锌合金压铸技术
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锌合金压铸技术
熱流道設計已廣泛應用在注塑工藝上,而且證明相當成功,它的好處是減少流道回收,提高注塑件質量,熱室鋅壓鑄的熱流
道系統是嶄新的設計,要充分瞭解它的好處,最好先探討鋅流道
的基本原理及其隱藏成本。文章上半部詳述壓鑄流道對成本的影
響,下半部分則介紹壓鑄熱流道的好處及應用。鑄件流道的損耗
對壓鑄有所認識的都會知道,流道或余料是鑄件的一部分,雖然沒有利潤價值,但在生產過程中是無法避免。這部分的成本一般只計算為鑄件成本的固定比率。同時,鑒於鋅合金的可回收性,本地最常見的處理
方法
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是實時投回機爐翻熔,由於需要控制質量問題,用中央熔爐回收流道或廢品亦漸為業界所接受(圖,)。至
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 於爐渣,規模較大的壓鑄廠可能會自行回收,一般會把這些余料售回原料供貨商,換回新料。本地的鋅料回收價一般為新料的五至七成。若沒有良好的環保條件,處理爐渣易造成空氣污染。 以一台160噸熱室壓鑄機為例,每次生產至少150克流道(不包括溢流井),假設以三班生產,生產週期為20秒,機器使用率有80%,年產澆口流道便達190噸。另一例子:以一台80噸機計算,每次生產100克流道,同樣的假設但生產週期改為12秒,年產流道更超過210噸。
由此可見,流道設計影響成本的重要性。
各種回收方式
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
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面質量要求較高之鑄件,且難
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 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
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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噸流道水佔地租金 20.000港元 口,涉及金額近一千設備投資攤分 50.000港元 萬,如包括次品的回利息成本 5.000港元 收,此數字更為驚人
保養維修 25.000港元 (如平均鑄重為100克
燃油費(每噸用100公升油
而次品率5%,週期12200.000港元
渣?2美元/公升)
秒,五台機計算,每年
電費(1美元/度) 30.000港元 回收之次品約為53
工資(包括操作工人,管理噸)。雖然,處理數量100.000港元
人員,品管人員) 越大,翻熔成本越低,
金屬損耗5%(10美元/公但這裡並沒有計算環
500.000港元
斤) 保及嚴格的品管成本。
總計: 930.000港元 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
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 是控制成本的重要關
鍵。
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($10.3 x 0.4)= $4.12。 如用實際回收成本計算:
鑄件A應為($10 x 0.4 + $0.93 x 0.1) = $4.093 鑄件B應為($10 x 0.4 + $0.93 x 0.25) = $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:
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 流道水口成本 鑄件A 鑄件B 差別
5.197.132 5.197.132固定比例法 0港元
港元 港元
5.163.074 5.339.675 176.601港實際成本法
港元 港元 元
34.058 142.543差別
港元 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
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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
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 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(Reynold number)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
圖2: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. 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
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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
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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(Eddy
current)(圖,)
2. 橫澆道剖面為梯形,死角
位置容易產生冷隔 (Cold
圖3: 圖4: flake),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 (Flow
separation) (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 圖節省澆口重量,但無助於解決以上問題。 5: HOTFLO壓鑄熱流道設計
熱流道系統在注塑工藝 圖7a:
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ 上已廣泛受應用,它減 圖
圖7b: 低了水口回收的問題,6:
圖7c: 對減低注塑件困氣亦有
很大幫助。相同的概念
圖7d: 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
(Clamping ring),熱流 圖7e: 道的杯套(Sprue bush)
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(Sprue tip)
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
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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
圖8: 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。
, 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
圖9: 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
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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12: 圖10b: 圖11: 圖10a:
, 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。
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管理资源吧(www.glzy8.com),提供海量管理资料免费下载~ , 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),
HotFlow完整電熱或氣體加 圖13:
鑄件 熱射咀均可。
, 適用於組合
模,令產量少的
鑄件亦可受惠。
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。
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, 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
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本文轉載自香港“金屬工業”(HKPC METALS BULLETIN) 2002年3/4月刊
本文及圖片由富來遠東有限公司提供
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