塑胶射出成型模具设计.ppt

第四章模具設計介紹,國立高雄應用科技大學模具工程系黃俊欽教授,模具設計介紹,模具的種類流道系統設計頂出系統設計冷卻系統設計模具死角(under-cut)處理模具強度計算,種類,冷澆道模具：流道內的熔膠隨模穴內的熔膠一併冷卻，開模後一起取出。可分為:(1)冷澆道二板式模具：開模後成品與流道一起取出，除使用潛伏式澆口外，其成品與流道是相連的。(2)冷澆道三板式模具：開模後成品與流道一起取出，大都使用點狀澆口外，故其成品與流道會自動分離。熱澆道模具：流道內的熔膠在模穴冷卻過程中維持熔融態，不隨模穴內的熔膠一併冷卻，開模後只有成品取出。,模具的種類,二板式模具,三板式模具,冷澆道模具,二板式模具之基本結構裝配圖,熱澆道模具,特色:流道內的塑料維持高溫，不與產品一同冷卻析出優點(1)節省塑料及二次加工(2)降低射壓,減少應力(3)縮短冷卻時間缺點(1)模具昂貴(2)應避免使用含纖塑料(3)澆口設計較不具彈性,熱澆道模具,熱井噴嘴系統伸長噴嘴系統絕熱式澆道系統分配式岐管系統,熱澆道模具,熱岐管塊,岐管塊的膨脹:塑膠高溫導致岐管塊的材質:鉻鉬鋼加熱處理岐管塊的保溫與隔熱岐管塊的的加工:流道平滑且高度拋光,加熱器的孔道須絞光,配合公差0.1mm,熱澆道模具的優缺點,優點：1.原料成本較低，較沒有廢料回收的問題2.冷卻時間可縮短3.成形溫度及壓力較低，成品應力較小4.可完全自動化5.流道內的壓力溫度變化較小，成品品質較佳，凹痕及流痕較少。缺點：1.較不適用於熱敏性材料2.較不適用於加纖材料3.價格較貴4.澆口的設計比較沒有冷澆道模具的自由度,三板式標準模座,標準零件定位環,規格名稱/標稱尺寸(射出成形模具用定位環100),模板,名稱ABh射出成形用模具的模板150200200,標準零件注道襯套,規格名稱/形示/標稱尺寸xMxLxR射出成形模具用注道襯套A型25x50 x20 x20,注道襯套的使用,標準零件A型導銷,規格名稱/形示/標稱尺寸xLxN射出成形模具用導銷A型40 x150 x50,標準零件導銷襯套,規格名稱/形示/標稱尺寸xL射出成形模具用導銷B型40 x80,導銷襯套的裝配孔,頂出銷,規格名稱/形示/標稱尺寸xL射出成形模具用頂出銷A型10 x150,規格名稱/形示/標稱尺寸xLxN射出成形模具用頂出銷B型3x100 x30規格名稱/形示/標稱尺寸xLxN射出成形模具用頂出銷C型3x100 x30規格名稱/形示/標稱尺寸xtxWxLxN射出成形模具用頂出銷D型2x9x100 x30,頂出銷及裝配孔,頂出套筒,規格名稱/標稱尺寸xL射出成形模具用頂出套筒5x150,頂出套筒及裝配孔,回位銷,規格名稱/標稱尺寸xL射出成形模具用回位銷12x100,回位銷及裝配孔,注道抓銷,名稱/標稱尺寸/形式L射出成形用模具的注道抓銷A形6100,注道抓銷及裝配孔,導銷及導銷襯套的使用,斜角銷,名稱/標稱尺寸MN射出成形用模具的斜角銷2010030,停止銷及其使用,流道系統,流道的尺寸-壓力損失/冷卻時間流道的配置-流動平衡滯料井-蓄積冷料澆口-種類、尺寸、數量、位置排氣孔-種類、位置,流道(runner),流道的設計重點：1.種類2.尺寸3.配置一般而言流道尺寸(如直徑)比成品肉厚要大，因此常造成冷卻時間的浪費。流道尺寸隨成品的大小，有一適當值。太粗或太細均不好。大直徑的流道尺寸雖然可使熔膠流經時的壓損較小，但整個成形週期會變長，因此產能會下降。小直徑的流道雖然會使熔膠流經時的壓損較大，但整個成形週期短。流道長度太短，在保壓階段時較易在澆口附近產生應力殘留。流道長度太長，則會因熔膠冷卻造成流動不易及射壓增加的缺點。在一模多穴的系統中，每個模穴充填量可能不同，而且與進膠點的距離亦不同，如何設計流道尺寸及配置流道及模穴的位置使每個模穴能達到同時填滿的目標。多模穴若能同時填滿，則每個模穴內的壓力會較一致，可避免毛邊或充填不足的缺點產生。此即為流動平衡的意義。否則在多模穴系統中先填滿的模穴，在其它模穴尚在充填時，將造成壓力的劇增而產生毛邊。,種類,圓形斷面最佳,一般為考慮加工方便亦常用梯形或U型斷面,尺寸,以成品重量為基準以成品投影面積(平方公分)為基準公式計算適用於圓形流道，且成品肉厚4000,維持亂流形式以保持熱傳效率，一般設計約維持在8000-10000。