新锌合金压铸技术Word格式.docx
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在回收方法當中,直接把流道投回機爐為最簡單和節省成本的方法。
翻熔剛生產的流道無須預熱,而且減少存放的空間,但很難控制熔料的質量,包括爐渣較多,爐溫難以控制,合金成份亦無法得知;
更重要的是,它依賴操作員工的工藝,如投入新料的比例,觀察爐水的變化,而員工把溢流井、飛邊投入機爐,不但會令情況更差,這種把廢品直接翻熔的方法亦隱藏了高次品率、模具設計及壓鑄參數不穩定的問題,令管理人員無法有效地作出改善。
此方法不適宜生產表面質量要求較高之鑄件,且難以正確計算流道損耗成本。
中央熔爐回收水口及次品開始流行於產量大的壓鑄廠,它的好處非常明顯,就是集中處理回收料可以提高熔爐效率,控制合金質量。
如果以金屬液從中央爐直接加入機爐,壓鑄機料溫可保持穩定,少爐渣,如配以自動加料控制,液面高度變化可減至最低。
目前流行的中央熔爐分為數類:
有較大容量的鑄鐵坩堝爐,不銹鋼坩堝爐,及連續熔化型非坩堝爐。
鋅液運輸亦分為數類:
有天車式液料運輸,有地面推車式(無軌或有軌)保溫爐(附有送料裝置)運輸及保溫槽式重力輸送裝置,將機爐與中央爐相連。
它的缺點是投資較大,只適合單一種合金(這裡暫不討論小型坩堝爐),車間佔地較大,因此小型壓鑄廠(五台機以下)則不太適合,而且舊廠房難於改造配合,故一般只會在建新廠房時才會重新規劃。
使用小型坩堝爐翻熔澆口料,由於缺乏規模效益,成本會較中央熔爐高,因此不以此作計算參考。
翻熔成本的計算
就以使用中央熔爐的方式計算流道的翻熔成本作為參考。
以一所公司有五台80噸或160噸壓鑄機為例,假設該設備的投資為50萬,分十年攤分。
每年處理約1000噸流道回收料(實際情況應和新料按比例熔化,這裡純粹方便計算翻熔成本)。
每公斤澆口料之翻熔成本為$0.93,按上述以五台機的計算,每年生產1000噸流道水口,涉及金額近一千萬,如包括次品的回收,此數字更為驚人(如平均鑄重為100克而次品率5%,週期12秒,五台機計算,每年回收之次品約為53噸)。
雖然,處理數量越大,翻熔成本越低,但這裡並沒有計算環保及嚴格的品管成本。
由此可見,澆口翻熔的成本相當驚人,壓鑄廠必需盡量降低成本。
因此,如何減少澆口重量是控制成本的重要關鍵。
佔地租金
20.000港元
設備投資攤分
50.000港元
利息成本
5.000港元
保養維修
25.000港元
燃油費(每噸用100公升油渣‧2美元/公升)
200.000港元
電費(1美元/度)
30.000港元
工資(包括操作工人,管理人員,品管人員)
100.000港元
金屬損耗5%(10美元/公斤)
500.000港元
總計:
930.000港元
攤分流道成本的計算方式
水口的翻熔成本必須算入鑄件的生產成本,最常見的做法是以用料乘固定百分比計算。
例如,原料價為$10/公斤,水口翻熔成本為鑄件重量的3%,計算鑄件材料價時便會用$10.3。
此方法雖然簡單,但可能令成本計算出現偏差,並隱藏起真實的水口回收成本。
現在可用以下例子作一比較:
鑄件A淨重400克,水口流道重100克。
鑄件B淨重同為400克,水口流道重量則為250克。
如用固定百分比計算:
鑄件A與鑄件B的成本應同為($10.3x0.4)=$4.12。
如用實際回收成本計算:
鑄件A應為($10x0.4+$0.93x0.1)=$4.093
鑄件B應為($10x0.4+$0.93x0.25)=$4.233
這差別看似細小,但以20秒作生產週期,機器使用率為80%及以三班生產,每台機每年生產1,261,440次來計算,差別如下:
流道水口成本
鑄件A
鑄件B
差別
固定比例法
5.197.132港元
0港元
實際成本法
5.163.074港元
5.339.675港元
176.601港元
34.058港元
142.543港元
如用固定比例法,鑄件A與B的成本一樣,但實際上鑄件B的成本較高。
從這案例看出,用固定比例法計算鑄件B,不但低估了生產成本,更間接鼓勵設計者不以減少水口流道的重量為目標,應該推廣實際成本法的應用(見下表)。
要減低澆口重量,較常見的是短澆口(短唧咀)設計,及減薄定模板厚度。
它使用較長的機器射咀(一般較正常長20mm),配合深穴的進澆口模具設計,以減少澆口重量,以下是一項嶄新的熱室壓鑄澆道設計。
熱室壓鑄澆道設計
壓鑄澆道是金屬液從射咀流入模腔的路徑,它是由直澆道及橫澆道的分支組成。
由於需要附著鑄件及便於脫模,直澆道必須要有斜度。
同時,動模板上的分流塊,可以減低直澆道的厚度;
在分流塊裡加冷卻水道,方便平衡模熱、縮短冷卻時間及拉出鑄件並頂出。
澳洲CSIRO機構在70年代初期的研究發現,在可接受的誤差下,鋅合金液在壓鑄情況下可歸納為:
∙
液態表現為非壓縮性流體
符合一般流體力學原理
