六 模具设计

第六章 模具(mj)設計6-1 流道系統流道系統(runner systems)將熔膠從豎澆道引導到模穴內，要推動熔膠流過流道系統就需要(xyo)額外的壓力。當熔膠流經流道系統時，產生的剪切熱摩擦(mc)熱使熔膠溫度昇高，有助於熔膠的流動。雖然適當的流道尺寸(ch cun)對於一個塑件和模具設計有許多好處，但因為其根本(gnbn)原理尚未廣泛深入瞭解，所以流道尺寸設計問題經常被忽略。一般認為，大尺寸流道可以使用較低壓力推進熔膠流動，但是卻需要較長的冷卻時間，會產生較多的廢料，也需要較高的鎖模力。反之，適當的小尺寸流道在使用原料和消耗能源等方面可以達到最高效率。流道尺寸的縮減極限在於射出成形機的射出壓力規格。模流分析的流道平衡功能可以找出最正确化的流道尺寸，提供良好的流道系統，以合理的壓力降充填平衡的流道和模穴。設計良好的流道系統有以下好處： 可以決定最正确的模穴數目 確定熔膠可以填飽模穴 可以達成多模穴系統之平衡充填 可以達成多澆口之模穴的平衡(pnghng)充填 可以(ky)使廢料最少化 使塑件頂出較容易(rngy) 達成能源(nngyun)使用效率最正确(zhngqu)化 可控制充填時間保壓時間成形週期時間6-1-1 模穴數目之決定模穴數目的多寡取決於可應用的生產時間、射出機射出量的大小、所需之塑件品質、射出機塑化能力、塑件形狀與尺寸，以及模具本钱等因素。以下三組簡單的公式可以協助決定模穴數目，應選取三組公式所獲得之最小值作為設計模穴數目。(1) 產品數量假设塑件尺寸公差的要求不甚嚴格，而且需要大量的成品，則選擇多模穴較恰當。模穴數目取決於供應一定量塑件所需的時間tm、每批次的塑件數量L、生產一模塑件所需的時間tc、和淘汰因子K，其中，K = 1/1 - 不良率 模穴數 = L K tc / tm(2) 射出量能射出機的射出量能也是決定模穴數目的一個重要(zhngyo)因素，取射出量能的80為射出重量(zhngling)(S)，再除以塑件重量(zhngling)W，即可計算出模穴數目。模穴數目 =S / W(3) 塑化能力(nngl)射出機的塑化能力是影響模穴數目的(md)另一個重要因素。將射出機的塑化能力P除以每分鐘估計的射出次數(X)和塑件重量(W)，即可計算出模穴數目。模穴數目 = P / ( X W)6-1-2 流道配置(pizh)多模穴系統的根本(gnbn)流道配置(pizh)方式如圖6-1，包括(boku)： 標準流道系統standard，或魚骨形Herringbone H形流道系統H-bridge，或分枝(fn zh)形branching 輻射流道系統radial，或星形starH形和幅射流道系統提供自然平衡，亦即從豎澆道到所有的模穴都有相同的流動距離和流道尺寸，所以各模穴都有相同的充填條件。至於魚骨形流道系統，雖然不是自然平衡，卻比自然平衡系統可以在相同的模具內塞進更多模穴，造成最小的流道體和最低的模具加工本钱。除了採用自然平衡的流道系統之外，不平衡的流道系統也可用人工改變流道直徑與長度，或是在各個子流道加裝流量調節螺絲，以調整獲得平衡的系統。模流分析軟體的流道平衡分析可以自動化完成流道平衡。6-1-3 豎澆道尺寸之決定豎澆道尺寸主要決定於塑件尺寸，特別是塑件的肉厚。豎澆道的設計必須能夠方便可靠地讓塑件脫模，於射出成形時，豎澆道不可以比塑件其他局部的截面更早凝固，如此才能夠有效圖6-1 根本(gnbn)的流道系統之配置(pizh)圖 6-2是建議的豎澆道設計規範。不具有銳角的系統有助於塑料的流動，所以(suy)，應該將豎澆道根部設計成半徑 r2的圓角。其他(qt)的設計規格如以下(yxi)：Dco tmax + 1.5 (mm)Ds Dn + 1.0 (mm) 1 2tan() = (Dco D) / 2L圖6-2 豎澆道根部的圓角可以(ky)改善熔膠的流動6-1-4 流道截面(jimin)之設計常見的流道截面(jimin)如圖 6-3，包括(boku)： 圓形流道 梯形(txng)流道 改进梯形流道圓形與梯形之組合 半圓形流道 長方形流道通常(tngchng)建議採用前三種流道截面設計。就最大的體積與外表(wibio)積比值(bzh)而言，圓形流道最正确(zhngqu)，也具有最小的壓力降和熱損失，然而，卻必須在兩側模板(mbn)都進行加工，模具加工本钱通常較高昂，而且合模時兩側的半圓也必須對齊。相對地，梯形流道只在母模側加工，其效能也很好，梯形流道通常應用於三板模，因為三板模如果採用圓形流道時，可能無法順利脫模，而且模具可能在分模線造成圓形流道與模板滑動件之間的干预。圖6-3 常用的流道截面形狀對於不同形狀的流道，可以使用做為流動阻力指標的水力直徑(hydraulic diameter)進行比較。水力直徑愈大，流動阻力愈低。水力直徑定義為：其中(qzhng)，Dh = 水力(shul)直徑A = 截面(jimin)面積P = 周長圖 6-3比較各種流道形狀之等效水力(shul)直徑，這些係數正好是C-mold軟體之形狀因子(ynz)(shape factor)的倒數。