水路管徑與流量大小可由肉厚初步決定如下:通常管徑不得超過14mm，因為如此不易造成亂流，而使熱傳效率降低。c.水管節距與深度管徑：水管與成品距離：水管間距=1：3：5or1：4：7d.水管長度,e.並聯與串聯的特色比較並聯特色：1.模具表面溫度較均勻2.支數多，冷卻水速度變慢，冷卻效益變差3.無法維持長時間各流路流量相等，會導致模穴表面冷卻不均4.某一水道塞較不會影響全體冷卻效果串聯特色：1.冷卻水出入溫差較大，易造成模具表面溫度不均勻2.一有阻塞，會影響全體流動，明顯降低冷卻效果3.流速較快，熱傳效果較佳f.冷卻液應先從高溫處進入，然後循環至低溫處出去，以保持模具溫度的均勻性。g.有效水管長度的總表面積與成品總面積一致時最佳，但水管支數太多常導致壓損而造成流量降低，並影響冷卻效果。,模具死角(under-cut)處理,(1)強迫頂出適用於軟質材料且倒角深度1mm,(2)利用滑塊及斜銷,設計重點滑塊的移動行程滑塊的定位滑塊的合模機構斜銷的長度斜銷的安裝,模具強度計算,模具的受力與變形,角偶的應力集中,(1)模具側壁厚度,(2)承板厚度,模具材料,碳鋼(SC)便宜，加工性良好合金工具鋼(SKD)耐熱耐磨韌性優不鏽鋼(SUS)耐蝕鉻鉬鋼(SCM)耐蝕強度佳韌性優鋁鉻鉬鋼(SACM)-耐蝕經氮化處理後耐磨性佳預硬化鋼(HPM)硬度高質地細緻耐磨,鏡面加工用模具材料(1)無非金屬存在物，微視組織均勻細微，硬度高，須以真空熔解法製造之極純境模材，一般以麻時效鋼(YAG)、預硬化鋼(HPM17、HPM33、HPM38、HPM50)為主耐腐蝕用模具材料(1)材質含鉻，如不鏽鋼(SUS系)、預硬化鋼、鉻鉬鋼(SCM)(2)表面鍍硬鉻層耐磨耗用的模具材料(1)耐磨性取決於碳化物的種類及含量，主要有預硬化鋼(HPM31、HPM38)、粉末高速鋼(HAP),依成形材料決定模材,1.充填材強化樹脂:磨耗問題ZDP4SUS440系列ZCD-MHPM31HPM752.難燃劑添加樹脂:腐蝕問題CrSUS系列(HPM38)SUS630系列3.透明樹脂:容易鏡面處理YAGHPM系列4.薄的成品:硬度及強韌性含有18%Ni的麻體時效鋼,精密模具設計的步驟,考慮與射出機的配合決定一次射出的成形品數及模穴配置決定分模線及流道、澆口、排氣孔死角(undercut)的處理與頂出方法的決定溫度控制方法的決定模具材料及模具加工法的決定,成形品射出個數的決定,(1)考慮射出機性能的射出個數0.8F=(A*Y+B)*XF:合模力A:單一成品的投影面積B:澆道的投影面積X:模內成形壓力Y:一次射出的成品個數(2)考慮最經濟方式的射出個數,M:射出機一小時的費用L:操作員一小時的費用t:成形週期Q:成品訂購數量C:單個模穴的成形費用,(3)考慮精度的射出個數以一模24個且配合適當的成形機(約為射出能力的4070%),精密模具設計上的考慮事項,1.正確地算出模具的尺寸公差。2.防止成形收縮率誤差的考慮。3.防止成形變形的事項考慮。4.防止離模變形的事項考慮。5.使模具製作時的誤差止於最小限的考慮。6.關於模具精度誤差的防止事項的考慮。7.關於模具精度維持事項的考慮。,成形品尺寸精度和模具尺寸精度的關連性,成形品圖面稱呼尺寸%對於成形品誤差的稱呼尺寸的百分比%預想收縮率%預想收縮率和實際收縮率的差%收縮率的誤差值模具圖面尺寸的稱呼尺寸%對於模具製作誤差的稱呼尺寸的百分比%對於模具摩耗量的稱呼尺寸的百分比,防止成形收縮的誤差,1.runnergate的平衡2.模穴的排列3.模具的冷卻回路設計(1)並連式與串連式的比較(2)冷卻液入口、出口溫度差因流量大小而異。在精密射出成形模具中，流量的決定，必須使入口、出品溫度差在2以內。各模穴間最大溫度差也要小於2以內。(3)模穴、型蕊分開式的模具溫度控制系統,防止成形變形的發生,1.進澆口數量2.進澆口形狀3.進澆口位置4.