模具设计原则(1)

模具設計原則鑄件精度之主要變因模具製造精度材料收縮率：與產品形狀、模具設計方案、成形條件有關成形條件如模溫、頂出溫度、射出壓力等模具零件熱變形、磨耗、熔損或移位，以及毛邊附著在零件上造成製品形狀變動成形設備硬體剛性及精度頂出銷尺寸及位置安排不當、滑塊構造不當等造成產品變形影響壓鑄件尺寸之變因基本產品設計原則在滿足功能要求的條件下儘量簡化設計，並考慮降低模具設計的困難度及成本。薄而大面積的平面易產生撓曲變形，應儘量避免，如果必須採用，就應以肋條等方式達到輔助流動及加強結構之效果，並特別注意製程之溫度控制，避免冷卻不均。採用漸變、圓角等方式，避免厚度及流動方向的劇烈改變。設法讓料頭、毛邊等用沖壓模就可輕易的移除。需後加工處要留足夠的加工餘量，並考慮可伸進加工的方向及空間。壁厚設計原則面積(cm2)≦2525～100100～500＞500最小壁厚正常壁厚0.821.22.51.832.53.5以筆記型電腦外殼而言，不同大小的液晶顯示器(LCD)所對應的電腦外殼面積約略如下：6.1LCD(A5)：230cm210.4LCD(B5)：520cm211.3LCD：570cm212.1LCD(A4)：660cm213.3LCD：720cm214.1LCD：775cm2目前A5及B5尺寸的筆記型電腦LCD背板外殼壁厚最薄可達0.6~0.8mm，A4一般約為1.2-1.5mm，最薄約0.8-1mm，而13.3及14.1最薄可達1-1.2mm。線性公差•同一模仁部分所鑄出形狀之線性公差﹝圖中E1﹞如下表。•例：某一線性尺寸100mm，其標準及精密級線性公差為：–標準級：(±0.25)+3(±0.025)=±0.325–精密級：(±0.05)+3(±0.025)=±0.125標準(S-4-1-97)精密級(P-4-1-97)基本公差(0-25.4mm)±0.25mm±0.05mm25.4mm，每增加25.4mm增加之公差±0.025mm±0.025mm分模線公差•跨越分模線形狀的線性公差﹝圖中E2E1﹞是將上述「線性公差」的值加上查下表所得的「額外公差」來決定。•下表的數值是在單一模穴的情況下，由鑄件在分模面的投影面積而定，且由於此額外公差是由分模線分離所引起，因此影響的只有'+'的公差。鑄件投影面積(cm2)標準(S-4-2-97)精密級(P-4-2-97)64.5以內+0.14mm+0.089mm71.0~129.0+0.165mm+0.102mm135.5~322.6+0.19mm+0.153mm329.0~645.2+0.30mm+0.203mm651.6~1290.3+0.46mm+0.305mm1296.8~1935.5+0.61mm+0.406mm例：一鑄件投影面積500cm2，跨越分模線的線性尺寸125mm，其公差為：標準級：(±0.35)+(+0.30)=+0.65／-0.35精密級：(±0.15)+(+0.203)=+0.353／-0.15分模線偏移的額外線性公差•分模線若有模塊因溫度變化、滑塊鎖定機構內力、或定位銷間隙過大而產生偏移，可能造成與分模面平行的前／後／左／右任一方向之尺寸變化，影響跨越分模線的線性尺寸、同心度、以及基準面結構(datumstructure)。•注意此處包括「正」和「負」的影響。鑄件投影面積(cm2)額外公差(mm)322.6以內±0.102329.0~645.2±0.152651.6~1290.3±0.2031296.8~1935.5±0.2791941.9~3225.8±0.4063232.3~5161.3±0.5085167.7~7741.9±0.635NADCAG-5-2-97Guidelines可動模塊公差•可動模塊構成形狀的線性公差﹝圖中E3E1﹞是將上述「線性公差」的值加上查下表所得的「額外公差」來決定。