鑄件流道的損耗

　　對(duì)壓鑄有所認(rèn)識(shí)的都會(huì)知道，流道或余料是鑄件的一部分，雖然沒(méi)有利潤(rùn)價(jià)值，但在生產(chǎn)過(guò)程中是無(wú)法避免。這部分的成本一般只計(jì)算為鑄件成本的固定比率。同時(shí)，鑒于鋅合金的可回收性，本地最常見(jiàn)的處理方法是實(shí)時(shí)投回機(jī)爐翻熔，由于需要控制質(zhì)量問(wèn)題，用中央熔爐回收流道或廢品亦漸為業(yè)界所接受(圖１)。至于爐渣，規(guī)模較大的壓鑄廠可能會(huì)自行回收，一般會(huì)把這些余料售回原料供貨商，換回新料。本地的鋅料回收價(jià)一般為新料的五至七成。若沒(méi)有良好的環(huán)保條件，處理爐渣易造成空氣污染。

　　以一臺(tái)160噸熱室壓鑄機(jī)為例，每次生產(chǎn)至少150克流道(不包括溢流井)，假設(shè)以三班生產(chǎn)，生產(chǎn)周期為20秒，機(jī)器使用率有80%，年產(chǎn)澆口流道便達(dá) 190噸。另一例子：以一臺(tái)80噸機(jī)計(jì)算，每次生產(chǎn)100克流道，同樣的假設(shè)但生產(chǎn)周期改為12秒，年產(chǎn)流道更超過(guò)210噸。

　　由此可見(jiàn)，流道設(shè)計(jì)影響成本的重要性。

　　各種回收方式

　　在回收方法當(dāng)中，直接把流道投回機(jī)爐為最簡(jiǎn)單和節(jié)省成本的方法。翻熔剛生產(chǎn)的流道無(wú)須預(yù)熱，而且減少存放的空間，但很難控制熔料的質(zhì)量，包括爐渣較多，爐溫難以控制，合金成份亦無(wú)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(jī)爐，不但會(huì)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(shè)計(jì)及壓鑄參數(shù)不穩(wěn)定的問(wèn)題，令管理人員無(wú)法有效地作出改善。此方法不適宜生產(chǎn)表面質(zhì)量要求較高之鑄件，且難以正確計(jì)算流道損耗成本。
 
　　中央熔爐回收水口及次品開(kāi)始流行于產(chǎn)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(zhì)量。如果以金屬液從中央爐直接加入機(jī)爐，壓鑄機(jī)料溫可保持穩(wěn)定，少爐渣，如配以自動(dòng)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(shù)類：有較大容量的鑄鐵坩堝爐，不銹鋼坩堝爐，及連續(xù)熔化型非坩堝爐。鋅液運(yùn)輸亦分為數(shù)類：有天車式液料運(yùn)輸，有地面推車式(無(wú)軌或有軌)保溫爐(附有送料裝置)運(yùn)輸及保溫槽式重力輸送裝置，將機(jī)爐與中央爐相連。它的缺點(diǎn)是投資較大，只適合單一種合金(這里暫不討論小型坩堝爐)，車間占地較大，因此小型壓鑄廠(五臺(tái)機(jī)以下)則不太適合，而且舊廠房難于改造配合，故一般只會(huì)在建新廠房時(shí)才會(huì)重新規(guī)劃。
 
　　使用小型坩堝爐翻熔澆口料，由于缺乏規(guī)模效益，成本會(huì)較中央熔爐高，因此不以此作計(jì)算參考。

　　翻熔成本的計(jì)算

　　就以使用中央熔爐的方式計(jì)算流道的翻熔成本作為參考。以一所公司有五臺(tái)80噸或160噸壓鑄機(jī)為例，假設(shè)該設(shè)備的投資為50萬(wàn)，分十年攤分。每年處理約1000噸流道回收料(實(shí)際情況應(yīng)和新料按比例熔化，這里純粹方便計(jì)算翻熔成本)。

　　每公斤澆口料之翻熔成本為$0.93，按上述以五臺(tái)機(jī)的計(jì)算，每年生產(chǎn)1000噸流道水口，涉及金額近一千萬(wàn)，如包括次品的回收，此數(shù)字更為驚人(如平均鑄重為100克而次品率5%，周期12秒，五臺(tái)機(jī)計(jì)算，每年回收之次品約為53噸)。雖然，處理數(shù)量越大，翻熔成本越低，但這里并沒(méi)有計(jì)算環(huán)保及嚴(yán)格的品管成本。由此可見(jiàn)，澆口翻熔的成本相當(dāng)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(guān)鍵。

