模温机的使用

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模溫機在壓鑄工藝上的應用
模溫機在壓鑄工藝上的應用                                                         本文由富來遠東有限公司提供
  
    合金熔液被壓入模腔後，由於熱量的散失而凝固成形。假如熱量的傳遞率過快，鑄件中可能產生冷紋的缺點。相反地，熱傳率過慢，則會增加鑄件之成形週期，減低了生產率。模具表面溫度的控制對生產高質量的壓鑄件來說，是非常重要的。模具的溫度會影響金屬熔液在模腔表面上的流動，尤其是流動路線較長的薄壁件。
    要令金屬熔液在凝固前填滿模腔，除了選用縮短填充時間的設計外，還可以增加澆口速度 (但很容易產生紊流)，用作提高模具溫度。此外，面積較大及表面要求極高的鑄件，亦需要較高及穩定的模具表面溫度，才可以減少冷紋及表面缺陷。  
    不平均或不適當的模具溫度亦會導致鑄件尺寸不穩定，在生產過程中頂出鑄件變形，產生熱壓力、黏模、表面凹陷、內縮孔及熱泡等缺陷。模溫差異較大時，對生產週期中的變數，如填充時間、冷卻時間及噴塗時間等產生不同程度的影響。另外，模具的壽命亦會因受到過冷過熱的衝擊而導至昂貴鋼材產生熱裂等問題。
適當的表面溫度
    適當的模具表面溫度分佈必需因應產品的形狀，如厚度、橫切麵厚薄變化等表面要求，及生產週期而決定。一般的適當溫度為：
          Robamat模溫機
合金模具表面溫度
鋁合金180-300oC
鎂合金180-280oC
鋅合金100-200oC
  
    要達至所要求的模具溫度，壓鑄廠技師經常使用石油氣槍，其次為輻射加熱器，或插入式電熱管，但效果並不理想，模溫未能達到均勻。然而輻射加熱器的使用較為靈活，對模具的傷害較少，但效率較低；插入式電熱管只適用於長期加熱的位置，應用範圍較為局限。
  
    另外，利用低速壓射法 - 即降低初級壓射速度，直接以金屬熔液加熱模具亦是極為常見的方法，不過此方法對模具的壽命有不良影響，不適用於昂貴的精密模具。由於射出時處於瞬間階段，熔液之溫度將侵入模腔表面，其侵入之深度約為鑄件厚度之二倍。在高熱劇烈侵入的期間，模腔表面的高溫狀態，將使模腔表面發生高應力，相對微裂現象產生的機會會倍增。
  
    最理想的加熱方法應為熱油加熱。熱油不間斷地通過模具內管道，從內部進行模具加熱，使模具達到適合生產的狀態。由於導熱油不但能加熱，亦可像水般進行冷卻，功能像熱交換器般，可保持模具溫度在一定範圍內，即使生產中斷時亦可適當地保持模具溫度。  
模溫機介紹
  
模溫機利用高熱傳性的導熱媒體，以便在很短的時間內將模具內多餘的熱送走。模溫機在設定好熱平衡溫度後，能自動控制其溫度在極小誤差之內，且能維持定值。現以奧地利生產之 Robamat 模溫機為基礎，作詳細介紹，圖 1 為其工作原理。
  
以流體種類區別
  
Robamat 有多種類型，其中一類為熱水模溫機，最高使用溫度分別為 140。 和 160。。由於水在大氣壓力下，沸點為 100。，當使用溫度接近或高於 100。 時，便需密封加壓，令壓力為 3.6 bar 及 6.2 bar。客戶選用時，要注意使用軟水較為恰當，以免水管內部受水垢長期積聚而影響其流暢性。
    由於導熱油的沸點較高，因此使用溫度遠高於水，在正常大氣壓力下，可達到 350。。Robamat 生產之熱油模溫機有 250。、320。 及 350。 可供選擇，以配合不同的應用。由於導熱油的沸點限制，以及流體泵軸承的壽命，在某些特殊產品要求高於  
350。 使用溫度時，必需使用特殊製造之模溫機。
  
Robamat 的熱交換設計獨特，(見圖 2 ) 加熱及冷卻單元是以組件管筒形式換入，並以特別之陶瓷纖維作革熱保護，優點是安裝靈活。導熱油在管筒縲紋上以每秒 3 米的速度流動，加熱器在管筒中心，因此加熱效果均勻，不會像其他熱浸式或側熱式的設計造成溫度局部位置過熱。由於中心加熱的導熱效果比側熱式設計較好，失熱較少，因而升溫速度較快。
  