•下表的數值是由可動模塊所形成的鑄件部位在分模面的投影面積而定，且由於此額外公差是由可動模塊的移動或磨損所引起，因此影響的只有'+'的公差。鑄件投影面積(cm2)標準(S-4-3-97)精密級(P-4-3-97)64.5以內+0.20mm+0.127mm71.0~129.0+0.33mm+0.178mm135.5~322.6+0.48mm+0.254mm329.0~645.2+0.61mm+0.356mm651.6~1290.3+0.81mm+0.483mm1296.8~1935.5+0.1mm+0.61mm例：由可動模塊所形成的鑄件部位在分模面的投影面積500cm2，線性尺寸125mm，則公差為：標準級：(±0.35)+(+0.61)=+0.96／-0.35精密級：(±0.15)+(+0.356)=+0.506／-0.15平面公差•要提昇平面度應注意以下幾點：–平面週邊及底下的壁、凸圓及凸片都應有夠大的拔模角。–避免在平面下設計大凸面或截面，以免發生縮痕(sinkmark)或收縮變形。–採用漸進的截面變化，並注意適當的填角，減少應力及收縮變形的發生。–各種不對稱的凸塊及壁高變化都會影響平面度，因此在可能情況下盡量用對稱形狀。鑄件表面最大尺寸標準(S-4-5-97)精密級(P-4-5-97)基本公差(76.2mm以內)0.20mm0.13mm25.4mm，每增加25.4mm增加之公差0.08mm0.05mm拔模角•一般鎂鑄件的拔模角可以較其他壓鑄材料為小，某些情況下甚至可以不用斜角，但是在允許範圍內，一般還是選用較大拔模角，以減少所需之頂出力或抽芯力。•內壁的C值是外壁的一半，因此內壁的拔模角一般是外壁的兩倍。•鑄造字體及裝飾花紋不適用此標準，請參考NADCAG-6-7-97Guidelines。標準(S-4-4-97)精密級(P-4-4-97)拔模斜度D(mm)CL8.0CL拔模角(度)01746.0L/D01746.0L/D內壁7.007.80外壁14.0015.60C孔4.765.30一般級切削螺紋預留孔•螺紋尺寸註明‘f’者表細牙•若須指定孔徑公差，D1用-0.05mm，D2用+0.05mm。(NADCAS-4-6-97)精密級切削螺紋預留孔•螺紋尺寸註明‘f’者表細牙•若須指定孔徑公差，D1用-0.025mm，D2用+0.025mm。(NADCAP-4-6-97)成形螺紋預留孔•以擠鍛(swaging)方式成形螺紋的預留孔公差都以精密級考慮•螺紋尺寸註明‘f’者表細牙•若須指定孔徑公差，D1用-0.015mm，D2用+0.015mm•在通孔的末端及盲孔的入口應加錐坑•盲孔底部預留4牙的深度•M3或小於M3的牙只適用於通孔•擠鍛攻牙方式不適用於壁厚小於螺孔直徑的2/3的情況(NADCAP-4-7-97)管牙預留孔•適用於英制N.P.T.及A.N.P.T.管牙，單邊斜角為147'10'。(NADCAS-4-8-9)填角(fillet)及交角(corner)•由於充模時間在10-100msec左右，所有邊緣及角落都應盡量使用圓角，以減少紊流產生的機會。使用圓角也可以減緩鑄件及模具內的應力集中，延長模具壽命並降低模具維修費用。鎂壓鑄件的填角及交角比照一般鋁壓鑄件設計，如圖(NADCAG-6-2-97Guidelines)。肋(Rib)•加肋的目的是要增加鑄件的剛性或強度，降低因鑄件變形產生的不良率。然而若設計錯誤，可能反而在其邊緣產生較高應力，或導致應力集中的現象。建議設計方式如右圖(NADCAG-6-3-97Guidelines)。嵌件•嵌件的用途主要在使鑄件局部具有高硬度或耐磨性等特殊性質，或藉以改善壓鑄件的工藝性，例如消除局部熱點、消除側凹、細長孔等。使用嵌件時應注意：–嵌件表面或端部應滾花，以加強其與鑄件之密合。–嵌件周圍應包覆有一定厚度之金屬層，防止破裂。–嵌件在嵌入前最好能先做防蝕保護，避免嵌件與鑄件產生電化學反應。