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锌压铸热流道的设计及应用


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, 占地租金 20.000 港元 50.000 港元 5.000 港元 每年生产 1000 吨流道水口,涉及 设备投资摊分 金额近一千万,如包括次品的回 利息成本

收,此数字更为惊人(如平均铸重 保养维修 25.000 港元 为 100 克而次品率 5%,周期 12 燃油费(每吨用 100 公升油渣2 美元/公 200.000 港元 秒, 五台机计算, 每年回收之次品 升) 约为 53 吨). 虽然, 处理数量越大, 电费(1 美元/度) 30.000 港元 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 工资(包括操作工人,管理人员,品管 见, 浇口翻熔的成本相当惊人, 人员) 压 铸厂必需尽量降低成本. 因此, 金属损耗 5%(10 美元/公斤) 如 何减少浇口重量是控制成本的重 要关键. 总计: 100.000 港元 500.000 港元 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($10.3 x 0.4)= $4.12. 如用实际回收成本计算: 铸件 A 应为($10 x 0.4 + $0.93 x 0.1) = $4.093 铸件 B 应为($10 x 0.4 + $0.93 x 0.25) = $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 固定比例法 实际成本法 差别

铸件 A 5.197.132 港元 5.163.074 港元 34.058 港元

铸件 B 5.197.132 港元 5.339.675 港元 142.543 港元

差别 0 港元 176.601 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(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.(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. 图 2:

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)(图3) 2. 横浇道剖面为梯形,死角位置容易产 (Cold flake),不利表面要求高的 图 3: 3. 横浇道与直浇道的急促弯曲角会造成 图 4:

生冷隔 铸件.

偏流卷气 (Flow separation) (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.

HOTFLO 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). 图 7d: 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(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 涡流卷气的情况减至最低 图 6: 图 7e: 图 7c: 图 7b: 图 7a:

图 5:

(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.

HOTFLO 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 图 8:

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) 流,加工渐变圆形 图 9:

图 10a:

图 10b:

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保持高温以防热量流失, 造成寿命较短,同时射咀位置的切面变化并非理想的流动状态,热流道免除了这问题.



系列化的标准组件设计 (图 12),可更换零件, 射咀直径由 6mm 至 48mm.



可在任何标准卧式热 室机上使用(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 完整铸件

热流道的优点
综合来说,热流道系统有以下优点: 缩短生产周期.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, 而且没有直浇道需要冷却,可提高生产速度.尤以薄壁件的效果至为明显. 小浇口令浮渣减少.大部分浮渣均由回炉浇道的氧化皮形成. 无须经常更换机器射咀.在传统的压铸模设计上,机器射咀直径必须配合.由于热流 道没有凝固的直浇道,使用较大的射咀直径可覆盖不同模具铸件要求. 小浇口比例节省能源,每年每台机可减少过百吨浇口,降低材料成本. 减少翻熔浇口可降低废气排放,为应付日益收紧的环保条例,尤为重要. 可避免堆放大量浇口,令车间整洁及节省空间.减少涡流卷气,亦降低对溢流井的需要. 传统的分流锥设计容易导致涡流及偏流. 热流道的合理标准设计令压力损耗减至最低. 减少冷隔,提高表面质量. 电热偶控制热流杯套及导流块温度,更利于工艺控制,稳定生产效率.

结论
锌合金压铸,已在家用装饰件领域有广泛的应用.中国已逐渐成为各类工业生产基地.由于国内 的发展日趋发达,且外商对国内情况的认识日深,预计港商在这方面的优势渐失;有见及此,港 商现时当务之急,就是努力控制成本及改善质量.本文介绍的 HotFlo 热流道系统这一新设计相 信可做到这两点,预计可得到广泛的应用.

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