การออกแบบแม่พิมพ์โลหะ Zinc Die Casting

การออกแบบแม่พิมพ์ คือ การวางแผนทางวิ่งของโลหะว่าจะให้โลหะวิ่งผ่าน Cavity อย่างไร โดยควรเริ่มจากการออกแบบเกท รันเนอร์ สปรู หัวฉีด (nozzle) ตามลำดับ และมีหลักในการออกแบบ ดังนี้

   1.   พื้นที่หน้าตัดทางวิ่งน้ำโลหะต้องลดหลั่นลงตามลำดับ จาก nozzle จนถึงเกท

2.   ควรหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนพื้นที่หน้าตัดอย่างกะทันหัน (ทั้งเล็กไปใหญ่ และใหญ่ไปเล็ก) เพราะจะทำให้เกิดฟองอากาศ

   3.   ทุกส่วนของทุก Cavity ในแม่พิมพ์  ควรให้โลหะวิ่งเข้าเต็มในขณะเดียวกัน 

  4.  พื้นที่หน้าตัดเกทต้องใหญ่เพียงพอที่จะป้อนน้ำสังกะสีเข้าแม่พิมพ์ โดยสามารถคำนวณได้ ดังนี้

 

 เมื่อ Agate คือ พื้นที่หน้าตัดเกท มีหน่วยเป็นตารางมิลลิเมตร (mm2 ) 

Vgate คือ ความเร็วน้ำสังกะสีที่เกท (ควรอยู่ในช่วง 40-50 m/s), ถ้า Vgate<30 m="m" s="s" vgate="vgate">60 m/s อาจทำให้แม่พิมพ์สึกได้

       r คือ ความหนาแน่นของสังกะสีผสมขณะหลอมเหลว... เท่ากับ 6.12 kg/m3 สำหรับสังกะสีผสมเบอร์ 3

       W คือ น้ำหนักของชิ้นงาน (รวม Overflow) 1 ชิ้น มีหน่วยป็น กรัม (g)

       t คือ เวลาในการฉีดน้ำสังกะสีเข้าแม่พิมพ์... ควรอยู่ในช่วง 10-20 มิลลิวินาที (ms), สำหรับชิ้นงานที่ต้องนำไปทำผิวต่อ ควรใช้ t < 10 ms หากต้องการให้ชิ้นงานมีคุณสมบัติทางกลที่ดี ควรใช้ t < 20 ms หากใช้ t > 40 ms จะทำให้ชิ้นงานมีคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดี

เมื่อได้พื้นที่หน้าตัดเกทแล้ว หาความยาวเกทได้จาก 

ความยาวเกท  =  พื้นที่หน้าตัดเกท / ความหนาเกท

โดยควรเลือกใช้ความหนาเกทอยู่ในช่วง 0.25 – 0.75 มิลลิเมตร ถ้าความหนาเกท < 0.25 mm. อาจทำให้น้ำสังกะสีแข็งตัวที่เกท ถ้าความหนาเกท > 0.75 mm. อาจทำให้เกิดตามดที่เกท

การออกแบบเกท

ในการออกแบบเกทต้องคำนึงถึง...

1. ตำแหน่งของเกท เพราะมีผลต่อรูปแบบและระยะการไหลของน้ำสังกะสี แบ่งออกเป็น Center gate คือเข้าตรงกลางชิ้นงาน  และ Side gate คือ เข้าที่ขอบของชิ้นงาน ถ้าหากมีการเปิดเกทเข้าชิ้นงานตั้งแต่ 2.     เกทขึ้นไปควรใช้ center gate

2. ขนาดของเกท ซึ่งสามารถทำการคำนวณได้ดังวิธีที่ได้กล่าวมาแล้ว 

3. รูปแบบของเกท แบ่งออกเป็น เกทแบบพัด (Fan gate) และ  Tangential gate

- เกทแบบพัด (fan gate) เหมาะสำหรับเกทที่สั้นแต่หนา ให้มุมของการไหลแคบๆ (มากสุด 45o ที่ปลายเกท, ถ้ามากกว่า 45o  อาจทำให้เกิดการกักฟองอากาศ)

- Tangential gate เหมาะสำหรับเกทที่ยาว (อาจยาวได้ถึง 500 มิลลิเมตร) และบาง ให้มุมของการไหลกว้าง นอกจากนี้ควรมีตัวกันกระแทก (shock absorber) เพื่อกันแม่พิมพ์สึก และช่วยกักอากาศ