–含有嵌件的鑄件盡量避免表面處理，以免鬆動或產生腐蝕。模具的主體功能部位主要影響模穴產品形狀、尺寸精度、表面狀況流道及澆口充模行為熱傳條件﹝模板熱容量、冷卻水路等﹞凝固行為、微結構、品質、成形周期頂出機構頂出力、位置、時間選擇適當規格之機械成形材料之基本性質檢討決定壓鑄條件模具方案及尺寸設計模具材料選用•標準零件•加工製造、組立及試模•產品品質檢驗•調整最適化製程條件•模具修改•量產設計流程機械規格選擇1000APFtotal,projinjclampPinj(kg/cm2)為射出時金屬壓力，Aproj,total(cm2)是總鑄造面積，需求夾模力為：Aproj,total=製品投影面積+溢流井投影面積+流道投影面積+滑塊投影面積+滑塊拔模角效應滑塊拔模角效應=滑塊投影面積)tan(機械式液壓式滑塊拔模角oooo19~175~3機械式液壓式滑塊投影面積滑塊拔模角效應33.01.0•除了夾模力以外，也需要檢驗鑄造面積與繫桿(tiebars)的形心是否接近，以及繫桿受力狀況是否均勻並且在安全範圍以內，以免繫桿變形甚至斷裂，或是模具張開造成毛邊或熔湯飛濺。金屬成形模具設計之材料因素考量•熱性質–熱焓量(enthalpy)–凝固機構(solidificationmechanism)–比熱–熱傳係數–介面熱傳性質•流動性質–穩態黏度(steadyviscosity)–暫態流變行為(transientrheology)–相分離(phaseseparation)•化學性質–氧化–濕潤性(wetting)•速度場•壓力場•溫度場•產品品質sprue,runner,gate,vent,coolingchannel半固態射出成形模具設計準則•為避免過多轉折導致捲氣，應採直接進澆方式，並儘量減小流道長度。•半固態金屬之黏度較熔融金屬為高，較適合類似塑膠模之流路設計，然必須考慮固液相分離之偏析現象，適當調整澆口大小及進澆速度。•半固態金屬可平緩地充填模穴，因此可減少或不用溢流槽，但仍應有逃氣槽；為改善氧化現象或成形薄壁鑄件時，可考慮使用真空裝置。•半固態金屬已有部份液體凝固，因此須視成形時的固相分率降低模具的收縮率考量。收縮率─有模芯時鑄件在模具內無法收縮，但一旦脫模，鑄件會瞬間收縮，並自脫模溫度持續收縮至室溫，因此單位長度之收縮量為：0mm0eaTTTTL其中=鑄造合金之熱膨脹係數=模具材料之熱膨脹係數Te=鑄件離模時的溫度Tm=熔融合金進入模具前之模溫T0=室溫，一般設為20CamAZ91D在20~300C之熱膨脹係數約為26x10-6mm/mm-C，一般模具之熱膨脹係數則可取11x10-6mm/mm-C，因此單位長度之收縮量為：4m6e6m6e6103T1011T102620T101120T1026L假設Te=320C，Tm=230C，則收縮率約為0.5%。若鑄件厚度很薄，Te很接近Tm，則收縮率可低至0.3%。收縮率─無模芯時鑄件在凝固完畢即開始收縮，因此單位長度之收縮量為：凝固範圍=470~595C凝固熱=373kJ/kg比熱=1.05J/kg-C熱傳導係數=72W/m-K0mm0saTTTTL其中Ts=鑄造合金之固相線溫度m62m66T101110192.120T1011204701026L假設Tm=230C，則收縮率約為0.9%。實際模具之冷卻收縮狀況一般介於以上兩種極端之間，詳如下表。收縮率(%)收縮條件平均壁厚3mm以下平均壁厚3-6mm阻礙大0.40.5阻礙小0.50.6無阻礙0.60.7垂直於分模面方向0.70.9熱性質總結典型製程條件熔解溫度：620~650C(熱室)，650~690C(冷室)鑄造壓力：170~380kg/cm2(熱室)，350~1000kg/cm2(冷室)壓缸射出速度：1.5~2m/s(熱室)，4~5m/s(冷室)模具溫度：200~250C頂出時澆道溫度：430C(參考值)頂出