　　攤分流道成本的計(jì)算方式

　　水口的翻熔成本必須算入鑄件的生產(chǎn)成本，最常見(jiàn)的做法是以用料乘固定百分比計(jì)算。例如，原料價(jià)為$10/公斤，水口翻熔成本為鑄件重量的3%，計(jì)算鑄件材料價(jià)時(shí)便會(huì)用$10.3。此方法雖然簡(jiǎn)單，但可能令成本計(jì)算出現(xiàn)偏差，并隱藏起真實(shí)的水口回收成本?，F(xiàn)在可用以下例子作一比較：

　　鑄件A凈重400克，水口流道重100克。
　　鑄件B凈重同為400克，水口流道重量則為250克。

　　如用固定百分比計(jì)算：

　　鑄件A與鑄件B的成本應(yīng)同為($10.3 x 0.4)= $4.12。
　　如用實(shí)際回收成本計(jì)算：
　　鑄件A應(yīng)為($10 x 0.4 + $0.93 x 0.1) = $4.093
　　鑄件B應(yīng)為($10 x 0.4 + $0.93 x 0.25) = $4.233

　　這差別看似細(xì)小，但以20秒作生產(chǎn)周期，機(jī)器使用率為80%及以三班生產(chǎn)，每臺(tái)機(jī)每年生產(chǎn)1,261,440次來(lái)計(jì)算，差別如下：

　　如用固定比例法，鑄件A與B的成本一樣，但實(shí)際上鑄件B的成本較高。從這案例看出，用固定比例法計(jì)算鑄件B，不但低估了生產(chǎn)成本，更間接鼓勵(lì)設(shè)計(jì)者不以減少水口流道的重量為目標(biāo)，應(yīng)該推廣實(shí)際成本法的應(yīng)用(見(jiàn)下表)。

　　要減低澆口重量，較常見(jiàn)的是短澆口(短唧咀)設(shè)計(jì)，及減薄定模板厚度。它使用較長(zhǎng)的機(jī)器射咀(一般較正常長(zhǎng)20mm)，配合深穴的進(jìn)澆口模具設(shè)計(jì)，以減少澆口重量，以下是一項(xiàng)嶄新的熱室壓鑄澆道設(shè)計(jì)。

　　熱室壓鑄澆道設(shè)計(jì)

　　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。由于需要附著鑄件及便于脫模，直澆道必須要有斜度。同時(shí)，動(dòng)模板上的分流塊，可以減低直澆道的厚度；在分流塊里加冷卻水道，方便平衡模熱、縮短冷卻時(shí)間及拉出鑄件并頂出。澳洲CSIRO機(jī)構(gòu)在70年代初期的研究發(fā)現(xiàn)，在可接受的誤差下，鋅合金液在壓鑄情況下可歸納為：

　　液態(tài)表現(xiàn)為非壓縮性流體

　　符合一般流體力學(xué)原理

　　雷諾數(shù)值(Reynold number)高，顯示流動(dòng)過(guò)程為紊流。

　　根據(jù)以上研究結(jié)果，理想的金屬液流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)為： 
   
　　1. 流道剖面為圓形 
   
　　由于圓周／面積比數(shù)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(dòng)管道為直線

　　彎曲管道會(huì)產(chǎn)生偏流，把氣泡混入熔液，并造成壓力損失。尤其當(dāng)彎曲半徑/管道直徑比小于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(huì)造成高壓力損耗及產(chǎn)生渦流。最佳的方案是剖面漸次縮小，以補(bǔ)償管道面造成的阻力損耗。

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)

　　目前流行的流道在設(shè)計(jì)上與理想的流動(dòng)狀態(tài)相違：

　　1.流動(dòng)剖面變化時(shí)大時(shí)小，造成渦流(Eddy current)(圖３)

圖3

　　2.橫澆道剖面為梯形，死角位置容易產(chǎn)生冷隔  (Cold flake)，不利表面要求高的鑄件。

　　3.橫澆道與直澆道的急促?gòu)澢菚?huì)造成偏流卷氣  (Flow separation) (圖4)

圖4

　　要填補(bǔ)以上缺憾，就要用較大的壓力以抵消高壓力損耗，這樣會(huì)導(dǎo)至飛邊，降低鑄件尺寸精度，及縮短模具壽命。此外，渦流卷氣導(dǎo)至鑄件內(nèi)部氣孔，電鍍或烤漆時(shí)起泡，及增加溢流井來(lái)排出雜渣氣泡(圖5)。短澆口設(shè)計(jì)雖然可節(jié)省澆口重量，但無(wú)助于解決以上問(wèn)題。

圖5

　　HOTFLO壓鑄熱流道設(shè)計(jì)
 
　　熱流道系統(tǒng)在注塑工藝上已廣泛受應(yīng)用，它減低了水口回收的問(wèn)題，對(duì)減低注塑件困氣亦有很大幫助。相同的概念正應(yīng)用于熱室鋅壓鑄上，從事壓鑄工藝的澳洲HOTFLO公司的壓鑄熱流道系統(tǒng)的工作原理(圖6和7a-7e)。

