模具类别的产品设计

模具类别的產品設計前言•模具為“工業之母”.-大量生產-CostDown•機構設計者對模具及產品製程應有之認知-產品功能-材質(Plastic/SheetMetal/Alloy…)-製程(Injection,Stamping,Die-casting….)產品與塑膠模具-1•產品材質(PC,PC/ABS,ABS,…)-模具縮水率(Shrinkage)•產品外觀要求(Cosmeticrequest)-ID-高光澤,咬花,噴漆,電鍍,….•分模線(partingline)-公模(core)/母模(cavity)•進膠點(Gate)位置及型式•頂針(Ejector)位置KeypointforTooling:產品與塑膠模具-2•模仁材質•模流分析成型與模具•溫度•壓力•時間•速度•位置KeypointforInjection:常用射出模結構•兩板模•三板模•••1.兩板模結構介紹---2D結構圖2.三板模結構介紹與二板模相比較﹐在上固定板與母模板之間增加了可定距移動的剝料板﹐可讓塑件與料頭從兩個不同的分型面取出.定位環注口襯套大拉杆小拉杆撥塊開閉器公模仁公模板上頂出板下頂出板支撐柱上固定板剝料板母模板母模仁成品導柱回位銷定位塊(上)定位塊(下)模腳下固定板料頭滑塊模具六大系統模具的六大系統為﹕1.進膠系統2.排氣系統3.成型系統4.溫度調節系統5.脫模與頂出機構6.模座系統1.澆注系統澆注系統是指模具中從注機噴嘴開始到型腔為止的塑料流動通道。澆注系統在几大系統中最為重要。設計澆注系統的基本原則﹕在滿足塑膠產品品質的同時﹐還應有利于提高成型速度來縮短成型周期。構成如圖所示,有主流道、分流道、澆口及冷料井組成。從注射機噴嘴至模具模穴的熔融塑膠路徑稱之為流道,其中,澆口套內塑膠流道稱之為主流道,其餘部分稱為分流道。分流道末端通向模穴的節流孔稱之為澆口,在不通向模穴的分流道的末端設置冷料井。2.排氣系統氣體來源A.進料系統和型腔中存在的空氣B.塑料所含水分蒸發.C.塑料分解產生氣體.D.塑料中某些添加劑分解或化學反應排氣的目的:減少造成制品的包風、燒焦4.溫度調節系統熱塑性塑料和部分熱固性塑料注塑成型的過程﹐是將溫度較高的熔塑料﹐通過高壓注射進入溫度較低的模具中﹐經過冷卻固化﹐從而得到所需要的制品。首先﹐從生產效率的角度來看﹐成型周期是成型中一個重要的環節﹐成型周期中50%~~60%的時間用來對制品的冷卻﹐因此﹐冷卻時間長短的重要性不言而喻。同時﹐制品應保証最好的尺寸穩定性﹐最小的變形量﹐最高的強度和韌性﹐最完美的外觀﹐如何控制模具溫度﹐使型腔和型芯保持在與被成型制品質量相適應的規定的溫度范圍之內﹐最大限度地消除縶應力﹐改善塑料的物理性能﹐得到高質量的制品﹐是模具冷卻系統設計中的另一個重要環節。模具冷卻系統包括﹕冷卻水溫﹐模具溫度控制器以及加熱元件等。它們工作的目地不僅僅是為使模具得到冷卻﹐而且是要把在成型過程中﹐由于熔融塑料帶給模具的高溫不斷地散發掉﹐使模具保持一恆定的溫度﹐以便控制型腔塑料的冷卻速度﹐從而提高制品的注塑性能和生產效率。A.冷卻的基本原理從塑料到模穴壁的熱傳導:冷卻系統的行為受從塑料中移走的熱量和轉移到模穴表面的溫度的影響。它會受到材料性質、熔體溫度和模具表面溫度的差異以及冷卻中的塑料和模具材料之間接觸好壞的影響。4.溫度調節系統塑膠中的熱量來自於冷卻水路的交換熱輻射散熱對流散熱A散失到模板的熱量層流的溫度梯度2300淤紊流的溫度梯度230063deg.C43deg.C23deg.C20deg.C塑膠/金屬的界面水/金屬的界面冷卻液A.冷卻的基本原理從模穴壁到水管壁的熱傳導:冷卻系統行為也受通過模具材料到達冷卻水管的熱傳導的影響。模具材料的性質﹐包括熱傳導率、冷卻水管和塑料表面的距離﹐和塑料熔體與冷卻水管內部溫度之差﹐也影響冷卻系統行為。水管距離模穴越近﹐熱量移走得越快﹐然而﹐把它們放置得離模穴過近﹐會產生模穴表面溫度的局部變化﹐除非增加額外的水管減小相鄰水管的距離。