雷諾數值(Reynoldnumber)高,顯示流動過程為紊流。
根據以上研究結果,理想的金屬液流動狀態應為:
1.流道剖面為圓形
由於圓周/面積比數值最低,圓形剖面管道的表面阻力最低,因此壓力損失亦最低。
比起相等梯形剖面積,周邊少20%以上。
(圖2)
圖2:
2.流動管道為直線
彎曲管道會產生偏流,把氣泡混入熔液,並造成壓力損失。
尤其當彎曲半徑/管道直徑比小於1,壓力損耗急速增加。
3.流道剖面往液流方面漸次縮小
管道剖面急促改變,不論變大或變小,均會造成高壓力損耗及產生渦流。
最佳的方案是剖面漸次縮小,以補償管道面造成的阻力損耗。
傳統設計的缺點
目前流行的流道在設計上與理想的流動狀態相違:
1.流動剖面變化時大時小,造成渦流(Eddycurrent)(圖3)
2.橫澆道剖面為梯形,死角位置容易產生冷隔(Coldflake),不利表面要求高的鑄件。
3.橫澆道與直澆道的急促彎曲角會造成偏流捲氣(Flowseparation)(圖4)
圖3:
圖4:
要填補以上缺憾,就要用較大的壓力以抵消高壓力損耗,這樣會導至飛邊,降低鑄件尺寸精度,及縮短模具壽命。
此外,渦流捲氣導至鑄件內部氣孔,電鍍或烤漆時起泡,及增加溢流井來排出雜渣氣泡(圖5)。
短澆口設計雖然可節省澆口重量,但無助於解決以上問題。
HOTFLO壓鑄熱流道設計
圖5:
熱流道系統在注塑工藝上已廣泛受應用,它減低了水口回收的問題,對減低注塑件困氣亦有很大幫助。
相同的概念正應用於熱室鋅壓鑄上,從事壓鑄工藝的澳洲HOTFLO公司的壓鑄熱流道系統的工作原理(圖6和7a-7e)。
該設計不再需要動模上的分流錐,機器上的射咀緊貼鎖合環(Clampingring),熱流道的杯套(Spruebush)裝在定模板上,由發熱條加熱至400℃以上,令鋅液不會在杯套內凝固,導流塊(Spruetip)裝在動模板,金屬液由射咀進入杯套,經過導流塊再流入橫澆道。
整個流道的剖面為圓形並漸次變小,導流塊的彎曲設計使壓力損耗及渦流捲氣的情況減至最低
圖6:
圖7a:
圖7b:
圖7c:
圖7d:
圖7e:
(圖8)。
鑄件的凝固過渡在這彎曲位置前,杯套內的鋅液流回「鵝頸」,鑄件冷卻後開模頂出。
HOTFLO熱流道的特點
∙大大縮短冷流程(圖9),過長的冷流程會產生冷紋,不利於生產表面要求高之鑄件,HotFlo熱流道可改善這一缺點。
圖8:
∙流道剖面全程均為圓形,由於面積最小,令熱流失、表面阻力減至最低。
相對於現時通用的梯形設計,存在死角容易產生冷隔,圓形設計更顯優越。
過去由於分流錐設計的主導下,分流錐上的流道呈梯形,因此餘下的橫澆道亦跟隨其形狀。
此外,漸變的梯形澆道在傳統機床上較易加工。
由於數控加工已成為主流,加工漸變圓形流道不存在難度。
∙沒有固化的直澆道(雪糕筒),大大降低澆道(水口)重量。
(圖10a,10b)
圖9:
圖10a:
圖10b:
圖11:
圖12:
無冷熱接口(圖11),在傳統的模具設計,射咀在冷熱接口上需保持高溫以防熱量流失,造成壽命較短,同時射咀位置的切面變化並非理想的流動狀態,熱流道免除了這問題。
∙系列化的標準組件設計(圖12),可更換零件,射咀直徑由6mm至48mm。
可在任何標準臥式熱室機上使用(圖13),電熱或氣體加熱射咀均可。
適用於組合模,令產量少的鑄件亦可受惠。
圖13:
HotFlow完整鑄件
熱流道的優點
綜合來說,熱流道系統有以下優點:
∙縮短生產週期。
冷卻時間取決於壁厚及散熱速度,熱流道的澆道較傳統設計小,而且沒有直澆道需要冷卻,可提高生產速度。
尤以薄壁件的效果至為明顯。
∙小澆口令浮渣減少。
大部分浮渣均由回爐澆道的氧化皮形成。
∙無須經常更換機器射咀。
在傳統的壓鑄模設計上,機器射咀直徑必須配合。
由於熱流道沒有凝固的直澆道,使用較大的射咀直徑可覆蓋不同模具鑄件要求。
∙小澆口比例節省能源,每年每台機可減少過百噸澆口,降低材料成本。
∙減少翻熔澆口可降低廢氣排放,為應付日益收緊的環保條例,尤為重要。
∙可避免堆放大量澆口,令車間整潔及節省空間。
減少渦流捲氣,亦降低對溢流井的需要。
傳統的分流錐設計容易導致渦流及偏流。
∙熱流道的合理標準設計令壓力損耗減至最低。
∙減少冷隔,提高表面質量。
∙電熱偶控制熱流杯套及導流塊溫度,更利於工藝控制,穩定生產效率。
結論
鋅合金壓鑄,已在家用裝飾件領域有廣泛的應用。
中國已逐漸成為各類工業生產基地。
由於國內的發展日趨發達,且外商對國內情況的認識日深,預計港商在這方面的優勢漸失;
有見及此,港商現時當務之急,就是努力控制成本及改善質量。
本文介紹的HotFlo熱流道系統這一新設計相信可做到這兩點,預計可得到廣泛的應用。
本文轉載自香港“金屬工業”(HKPCMETALSBULLETI
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