 圖6 

 圖7a:   

圖7c

圖7d 

圖7e

　　該設(shè)計(jì)不再需要?jiǎng)幽Ｉ系姆至麇F，機(jī)器上的射咀緊貼鎖合環(huán)(Clamping ring)，熱流道的杯套(Sprue bush)裝在定模板上，由發(fā)熱條加熱至400℃以上，令鋅液不會(huì)在杯套內(nèi)凝固，導(dǎo)流塊(Sprue tip)裝在動(dòng)模板，金屬液由射咀進(jìn)入杯套，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流塊再流入橫澆道。整個(gè)流道的剖面為圓形并漸次變小，導(dǎo)流塊的彎曲設(shè)計(jì)使壓力損耗及渦流卷氣的情況減至最低
 
　　鑄件的凝固過(guò)渡在這彎曲位置前，杯套內(nèi)的鋅液流回「鵝頸」，鑄件冷卻后開(kāi)模頂出。
HOTFLO熱流道的特點(diǎn)

圖8

　　大大縮短冷流程(圖9)，過(guò)長(zhǎng)的冷流程會(huì)產(chǎn)生冷紋， 不利于生產(chǎn)表面要求高之鑄件，HotFlo熱流道可改善這一缺點(diǎn)。

圖9

 
　　流道剖面全程均為圓形，由于面積最小，令熱流失、 表面阻力減至最低。相對(duì)于現(xiàn)時(shí)通用的梯形設(shè)計(jì)，存在死角容易產(chǎn)生冷隔，圓形設(shè)計(jì)更顯優(yōu)越。過(guò)去由于分流錐設(shè)計(jì)的主導(dǎo)下，分流錐上的流道呈梯形， 因此余下的橫澆道亦跟隨其形狀。此外，漸變的梯形澆道在傳統(tǒng)機(jī)床上較易加工。由于數(shù)控加工已成為主 流，加工漸變圓形流道不存在難度。

 　　沒(méi)有固化的直澆道(雪糕筒)，大大降低澆道(水口)重量。(圖10a,10b)

圖10a          10b

 
　　無(wú)冷熱接口(圖11)，在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)，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(shí)射咀位置的切面變化并非理想的流動(dòng)狀態(tài)，熱流道免除了這問(wèn)題。

圖11

  
　　系列化的標(biāo)準(zhǔn)組件設(shè)計(jì)(圖12)，可更換零件，射咀直徑由6mm至48mm。

圖12

   
　　可在任何標(biāo)準(zhǔn)臥式熱室機(jī)上使用(圖13)，電熱或氣體加熱射咀均可。

         圖13                               HotFlow完整鑄件

　　適用于組合模，令產(chǎn)量少的鑄件亦可受惠。

　　熱流道的優(yōu)點(diǎn) 
 
　　綜合來(lái)說(shuō)，熱流道系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　縮短生產(chǎn)周期。冷卻時(shí)間取決于壁厚及散熱速度，熱流道的澆道較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)小，而且沒(méi)有直澆道需要冷卻，可提高生產(chǎn)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(wú)須經(jīng)常更換機(jī)器射咀。在傳統(tǒng)的壓鑄模設(shè)計(jì)上，機(jī)器射咀直徑必須配合。由于熱流道沒(méi)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(jié)省能源，每年每臺(tái)機(jī)可減少過(guò)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(yīng)付日益收緊的環(huán)保條例，尤為重要。

　　可避免堆放大量澆口，令車間整潔及節(jié)省空間。減少渦流卷氣，亦降低對(duì)溢流井的需要。傳統(tǒng)的分流錐設(shè)計(jì)容易導(dǎo)致渦流及偏流。

　　熱流道的合理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)令壓力損耗減至最低。

　　減少冷隔，提高表面質(zhì)量。

　　電熱偶控制熱流杯套及導(dǎo)流塊溫度，更利于工藝控制，穩(wěn)定生產(chǎn)效率。

　　結(jié)論

　　鋅合金壓鑄，已在家用裝飾件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。中國(guó)已逐漸成為各類工業(yè)生產(chǎn)基地。由于國(guó)內(nèi)的發(fā)展日趨發(fā)達(dá)，且外商對(duì)國(guó)內(nèi)情況的認(rèn)識(shí)日深，預(yù)計(jì)港商在這方面的優(yōu)勢(shì)漸失；有見(jiàn)及此，港商現(xiàn)時(shí)當(dāng)務(wù)之急，就是努力控制成本及改善質(zhì)量。本文介紹的HotFlo熱流道系統(tǒng)這一新設(shè)計(jì)相信可做到這兩點(diǎn)，預(yù)計(jì)可得到廣泛的應(yīng)用。