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三片式壓鑄模具之創新流道設計優化熔湯的充填模式

刊登日期：2023/12/01

摘要：三片式壓鑄模具是使用豎流道與橫流道讓熔湯充填模腔，而豎流道與橫流道在銜接處呈現垂直轉角。當熔湯流經轉彎處常因流動慣性作用，使得熔湯在轉彎處出現流動不順暢的問題，熔湯集中於橫流道的上半部，導致熔湯充填模腔出現嚴重不平衡分布現象，而非呈輻射狀地充填模腔，讓氣體、氧化物容易捲包在模腔的地側區域，衍生鑄件發生脫皮、冷接紋、表面光度不佳等缺陷。另外，熔湯流動的慣性作用也會讓熔湯通過的有效澆口截面積遠低於實際截面積，使得通過部分澆口的熔湯速度遠遠大於設計的澆口速度，常造成該區域模具出現嚴重沖蝕失效的問題。本文旨在介紹研究團隊開發的一種新型的流道設計，即在豎流道的上方增加一個圓形緩衝塊，舒緩熔湯的慣性作用，讓熔湯得以輻射流模式充填模腔，獲得熔湯更均勻、更良好的流動模式，從而提高壓鑄件的品質。藉著本文推廣的流道設計，可有效地降低鑄件缺陷與模具失效，除延長模具使用壽命外，也能提高鑄件的品質與良率。

Abstract：The three-piece die-casting mold uses vertical and horizontal runners to force molten metal to fill the mold cavity. The vertical runners and horizontal runners present a right angle at the junction. When the molten soup flows through the junction, the flow of molten metal is often not smooth due to the effect of flow inertia. The molten metal is concentrated in the upper half of the horizontal channel, resulting in a serious unbalanced distribution of the molten metal filling the mold cavity, instead of filling the mold cavity radially. Allowing gases and oxides to easily entrapped around the ground side area of the mold cavity leads to defects such as lamination, cold shut, and poor surface in the castings. In addition, the inertial effect of the melt flow also makes the effective gate area through which the melt passes is much lower than the actual cross-sectional area, making the melt speed through some gates much greater than the designed gate speed, often causing the mold in this area to serious erosion and failure problems occurred. This article aims to introduce a new type of runner design developed by the research team, that is, adding a circular buffer block above the vertical runner to relieve the inertial effect of the molten metal, allowing the molten liquid to fill the mold cavity in a radial flow pattern, and obtain the molten metal has a more uniform and better flow pattern, thus improving the quality of die castings. Through the promotion of the runner design introduced in this article, casting defects and mold failures can be effectively reduced. In addition to extending the service life of the mold, it can also improve the quality and yield of castings.

關鍵詞：三片式模具、熔湯輻射流模式、慣性作用、壓鑄模

Keywords：Three-piece mold, Radiant flow pattern, Inertia effect, Die-casting mold

前言

模具是大量製造零件所使用的一種工具，壓鑄是利用模具生產具有品質好、效率高、產量大、成本低等優點的製造方法。隨著模具從十九世紀應用於機械加工生產，至今日的壓鑄模具，工業技術飛快的成長。壓鑄已是快速製造工業產品不可或缺的產業之一，在製造業中扮演著非常重要的角色，隨著工業技術不斷的成長，產業對產品的品質要求也越來越高，例如汽車、機車、自行車、工具、家用設備、3C產品、航太等不同產業，對高品質、高強度的零組件也一直是製造業界所追求的目標。

