鎂合金筆記型電腦外殼在壓鑄模具結構設計之問題

鎂合金的比重只有1.8，加上可散熱及可防電磁干擾的特性，使得鎂合金在筆記型電腦外殼上之應用大受重視。由於鎂合金筆記型電腦外殼的壓鑄件具有投影面積大、厚度薄的特徵，因此在設計此類壓鑄模具時，會產生一些在設計傳統壓鑄模具時較易忽略的問題。本文將討論金屬中心在開發鎂合金筆記型電腦外殼的壓鑄模具的過程中，在設計壓鑄模具結構時所遇到的一些問題，特別是在計算鎖模力的方式，以及頂出銷的選用上一些應該注意的事項。
  
一、前言
  
鎂合金的比重只有1.8，加上可散熱及可防電磁干擾的特性，使得鎂合金在筆記型電腦外殼上之應用大受重視。由於鎂合金筆記型電腦外殼的壓鑄件具有投影面積大、厚度薄的特徵，因此在設計此類壓鑄模具時，會產生一些在設計傳統壓鑄模具時較易忽略的問題。本文將討論金屬中心在開發鎂合金筆記型電腦外殼的壓鑄模具的過程中，在設計壓鑄模具結構時所遇到的一些問題，特別是在計算鎖模力的方式，以及頂出銷的選用上一些應該注意的事項。
  
二、鎖模力之計算
  
一般在設計壓鑄模具時，要先預估所需要的鎖模力，以便選擇適當的壓鑄機，然後再依此壓鑄機的規格及性能來設計模具。而計算鎖模力最基本的公式為:
  
F = A P (1)
  
F:所需要的鎖模力
  
A:鑄件總投影面積
  
P:鑄造壓力
  
但在選擇壓鑄機時，通常會再乘上一個安全係數成為:
  
T = F S (2)
  
T:鎖模力
  
F:所需要的鎖模力
S:安全係數，視壓鑄機型式而定，一般約為1.3~1.6。
  
當我們檢視(1)式時，就會發現一個問題，就是我們還沒有開始設計澆流道系統，所以根本就不知道鑄件的總投影面積是多少，所以只能從成品的投影面積來預估。預估的方式如下:
  
A = C Ao (3)
  
A:鑄件總投影面積
  
C:比例常數
  
Ao: 成品的投影面積
  
C會依不同的產品及設計者的習慣和技術而不同。對筆記型電腦外殼來講，一般約在1.2~1.5。
  
以上之計算，是在模具的澆流道系統設計好之前的計算，所得到的是總的鎖模力。在模具的澆流道系統設計好之後，應該再驗算一次。首先按(1)和(2)式算出總的鎖模力，看是否超出壓鑄機的規格。然後我們還要再驗算每一根繫桿是否超過負荷。其計算方式如下:
  
由於筆記型電腦外殼的輪廓很規則，所以澆流道系統通常也很規則。因此我們可把鑄件當成左右對稱，如此可使計算簡化。
  
如圖1.由於鑄件為左右對稱，所以左上角繫桿所受之力等於右上角繫桿所受之力。左下角繫桿所受之力等於右下角繫桿所受之力。亦即
  
Ta = Tb
  
Tc = Td
  
Ta: 左上角繫桿所受之力
  
Tb: 右上角繫桿所受之力
  
Tc: 左下角繫桿所受之力
  
Td: 右下角繫桿所受之力
  
由力矩平衡可得:
  
Ta = Do T/2D (4)
  
Ta: 左上角繫桿所受之力
  
Do:鑄件形心至繫桿之垂直距離
T:鎖模力
  
D:繫桿中心距離
  
算出Ta 後再檢查是否 Ta < N/4， N為壓鑄機的最大鎖模力。
  
Tc，Td可用同樣的方法求得。
  
鑄件形心最好位於機器中心，亦即Do=D/2。但由於筆記型電腦外殼投影面積大，因此鑄件形心通常位於機器中心的上方，若未做每根繫桿負荷之計算，模具通常有從上方撐開的傾向。
  
若發現上方繫桿超出負荷，可用下列方式來解決:
  
重新設計澆流道系統，使鑄件形心接近機器中心。
  
降低鑄造壓力。
  
選擇射口中心距離機械中心較遠的壓鑄機。
  
以上是針對左右對稱型的鑄件所作的計算。對於一般非對稱的鑄件的計算可參考文獻[1]。
  
三、計算範例
  
為了使大家清楚(4)式的計算方式，及鑄件形心偏離機器中心的影響，現在舉一例計算如下:
  
設有一筆記型電腦外殼鑄件之總投影面積A=800cm2，鑄造壓力為280kg/cm2準備在F牌的315S型熱室鎂合金壓鑄機上壓鑄，此壓鑄機之最大鎖模力N=320噸，繫桿中心距離D=660(mm)，此機器之安全係數S=1.3。
  
則壓鑄機承受的鎖模力T為:
  
800 X 280 X 1.3 = 291200 (kg) = 291.2 (ton)
  
若鑄件形心正好在機器中心，291.2<320，則此壓鑄機可負荷此鑄件。但若鑄件形心高於機器中心50mm，則上方繫桿所承受之力為:
  
Do=D/2 + 50=660/2 + 50 = 380(mm)
  
Ta=(380 X 291.2)/(2 X 660) = 83.8(ton)
  
83.8>(320/4) = 80
  
此時已超過繫桿的負荷，若以這樣的條件壓鑄，則會有毛邊產生。
若重新設計，使鑄件形心僅高於機器中心30mm，則上方繫桿所承受之力為:
  
Do=D/2 + 30=660/2 + 30 = 360(mm)
  
Ta=(360 X 291.2)/(2 X 660) = 79.4(ton)
  
79.4<(320/4) = 80
  
則此機器仍可負荷。
  
四、頂出銷
  
由於筆記型電腦外殼鑄件投影面積大，厚度薄，在頂出時很容易頂出不平均，造成局部之頂出力過大，使得鑄件變形。要避免此問題，在設計模具結構時就要注意頂出機構的均衡性，使頂出板能均衡推出。而在設計頂出銷時應注意以下幾點:
  
1.頂出銷的位置應該儘量靠近有阻礙的地方。
  
2.頂出銷的直徑應該儘量大。
  
3.頂出銷的數量應該較計算出來的數量略多。
  
若是成品許可，頂出銷的高度可略低於模面，使鑄件局部變厚，減少變形。
  
四、結論
  
本文討論了設計筆記型電腦外殼鎂合金壓鑄模具時鎖模力的計算方式，與流程及設計頂出銷時應注意的事項。下面再將鎖模力之計算方式作一整理:
  
首先以(3)式估計鑄件總投影面積。
  
再選擇適當的鑄造壓力，以(1)式計算所需要的鎖模力。
  
將計算所得的鎖模力乘上安全係數，然後選擇壓鑄機。
  
按所選擇的壓鑄機之規格來設計模具。
  
在模具的澆流道設計好之後，重新計算真正的鑄件面積，並以此計算鎖模力。
  
檢查鎖模力是否超出壓鑄機噸數。
  
以(4)式計算每一根繫桿的負荷，並檢查是否超過負荷。
若超過負荷，則重新設計澆流道系統，使鑄件形心接近機器中心。
  
在採取步驟8之後，若仍然超出負荷，則考慮是否可降低鑄造壓力。
  
10.若仍然無法解決，則換壓鑄機。
  
以上只是原則性的步驟，有些係數會隨設計者的習慣技術及機器不同而不同。文中有些參考值各設計者可參考並按自己的情形建立自己的係數。