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    针对锌压铸热流道应用及设计的分析

             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。

     
            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。
     
            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(Reynold number)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:
     
            1. 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。
     
            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(Eddy current) 2. 横浇道剖面为梯形,死角位置容易产生冷隔 (Cold flake),不利表面要求高的铸件。3. 流道剖面往液流方面渐次减少 管道剖面急促改动,不管变大或变小,均会形成高压力损耗及产生涡流。最佳的计划是剖面渐次减少,以补偿管道面形成的阻力损耗。 传统设计的缺陷 目前盛行的流道在设计上与理想的活动状态相违: 1. 活动剖面变化时大时小,形成涡流(Eddy current) 2. 横浇道剖面为梯形,死角位置容易产生冷隔 (Cold flake),不利外表请求高的铸件。 3. 横浇道与直浇道的急促弯曲角会形成偏流卷气 (Flow separation) (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)。短浇口设计固然可俭省浇口重量,但无助于处理以上问题。 图5 HOTFLO压铸热流道设计 热流道系统在注塑工艺上已普遍受应用,它减低了水口回收的问题,对减低注塑件困气亦有很大协助。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)。 该设计不再需求动模上的分流锥,机器上的射咀紧贴锁合环(Clamping ring),热流道的杯套(Sprue bush)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(Sprue tip)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状况减至最低(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8 HOTFLO热流道的特性 大大缩短冷流程(图9),过长的冷流程会产生冷纹, 不利于消费外表请求高之铸件,HotFlo热流道可改善这一缺陷。 流道剖面全程均为圆形,由于面积最小,令热流失、 外表阻力减至最低。相关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, 因而余下的横浇道亦跟随其外形。此外,突变的梯形 浇道在传统机床上较易加工。由于数控加工已成为主 流,加工突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 无冷热接口(图11),在传统的模具设计,射咀在冷热接口上需坚持高温以防热量流失,形成寿命较短,同时射咀位置的切面变化并非理想的活动状态,热流道免除了这问题。 系列化的规范组件设计(图12),可改换零件,射咀直径由6mm至48mm。 可在任何规范卧式热室机上运用(图13),电热或气体加热射咀均可。 适用于组合模,令产量少的铸件亦可受惠。 图13 HotFlow完好铸件 热流道的优点 综合来说,热流道系统有以下优点: 1. 缩短消费周期。冷却时间取决于壁厚及散热速度,热流道的浇道较传统设计小,而且没有直浇道需求冷却,可进步消费速度。尤以薄壁件的效果至为明显。 2. 小浇口令浮渣减少。大局部浮渣均由回炉浇道的氧化皮构成。 3. 无须经常改换机器射咀。在传统的压铸模设计上,机器射咀直径必需配合。由于热流道没有凝固的直浇道,运用较大的射咀直径可掩盖不同模具铸件请求。 4. 小浇口比例俭省能源,每年每台机可减少过百吨浇口,降低资料本钱。 5. 减少翻熔浇口可降低废气排放,为对付日益收紧的环保条例,尤为重要。 6. 可防止堆放大量浇口,令车间整洁及俭省空间。减少涡流卷气,亦降低对溢流井的需求。传统的分流锥设计容易招致涡流及偏流。 7. 热流道的合理规范设计令压力损耗减至最低。 8. 减少冷隔,进步外表质量。 9. 电热偶控制热流杯套及导流块温度,更利于工艺控制,稳定消费效率。 结论 锌合金压铸,已在家用装饰件范畴有普遍的应用。中国已逐步成为各类工业消费基地。由于国内的开展日趋兴旺,且外商对国内状况的认识日深,估计港商在这方面的优势渐失;有见及此,港商现时燃眉之急,就是努力控制本钱及改善质量。
     
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