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模穴溫度、鋁液溫度、 壁厚與凝固率對壓鑄充填時間之影響

摘要"

壓鑄的充填時間是指金屬液到達澆口後,充填模穴與溢流井所需的時間。充填時間會影響到澆口速度、澆口與流道的設計,以及壓鑄機的設定,所以是壓鑄方案設計中一個重要的參數。
本文是以北美壓鑄協會(North American Die Casting Association)所用的澆流方程式(Gating equation)[1][2],來討論模穴溫度、鋁液溫度、壁厚與凝固率變化對壓鑄充填時間之影響。不同的技術文獻有不同決定充填時間的方式,決定出來的充填時間可能也會有所差異。若原本並非使用北美壓鑄協會的澆流方程式來決定壓鑄充填時間的壓鑄模具設計者,仍可使用自己習慣的方式去決定充填時間,並不需要改用北美壓鑄協會的澆流方程式來決定壓鑄充填時間。但可參考本文之討論,了解模穴溫度、鋁液溫度、壁厚與凝固率變化對壓鑄充填時間之影響。因為其他決定充填時間的方式通常是根據鑄件的壁厚,並未考慮模具溫度、鋁液溫度與凝固率這幾個因素。

關鍵詞:壓鑄、模穴溫度、鋁液溫度、壁厚、凝固率

澆流方程式(Gating equation)

在北美壓鑄協會的技術資料中,計算充填時間是使用形式如下的澆流方程式:

其中
t:充填時間(s)
k:經驗係數(s/mm)
Ti:金屬液到達澆口時之溫度(℃)
Tf:金屬液可流動之最低溫度(℃)
Td:金屬液開始充填時模穴之溫度(℃)
S:充填完畢時金屬液所允許的
      固化率(%)
Z:單位換算常數(℃/%)
T:鑄件壁厚(mm)
經驗係數k基本上類似金屬液與模具間的熱傳係數,顯示熱量從金屬液傳到模具的速度。但它事實上結合了許多因素,包含了模具材料、壓鑄合金種類、模具表面狀況與離型劑等。北美壓鑄協會對鋁合金(360、380、384、390)並使用H13(相當於SKD61)模具鋼的情形,建議k值為0.0346 s/mm[1]。
對於金屬液到達澆口時之溫度Ti,使用冷室機時,估計會比金屬液在熔解爐低約8℃(給湯時降約3℃,倒入料管後再降約5℃)。對一般的鋁合金(360、380、384)約為650℃。由於Ti的變化對充填時間影響很大,因此本文後續會再討論Ti對充填時間的影響。
金屬液可流動之最低溫度Tf,是指若低於此溫度金屬液就無法再充填模穴。由於Tf的變化對充填時間影響不大,因此對一般的鋁合金(360、380、384),北美壓鑄協會建議一律使用570℃[1]。
對於金屬液開始充填時模穴之溫度Td,北美壓鑄協會認為對一般的鋁合金(360、380、384)約為340℃。這個值對大部分的人可能覺得偏高,但北美壓鑄協會認為一般以手持式熱電偶量到的模溫都偏低,因為熱電偶達到平衡需要時間,而模面的溫度在開模後事實上下降的很快。一般而言,代入澆流方程式的Td值應該比測到的模溫值高約28℃。本文在後面也會再討論Td變化對充填時間的影響。
充填完畢時金屬液所允許的固化率S是由鑄件表面品質所決定,S的值愈小(例如10~15%),鑄件表面愈光滑;金屬液也愈能充填模穴細微的幾何形狀。而S值愈高(最多可到50%),則內部孔洞會較少。基本上固化率的高低是針對最早充填模穴的金屬液,因為一開始的金屬液流過之後,模穴的溫度會升高,因此後續的金屬液的固化率就會較低。因此前面所討論的S值大小的影響,基本上是針對鑄件中金屬液流動距離最遠的區域而言。
對於鋁合金(360、380、384、390),單位換算常數Z的值為3.8 ℃/%[1]。
澆流方程式中的鑄件壁厚T是一個比較不容易決定的值,因為大部分的鑄件都不是均勻壁厚。所以分3種情形來決定T值。第1種情形:若鑄件大部分區域的壁厚都一樣,只有少數區域較薄或較厚,我們就以主要區域的壁厚作為T的值。第2種情形:若鑄件在充填的最末端,有一個特別薄的區域,那這個薄壁區域的壁厚就是T的值。第3種情形:若鑄件最薄處靠近澆口,而最厚處在最後充填處,且最後處的壁厚不是主要壁厚,則應該使用平均壁厚來當T的值。

充填時間之計算

以澆流方程式來計算充填時間,對一般的鋁合金(360、380、384)而言,k和Tf是不變的;而充填時間與鑄件壁厚T成正比關係,鑄件壁厚T增加一倍,充填時間就增加一倍。因此我們先將S設為0,T = 1 mm,並將k = 0.0346 s/mm,Tf = 570℃,代入澆流方程式中計算鋁液溫度Ti 630~680℃,以及模穴溫度Td 200~400℃時的充填時間,並將得到的充填時間t畫在以Ti和Td為軸的平面上(如圖1)。
圖1是以鑄件壁厚1 mm,固化率S = 0得到的充填時間,若鑄件壁厚不是1 mm,則可直接將圖1中所得的值乘上壁厚的倍數,就可得到所需的充填時間。例如在鋁液溫度650℃,模穴溫度320℃時,由圖1我們可知充填時間約11 ms,則壁厚2 mm的鑄件,其充填時間約為22 ms。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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