圖6-3 各種流道形狀的等效水力直徑6-1-5 流道尺寸(ch cun)之決定流道的直徑和長度會影響流動阻力。流動阻力愈大的流道，充填就會造成愈大的壓力降。加大流道直徑可以降低流動阻力，但是會耗用較多的樹脂材料，也需要更長的冷卻時間，才能頂出塑件。設計流道直徑最初(zuch)可以根據實驗數據或是以下(yxi)方程式進行，然後應用模流分析(fnx)軟體微調流道直徑，最正确(zhngqu)化熔膠傳送系統。最初估算的流道直徑為：其中，D = 流道直徑 (mm)；W = 塑件重量 (g)； L =流道長度 (mm)。範例說明：圖 6-4和圖 6-5所提供實驗數據可以用來計算流道尺寸，例如，一個 300公克重的 ABS 塑件，其厚度為 3 mm，流道長度為 200 mm，則流道直徑該是多少？1. 根據圖 6-4，在 300公克重之水平(shupng)線和 3mm厚直線之交點處畫一垂直(chuzh)線，與橫軸交於 5.8 mm處，即為參考直徑D。2. 使用(shyng)圖 6-5，在流道長度 200 mm處畫水平(shupng)線與曲線得到交點，再畫垂直線與橫軸交於 1.29，即為長度係數 fL 。3. 將5.8 mm 乘上1.29，獲得之流道直徑為7.5 mm 。 圖 6-4 材料(cilio)的流道直徑圖，其中，G=塑件重量(g); S=塑件厚度mm; D=參考直徑(mm)圖 6-5 流道長度與長度係數對於流動直徑的影響一般(ybn)無法填充料之塑膠的典型流道尺寸列於表 6-。表6-1 無填充料之塑膠的典型(dinxng)流道尺寸材料直徑材料直徑mminchmminchABS, SAN5.0-10.03/16-3/8Polycarbonate聚碳酸脂(PC)5.0-10.03/16-3/8Acetal聚縮醛樹脂3.0-10.01/8-3/8Thermoplastic polyester熱塑性聚脂樹脂3.0-8.01/8-5/16Acetate5.0-110.3/16-7/19Thermoplastic polyester (reinforced)補強熱塑性聚脂樹脂5.0-10.03/16-3/8Acrylic 壓克力8.0-10.05/16-3/8Polyethylene聚乙烯2.0-10.01/16-3/8Butyrate5.0-10.03/16-3/8Polyamide聚丙烯酸脂5.0-10.03/16-3/8Fluorocarbon聚氟碳樹脂5.0-10.03/16-3/8Polyphenylene oxide6.0-10.01/4-3/8Impact acrylic耐衝擊壓克力8.0-10.05/16-1/2Polyphenylene聚丙烯5.0-10.03/16-3/8Ionomers2.0-10.03/32-3/8Polystyrene聚苯乙烯3.0-10.01/8-3/8Nylon 耐隆2.0-10.01/16-3/8Polysulfone聚氟乙烯6.0-10.01/4-3/8Phenylene6.0-10.01/4-3/8Polyvinyl (plasticized)聚氯乙烯3.0-10.01/8-3/8Phenylene sulfide6.0-10.01/4-1/2PVC Rigid硬質聚氯乙烯6.0-16.01/4-5/8Polyallomer異聚合物5.0-10.03/16-3/8Polyurethane聚尿素樹脂6.0-8.01/4-5/166-1-6 熱流道系統理想的射出成形系統可以生產密度(md)均勻的塑件，而且不需要流道，不產生毛邊和澆口廢料。使用熱流道系統(hot runner systems)可以(ky)達成此一目標。熱流道內尚未射進模穴的塑料會維持在熔融狀態，等充填下一個塑件時再進入模穴，所以不會變成澆口廢料。熱流道系統也稱作熱歧管系統(hot manifold systems)或無流道成形(chn xn)(runnerless molding)。常用(chn yn)的熱流道系統包括：絕熱式和加熱式兩種。使用(shyng)絕熱式流道(insulated runners) 的模具，其模板有足夠大的通道(tngdo)，於射出成形時，接近流道壁面塑料的絕熱效果加上每次射出熔膠之加熱量，就足以維持熔膠流路的通暢，如圖6-6(a)所示。加熱式流道(heated runners)系統有內部加熱與外部(wib)加熱兩種設計。內部加熱式如圖6-6(b)，由內部的熱探針或魚雷管加熱，提供(tgng)了環形的流動通道。藉由熔膠的隔熱作用可以減少熱量散失到模具。外部加熱式提供了內部的流動通道，並由隔熱組件與模具隔離以降低熱損失，如圖6-6(c)。表5-2列出三種熱流道的優缺點。表6-2 各種流道系統之優缺點熱流道種類優 點缺 點絕熱式設計較簡單本钱較低 會在澆口處產生不必要的凝固層 。 必須以短週期時間維持熔融狀態。 需要較長的起動時間以到達穩定的熔膠溫度。 有充填不均之問題。內部加熱式改善熱分佈情形 本钱較高，設計較複雜 。 應注意流動平衡和複雜的溫度控制。 