TWI551375B

TWI551375B - 具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法

Info

Publication number: TWI551375B
Application number: TW102109897A
Authority: TW
Inventors: 黃培興; 王柏村; 陳昱廷
Original assignee: 國立屏東科技大學
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2016-10-01
Also published as: TW201436901A

Description

具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法

本發明係關於一種以脫臘法進行精密鑄造過程中所使用的蠟模，尤指一種能成型具有缺槽之蠟模以供成型鑄件組樹的具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法。

按，由鑄造所得之鑄件組樹，其包含了至少一澆道凝固部以及分別連接該澆道凝固部之數個鑄件，而早期將各鑄件從該鑄件組樹上取下的方式，多採用砂輪或鋸床截切，甚至是由作業人員手持榔頭敲擊切斷，不僅費時費力，截切工具之損耗也提升了整體鑄造作業的成本。

為此，中華民國公告第229173號專利案即提供了一種「鑄件之切斷方法及其裝置」，其係使各鑄件與澆道凝固部之相連處具有一應力集中處，並透過一高頻振動裝置振動該鑄件組樹，使該應力集中處形成共振點，令各鑄件能在其應力集中處斷裂而與澆道凝固部分離，從而達到切斷之目的，並可獲致一次切斷多個鑄件，且不受鑄件形狀、體積、材質等因素限制，及免除截切工具之使用與損耗等多重功效。

上述鑄件的成型是經過以下步驟：依所欲成型之鑄件外形設計模具，並由該模具成型數個蠟模；將該數個蠟模串接於一蠟柱上以形成一蠟模組樹，並用砂或陶瓷包覆該蠟模組樹以形成一殼模；該殼模凝固成型後則可受熱，使該殼模中的蠟模組樹完全熔化並排出，以於該殼模中形成具有鑄件成品外形之數個鑄件模穴，以及與各鑄件模穴相連之一澆道；續向該澆道澆灌金屬液，直至金屬液確實填滿各鑄件模穴，以於冷卻後凝固形成前述之鑄件組樹；最後破壞該殼模，取出該鑄件組樹並架設至一高頻振動裝置，從而透過疲勞破壞之原理，使各鑄件能在其應力集中處斷裂而與澆道凝固部分離，以獲得所述之鑄件成品。

其中，在鄰近各鑄件與澆道凝固部之相連處開設缺槽，為形成所述應力集中處最直接且簡易的方式，但缺槽設置的位置、形狀及尺寸等因素，都會直接地影響金屬液是否能夠穩靜、迅速、均勻地流入並填滿上述鑄件模穴。舉例而言，一般會希望將缺槽設置於鑄件澆道系統之進模口(Ingate)處，以確保振動該鑄件組樹時，在所述進模口處產生應力集中並振斷，而不會將鑄件振壞；其中，該缺槽之尺寸過大或不足時，都會導致後續製程之問題，例如：設置該缺槽將直接縮減進模口的口徑，當進模口的口徑過小時，熔融狀的金屬液就不易順暢地澆注進入各鑄件模穴，可能導致澆注不足而影響鑄件的品質，甚至導致鑄件內部產生填充不完全之缺陷；相對地，若為了避免前述情況而將進模口的口徑設置過大，則會使金屬液進模過急，易發生亂流、捲入空氣，以致鑄件中產生氣孔而降低結構強度。

除此之外，一旦鑄件之材料種類不同，或是進模口之斷面形狀改變，也都會顯著地影響金屬液流入所述鑄件模穴的順暢度；因此，在鑄件成型的過程中，為使所成型的蠟模能準確地設有具足夠的應力集中效果之缺槽，以供後續製成的鑄件組樹能具有對應之缺槽，以透過振動方段分離鑄件與澆道凝固部，並獲得品質良好的鑄件成品，光是在設計成型蠟模之模具時，就需考量多項設計參數而耗費許多時間。

是以，如何能在選定鑄件材料種類以及鑄件組樹之進模口部的斷面形狀後，快速且準確地決定設置所述缺槽之相關參數實為亟需改善之目標。

本發明之目的係提供一種具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法，於選定鑄件材料種類及鑄件組樹之進模口部的斷面形狀後，即可快速決定蠟模缺槽的較佳設計參數，使該缺槽確實具有足夠的應力集中效果，並改善鑄件內部產生填充不完全缺陷的問題，以提升蠟模模具設計之效率。

