剖面全程均为圆形，由于面积最小，令热流失、表面阻力减至最低。相对于现时通用的梯形设计，存在死角容易产生冷隔，圆形设计更显优越。过去由于分流锥设计的主导下，分流锥上的流道呈梯形，因此余下的横浇道亦跟随其形状。此外，渐变的梯形浇道在传统机床上较易加工。由于数控加工已成为主流，加工渐变圆形流道不存在难度。没有固化的直浇道(雪糕筒)，大大降低浇道(水口)重量。(图10a,10b)图9图10图11图12妇无冷热接口棉(图11)陆，在传统的欢模具设计，傍射咀在冷热副接口上需保楚持高温以防限热量流失，竭造成寿命较昆短，同时射值咀位置的切钓面变化并非刚理想的流动话状态，热流劈道免除了这皮问题。暴系列化的标斧准组件设计范(图12)汽，可更换零食件，射咀直荒径由6mm蹦至48mm舒。张可在任何标称准卧式热室拣机上使用(蚁图13)，其电热或气体伪加热射咀均与可。哥适用于组合晨模，令产量武少的铸件亦决可受惠。图13刃HotFl肯ow完整铸枣件哀热流道的优嗽点崖综合来说，两热流道系统拔有以下优点译：吗1.缩短愚生产周期。刊冷却时间取科决于壁厚及贱散热速度，米热流道的浇鸣道较传统设刮计小，而且授没有直浇道帐需要冷却，渗可提高生产违速度。尤以货薄壁件的效头果至为明显四。愚2.小浇和口令浮渣减校少。大部分折浮渣均由回射炉浇道的氧挖化皮形成。随蜡3.无须返经常更换机嗽器射咀。在瞧传统的压铸策模设计上，机机器射咀直致径必须配合类。由于热流各道没有凝固为的直浇道，公使用较大的只射咀直径可渡覆盖不同模屯具铸件要求戴。疮4.小浇菊口比例节省针能源，每年做每台机可减除少过百吨浇傻口，降低材乖料成本。集5.减少典翻熔浇口可挡降低废气排怀放，为应付剃日益收紧的奴环保条例，挪尤为重要。愁完6.可避图免堆放大量斧浇口，令车戴间整洁及节福省空间。减公少涡流卷气亡，亦降低对刘溢流井的需挂要。传统的归分流锥设计颗容易导致涡捉流及偏流。健班7.热流捞道的合理标傍准设计令压饲力损耗减至倚最低。霞8.减少傍冷隔，提高省表面质量。胜