锌压铸热流道的设计及应用

绝代高手

• 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。
  - G0 W) z9 W  o( t1 A% r6 U        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。
  4 e- J3 V; H# |$ d  [6 j5 z# D        由此可见，流道设计影响成本的重要性。
  % Y5 E% p4 j4 F/ G! B        各种回收方式
  ) `" \/ P8 f3 y  l2 Q5 M, B4 o        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。
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  ( w' z% x) d1 I) q$ j( k        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。
  : |( u6 W8 P$ k9 e( s# h        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。  
  
  * }' k* A4 F5 d, ~8 S5 H3 {$ ?8 y        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  
    m3 {# j" ]. s( m% i: T        保养维修 25.000港元  
  & s" k' G9 D" _0 b* x) F6 c        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  
  , a: t! b( z, }4 Q/ c2 A6 C3 g8 U        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  
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          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。  
  7 l1 z# l- l, [) @9 c* c        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：  
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  / b9 w1 {2 r1 \( F        铸件A与铸件B的成本应同为($10.3 x 0.4)= $4.12。  
  3 \$ D2 ^$ |' q* l        如用实际回收成本计算：  
  5 @# z2 j! M. d7 P, ^- Z8 W- b$ C        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) = $4.233  
  3 j% m9 k3 R( O% N0 D8 U
  + Z; ^6 y$ \" j        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：  
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          流道水口成本 铸件A  
          铸件B  
  , f, T! {$ T/ p        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 　
    t# l* n1 S1 v. t# Q        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)。
  , C& P9 y" \9 G+ [- _        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。
  ; _3 E3 Z5 M1 p# C( G- n/ P        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  
  - n) I4 M2 K/ {- m' z" D: U        符合一般流体力学原理  
  7 E4 d) M& ?9 K" W; P; k1 z        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：
    
  图2
          1. 流道剖面为圆形  
  ; U$ M! r7 e; I        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)
  * y0 L& Z( r/ F7 ^/ Q7 v- d! }5 x0 Q        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
  ! d1 ?# `5 D! [# N2 I$ U' |( [9 ~5 z- ]        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。
  2 j) m5 E, t" E/ Z( P6 Q        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：  
  
  ) a2 ~3 g- E) u  ~$ \! q        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，死角位置容易产生冷隔 (Cold flake)，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 (Flow separation) (图4)
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  1 h3 U7 V! A  w$ l# t' ^0 F( h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。
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  图5
          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)。
  6 a" a3 ]8 H% \) T- e6 l        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。
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  图6
    S6 x( M0 W1 i! P
  7 c: [, O& P  _2 ?: {  
  " U' J; g* e. v1 S9 {9 @图8
  6 L+ ?1 }8 a3 j" ^5 ]2 z        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。
  2 K1 @, g% s0 Q- D6 F; {* V        没有固化的直浇道(雪糕筒)，大大降低浇道(水口)重量。(图10a,10b)
  ! }; x" f# H4 V, K   
  $ ^' Q5 f- [5 s, W7 Q: [6 o# k图9
     
  7 p) {  |7 s( q9 K图10
    
  图11
  & T7 u+ l8 C# O! k  
  图12
  9 q1 i8 l- H, h$ t2 R        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。
  + o! @% R$ ~9 y" Z! f        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。
  7 d5 F( v! C. K+ o$ y8 a        适用于组合模，令产量少的铸件亦可受惠。
    
  ! q5 K8 z0 Y- }6 B图13
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  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：  
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          1. 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。  
  . F- T# E  J1 ?  Z& k        2. 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。  
          3. 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。  
  , p  `3 o; t  \  A, T+ t3 n! S        4. 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。  
          5. 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。  
  * a% F: m9 a& m" V  i        6. 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。  
          7. 热流道的合理标准设计令压力损耗减至最低。  
  + s, W% @+ Q2 b" k& a# F        8. 减少冷隔，提高表面质量。  
  4 V  Y; B; d; v: L" F' s        9. 电热偶控制热流杯套及导流块温度，更利于工艺控制，稳定生产效率。
          结论
  ) u9 t+ j1 y2 U5 X# w7 h6 }" W- z, V        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。