    冷卻設計方面，採用大口徑通過冷卻水，達到更均勻的效果。客戶閱讀冷卻功率數據時，要特別留意溫差條件。Robamat 所註明的冷卻功率是在溫差 (熱油和冷卻水) 150K 情況下。如溫差越大，相等之冷卻功率越大：舉例，60kW/150K≒85kW/190K。
圖1：ROBABAT模溫機的工作原理
1 加壓對流加熱器(Pressurized convection heater)
2 加壓對流冷卻器(Pressurized convection cooler)
3 具備儲存器的輸送泵(Feed pump with reservoir)
4 擴展容缸和液體儲存器(Expansion tank and fluid
  reservoir)
5 熱傳導液的水位控制裝置(Supervision of heat
  transfer fluid level)
6 控製冷卻水的電磁閥(Solenoid valve for cooling
  water)
7 旁路(Bypass)
8 溫度傳感器-熱傳導液(Temperature sensor-heat
  transfer fluid)
9 溫度傳感器-加熱器(Temperature sensor-heater)
    Robamat 熱油機選用側通道轉輪泵。(見圖 3 ) 其內為陶瓷軸連 SiC 滑動式軸承，工作壽命特長。馬達與泵以磁性連接，無漏油情況。其他類型的泵由於滑動環密封圈受力導致磨損，需要經常更換。而磁性連接只有靜態密封圈，無經常更換的弊病，泵的有效使用率因而較高。磁性連接的密封性會較好，不會滲漏導熱油，工作時較清潔及安全。磁性連接部件的工作溫度達 300。，最高油溫設置超過 350。，對高溫熱油尤為適合。目前鎂合金壓鑄為熱門投資，高溫熱油對鎂合金壓鑄至為重要，在選購時，更須小心選擇。
  
   在控制層面上，Robamat 使用最新微電腦控制板，油溫控制於 ±5oC內。圖2 Robamat的加熱及冷卻單元是以組
   件管筒形式換入，安裝靈便
    另外，亦設有工作時間顯示；時間制自動控制開關；熱油自動升溫及冷卻程序有雙重過熱保護；油量過高或過低顯示；機器使用狀態顯示功能等。
  
    機器的結構堅固、通風，並易於維修，嚴格按照歐洲安全標準設計。可供選擇的附件包括自動吸出回油、冷卻水吹出裝置、RS485 連接壓鑄機介面、外置感溫線、流量計、馬達過濾保護、PID 式精確控制、DN13 快速接頭 (最高溫度 250oC) 等。  
  
簡單直接選購法（表一）圖4 Robamat熱油機所選用的側通道
    轉輪泵
機器鎖模力
T 壓鑄合金
Zn kg/h  Al kg/h加熱功率
KW冷卻功率
KWRobamat
型號選擇
60-100390      1602 x 5或102 x 203201.10.40
100-300720      280Min 2 x 102 x 403212.10.40
300-750--       6502-3 x 102 x 404212.20.40
750-1000--      10002-4 x 202 x 604214.20.60
表一為簡單的選購辦法，只作為指引，以下詳細介紹實際計算方法。
1. 按下式計算壓鑄模具加熱需要的功率：
L1 = (Q1*X1) / (t*3600) watt
   = (M*c*DnV1*X1) / (t*3600) watt
L1 = 壓鑄模半邊必須的加熱功率，包括鑲塊或模具的其他零件 w (watt)
Q1 = 升高待加熱材料的溫度所必需的熱量 J (Joule)
M = 待加熱部份重量 = 待加熱體質量 (kg) 例如：模具                   重量    600Kg
加熱時間表                     2小時
      加熱到220oC(VF)（室內溫度VA為20oC）
      DnV1=VF-VA=220-20=200oC
      L1=(600 X 500 X 200 X 1.5)/2 X 3600=12.5KW
c = 比熱 模具鋼，約 500J / kgK (kg)
DnV1 = 開始加熱和終止加熱 (工作溫度) 間的溫差 。
t = 加熱時間 (hr)
X1 = 安全系數，熱幅射，熱傳遞到模框、壓鑄機上的熱損耗
(隨著模具尺寸增大而升高) 1.2-2
  
2. 在生產中，溫度控制器冷卻的功率可按下式計算：
  
A2 = (M*fq*X2)/3600 kW (1kW = 860kcal)
A2 = 由金屬熔液帶來的熱，即必須通過冷卻導出的熱 kW
M = G*S = 重量 (1 小時的重量) kg/h
G = 鑄件重量 (超過 1.5kg 的鑄件，不包括淺道一般用水冷卻) kg
S = 每小時鑄件數 n
fq = 熱系數 (見表 2)
X2 = 修正系數，模具大時為 1；模具小時為 1.5 例如：鑄件重量                              2.5Kg
      鑄件數                                60/h
      材料                                  鋁(fq=798)
      X2                                    1.1
      A2=(2.5x60x798x1.1)/3600=36.6KW
      假定模具的兩邊面積相等，則兩個裝置的功率為36.6/2=18.3KW 　
  
