模具设计原则pp课件

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)2525100100500500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：6.1 LCD (A5)：230 cm210.4 LCD (B5)：520 cm211.3 LCD：570 cm212.1 LCD (A4)：660 cm213.3 LCD：720 cm214.1 LCD：775 cm2目前A5及B5尺寸的筆記型電腦LCD背板外殼壁厚最薄可達0.60.8 mm，A4一般約為1.2-1.5 mm，最薄約0.8-1 mm，而13.3及14.1最薄可達1-1.2 mm。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100 mm，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(0-25.4 mm)0.25 mm0.05 mm25.4 mm， 每 增 加25.4 mm增 加 之 公 差0.025 mm0.025 mm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+0.14 mm+0.089 mm71.0129.0+0.165 mm+0.102 mm135.5322.6+0.19 mm+0.153 mm329.0645.2+0.30 mm+0.203 mm651.61290.3+0.46 mm+0.305 mm1296.81935.5+0.61 mm+0.406 mm例：一鑄件投影面積500 cm2，跨越分模線的線性尺寸125 mm，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(datum structure)。 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0.102329.0645.20.152651.61290.30.2031296.81935.50.2791941.93225.80.4063232.35161.30.5085167.77741.90.635NADCA G-5-2-97 Guidelines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+0.20 mm+0.127 mm71.0129.0+0.33 mm+0.178 mm135.5322.6+0.48 mm+0.254 mm329.0645.2+0.61 mm+0.356 mm651.61290.3+0.81 mm+0.483 mm1296.81935.5+0.1 mm+0.61 mm例：由可動模塊所形成的鑄件部位在分模面的投影面積500 cm2，線性尺寸125 mm，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(sink mark)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(76.2 mm以內)0.20 mm0.13 mm25.4 mm，每增加25.4 mm增加之公差0.08 mm0.05 mm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NADCA G-6-7-97 Guidelines。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/D01746. 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-0.05 mm，D2用+0.05 mm。(NADCA S-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-0.025 mm，D2用+0.025 mm。(NADCA P-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-0.015 mm，D2用+0.015 mm 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(NADCA P-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147 10。(NADCA S-4-8-9)填角(fillet)及交角(corner) 由於充模時間在10-100 msec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(NADCA G-6-2-97 Guidelines)。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(NADCA G-6-3-97 Guidelines)。