應考慮模具的不同組件之間的熱膨脹。外部加熱式改善熱分佈情形溫度控制較佳 本钱較高，設計較複雜。 應考慮不同的模具組件之間的熱膨脹。圖6-6 熱流道系統之種類：(a)絕熱式、(b)內部加熱式、和(c)外部(wib)加熱式。6-2 流道平衡(pnghng)如果可能的話，應使用自然(zrn)平衡流道系統來平衡進入模穴的熔膠流動。讓熔膠平衡(pnghng)地流入模穴是高品質塑件之先決條件，藉由改變流道的尺寸與長度可以(ky)達成自然平衡的流道系統。假设無法達成自然平衡之流道系統，可以改用人工平衡流道系統，經由改變澆口尺寸獲得相似的平衡充填，但是會顯著地影響澆口的冷凝時間，進一步影響塑件的均質。應用模流分析軟體的流道平衡工具，可以使人工平衡流道系統變得更節省時間和本钱，並且獲得平衡充填的塑件，參閱圖6-7。圖6-7 人工(rngng)平衡流道系統之成形塑件要平衡(pnghng)流道系統，促成熔膠流向距離豎澆道最遙遠的模穴，可以縮減充填其他模穴的流道口徑。但必須注意到，太小的流道口徑可能使流道內的熔膠提前凝固，造成短射；另一方面，小口徑流道會增加剪切熱，使熔膠黏滯性降低，造成更快速(kui s)的充填。此外，應該牢記非標準規格的流道口徑會增加模具的製作本钱(bn qin)與維修本钱(bn qin)。人工平衡流道系統有可能因為塑料差異就射出不同品質的塑件，所以需要更嚴謹地控制成形條件。只要成形件稍有變化，充填模式就可能改變，造成不平衡的充填。在流道設計的最終階段，模流分析軟體可以協助確認流動速率對於流道系統設計的敏感度，並且決定適當的成形條件。例如，使用魚骨形流道系統時，不同的進澆速率會造成不同充填模式。一般而言，低進澆速率將先充飽遠離豎澆道的模穴；高進澆速率則先充飽靠近豎澆道的模穴。原因在於低進澆速率的熔膠流動到第一個澆口時，會因流動阻力而流向流道的其他局部，等到流道系統內充滿熔膠之後，上游的第一個澆口因局部熔膠凝固而產生較大的流動阻力，於是，下游的模穴較先充飽，如圖6-8所示。圖6-8 使用不同射出速度(sd)之不平衡流道系統的流動模式6-2-1 流道設計規則流道設計對於塑件品質與產能有絕對的影響，本節之流道設計規則提供(tgng)了流道設計的根本(gnbn)規範。(1) 在流道尺寸方面，流道截面(jimin)面積不應該小於豎澆道截面面積，以便熔膠可以快速流到澆口區域。但是必須注意不要使用太大口徑的流道，才能夠降低廢料量。選擇冷流道口徑應考慮能夠使用標準刀具加工者優先。對於大局部(jb)的塑料(slio)，建議流道最小直徑為 1.5 mm0.06英吋。未加填充材料的塑料之典型流道尺寸可以參考表 6-。梯形流道的高度與寬度大約相等，而且每邊各有 515的斜角。(2) 每當流道有分支，其分支流道的直徑應該要小於主流道的直徑，因為只有較少量的熔膠會流進分支。而且，從經濟觀點而言，應減少流道內的的熔膠量，以減少廢料。當主流分流到個分支流道時，主流道直徑(dmain)和分支流道直徑(dbranch)的關係為：dmain dbranch(3) 考慮熔膠溫度，一般而言，小尺寸流道比大尺寸流道為佳，其可以(ky)產生較大量的黏滯熱，有效地提昇熔膠溫度，而不必採用高溫料管。不當地應用高溫料管可能會導致塑膠裂解。然而，小尺寸流道系統有可能提前凝固，造成短射。(4) 所有(suyu)的流道必須在交接處設計一冷料井(cold slug well)，幫助熔膠流進流道系統和模穴。圖6-9顯示冷料井的長度通常(tngchng)等於流道直徑。流道與另一分支流道相交處，通常在流道延伸處設置冷料井。圖6-9 冷料井(5) 流道的設計必須顧及頂出和脫模的方便性，提供適當的剖面(pumin)和脫模斜角。對於大部份的塑料而言，必須將流道外表(wibio)拋光，以方便熔膠流動和頂出塑件。加長的流道系統應該採用多豎澆道拉桿(multiple sprue pullers)和多重頂出位置。(6) 設計熱澆道系統時，應諮詢塑料(slio)供應商，以確定正確的歧管尺寸和進澆量。6-3 澆口設計澆口是熔膠流進模穴處的小開口，一個塑件的澆口設計包括澆口種類、尺寸和位置(wi zhi)。澆口設計受到塑件設計、模具設計、塑件規格例如(lr)外觀、公差、同軸性、成形塑料、填充材料(cilio)、模板種類、和經濟因素模具(mj)加工本钱、成形週期、允許之廢料量等的影響。澆口設計對於塑件的品質和產量的影響甚鉅。除非熔膠的流動長度超過實用上的限制，而必須使用多澆口系統，否則最好採用單澆口。多澆口系統通常會產生縫合線和熔合線的問題。單澆口系統可以確保材料、溫度的均勻分佈和均勻的保壓，以及較佳的分子鏈配向性。雖然單澆口系統模具的最初加工本钱較高，但是廢料少，塑件品質佳等結果使其值回票價。圖6-10顯示澆口尺寸的名詞。和塑件及流道比較，澆口截面通常很小，所以塑件可以很容易地去除澆口而不會留下澆口痕跡。通常澆口厚度大約是塑件厚度的 2/3。由於澆口處的塑料凝固可以視為保壓階段的結束，大截面的澆口可以減少黏滯熱熱，大截面澆口容許使用較低進澆速度進澆，使用較高的保壓壓力進行較長時間的保壓，以提高塑件的材料密度。