3. 泵所需流量取決於通道的橫截面積 (盡量使選定的通道 ?適合於所有模具) 這裡使用經實際驗證的熱載體流速 2~ 3 m/s 為基礎，以下數據可為標準值：
  
通道直徑mm         泵 V L/ mm
80 - 11         10 - 14 以齒輪泵為主
12 - 14            - 19 以齒輪泵為主
14 - 16            - 25 側通道特製離心泵
16 - 18            - 32 側通道特製離心泵
除「流速」外，還必須檢驗選定的泵輸送量是否能運送所需的能量。這可按下式進行：
V = 60 *(L/c*DnV*p）
V = 輸送量 L/min
L = 工作過程的規定功率 (L1 或者 L2 中取較大值)  
W (Watt)
DnV3 = 模具工作溫度和載熱體原始溫度間的最大允許溫差 (約 40-100)oC(k)
p = 載熱體的密度 (見表 2) kg/dm3
c = 比熱 (見表 2) J/kgK 例如：根據例3，18.3KW 即 18300W
      若DnV3取40oC（例如：模具表面溫度為240oC，油溫為200oC，則
      V=60*（18300/（2500*40*0.75））= 14.4L/min
  
4. 必須進一步驗算通道表面積
  
    確定模具內部必需的加熱通道的結構和尺寸是模具設計師的任務。通常載熱體把熱能傳給模具或者將熱量從模具帶走，兩者情況都一樣，都決定於熱傳導系數 a，以 W/cm2 K 表示。
  
熱傳導系數 a 主要受下列因素影響：  
載熱體的流速  
模具與載熱體間的溫差  
系統均勻工作溫度 (初始溫度)
  
最重要的是把接觸面 (通道表面) 設計成能有效傳遞所需的能量。如通道直徑太細或長度不足，會
出現無法升溫的情況，由於水冷通道一般較熱油通道直徑小，如不改設計，很多時導致接觸面不足。
  
必需的通道表面積計算公式如下：
  
A = L/(a*DnV3)cm2
A = 必要的熱交換表面積 cm2
L = L1 或者 L2 工作必需的加熱或冷卻功率 (取最大值) Watt
a = 熱傳導系數 W/cm2 K (a = 0.222 / DnV3 = 40,  
a = 0.21 / DnV3 = 60)  
DnV3 = 載熱體的初始溫度和模具工作溫度的溫差oC(k)
  
    為避免溫度波動，溫差應盡可能小，力求達到40oC。如果用鋁，即使 100oC 也能取得良好效果 (例如模具工作溫度 250oC，初始溫度 150oC)，要避免 DnV3 超過 100oC，初始溫度低於 150oC，否則，載熱油的效率將變得極不理想。
例如：按照 3，假定DnV3=40oC    w=3m/s
      A1=18300/0.222*40=2061cm2
      或：DnV3=60oC，w=3m/s
      A2=18300/0.21*60=1452cm2
       
       w=3m/s=183000cm/min
      V=14.4L/min=14400cm3/min
      Aq 橫切麵積=V/w=0.8cm2(3.1416*r2)
                     ->d=10mm
      通道直徑最小 10mm
      通道長度：A1/3.1416*d=2061cm2/3.14cm=656cm
  
材料和系數表（表二） 材料 CH比熱
CJ/KgK熔點
oC熔化熱
Hq(J/Kg)*103比重
pKg/cm3冷卻系數*1
fq(J/Kg)*103
鋁Al9206593562.70798
鉛Pb1303272411.3446
銅Cu39010832108.90515
黃銅MS72-390920968.56440
鎂Mg10106502081.74664
錫Sn2302321127.28172
鋅Zn3764191917.14289
鋼0.6C-460--7.84-
鋼8Cr19Ni-500--7.8-
鋼18Cr9Ni-500--7.8-
載熱油200oC-2540*2--0.75-
水　4182-334881-
  
實際運用
  
       所有舉例的數值都經實踐和試驗的驗證，它們可能受各種因素的影響，這些計算只能提供一些參考，並不擔保適用於所有條件。有關具體型號設備的進一步說明，富來備有充足資料提供，可致電：(852) 2721 0690 查詢。
  
結論
  
    在現代化的壓鑄工廠中，因應市場的競爭，節省人力、提升品質、降低成本的經營策略是刻不容緩的，模溫機的使用，可使模具預熱時間減少，成品表面質量提升及可完全自動化生產。事實上，提高模具壽命是提高生產力的必要手段。
導熱油之選擇和使用須知
  
    市面上有頗多可供選擇的導熱油，於選購時必需參考模溫機的最高溫度限制及使用溫度，沸點要高於最高溫度限制，並留意供應商建議的熱油壽命數據。老化的油會造成沉澱，性能降低，其表現於沸點降低及較易燃燒。一般來說 350。 模溫機運用 370。 至 380。 沸點，350。 至 360。 最高的操作溫度之導熱油；320。 模溫機選用 350。 沸點，320。 最高操作溫度的導熱油。另外，要留意最低啟動油溫及最低運行油溫的數據，以配合當地天氣環境。導熱油的質量的特徵應包括氧化穩定性、防沈、防泡沬等使用壽命數據。

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