壓鑄工法具備快速成形且適用於形狀複雜的零件製作的一種製程，其製程原理是將高溫的金屬熔湯以高壓高速的方式，迫使熔湯充填金屬模腔，待熔湯凝固與冷卻至適合溫度便成形為所需之鑄件初胚或零件。在壓鑄生產過程中，若沒有良好的壓鑄設計方案，可能會造成許多鑄件缺陷與問題，其品質也會大幅降低，甚至後續的加工成本也會提高。在壓鑄方案設計時，流道幾何形狀、澆口尺寸與位置、熔湯流動模式、冷卻水路配置或壓鑄製程參數，其中每一個部分都會直接影響鑄件的外觀、機械性質及使用壽命。壓鑄方案設計不佳不僅會導致熔湯在充填時產生問題，例如裂痕、氣孔等諸多嚴重缺陷，而這些缺陷會使鑄件外觀品質差、機械性質降低，而這些缺陷必須克服。

當生產需要中心進澆的鑄件時，常會使用三片式模具設計，而三片式模具因其特殊結構，流道由豎流道及橫流道組成，兩者之間需要設計成垂直相交，此種流道設計在充填過程中，熔湯會因流動慣性出現天側及地側充填不均的問題，充填完成後，零件內部會殘留大量的氧化物及捲包氣體，且大部分集中於零件的地側，對鑄件造成極為嚴重的影響。因此，為了解決氧化物殘留過多導致鑄件產生缺陷的問題。本論文旨在設計新型的流道，透過改變熔湯的流動情形，讓熔湯以輻射狀流動進入模腔，減少零件內的高濃度氧化物及解決氧化物過於集中的問題，為鑄件帶來更好的品質。

本研究旨在設計新型的流道來改變熔湯的流動情形，在豎流道上方增加一個圓形緩衝塊，使熔湯以輻射狀流動的方式充填，讓熔湯內的氧化物可順利進入溢流槽，減少殘留氧化物的濃度，且避免氧化物集中於零件的地側，解決三片式模具的流道直交設計所引發的問題，減少高濃度氧化物帶來的缺陷，提高鑄件的良率。

緩衝塊設計之技術研究

本研究係利用模流分析軟體解析熔湯在不同流道設計的流動行為，除了分析傳統流道設計外，也提出新型的流道設計及進行熔湯的充填分析，在豎流道上方增加一個緩衝塊，並與傳統流道進行模腔充填時的模流分析結果比較，觀察金屬熔湯於模腔內的流動情形，研究中是以氧化物濃度高低與分布、熔湯位於澆口處的流速等物理量為基準，以此來改善傳統流道的問題，為鑄件提供更好的品質、更高的強度。

1.輻射流充填

傳統的三片式模具因豎流道與橫流道在銜接處呈現直交的樣式，導致熔湯在充填時會因為流體的慣性先往零件天側流動才向地側充填，造成充填不均的問題，使零件內的氧化物容易集中於地側，且無法順利經由溢流槽排出，進而引發相關的缺陷，如圖1(a)所示。輻射流充填是指熔湯從零件的中心均勻地向外擴散，如圖1(b)所示，可提供從零件中心到外緣最短的流動距離與最理想的流動方式，熔湯前緣的氧化物也可更順利的進入零件周圍的溢流槽，降低氧化物在零件內二次流動的機率，進而減少殘留的氧化物，研究中設計了新型的流道來達成熔湯的輻射流充填。

(a) (b)

圖1 傳統流道與輻射流充填的熔湯流動模式，(a)傳統流道(b)輻射流充填

2.實驗鑄件

本論文是選自三片式模具的現有產品中，參考其樣式設計一個本研究用的鑄件做為研究載具，豎流道與橫流道為垂直連接的設計，零件為圓盤狀，零件的背面有四條肋的特徵，如圖2所示。鑄件將以商用繪圖軟體建立3D模型，使用商用模流分析軟體分析熔湯的充填情形，比較氧化物濃度、熔湯流速、熔湯溫度等物理量。其中氧化物濃度為相對值，以1～100為基準，數字越高則表示氧化物的濃度越高。本研究設計的新型流道，係在豎流道末端增加一個緩衝塊，使熔湯在進入模腔時以輻射流進行充填，為模腔的充填帶來更好的流動模式，如圖3所示。