【技術電子報】透過減少鑄件在模具中的凝固時間來提高生產效率

文章由Hellebusch Tool & Die公司的Eugene Moore提供

一、前言

模擬軟體是一種高附加價值的工具，可以幫助設計人員和工程師了解鑄造過程的細節，使他們能夠比同業對手更快完成開發，用更低的成本創造高品質的鑄件。在高壓鑄造中，使用模擬軟體可以設計出更好的流道系統將熔湯射入模穴中、改善料管內的卷氣問題，並確定最終的溢流井位置…等。在本文中，我們將研究如何縮短鑄件的凝固時間來提升生產效率。

因為湯餅是鑄件最後凝固的位置，決定了何時開模取出鑄件，湯餅的凝固時間將是提升生產效率的重點地方。如果我們可以減少湯餅凝固的時間，就可以減少整個循環時間，進而提高生產的效率。減少湯餅凝固時間的方法有以下幾種，第一種為透過增加熔湯與柱塞頭的接觸面積來增加熱量的傳遞。如公式所示。

Q是熱量，h是熱傳係數，∆T是熔湯和柱塞頭的溫度差，而A是熔湯和柱塞頭接觸的表面積。市面上有不同形狀的柱塞頭，用於增加與熔湯接觸的表面積，如圖1所示。

圖1：不同大小和表面積的柱塞頭[1]

另一種是增加湯餅散熱的方法是透過在柱塞頭前端增加冷卻管線，如圖2所示。這種方法主要的缺點是增加了柱塞頭組件的複雜性。

圖2：壓射柱塞頭的冷卻[2]

二、新設計

本文使用FLOW-3D CAST模擬新的柱塞頭設計，如圖3所示， 並與原本標準的柱塞頭進行比較。新設計的柱塞頭在前端為星形切口的圓柱形，比原本標準的柱塞頭多20％以上的表面積。這兩個柱塞頭都不會增加冷卻管線來進行模擬。

圖3：新設計的星形柱塞頭可以增加20％的面積

三、分析與結果

針對不同的柱塞頭設計進行填充（包括料管充填）和凝固（無流動）的模擬; 使用的所有製程參數都相同。主要比較兩個結果：第一種為填充過程中的流況，第二總為鑄件凝固時間。填充過程中的流況非常重要，如果柱塞頭設計會引起料管內的卷氣，那麼柱塞頭的輪廓須重新設計。

第一種比較是料管中的流況，如圖4所示。由圖可發現原本標準的柱塞頭和新設計的星形柱塞頭不會對料管內的熔湯有明顯的流況影響。

圖4：兩種不同柱塞頭在料管中的流況

第二種是比較凝固時間，從圖5中可以看出，新設計的星形柱塞頭的平均溫度較高，因為它從熔湯中獲取較多的熱量，使用新設計的星形柱塞頭散熱量增加了12.7%。

圖5：左上角為柱塞頭的平均溫度、右上角為熔湯傳遞到柱塞頭的熱量。下方為鑄件湯餅的溫度。

四、結論

柱塞頭設計確實對鑄件的凝固時間有明顯的影響。模擬軟體可提供不同參數的影響性並透過這些結果來改善製程參數，提升鑄件的生產效率。

參考文獻

[1] http://www.metalminotti.it/copper-alloys-semi-and-finished-products/plunger-tips-for-die-casting/

[2] http://www.castool.com/product/plunger-rod