假设必須考慮塑件的外觀、低殘留應力和較佳尺寸穩定性等因素，就應該選用較大的澆口。圖6-10 澆口各個尺寸(ch cun)之名稱澆口位置之選擇，應該確保均勻快速地充填，而且將縫合線熔合線和排氣孔安排到最不影響塑件外觀或強度的區域。另外(ln wi)，熔膠流動的高壓力和高流動速度使得澆口附近產生極高的殘留應力，所以應將澆口設置在遠離塑件承受外來高應力的區域。澆口應遠離塑件之薄截面區域或肉厚突然變化區域，以防止(fngzh)遲滯現象或產生凹痕與空洞(kngdng)。6-3-1 澆口種類澆口有許多類型，根據去除(q ch)澆口方式方類可以區分為人工去除式澆口(manually trimmed gates)和自動去除(q ch)式澆口(automatically trimmed gates)。(A) 人工(rngng)去除式澆口人工去除式澆口需要作業員二次加工切除(qich)澆口，其使用的原因包括： 澆口太大，必須移到模具(mj)外面再予以剪除。 對於剪切應力很敏感的塑料例如PVC，應防止採用自動去除式澆口。 來自不同方向的熔膠同時流過大的截面積，而且要求纖維的配向性時，應防止自動去除式澆口。人工去除式澆口有以下形式：直接澆口、凸片澆口、邊緣澆口、重疊式澆口、扇形澆口、盤狀澆口、環狀澆口、輻狀澆口、和薄膜澆口。(1) 直接澆口直接澆口direct gate又稱為豎澆道澆口sprue gate如圖6-11，通常使用於單模穴模具，塑料以最小的壓力降直接從豎澆道填入模穴。此類澆口於剪除後容易在塑件外表留下澆口痕跡。直接澆口的凝固受控制於塑件肉厚，而不是澆口厚度。通常塑件在接近直接澆口區域的收縮不大，但在直接澆口處有大量的收縮，結果造成澆口處的大量拉伸應力。直接澆口入口端的直徑與射出機噴嘴直徑有關係，此澆口入口直徑必須比射出機噴嘴直徑大 mm以上。標準豎澆道襯套具有2.4 錐度向塑件端開口，因此，直接澆口的長度控制著塑件端的澆口根部直徑，此澆口根部直徑至少要比塑件肉厚大1.5 mm以上，或者大約取塑件澆口肉厚的2倍。直接澆口錐角至少要1，太小的錐角可能在頂出時使豎澆道無法與豎澆道襯套分離；太大的錐角則浪費塑料，並且加長冷卻時間。非標準錐角的豎澆道加工本钱較高，卻沒有什麼好處。圖6-11 直接(zhji)澆口(2) 凸片澆口凸片澆口tab gate如圖6-12，通常(tngchng)使用於扁平塑件或薄塑件，以減小模穴內的剪應力。澆口周遭的高剪應力只發生在輔助凸片，並且將於成形後剪除。凸片澆口經常應用於PC、壓克力、SAN和ABS等樹脂的成形(chn xn)。凸片的最小寬度是6.4mm，最小厚度(hud)為模穴肉厚的75%。(3) 邊緣澆口側邊澆口edge gate又稱為標準澆口standard gate，如圖6-13所示，通常位於模具(mj)的分模線上，而且從塑件的側邊、上方或下方充填。典型邊緣澆口尺寸為塑件厚度的6%75%，或是0.46.4 mm，寬度為1.612.7 mm，澆口面長度不應超過1.0 mm，最正确值為0.5 mm。 圖6-12 凸片澆口圖6-13 邊緣澆口(4) 重疊澆口重疊澆口overlap gate與邊緣澆口類似，如圖6-14所示，但是(dnsh)重疊澆口與塑件側壁或外表(wibio)有重疊。重疊澆口通常(tngchng)用來防止噴流效應。典型重疊澆口尺寸為0.46.4 mm厚，1.612.7 mm寬。(5) 扇口澆口扇形(shn xn)澆口fan gate如圖6-15，是厚度逐漸改變的寬邊澆口，具有大充填面積，可以(ky)讓熔膠迅速地充填大型塑件。大型塑件非常在乎翹曲問題和尺寸的穩定性，使用扇形澆口可以讓大型塑件的熔膠波前均勻地充填模穴。扇形澆口的寬度和厚度具有錐度，並且要維持固定的熔膠波前面積，以確保固定的熔膠速度，讓熔膠在整個澆口的寬邊以相同壓力進行充填。如同其他的人工去除式澆口，扇形澆口的最大厚度不超過塑件的肉厚的75。典型的扇形澆口厚度為0.251.6 mm，寬度從6.4 mm到模穴側邊長度的25%。(6) 盤狀澆口盤狀澆口disk gate又稱為薄膜澆口diaphragm gate，如圖6-16所示，常用在內側有開口的圓柱體或圓形，並且需要高度同軸性的塑件，或是不容許有縫合線的塑件。根本上，盤狀澆口是在塑件的內緣使用毛邊狀的澆口，熔膠從同軸的豎澆道充填進入模穴，很容易獲得熔膠均勻流動的塑件。盤狀澆口厚度通常是0.251.27 mm。 圖6-14 重疊澆口 圖6-15 扇口澆口(7) 環狀澆口環狀澆口ring gate如圖6-17，也應用於圓柱體或圓形塑件，塑料先沿著模心環繞，然後再沿著圓管向下充填。環狀澆口並不適用在所有的塑件。環狀澆口的厚度(hud)通常為0.251.6 mm。 圖6-16 盤狀澆口 圖6-17 環狀澆口(8) 輻狀澆口輻狀澆口spoke gate如圖6-18，也稱為四點澆口(four-point gate)或者(huzh)十字澆口(cross gate)，它適用於管狀塑件，具有容易去除澆口和節省塑料(slio)的優點。