為達到前述目的，本發明所運用之技術內容包含有：一種具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法，包括：建構一鑄件組樹，該鑄件組樹包含一澆道凝固部、數個進模口部及數個鑄件，該數個進模口部之二端分別連接該澆道凝固部與對應之鑄件；建構一蠟模，該蠟模包含相連接之一本體及一延伸部，該延伸部鄰接於該本體處的斷面具有一入模斷面高度，該本體之外型同於該鑄件組樹之鑄件，該延伸部之外型同於該鑄件組樹之進模口部，該延伸部設有一缺槽，該延伸部設有該缺槽處具有一最小斷面高度，該缺槽本身具有一缺槽寬度；依欲選用之鑄材種類得知該鑄材的降伏強度(σ_y)；依該鑄件組樹之進模口部的斷面形狀得知振動所致的動力係數實驗值(β)；計算該蠟模之延伸部的慣性矩(I)及該延伸部之中性軸至表面的最大距離(c)；決定該鑄件組樹之鑄件重量(W)；決定該蠟模之本體重心至該缺槽中心之距離(D)；將上述各數值代入公式，以計算出應力集中因子(K)；其中，建構該臘模時，選定所述入膜斷面高度的值以計算出所述應力集中因子，再選定所述最小斷面高度的值，算出該入模斷面高度與該最小斷面高度之比值，並由本發明第5圖所示之圖表，查得該缺槽寬度與該缺槽的最小斷面高度之比值，從而推得該缺槽寬度的較佳值；依該比值設計成型該蠟模的一模具；對該模具注入熔融之蠟，以成型具有所述缺槽之蠟模。

其中，該延伸部鄰接於該本體處之斷面形狀為圓形時，其動力係數實驗值為74.373；所述斷面形狀為矩形時，其動力係數實驗值為137.537；所述斷面形狀為梯形時，其動力係數實驗值為85.174。

其中，該延伸部鄰接於該本體處之斷面形狀為圓形時，其慣性矩為，該H₁為圓形的直徑；所述斷面形狀為矩形時，其慣性矩為，該H₁為矩形的長邊，該a為矩形的短邊；所述斷面形狀為梯形時，其慣性矩為，該H₁為梯形的高度，該b及c分別為梯形的下底及上底之長度；上述H₁均等於上述入模斷面高度。

其中，該延伸部鄰接於該本體處之斷面形狀為圓形或矩形時，其最大距離為c=0.5×H ₁；所述斷面形狀為梯形時，其最大距離為，該b及c分別為梯形的下底及上底之長度；且上述H₁均等於上述入模斷面高度。

據此，該具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法可於選定鑄件材料種類及鑄件組樹之進模口部的斷面形狀後，即可快速決定蠟模缺槽的較佳設計參數，使該缺槽確實具有足夠的應力集中效果，並防止該缺槽尺寸過大以致澆鑄填充不完全的問題，以提升蠟模模具設計之效率。

1‧‧‧鑄件組樹

11‧‧‧澆口箱部

12‧‧‧澆道凝固部

13‧‧‧進模口部

14‧‧‧鑄件

2‧‧‧蠟模

21‧‧‧本體

22‧‧‧延伸部

23‧‧‧缺槽

H₁‧‧‧入模斷面高度

H₂‧‧‧最小斷面高度

H₃‧‧‧缺槽寬度

P‧‧‧重心

D‧‧‧距離

第1圖：本發明較佳實施例之鑄件組樹的結構示意圖。

第2圖：本發明較佳實施例之蠟模的結構示意圖。

第3圖：第2圖的局部放大圖。

第4a~4c圖：本發明較佳實施例之蠟模延伸部的三種斷面形狀示意圖。

第5圖：本發明較佳實施例之應力集中因子、最小斷面高度與入模斷面高度及缺槽寬度比值之對照圖。

第6a~6c圖：本發明較佳實施例之蠟模缺槽的另三種形狀示意圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1~3圖所示，其係為本發明具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法的一較佳實施例，該成型方法大致上包含以下步驟：

請參照第1圖，建構一鑄件組樹1，使該鑄件組樹1可由其澆道系統澆注金屬液並冷卻成型，該鑄件組樹1可包含一澆口箱部11、一澆道凝固部12、數個進模口部13及數個鑄件14；其中，該澆口箱部11連接該澆道凝固部12之一端，該數個進模口部13之二端則分別連接該澆道凝固部12與對應之鑄件14。在本實施例中，該鑄件組樹1係選擇採用上注法澆鑄，該澆口箱部11位於該澆道凝固部12之頂端，該澆道凝固部12沿Z軸方向延伸，各組相連接之進模口部13與鑄件14則沿X軸方向延伸。

請參照第2、3圖，建構一蠟模2，該蠟模2包含相連接之一本體21及一延伸部22，該本體21之外型同於上述鑄件組樹1之鑄件14，該延伸部22之外型則同於該鑄件組樹1之進模口部13。該蠟模2另設有至少一缺槽23，該缺槽23設於該延伸部22，且較佳鄰接於該本體21與延伸部22之相連接處。據此，該延伸部22鄰接於該本體21處的斷面具有一入模斷面高度H₁，該延伸部22設有該缺槽23處具有一最小斷面高度H₂，該缺槽23本身則具有一缺槽寬度H₃；其中，建構該蠟模2時，所述入模斷面高度H₁為已選定之預設值，而該最小斷面高度H₂及缺槽寬度H₃則分別為可相互匹配之未知值。