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,projinjclampPinj (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oooo191753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(tie bars)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 (solidification mechanism) 比熱 熱傳係數 介面熱傳性質 流動性質 穩態黏度 (steady viscosity) 暫態流變行為 (transient rheology) 相分離 (phase separation) 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, cooling channel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 CamAZ91D在20300 C之熱膨脹係數約為26 x 10-6 mm/mm-C，一般模具之熱膨脹係數則可取11 x 10-6 mm/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 = 470595 C凝固熱 = 373 kJ/kg比熱 = 1.05 J/kg-C熱傳導係數 = 72 W/m-K0mm0saTTTTL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3 mm以下平均 壁 厚3-6 mm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：620650 C (熱室)，650690 C (冷室)鑄造壓力：170380 kg/cm2 (熱室)，3501000 kg/cm2 (冷室)壓缸射出速度：1.52 m/s (熱室)，45 m/s (冷室)模具溫度：200250 C頂出時澆道溫度：430 C (參考值)頂出時鑄件遠端溫度：320340 C (參考值)循環時間：2090 sec介面熱梯度：1000 C/cm介面Biot數：1熔湯Prandtl數：0.01澆口Reynolds數：105流體黏滯力流體慣性力熱擴散率動量擴散率固體內部熱傳導固體表面熱對流VLRekCPrkhLBipss分模面 取在鑄入位置有最大投影面積的部位 最好採用單純的平面，注意簡化模具構造及製作。 開模時確保鑄件留在可動模側。 鑄件的毛邊少，且溢流井及毛邊容易去除。 使熔湯充填平順，空氣易於排出。 較精密的尺寸勿橫跨分模面。 注意熱平衡，避免模具的熱集中，影響鑄件品質。 生產時模穴內廢屑容易清理。 模具拆裝後精度恢復容易，嵌塊安裝方便。理想充填模式(a)平板形(b)環形(c)圓盤形(d)盒形(e)深箱形(f)圓柱形澆口設計 澆口為影響鑄件品質之重要因素，若截面積過大，鑄件易捲氣產生氣孔；若截面積太小，澆口附近會產生燒焦，且澆口比鑄件先凝固會使鑄件內部產生縮孔。(A)決定鑄件肉厚(G)決定澆口位置產品設計(B)估算流經澆口體積(D)估計充填時間(E)計算澆口流量(F)計算澆口截面積(H)決定澆口厚度完成(C)估計澆口速度(I)決定澆口寬度(J)澆口與鑄件接合方式澆口設計續 找出產品之平均厚度（Zavg）以及最小厚度（Zmin）。 流經澆口的體積（V）即鑄件體積加上溢流井之容積，一般可以估計為鑄件體積的1.08倍。 當鑄件平均壁厚越薄，或表面光滑度要求越高，則澆口速度（vg）越高，但也須考慮對模具壽命的影響。一般澆口速度可由經驗值估算： 厚肉件（2.03.0mm）：2535 m/s 一般件（1.22.0mm）：3550 m/s 薄肉件（0.61.2mm）：5090 m/s澆口速度越高，捲氣、模具磨耗及黏模也越嚴重，因此應該在不影響產品品質的條件之下，選用較低的澆口速度。澆口設計續充填時間（tfill）一般係根據平均厚度Zavg值及右圖來估算：或是以下式來計算：dffmavgfillTTS5 . 2TTZ0346. 0t其中 Tm = 金屬湯射出溫度(C) Tf = 金屬湯維持流動性之 最低溫度約等於液 相線溫度(C) Td = 模具溫度(C) S = 充填停止前出現之最 大固相率(%)澆口設計續filltVV 澆口截面積ggvVA澆口厚度一般性原則為鑄件厚度的1/31/6。亦可依下列經驗值設計：厚肉件(2.03.0 mm)一般件(1.22.0 mm)薄肉件(0.61.2 mm)熱室壓鑄冷式壓鑄1.02.0 mm1.53.0 mm0.81.0 mm0.81.5 mm0.50.8 mm0.81.0 mm澆口流量 澆口寬度可由澆口截面積和澆口厚度相除得知，一般性原則為鑄件寬度的4/65/6，且寬度一般不超過80 mm。若澆口太寬，澆口中心與邊緣之流速相差太多，會影響充填，因此針對大型製品應將澆口分割成數個澆口，但要特別注意流道平衡及熔合線的問題。澆口位置 優先考慮充填困難處，設置對應澆口。 不要設在靠近模銷或阻礙較大處，避免使銷彎曲或產生亂流現象。 在較厚處設澆口，使熔液自厚處流入薄處。 將鑄件展開成平面，按可能之澆口位置將鑄件畫分為幾個主要充填區域，澆口大小依各充填區之體積比例分配，每區體積應與所對應之澆口所能供給的熔湯量成比例，並使各區儘可能同時充填完畢。 澆口位置應使金屬流動路徑越短越好，非直接充填區域越小越好。 避免讓兩股金屬湯在薄肉處會合。 使用鑄件最長而不間斷的地方做澆口。 注意使熔湯容易流入肋或深槽部。 澆口要容易去除，且不影響外觀。 澆口附近常有較高的殘餘應力，因此應避免設在有強度要求的部分。 考慮模具的排氣。澆口與鑄件接合方式(a) 側向充填(side feeder)：使熔湯進入模穴時有特定角度(b) 端部充填(end feeder)：使熔湯容易往上充填，適用於深槽件(c) 對合充填(split feeder)：適於圓角形鑄件(d) 墊形充填(pad feeder)：適於平板鑄件及要求整緣容易之鑄件塑膠和金屬流動行為差異熔融塑膠充填模具時，由於是壓力主導流場(pressure-driven flow)，雷諾數低，流體會順著最小流動阻抗方向平穩推移，因此流經轉角時的壓力損失不大。