但是可能會造成縫合線，也無法獲得完美的真圓度。輻狀澆口通常是0.84.8 mm厚，1.66.4 mm寬。(9) 薄膜澆口薄膜澆口film gate如圖6-19，又稱為毛邊澆口flash gate，薄膜澆口與環狀澆口類似，但使用於邊緣平直的塑件，它具有平直的澆口，澆口寬度可以(ky)跨接整個模穴邊緣或是部份的模穴。薄膜澆口適用於壓克力塑件，而且常常用在又大又平整的塑件，以保持最小量的翹曲。薄膜澆口尺寸很小，厚度大約是0.250.63 mm，寬度大約為0.63 mm。 圖6-18 輻狀澆口 圖6-19 薄膜澆口(B) 自動式去除(q ch)式澆口自動去除(q ch)式澆口與模具動作配合，在頂出塑件時剪斷澆口。它們應用於： 防止(fngzh)去除(q ch)澆口的二次加工。 維持均一的週期時間 使澆口痕跡最小化。自動去除(q ch)式澆口包括以下各類型：針狀澆口、潛式澆口、熱流道澆口、和閥澆口。(1) 針狀澆口針狀澆口pin gate如圖6-20，通常應用於三板模，其流道系統位於模板的一組分模線上，塑件模穴接在主要分模線上。具有倒錐角的澆口在平行於模板運動方向穿透中間模板。當打開模穴主分模線時，針狀澆口的小直徑端從塑件撕離，再打開流道分模線即可頂出流道廢料。此系統也可以先打開流道分模線，再使用輔具撕下流道廢料。針狀澆口最常使用在單一塑件多點進澆，以確保對稱的充填，或是縮短流道長度以確保整個塑件的保壓操作。典型的針狀澆口的直徑 0.251.6 mm。(2) 潛式澆口潛式澆口submarine gate或稱為隧道(sudo)澆口tunnel gate、鑿子澆口chisel gate，如圖6-21所示，使用於兩板模，在分模線以下，流道末端與模穴之間加工(ji gng)一傾斜之錐狀隧道。於頂出塑件和流道時，澆口會與塑件分離。典型的潛式澆口直徑為0.25 2.0 mm，澆口由粗變細，直到(zhdo)成為球狀端點。假设(jish)塑件的非功能區具有大直徑的針狀特徵，可以(ky)將它與潛式澆口連接，以減低加工本钱。假设針狀特徵發生在隱藏面，亦可以不將他去除。將多重潛式澆口設計在圓柱體的內面，可以取代盤狀澆口，並且具備自動去除澆口的功能，其獲得塑件的外圍真圓度雖然比盤狀澆口塑件的真圓度差，但通常也還可以接受。 圖6-20 針狀澆口 圖6-21 潛式澆口(3) 熱流道澆口熱流道澆口hot-runner gate或稱為熱探針澆口hot-probe gate，如圖6-22所示，通常從電熱式豎澆道和加熱流道直接傳送熔膠進入模穴，以產生無流道的塑件。其保壓週期受控制於塑件澆口附近的凝固情形。當模板打開時，相當高溫的塑料將自模穴撕開。(4) 閥式澆口閥式澆口valve gate如圖6-23，在熱流道澆口內增加一針桿，以便在澆口凝固之前關閉澆口。它可以應用在較大的澆口而不會產生澆口痕跡。因為保壓週期受控於針桿，閥式澆口可以得到較佳的保壓週期和較穩定的塑件品質。 圖6-22 熱流道澆口 圖6-23 閥式澆口6-3-2 澆口設計原則設計恰當的澆口可以(ky)均勻迅速、單一方向地傳送熔膠以充填模穴，並且獲得適當的凝固時間來冷卻塑件。澆口應該射在非功能(gngnng)區、非外觀區等適當位置。澆口設置在塑件的最厚部位，讓塑料(slio)從厚區流向薄區，有助於獲得良好(lingho)的流動路徑和保壓路徑。將澆口位置(wi zhi)應設置在塑件中央，可以使熔膠流動到塑件的各個極端位置都有相同的流動長度。不適當的澆口位置常造成一些問題，應牢記在心。澆口的位置必須讓模穴內的氣體於射出成形時逃逸出，否則將會造成短射、包風、燒焦痕跡、或是在澆口處貯積高壓力。澆口位置與尺寸的設計也應該要防止噴射流現象，加大澆口或者改善澆口位置使熔膠衝擊模壁，可以改善噴射流現象。對稱的塑件應使用對稱的澆口，以維持對稱性。假设流動路徑不對稱，會使塑件的部份區域先完成充填、保壓、冷卻，最後造成不均勻的收縮和翹曲。假设選擇的澆口位置無法防止讓塑件產生縫合線或熔合線，應該將澆口移到非功能區、非外觀區等位置。澆口凝固時間是模穴進行保壓的最終有效時間。太小的澆口使得最慢凝固的部位發生在塑件內部，而不是發生在澆口，甚至澆口可能於解除保壓之後才凝固，使熔膠從塑件逆流到流道系統。良好設計的澆口必須防止熔膠逆流。設計初期應該使用較小尺寸的澆口，必要時，還可以將澆口加大。正常的澆口厚度(gate thickness)是澆口處塑件肉厚的5080%。人工去除式澆口偶而會與塑件肉厚相同，自動去除式澆口厚度一般都小於塑件肉厚的80%，以防止剪除澆口造成塑件變形。針狀澆口和潛式澆口的末端直徑一般約0.252.0 mm0.010.08英吋。澆口長度短越好，以減少澆口區的壓力降，適當澆口長度從 11.5 mm0.040.06英吋。添加纖維的塑料需要使用較大的澆口，以防止通過澆口的纖維斷裂。潛式澆口和針狀澆口從等小尺寸的澆口可能損傷添加纖維，邊緣澆口等能夠產生均勻充填(chn tin)模式的澆口可以產生均勻纖維配向性的塑件。射出成形的數值模擬分析是用來比較不同澆口設計的效果之有效(yuxio)工具。