Tangential gate ประกอบด้วย 3 ส่วน คือ Half delta, Tapered runner และ ตัวกันกระแทก (shock absorber)

รูปร่างของ Tapered runner ควรเป็นสี่เหลี่ยมคางหมู แต่อาจอนุโลมให้เป็นสามเหลี่ยมได้ในกรณีที่เป็น Tangential gate ที่เล็กๆ เพราะขึ้นรูปแม่พิมพ์ได้ง่ายกว่า

Tapered runner สามเหลี่ยม

Delta อาจมีความโค้งเป็นรัศมีวงกลม หรือวงรีก็ได้ และควรมีความยาวประมาณ 25 – 30% ของความยาวเกท และมีความหนาประมาณ 1.5 – 2 เท่าของความหนาเกท

ถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ ejector pin ใหญ่ ตัวกันกระแทกควรอยู่ในแม่พิมพ์ครึ่งที่เคลื่อนที่ (moving die half)  แต่ถ้าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ ejector pin เล็ก ตัวกันกระแทกอาจอยู่ในแม่พิมพ์ครึ่งที่เคลื่อนที่หรือครึ่งที่อยู่กับที่ (fixed die half) ก็ได้

 การออกแบบรันเนอร์

หลักในการออกแบบรันเนอร์มีดังนี้

1. ควรออกแบบให้พื้นที่หน้าตัดรันเนอร์มากกว่าพื้นที่หน้าตัดเกท 8 – 19%

2. ทางวิ่งไม่ควรหักมุมเป็นมุมฉาก

3. ระยะที่โลหะวิ่งเข้า Cavity ควรให้สั้นที่สุด (โดยเฉพาะชิ้นงานที่บาง)

4. เพื่อไม่ให้อุณหภูมิน้ำสังกะสีลดลงมากเกิน ควรออกแบบรันเนอร์ให้สั้นที่สุด ถ้ารันเนอร์ยาว อาจแก้โดยออกแบบให้ความยาวด้านสั้นของคู่ขนานเท่ากับความหนา เพราะจะช่วยให้รักษาอุณหภูมิได้ดี นอกจากนี้ยังขึ้นรูปและดีดออกได้ง่าย

5. ถ้าแม่พิมพ์มีหลายรันเนอร์ ควรออกแบบให้ความยาวด้านสั้นของคู่ขนานยาวเป็น 2 เท่าของความหนา เพราะจะช่วยให้สามารถเชื่อมต่อรันเนอร์ได้ดี และสามารถระบายความร้อนได้ดีกว่าแบบที่ aspect ratio 1:1

6. ถ้าระยะวิ่งในแม่พิมพ์ยาวมาก  ก็ให้โลหะวิ่งใน Runner จนใกล้ Cavity ที่สุด  แล้วจึงเปิด Gate เข้า Cavity 

7. ถ้าทางวิ่งมีมากกว่า 1    ควรให้ทางวิ่งเหล่านี้วิ่งขนานกัน หรือวิ่งออกจากกัน

  

การออกแบบสปรู

สปรู ถือว่าเป็นส่วนแรกของระบบทางวิ่ง ช่วยทำให้การไหลของน้ำสังกะสีจากหัวฉีด (nozzle) ไปยังรันเนอร์ได้อย่างราบรื่น ซึ่งมีหลักในการออกดังนี้

1. ควรออกแบบให้พื้นที่หน้าตัดสปรูมากกว่าพื้นที่หน้าตัดรันเนอร์ 8 – 19%

2. ทางวิ่งสปรูไม่ควรหักมุมเป็นมุมฉาก

3. มีการควบคุมพื้นที่หน้าตัดสปรูให้คงที่หรือลดลง จากด้านที่ติดหัวฉีดมาด้านที่ติดรันเนอร์

4. รูปแบบของสปรูมี 3 แบบคือ Cone sprue, Pencil sprue และ Runner sprue

- Cone sprue มีการหักมุมของทางวิ่งสปรู และมีการเพิ่มของพื้นที่หน้าตัด ทำให้การไหลไม่ราบเรียบ

- Pencil sprue มีการเพิ่มของพื้นที่หน้าตัด ทำให้การไหลไม่ราบเรียบ, เย็นตัวยาก และหัวฉีดมักจะเล็ก ทำให้เกิดการอุดตัน

- Runner sprue พื้นที่หน้าตัดลดหลั่นลงจากด้านที่ติดหัวฉีดมาด้านที่ติดรันเนอร์ ทำให้การไหลดี และเย็นตัวได้เร็ว