本發明提供下列經驗公式①以計算應力集中因子(K)。

其中，σ_y為所選用之鑄材的「降伏強度」，常用的鑄材及其降伏強度可參照表一。

前述經驗公式①之β為振動所致之「動力係數之實驗值」，其係由所建構之蠟模2，其延伸部22與本體21鄰接處之斷面形狀所決定；舉例而言，該延伸部22鄰接於該本體21處之常見斷面形狀有圓形(請參照第4a圖)、矩形(請參照第4b圖)及梯形(請參照第4c圖)，其中圓形之動力係數實驗值為74.373，矩形之動力係數實驗值為137.537，梯形之動力係數實驗值為85.174。

前述經驗公式①之I為所述延伸部22之「慣性矩」，其係由該延伸部22鄰接於該本體21處之斷面形狀所決定；在本實施例中，由於該蠟模2之延伸部22係沿X軸方向延伸，因此計算該慣性矩時，應計算對X軸之慣性矩(I_x)。表二為該延伸部22鄰接於該本體21處之各常見斷面形狀所對應之慣性矩計算公式，只要依據所選定之斷面形狀找到對應之公式代入數值即可。

其中，如第4a圖所示之圓形斷面，其直徑即為上述之入模斷面高度H₁；如第4b圖所示之矩形斷面，其長邊即為該入模斷面高度H₁，其短邊則為表二公式中的a值；如第4c圖所示之梯形斷面，其高度即為該入模斷面高度H₁，其下底及上底之長度分別為表二公式中的b及c值。

前述經驗公式①之c為該延伸部22之中性軸至表面的「最大距離」，其係由該延伸部22鄰接於該本體21處之斷面形狀及其入模斷面高度H₁所決定。表三為上述各常見斷面形狀所對應之最大距離計算公式；其中，該入模斷面高度H₁為已選定之預設值，而表三公式中的b及c值則對應第4c圖之梯形斷面的下底及上底長度。

前述經驗公式①之W為最後所欲製成之各鑄件14的「重量」；請再參照第2圖，經驗公式①之D則是所建構之蠟模2的本體21重心P至所述缺槽23中心之「距離」。

由上述各數值代入前述經驗公式①以得所述應力集中因子(K)，另可選定一合理的最小斷面高度H₂值，算出該入模斷面高度H₁與該最小斷面高度H₂之比值，搭配查閱第5圖，即可得到上述缺槽寬度H₃與該選定之最小斷面高度H₂的比值，從而推得與該最小斷面高度H₂匹配之缺槽寬度H₃的較佳值，據以快速且準確地決定該缺槽23之相關尺寸，使該缺槽23確實具有足夠的應力集中效果，以完成建構希望製得的蠟模2，並依所建構之蠟模2設計成型該蠟模2之模具。

如此一來，可對該模具注入熔融的蠟，以成型具有所述缺槽23之數個蠟模2，續將該數個蠟模2黏組成一蠟模組樹，以便進行後續脫蠟精密鑄造之流程，使在殼模中冷卻成型的鑄件組樹1，也能在各進模口部13形成對應之缺槽，作為前述之「應力集中處」，據以在該鑄件組樹1承受適當振動頻率時，能確實於該應力集中處產生斷裂而分離各鑄件14與澆道凝固部12。

由上述可知，在確認上述蠟模2之缺槽23的相關尺寸後，即可確保該缺槽23能具有足夠的應力集中效果，因此，只要能滿足該相關尺寸，該缺槽23之形狀係可具有多種形態的變化；舉例而言，請參閱第6a~6c圖，除了第2圖所揭示之V型缺槽23以外，第6a圖另揭示了呈K型之缺槽23，第6b圖揭示了呈R型之缺槽23，第6c圖則揭示了呈U型之缺槽23。亦即，該缺槽23之形狀還可以是單、雙邊缺槽或其他幾何形狀之等效變化，均不為本發明圖式所限制。

又，本發明係透過模流分析上述鑄件組樹1之固態率及溫度場，並將該鑄件組樹1進行振動特性分析，透過有限元素分析及實驗模態分析進行模型驗證，以及對有限元素分析模型(即該鑄件組樹1)進行模擬夾持於振動機台下之簡諧響應分析，利用簡諧響應分析了解該鑄件組樹1的應力分佈位置，透過Goodman圖進行疲勞分析，探討該鑄件組樹1是否會斷裂。另搭配實際實驗，在振動試驗機上進行實驗，確認該鑄件組樹1能在30秒左右透過振動分離術將各鑄件14給予分離，且各鑄件14皆無損傷。據此，在有限次的模擬與實驗搭配下，得到上述經驗公式①及如第5圖所示之圖表，以輔助使用者快速設計所述缺槽23，且確保該缺槽23具有足夠的應力集中效果。

綜上所述，本發明之具有缺槽之鑄件組樹蠟模的成型方法，可於選定鑄件材料種類及鑄件組樹之進模口部的斷面形狀後，即可快速決定蠟模缺槽的較佳設計參數，使該缺槽確實具有足夠的應力集中效果，並防止該缺槽尺寸過大以致澆鑄填充不完全的問題，以提升蠟模模具設計之效率。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。