6-4 設計範例本單元說明模流分析軟體在塑膠工業之不同層面的功用，以及使用軟體的策略，俾使得設計觀念與物理概念能夠付諸實施。本單元討論的主題包括(boku)射出壓力、充填模式、熔膠波前速度、流道設計與平衡，和澆口設計。本單元融入塑膠射出成形(chn xn)的設計概念於各步驟，應用C-mold的Process Solution進行模擬分析。第一(dy)階段使用C-mold Filling EZ簡易充填分析初始的設計和決定澆口位置與螺桿速度曲線，第二階段使用C-mold Filling and Post Filling 充填與後充填分析，更詳細地選擇的材料、塑件設計、模具設計和成形條件。6-4-1 階段一：C-mold Filling EZ簡易充填模擬分析C-mold Filling EZ執行等溫條件下的三維牛頓流體之模穴充填模擬。Filling EZ應用在塑件、澆口及成形條件的先期設計，每次模擬改變一組設計參數以觀察其對於充填結果的影響，最終目的在於決最正确澆口位置和最正确螺桿速度曲線。條件：原始產品設計。目 的：決定最適當之澆口位置和最正确射出速度曲線。設計規範： 以最短的流動長度和最低的射出壓力產生一均勻的充填模式。 維持固定的熔膠波前速度，使塑件性質差異降到最低。設計1：扇形澆口，固定(gdng)射出速度之設定，執行Filling EZ分析(fnx)。觀察結果1.1：從熔膠波前圖得知其最長的流動長度大約等於塑件長度。太長的流動長度導致需要較高的射出壓力充填模穴。圖6-24 流動長度太長，需要高射出壓力充填模穴。觀察結果1.2：固定射出速度亦即固定容積流動速率造成隨MFA而變化的MFV。變化之MFV導致塑件外表的分子鏈纖維配向性差異，可能造成不同的收縮與翹曲。圖6-25 熔膠波前具有不同的流動速度設計2：將澆口移側塑件幾何中心位置，以固定射速(sh s)中心進澆，重新執行分析。觀察結果2.1：縮短的流動長度可以降低需求之射出壓力。圖6-26 中央進澆縮短了流動長度需克服問題：結果，造成具有變化MFV的放射狀充填模式，仍然不理想。圖6-27 固定螺桿速度圖6-28 變化的熔膠波前速度設計3：中央(zhngyng)進澆，使用Filling EZ建議的變化螺桿速度(sd)曲線重新執行分析。觀察結果3.1：結果，MFV變得均勻圖6-29 變化之螺桿曲線圖6-30 均勻的熔膠波前速度6-4-2 階段二：執行C-mold Filling & Post Filling 最正确(zhngqu)化 第一階段的設計已經初步改善了原始(yunsh)設計，第二階段將使用 C-mold Filling and Post-Filling ，更詳細研究(ynji)具有熱傳效應下，熱塑性塑膠之非牛頓流體行為的三維充填分析，它可以檢驗所選擇材料、塑件設計、模具設計和最正确的成形條件例如充填時間、熔膠溫度與冷卻劑溫度。己知條件：使用設計2的澆口位置與設計3的螺桿速度曲線。目 的：將澆口位置、流道系統及成形條件最正确化以充填模穴。設計規範： 產生均勻的充填模式以降低(jingd)射出壓力和鎖模力的需求，節省能源和機器本钱(bn qin)。 維持固定(gdng)熔膠波前速度，以最小化塑件性質之差異。 使塑件整體的溫度差異降到最低，以去除(q ch)局部熱點冷點，防止(fngzh)外表缺點。 在樹脂供應商建議的範圍內，維持最大剪應力及剪切率。設計4：中央進澆，變化之螺桿速度曲線。使用充填時間掃描(fill-time scan)進行充填與保壓模擬分析。觀察結果4.1：等間距熔膠波前曲線代表MFV維持固定值。圖6-31 固定熔膠波前速度觀察結果4.2：從充填時間掃描建立一U形曲線，代表射出壓力與充填時間的關係，採用最低射出壓力的最正确充填時間。圖6-32 最正确之充填時間需克服問題：假设所需要的射出壓力超過機器的最高負載，例如本範例中為80 M Pa，就必須修改成形條件或設計。圖6-33 射出壓力過高解決之程序： 應該以現有工具，最簡易、最便直的方法出發，並評估各選用參數的優劣。 分析各設計案例之不同熔膠溫度、模壁溫度、澆口與流道設計或塑件肉厚。 重覆執行可行之設計的模擬分析，以決定最正确設計。圖6-34 嘗試不同的成形條件設計5：多澆口進澆，變化之螺桿速度(sd)曲線，執行Filling EZ分析(fnx)以決定多重澆口之進澆位置(wi zhi)及最正确(zhngqu)的螺桿速度(sd)曲線。最初階段的設計修改模具設計而不改變模具溫度或熔膠溫度，這可能導致週期時間增加。本設設採用多重澆口以縮短熔膠流動長度，也降低了需求的射出壓力。觀察結果5.1：C-mold Filling EZ預測了三個可能的澆口位置之充填模式。圖6-35 選擇之澆口位置圖6-36 此組澆口位置造成的熔膠波前設計6：三點進澆，使用熱澆道系統，變化的螺桿速度曲線，再執行充填與保壓模擬分析。觀察結果6.1：多點進澆使流動長度大幅縮短，並且降低所需的射出壓力。觀察結果6.2：配合使用熱流道系統可以減低多點進澆的流道廢料，降低流道的壓力降。圖6-37 流動長度縮短，只須低射出壓力充填。