由於熔融金屬比重大、速度快，使得雷諾數高，即其慣性力遠大於黏滯力，因此流經轉角時會沿原運動方向前進，撞擊到模壁後再反彈形成紊流，經動量轉移後再沿新的方向流動，所損耗的壓力有時高達30%。在次流道口徑一樣的情況下，塑膠(a)會最先流入最靠近入射口的次流道，金屬(b)則剛好相反，會最先流入最遠端的次流道，如下圖所示。(a)(b)扇形流道 用於澆口長度受限制之鑄件 澆口中央速度較高，兩端速度較小，因此流道兩端夾角應小於90 若夾角太大，兩側不僅沒有熔湯射出，反而可能捲回造成包封捲氣 由於流道由窄變寬，為避免壓力損失過大，截面積由流道入口至澆口應減少2040%切線式流道 用於長度較大的澆口，藉著改變流道入口面積(Ain)與澆口面積(Ag)的比，就可控制流動角(Af)的大小。 注意流道截面積的變化，使澆口速度均勻，並且在流道尾端設緩衝器，一方面作為熔湯流動的緩衝，使其動量在此轉換，再均勻的灌入模穴；再者可以容納流動前緣的空氣、凝固塊或氧化渣。溢流井 熔湯最後流到的位置或不能直接充填的死角，以容納雜質與流動前緣固化的部分。 模穴易積留空氣之處，以及兩股以上熔湯匯合處的外圍，以容納捲氣的金屬液，並配合逃氣道排出模穴內空氣。 薄壁難充填部位，或局部肉厚易有縮孔的附近。 可提供輔助頂出銷的位置，或可供夾持運送的部分。 可提供模穴所需熱平衡的位置，改變最終凝固之縮孔位置，並減少鑄件流痕、冷接紋和短射現象。 溢流井容積一般不超過壓鑄件體積的7%，小而複雜的鑄件可按10%估計，總截面積則約相當於澆口總截面積的70%。A = 1535 mm, S = 5.08.0 mm, t = 0.81.0 mmt = 3.56.0 mm, t = 0.51.2 mmB = 1550 mm, B = 625 mm, B = 1040 mm逃氣道 讓模具內氣體及離型劑揮發的氣體，順利排到模穴外，以免模穴內氣壓上升，阻礙熔融金屬的流動。 由於空氣排出速度不會超過該溫度下的音速，一般保守估計以音速的一半約200 m/s計算，因此所需的逃氣道總面積(Av)約為：200AvvAvAggvggv有時在分模面容許配置的面積有限，可能只能安置澆口斷面積的1530%，但原則上仍以儘量不低於澆口斷面積的30%為宜。逃氣道續 一般佈置在溢流井後端，以加強溢流和排氣效果，但有時需佈置獨立的逃氣道，以滿足額外的逃氣需求。 深度通常為0.100.15 mm，延伸到距離模穴2030 mm以上時，可將其深度增加到0.30.4 mm。寬度視模穴大小及安排空間而定，一般在610 mm，通常不超過20 mm。 逃氣道入口與出口間要拐彎連接，並且盡量不要在靠近人員操作側設逃氣道，以免金屬液飛濺發生事故。 在不易設置分模面逃氣道的地方，可利用頂出銷間隙、頂出襯套、和型芯間隙等地方排氣。模溫的影響 若模溫過高 鑄件易發生黏模，增加頂出困難 成形周期會較長 鑄件易有氣孔、氧化膜，或在肉厚處產生表面縮孔 離型劑易揮發及變質 若模溫過低 模具易因熱衝擊產生龜裂 影響熔湯流動性，甚至射不飽 鑄件易有流紋、噴痕等缺陷，且組織較鬆弛 鑄件表面精度較差 易因收縮發生抱住模芯的現象模具冷卻需求losscmQQQ當模具達成熱平衡時：其中 Qm = 熔融金屬傳入模具的熱量 Qc = 冷卻液帶走的熱量 Qloss = 經由大氣及模板藉傳導、對流、輻射等散失的熱量GnHTCGnqQpm其中 q = 每次射出中單位重量熔融金屬傳入的熱量 (kJ/kg) n = 每小時作業模次 (shot/hr) G = 每模次射出重量 (kg/shot) Cp = 合金的比熱 (kJ/kg-C) T = 射出溫度與頂出溫度的溫度差 (C) H = 合金的凝固潛熱 (kJ/kg)C300T,kg/kJ500q對Mg而言，可用：冷卻管路設計 基於操作溫度及安全考量，通常使用熱媒油作為熱傳液體。 熱媒油在不同口徑的管路中，每公分長度所能帶走的熱量(kJ/hr)以下表估算。冷卻管徑 (mm)81014分流子(spreader)管路101126176澆道(sprue / runner)處管路101126176模穴(die cavity)內管路516388外模(holding block)內管路243143 冷卻管路與模穴的距離以2025 mm為原則，實際設計應以ANSYS等分析軟體詳細計算管徑、配置、熱媒油流率與模具材料對模具溫度的影響。真空系統 減少金屬內含氣量及氣孔。 由於模穴內流動阻力小，因此充填時間較短，且熔湯溫度可較一般壓鑄降低約1530 C。 由於真空壓鑄要求模具密合，因此對配合公差要求較高，且模穴內壓力較小，比較不會將模具撐開，所以較不會產生毛邊。模流分析 用途 澆口、流道、溢流井與冷卻管路之設計修正 製程參數選擇 減少試模次數，縮短產品開發時程 預測氣孔與縮孔之分佈 解析方法 計算連續方程質量守恆、Navier-Stokes動量守恆、以及能量守恆等三個非線性方程式的聯立解 考慮材料性質隨溫度的變化，包括比重、熱性質、流變性質，以及相變化、流動前緣自由面、紊流模型、邊界條件等 商用分析軟體： MagmaSoft, ProCast, Flow-3D, EKK充填模擬材料：AZ91D網格數：約40萬充填時間：10 msec模具材料 與熔融金屬直接接觸的部分用SKD61類抗熱衝擊鋼材，且注意使用含硫量低的高級品，以得到良好的鑄件表面及模具壽命。 一般模仁部分加工後熱處理至46-48 HRC，其他模架部分可以用軟鋼或中碳鋼製作。模具零件HRC硬度模板44-46一般嵌入件(insert)44-46複雜形狀嵌入件43-45圓形模芯48構成部分模穴表面的滑塊44-46真空用模具50-52導銷、模心銷56導銷襯套、模心銷襯套56斜銷52豎澆口銷(sprue pin)48 頂針、回位銷46-48，氮化0.3 mm厚滑塊、鎖塊、導軌Case-harden