因此﹐最優化的水管放置應是均勻冷卻與快速冷卻的折中。4.溫度調節系統5.脫模與頂出機構機構系統主要是為了讓成品能夠順利的射出成型﹐得到理想的產品而設計的。以目前較常見之情形大致有﹕1.為處理成品外部倒勾的機構(滑塊機構)﹔2.為處理成品內部倒勾的機構(斜銷機構)﹔5.脫模與頂出機構(6).斜銷當成品中使用斜銷較多且其它地方不易排頂針時就可直接用斜銷來頂出成品。斜銷6.模座系統定位裝置對于大型﹑精密型及導向零件需要承受較大的側向力的模具﹐通常要設置定位裝置。模板定位機構﹐模仁定位機構。1.模板定位裝置﹕除模板上的四支導柱外還有定位塊(圖形如下頁)。2.模仁定位裝置﹕在模仁四周留出自然凸台和凹坑來相互配合﹐防止模仁偏位(圖形如下頁)。模具設計與成型之基本認識一.模具設計基本步驟二.澆註系統設計三.成型模流分析一.模具設計基本步驟1.檢視塑膠藍圖(視圖位正确性与線條.文字的擬清)2.C.A.E的投入(分析進澆點.排气位置.熱應力.翹曲等流動狀態);3.規划模具LAYOUT(CAV數.進澆方式,頂出方式.加工性);4.射出机台大小與周邊設備選用5.模具設計工具的選用(AUTOCAD.IDES等電腦畫圖軟件);6.縮水值的確認(不同塑膠有不同的縮水率,X.Y.Z軸方向並不同7.模座形式選用(三板模,二板模或熱澆道等);8.模具LAYOUT擺置確認(以專案方式研討編號確認標準化的運用);9.分解模仁零件10.標示尺寸11.出圖再確認二.澆註系統設計豎澆道主流道成品澆口冷料井支流道澆注系統﹕塑膠熔融體從注射機的噴嘴出來后﹐到達模腔前在模具中所流經的通道。設計澆注系統的基本原則﹕在滿足塑料制品質量的同時﹐還應有利于提高成型速度來縮短成型周期。A.低流動阻抗B.成型周期短C.均一的填充D.后處理容易2.流道形狀的選擇下圖所示為各種流道之斷面形狀,一般以流道截面積與流道周長比值來表示流道之效率,由圖知以圓形之效率最高,但基於加工性的考慮,則以梯形,半圓形之使用較廣.32形狀圓形半圓變形半圓梯形正六角形U形示意圖斷面積外周流動效率比較圓形U形(巒形半圓)正六角形梯形半圓1.流道設計原則3.澆道尺寸之決定•成品體積大小與壁厚.•模穴至主澆道或注入口之距離.•澆道冷卻之考量.•開模刀具之運作范圍.•塑膠性質4.澆道設計一般考量•澆道設計當使塑料以最短的路徑快速注入模穴,使熱損耗及壓降為最小.•澆道中之塑料應儘可能在同一壓力﹑溫度下同時進入各模穴,以避免流速及加熱時間不均,造成殘餘應力累積.•由壓降觀點而言,澆道截面愈大愈好,以提供較佳之壓力傳遞機會,減少壓降.•為節省材料起見,截面積不可過大,雖然較大的澆道截面有利於模穴充填及較佳的保壓情形,但冷卻時問亦會隨之增加.•面積,體積比應保持愈小愈好.•一般而言,塑件尺寸大或肉厚大往往須將澆道變粗.•儘可能使得成型品各部份同時充填.三.成型模流分析膠料由熔融狀熊流入溫度較低的模具內,一部份的熱量被模具的冷卻帶走.在充填的過程中,為使膠料能很順暢的模具內流動,模具的溫度必須加以探制,模溫太低,將阻礙膠料的流動,尤其是粘度高的桔晶性樹脂,更須一定的模具溫度.當充填完成後,為了縮短成形週期,希望成品能的硬化並從模具內立即取出,模具溫度最好能急速的冷卻.急速冷卻的時間應從澆品冷卻固化後開始.實際上使用的冷卻水一直在循環,真正急速冷卻的瞬間,應從開模時才發生.(此時澆口早已固化)在充填過程中粘度影響膠料流動.粘度的大小與膠料別,流道截面積大小,模溫度高低有密切關係.如何改善膠料在充填過程中的流動性,是品質,成本成敗的關鍵.1充填過程分析:1)流動距離:不同的材料有不同的流動比(L/t),也就是有不同的流動距離,流動比(L/t)如表:樹脂T(mm)L/tPE0.3~3.0280~200PP0.6~3.0280~160POM1.5~5.0250~150PA0.8~3.0320~200PS1.4~4.0300~220PS1.5~5.5150~100PVC(硬質)1.5~5.0150~100PC1.5~5.0150~100醋酸纖維素1.4~4.0300~220ABS1.5~4.0280~160任何膠料,在不同的料溫,模溫,射出壓力,射出速度,肉厚,形狀之下,都可能影響其流動距離大小.