需克服問題：仍有縫合線、熔合線和包封等問題待解決。建議：假设無法接受縫合線位置，可以變更澆口位置，或者控制閥澆口的開關，以改變縫合線位置。圖6-38 多澆口導致縫合線設計7：三個閥控澆口依序開啟或關閉。使用(shyng)熱流道系統和變化的螺桿速度曲線。觀察結果7.1：使用順序控制閥以消除縫合線，並且保存多重澆口的優點。圖6-39 最初，只開啟中央的澆口。觀察結果7.2：關閉下游的澆口，直到上游的熔膠波前到達時再開啟，並繼續充填程序。當下游澆口閥打開後，中央澆口的閥可以選擇開啟或開閉。圖6-40 當上游的熔膠到達時，開啟下游閥澆口。觀察結果7.3：從C-mold 的整體溫度分佈圖可以得知充填過程的每一瞬間的塑件溫度變化。圖6-41 整體的溫度分佈觀察結果7.4：當模壁之最大剪應力超過一限度，會造成熔膠斷裂或尺寸不穩定問題。 從C-mold分析所的模壁剪應力分佈圖可以發現在潛在問題的區域。圖6-42 模壁剪應力分佈6-5 模具(mj)冷卻系統熱塑性塑件的射出成形(chn xn)中，模具的冷卻時間佔整個週期的2/3以上(yshng)，如圖6-43所示。效率好的冷卻迴路可以縮減冷卻時間，增加產能。再者(zi zh)，均勻的冷卻可以降低殘留應力，維持塑件尺寸的精度與穩定性，進而改进(gijn)塑件品質。(參閱圖6-44)。圖6-43 模具冷卻佔整個射出成形週期的2/3以上圖6-44 適當有效(yuxio)的冷卻可以改善塑件的品質和生產率模具(mj)冷卻系統之元件模具(mj)本身可以視為一具熱交換器，將熔膠所含的熱量經由冷卻循環系統的冷媒帶走。典型的模具冷卻系統如圖6-45和圖6-46所示，包括(boku)以下(yxi)元件： 模溫控制單元 幫浦 冷媒供應歧管 管路(hoses) 模具內的冷卻孔道(channels) 冷媒收集歧管 圖6-45射出成形(chn xn)機的典型冷卻系統圖6-46 與模板(mbn)連接之冷卻孔道6-5-1 冷卻孔道(kngdo)的配置冷卻孔道(kngdo)可以是並聯或串聯管路，如圖6-28所示。並聯冷卻孔道路(dol)從冷媒供應歧管到冷媒收集歧管之間有多個流路，根據各冷卻孔道流動阻力的不同，各冷卻孔道的冷媒流動速率也不同，造成各冷卻孔道不同熱傳效率，並聯冷卻孔道之間可能有不均勻的冷卻效應。採用並聯冷卻孔道時，通常模具的模穴與公模心分別有並聯冷卻系統，各系統之冷卻孔道數目則取決於模具的尺寸和複雜性。圖6-47 冷卻孔道的配置，(左) 並聯孔道；(右) 串聯孔道。串聯冷卻孔道從冷媒供應歧管到冷媒收集歧管之間連接成單一流路，這是最常採用的冷卻孔道配置。假设冷卻孔道具有均勻的管徑，可以將通過整個冷卻系統的冷媒設計成所需的擾流，獲得最有效率的熱傳。然而，串聯冷卻管路必須注意將冷媒上升溫度最小化，通常要維持出口與入口溫度差在5以內，精密模具則維持在3以內。大型模具可能不只有一組串聯冷卻孔道，以確保均勻的冷媒溫度和均勻的模具冷卻。6-5-2 其他的冷卻裝置模具內可能有些遠離冷卻管路區域，無法達到正常的冷卻效果，這些區域可以採用障板管(baffles)、噴流管(bubblers)或熱管(thermal pins)來達到均勻的冷卻效果。障板管、噴流管和熱管都是冷卻孔道的一部份，可以引導冷卻劑流進平常難以冷卻的區域，如圖6-48所示。圖6-48 障板管、噴流管和熱管。(1) 障板管實際上，障板管是垂直鑽過主要(zhyo)冷卻孔道的冷卻管路，並且在冷卻孔道参加(cnji)一隔板將其分隔(fng)成兩個半圓形流路，冷卻劑從主要冷卻孔道流進隔板一側，進到末端再回流到隔板的另一側，最後回流到主要孔道。障板管提供冷媒最大接觸面積，但是其隔板卻很難保持(boch)在中央位置，公模心的兩側的冷卻效果及溫度分佈可能(knng)不同。將金屬隔板改成螺線隔板，可以改善此缺點，也符合製造上的經濟效益。圖 6-49的螺線隔板讓冷媒螺旋式地流到末端，再螺旋式地回流。另一種設計採用單螺旋或者雙螺旋隔板，如圖 6-49所示，其管徑大約在1250 mm，可以獲得均勻的溫度分佈。 圖6-49 (左) 螺線隔板( bn)障板管(helix baffle)和(右) 螺旋式隔板( bn)障板管(spiral baffle)(2) 噴流管噴流管以小口徑的內管取代障板管的隔板，冷卻劑從內管流到末端，再像噴泉般噴出，從外管回流到冷卻管路(un l)。細長的公模心之最有效的冷卻方式是採用噴流管，其內、外管直徑必須調整到具有相同的流動阻力，亦即：內管直徑外管直徑0.707目前(mqin)，噴流管已經商業化，可以用螺紋旋入公模。外管直徑小於4mm的噴流管應該將內管末端加工(ji gng)成斜邊，以增加噴流出口的截面積，如圖6-50 所示。噴流管除了應用於公模心，也可以應用於無法鑽銑冷卻孔道的平面模板。因為障板管和噴流管的流動面積窄小，流動阻力大，所以應該細心地設計其尺寸。藉由模流分析軟體的冷卻分析可以將它們的流動行為和熱傳行為模式化，並且進行分析模擬。 圖6-50 左鎖進公模心之噴流管；右噴流管末端斜面造就較大的流動。(3) 熱管熱管是障板管和噴流管以外的選擇。