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，鑒于鋅合金的可回收性，本地最常見的處理方法是實時投回機爐翻熔，由于需要控制質量問題，用中央熔爐回收流道或廢品亦漸為業界所接受(圖１)。至于爐渣，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。

　　以一臺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，生產周期為20秒，機器使用率有80%，年產澆口流道便達 190噸。另一例子：以一臺80噸機計算，每次生產100克流道，同樣的假設但生產周期改為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于產量大的壓鑄廠，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(五臺機以下)則不太適合，而且舊廠房難于改造配合，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，由于缺乏規模效益，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。以一所公司有五臺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，這里純粹方便計算翻熔成本)。

　　每公斤澆口料之翻熔成本為$0.93，按上述以五臺機的計算，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%，周期12秒，五臺機計算，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，但這里并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。

　　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，并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秒作生產周期，機器使用率為80%及以三班生產，每臺機每年生產1,261,440次來計算，差別如下：

　　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。由于需要附著鑄件及便于脫模，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；在分流塊里加冷卻水道，方便平衡模熱、縮短冷卻時間及拉出鑄件并頂出。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 
   
　　由于圓周／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，并造成壓力損失。尤其當彎曲半徑/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(Eddy current)(圖３)

圖3

　　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卷氣  (Flow separation) (圖4)

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，渦流卷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，但無助于解決以上問題。

圖5

　　HOTFLO壓鑄熱流道設計
 
　　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的工作原理(圖6和7a-7e)。

 圖6 

 圖7a:   

圖7c

圖7d 

圖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并漸次變小，導流塊的彎曲設計使壓力損耗及渦流卷氣的情況減至最低
 
　　鑄件的凝固過渡在這彎曲位置前，杯套內的鋅液流回「鵝頸」，鑄件冷卻后開模頂出。
HOTFLO熱流道的特點

圖8

　　大大縮短冷流程(圖9)，過長的冷流程會產生冷紋， 不利于生產表面要求高之鑄件，HotFlo熱流道可改善這一缺點。

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。相對于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。過去由于分流錐設計的主導下，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機床上較易加工。由于數控加工已成為主 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10a          10b

 
　　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并非理想的流動狀態，熱流道免除了這問題。

圖11

  
　　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。

圖12

   
　　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。

         圖13                               HotFlow完整鑄件

　　適用于組合模，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：

　　縮短生產周期。冷卻時間取決于壁厚及散熱速度，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。由于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，每年每臺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。減少渦流卷氣，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，更利于工藝控制，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。由于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。