超過此极限,一定會有流動不良,短射,流痕的現象發生.尺吋不足,縮水凹陷很難避免.2)射出壓力:不同的膠料有不同的射出壓力.在模穴的壓力稱為有效射出壓力,如下表所示:樹脂最高壓力kg/cmPS400ABS400PP300PC500POM8002當膠料充滿模穴時,如立即停止射出的動作,不再加壓(保壓),成品卻固化後,一定會有嚴重的縮水凹陷現象.在膠料充滿模穴後,必須加以適當的壓力(保壓)以提高熔融膠料的密度.保壓過當:因保壓使模穴的內壓急上升.又因膠料是一种高分子熔融體,有很大的可壓縮性,因此保壓适當,將造成成品毛頭,變形,尺寸過大,重量過重,同時亦可能產生脫模不良,頂出白化,頂變形,龜裂的現象.保壓不足:保壓不足製品會有嚴重縮水,尺吋不足,表面凹陷的現象.保壓時間:保壓結束時,製品內部中心處的溫度很高,如系熔融狀態,因受到很大的內壓,如果保壓不再持續則熔融的膠體會有逆流的現象,因此保壓必須持續到澆口確實固化後才可去除.在充填過程中的波前為一等壓線,此等壓線的波前壓力接近於零.膠料流動速度直接影響等壓線與等壓線之間距,間距越大表示流動距離,流動速度較快.反之則較慢.射出壓力大小與等壓線之間距無關.保壓大小與保壓時間的切換點,決定成品的尺寸精度.3)充填壓力:射壓力系指噴嘴處膠料的壓力.膠料經噴嘴流經澆道,流道,澆口會產生很大的壓力損失,壓力損失越大產生摩擦熱越大.充填壓力就是有效射出壓力.有效射出壓力=射出壓力--流道中的壓力損失成品肉厚小者充填壓力較大.同樣的流動比(L/t),當成品肉厚大時,所需的充填壓力較小(如圖):1002003004005006007000.511.522.533.544.5L/t肉厚(m/m)充填壓力kg/cm4)充填速度射出成形時,速度的設定,實際上是設定螺杆前進推擠膠料的速度,亦即表示每單位時間內有多少膠料被擠到模穴內,以Q表示充填速度,單位:cm/sec,即機臺規格內的射出率.5)流動速度(V):充填速度Q的快慢,可以決定充滿模穴所需要的時間,但是當膠料經澆道(runner)通過澆口(gate)進入模穴時,因不同的流路形狀,流路截面積,即進使充填速度Q為一定,膠料在模穴內的流動速度卻是快慢不等.流動速度V快慢是決定成品接合線大小位置,短射,流痕最重要的因.因此如何調整杆前進的速度Q以改變模穴內膠料的流動速度V,是決定製品品質,製品外觀不良的關鍵技術見下頁圖:3充填速度為Q流路截面積為A流動速度為V則Q=VAV1V2T1T2澆口澆口d1d2t當Q為一定,膠料通過澆口時的流速很快,澆口附近會有噴流或流痕的現象.Q=VAVi．ㄤ．d1．t=V2．ㄤ．d2．tV1:V2=d2:d1Q=VAV1．Wt1=V2．Wt2V1:V2=t2:t1即膠料通過較薄的t2時,會產生加速的作用,如何防止加速產生的不良為關鍵技術充分分析了解膠料的流動速度與面品,開關厚度的關係,以及澆口型式,澆口位置對流動速度的影響,在實際設定成形條件時有很大的幫助.並且也可協助我們對已產生的不良點,在成形條件上做正確有效的改善.配合製品形狀,厚度變化,澆口位置,做速度的多段調整.速度的大小,速度段數,速度大小切換點為影響製品表面精度的關鍵技術.速度的變化系在充填過程中完成,波前的等壓線在成形過程中並不會移.動因此可以確認充填速度,流動速度直接影響製品表面品質.(2)冷卻過程分析1)膠料由熔融狀熊進入模具內,一部分的熱量被模具帶走.膠料冷硬化後再由模具內取出.充填過程的時間很短,為求膠料流動順暢,希望有較高的料溫,模溫.充填完了希望膠料能迅速冷卻硬化模具內取出.2)整個作業中,應把模具視為一部熱交換機,而不能當做一部冷卻機.因此必須做好模溫控制系統.3)較高的模溫:使