它是一個內部充滿流體的密封圓柱體，此流體於吸收熱量後蒸發，於釋放熱量到冷卻劑後凝結，如圖6-51所示。熱管的熱傳效率約銅管的10倍。使用熱管時應該防止與模具之間的氣隙填入高導熱性的密封劑，以確保良好的熱傳導。圖6-51 熱管假设(jish)公模心的直徑或寬度小於 3 mm，就只能以空氣冷卻而無法準確地保持(boch)固定模溫。空氣是在打開模具後從外部吹入公模心，或經由內部的中心孔吹入公模心，如圖 6-52所示。尺寸(ch cun)小於5mm細長公模心的冷卻以採用高熱傳導性材料(cilio)作為鑲埋件較佳，例如銅或是鈹銅，將之壓進公模心深處作為冷卻管線，如圖6-53。此鑲埋件應儘可能(knng)採用大截面積以提高熱傳效果。 圖6-52 使用空氣冷卻之細長公模心圖6-53 使用高導熱性材料之細長公模心直徑40mm以上的大型公模心應該使用冷卻劑冷卻，可以在公模心中央鑽一深孔接近頂端，將螺旋式障板管插入(ch r)公模心，再注入冷卻劑調節溫度，如圖6-545。假设(jish)是大口徑的圓柱體和圓形塑件也可以使用(shyng)雙螺線隔板障板管搭配中央的噴流管進行冷卻，冷卻劑從一螺線孔道流到公模心頂端，再從另一個螺線孔道流出。此設計的公模心壁厚應維持在3mm以上(yshng)，才能維持足夠的強度，如圖6-55。 圖6-35 大型(dxng)公模心使用螺旋式障板管冷卻圖6-36 大型公模心使用雙螺線隔板障板管搭配中央噴流管進行冷卻6-6 冷卻系統之相關方程式(1) 冷卻時間理論上，冷卻時間與塑件最大肉厚的平方成正比，或是與最大的流道直徑的1.6 次方成正比。熔膠的熱擴散係數的定義為：換言之，肉厚增加(zngji)兩倍時，冷卻時間就要增加四倍。冷卻劑的流動是否形成(xngchng)擾流，可以用雷諾數Re判斷，請參考表6-3。雷諾數的定義為：其中(qzhng)，表示冷卻劑密度，U表示(biosh)冷卻劑的平均速度，d表示(biosh)冷卻孔道的直徑，表示冷卻劑的動態黏度。表6-3 冷卻劑流動型態與對應的雷諾數範圍雷諾數範圍流動型態10,000 Re擾流2,300 Re 10,000層狀流與擾流之轉換區100 Re 2,300層狀流Re100靜止流6-6-1 冷卻系統之設計規則設計冷卻系統的目的在於維持模具適當而有效率的冷卻。冷卻孔道應使用標準尺寸，以方便加工與組裝。設計冷卻系統時，模具設計者必須根據塑件的肉厚與體積決定以下設計參數： 冷卻孔道的位置與尺寸、孔道的長度、孔道的種類、孔道的配置與連接、以及冷卻劑的流動速率與熱傳性質。(1) 冷卻管路的位置(wi zhi)與尺寸要維持經濟有效(yuxio)的冷卻時間，就應防止(fngzh)塑件肉厚過大。塑件所需的冷卻時間隨其肉厚增加而急速(j s)增長。塑件肉厚應該儘可能維持均勻，例如圖6-56的設計。冷卻孔道(kngdo)最好設置是在公模塊與母模塊內，設在模塊以外的冷卻孔道比較不易精確地冷卻模具。通常，鋼模的冷卻孔道與模具外表、模穴或模心的距離應維持為冷卻孔道直徑的12倍，經驗要求，鋼材冷卻孔道要維持1倍直徑的深度，鈹鋼合金要1.5倍直徑的深度，鋁材要2倍直徑的深度。冷卻孔道之間的間距應維持35倍直徑。冷卻孔道直徑通常為1014 mm7/169/16英吋，如圖6-57所示。圖6-37 應儘可能將塑件設計為均勻肉厚圖6-57 典型冷卻孔道(kngdo)尺寸，d為冷卻孔道(kngdo)直徑，D為孔道(kngdo)深度，P為孔道(kngdo)間距。(2) 流動速率(sl)與熱傳塑件兩側的溫度應維持在最小的差異，緊配塑件溫差應維持在10以內。當冷卻劑之流動從層流轉變為擾流，熱傳效果變佳。層流在層與層之間僅以熱傳導傳熱；擾流則以徑向方向質傳，加上熱傳導和熱對流兩種方式傳熱，結果，熱傳效率顯者增加，如圖6-58所示。應注意確保冷卻管路之各部份的冷卻劑都是擾流。圖6-58 層流與擾流當冷卻劑到達擾流流動狀態後，流速的增加對於熱傳的改善很有限，所以，當雷諾數超過10,000時，就不須再增加冷卻劑的流動速率，否則，只會小幅地改善熱傳，卻造成冷卻管路的高壓力，需要更高的幫浦費用。圖6-59說明了一旦冷卻劑變成擾流後，更高的冷媒流動速率並無法改善熱傳速率或冷卻時間，但是壓力降與幫浦本钱卻顯著提高。圖6-59 熱流動率與冷卻劑流動率的關係圖冷卻劑會向阻力最低的路徑流動。有時候可以(ky)嘗試使用限流塞(restrictive flow plugs)將冷卻劑引導流向(li xin)熱負荷較高的冷卻孔道。氣隙會降低熱傳效率，因此，應嘗試消除鑲埋件與模板之間的氣隙，以及冷卻管路內的氣泡。模流分析軟體的冷卻分析可以(ky)協助發現與修正靜止冷卻管路和捷徑冷卻管路，以及冷卻管路的高壓力降。内容总结（1）第六章 模具設計6-1 流道系統流道系統(runner systems)將熔膠從豎澆道引導到模穴內，要推動熔膠流過流道系統就需要額外的壓力（2）圖6-18 輻狀澆口 圖6-19 薄膜澆口(B) 自動式去除式澆口自動去除式澆口與模具動作配合，在頂出塑件時剪斷澆口 可修改 欢送下载 精品 Word