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1、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)。至於爐渣，規模較大的壓鑄廠可
2、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
3、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
4、，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
5、(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）2
6、00.000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
7、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：流道水口成本鑄件A鑄件B差別固定比例法 5.197.132港元 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港元差別 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
8、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
9、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 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) 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
10、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(Eddy current)(圖)2.橫澆道剖面為梯形，死角位置容易產生冷隔(Cold flake)，不利表面要求高的鑄件。3.橫澆道與直澆道的急促彎曲角會造成偏流捲氣(Flow separation) (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
11、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(Clamping ring)，熱流道的杯套(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
12、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
13、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
14、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”(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