Runner sprue แบบทางวิ่ง 1 ทาง:  เหมาะสำหรับสปรูที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ เพราะสามารถเย็นตัวได้เร็ว โดยไม่ต้องมีการหล่อเย็นที่ปลอกสปรู ทำให้การควบคุมความร้อนดี ไม่เกิดการเย็นตัวเร็วเกินไปในส่วนของแม่พิมพ์ครึ่งที่อยู่กับที่ 

Runner sprue แบบทางวิ่ง 2 ทาง (double runner sprue):  เหมาะสำหรับฉีดชิ้นงานแยกออกไป 2 ด้านทำมุม 180o พื้นที่หน้าตัด double runner sprue แบบทั่วไปจะเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส แต่ถ้าหากมีข้อจำกัดด้านพื้นที่อาจมีรูปร่างโค้งตามส่วนของปลอกสปรูโดยที่ด้านในเรียบก็ได้

ในบางครั้ง Double runner sprue อาจติดแม่พิมพ์ในแม่พิมพ์ครึ่งที่อยู่กับที่ การใช้ piston ejector หรือ hook ejector จะช่วยให้ดึงออกง่ายขึ้น 

การป้องกับการบิดงอของชิ้นงานระหว่างการขนส่งชิ้นงาน หรือระหว่างการหักรันเนอร์ อาจทำเป็นวงแหวนยึดที่สปรู หรือทำเป็นปลอกสปรูบางๆ หนาประมาณ 0.35 มิลลิเมตร

 การออกแบบหัวฉีด (Nozzle)

หัวฉีดจะมีพื้นที่หน้าตัดเป็นวงกลม โดยควรมีพื้นที่หน้าตัดเท่ากับหรือมากกว่าพื้นที่หน้าตัดสปรู

การออกแบบรูล้น (Overflow)

หน้าที่ของรูล้น มีดังนี้

1. กักอากาศที่ถูกไล่มาจาก cavity

2. เก็บสังกะสีที่เย็นและถูกออกซิไดซ์จากสังกะสีระลอกแรกที่เข้ามาใน cavity

3. ให้ความร้อนแก่แม่พิมพ์ ช่วยให้อุณหภูมิแม่พิมพ์คงที่

4. เป็นจุดรับการกระแทกของ ejector pin

หลักในการออกแบบรูล้น มีดังนี้

1. น้ำหนักของรูล้น ไม่ควรเกิน 10% ของน้ำหนักชิ้นงาน

2. ความหนาเกทของ overflow ควรอยู่ระหว่าง 0.25 – 0.35 มิลลิเมตร

3. ตำแหน่งของ overflow ควรอยู่ที่ปลายสุดของชิ้นงาน โดยอยู่ตรงข้ามเกท

  

การออกแบบรูระบายอากาศ (Vent)

ในกระบวนการฉีดสังกะสี ถึงแม้จะทำการออกแบบแม่พิมพ์ตามที่แนะนำมาแล้วข้างต้น ก็ยังคงมีอากาศประมาณ 30% ยังคงค้างอยู่ใน cavity ซึ่งทำให้เกิดปัญหาตามด ผิวพอง ผิวลาย และอื่นๆ ตามมา การมีรูระบายอากาศก็เพื่อลดปริมาณอากาศที่ถูกกักอยู่ใน cavity โดยหลักในการออกแบบรูระบายอากาศมีดังนี้

1. ตำแหน่งของรูระบายอากาศ ควรอยู่ที่ระนาบแม่พิมพ์ และอยู่ที่ปลายสุดของการไหล หรือจุดที่การไหล 2 ทางมาบรรจบกัน

2. ควรออกแบบรูระบายอากาศ ให้มีรูปร่างซิกแซก เพื่อป้องกันปัญหาเรื่องครีบ

3. รูระบายอากาศควรหนาประมาณ 0.05 – 0.12  มิลลิเมตร และกว้าง 8 – 25 มิลลิเมตร

4. โดยทั่วไป พื้นที่หน้าตัดของรูระบายอากาศ = 50 – 100% ของพื้นที่หน้าตัดเกท

5. ในกรณีที่ต้องการให้มีพื้นที่หน้าตัดรูระบายอากาศมาก ควรเพิ่มจำนวนหรือความกว้าง แทนที่จะเพิ่มความหนา

Credit : www.coezic.com