冷卻,模具設計檢查事項,品質(1)檢討模具材料、硬度、精度、構造是否符合製定者之要求成形品(1)檢討成形材料的流動、收縮下陷、熔合線、裂紋、脫模斜度、流痕等關連成形品表面外觀的事項(2)在成形品機能、外形等的容許範圍內，儘量簡化加工(3)成形材料的收縮率是否估計正確，是否會經時變化,成形機(1)射出量、射出壓力、合模力是否充分(2)模具是否能正確安裝於使用之成形機上(3)成形品從成形機上取出是否順利(4)成形機的噴嘴與模具定位環、注道襯套是否能正確接觸(5)頂出是否正確,模具構造分模線(1)分模線位置是否適當，是否容易發生毛邊，開模時成形品是否殘留可動側(2)分模線之位置是否對模具加工、成形品外觀有所影響頂出機構(1)使用之頂出方法對成形品是否適當(2)頂出銷、套筒的位置是否理想，數目是否充分(3)剝料板是否容易卡住心型溫度控制(1)加熱用加熱器的能量是否充分(2)冷卻回路的大小、位置、數量是否適當(3)冷卻用媒體的選用是否適當,死角處理(1)死角(undercut)之處理方法是否適當(2)側向心型是否會與頂出機構、回位銷衝突流道澆口(1)澆口形狀的選擇是否適當(2)澆口位置、大小是否適當(3)注道及流道的尺寸、形狀是否適當,裝配圖(1)模具大小是否適當，強度上是否適當(2)模具各構造零件的配是否適當(3)裝配圖的繪製是否明確適當(4)各零件是否註明裝配位置(5)必要零件是否全部記入(6)必要的規格欄、標題欄等是否明確註明,零件圖1.零件件號、名稱、件數、是否正確記入2.是否註明自製或在庫品或市購品等資料3.必要時是否使用標準品或市購品4.配合部公差、表面精度(表面光度)是否明確註明5.精度要求嚴格的部皆，是否已考慮再修正的可能性6.是否有不必要的過剩精度7.材料的使用，是否適合零件的機能8.是否已註明熱處理、表面處理及表面特殊加工的程度9.心型及型穴號碼是否已註明10.是否已註明各零件的加工方法,加工考慮1.檢討加工法，是否適合構造2.檢討加工或組合，是否可能而且容易3.特殊加工及工程指示是否充分4.加工雖可能，但有度困難之處，可否變更設計5.對加工及裝配之基準面是否已記入6.現場配合加工處是否明確指示7.配合調整之處是否指示調整預留量及調整過程說明8.裝配時注意事項是否記入9.套環用孔是否已註明其大小及適當位置10.裝配、分解、調整用衝出孔、螺紋孔等是否有明確指示11.淬火或其他加工等所致的變形是否止於最小。,減少模具製造誤差,1.依加工方式設計適當的模具結構2.分割式模具3.分割式模具設計上注意事項,依加工方式設計適當的模具結構,為了維持模具精度，必需採用耐摩耗性高的材質。加工物經熱處理及淬火後的加工精度在0.01mm以內，除了用各種磨床及放電加工機外別無它法。平面研磨加工時，不得不使床台往復動作，因此，像圖a的形狀無法加工，不得不做成圖b的U字形狀，但是圖b的強度較圖a為弱，因此做成圖c的補強對策。當必需用放電加工機加工時，必需留意電極前端的摩耗問題。,分割式模具的特徵,(1)可對某一部分做適當材質的選擇，並完全正確的應用其硬度鋼材性能。(2)可使用富有耐蝕性、耐摩耗性的模材。(3)可以各別做熱處理，熱處理條件的設定容易。(4)可使用鏡面加工性良好的模材，鏡面加工作業容易，鏡面度高。(5)由於硬化處理，使初期精度的保持期間延長，性能也能長時間維持，模具壽命增長。(6)脫模方向的研磨加工容易，對脫模斜度較小的成形品有利。(7)排氣位置任何地方皆可設置、填充容易。(8)研磨加工容易。,分割式模具的特徵,(9)模具零件精度高，成形品精度也提高。(10)各模穴、型蕊可在很小的公差內製作，零件互換性高，保養容易。(11)以研磨加工為主體，生產性高，工數的誤差小。(12)零件增多。(13)各零件的加工精度必需要提高。(14)受特定加工法限制。(15)完全淬火時，加工困難。,分割式模具設計上注意事項,(1)必須由成行品的精度來反算各個零件所需要的精度(2)從成形品的形狀、機能來考慮模具的分割情形(3)分割成可能研磨加工的形狀(4)從保養方面來考慮模具的分割情形(5)容易分解、組立的分割形狀,實例(一),一個一模六穴的模具,產品為髮夾(裝飾用叉子),所使用材料為聚苯乙稀,產品形狀尺寸及模穴配置圖如下,模具3D立體剖示圖,Designnotes,(1)分模面(partingsurface):髮夾的分模面定在母模與固定側固定板之相接面,如圖16.26所示:(2)模穴配置(Impressionlayout):模穴配置型式以圖16.27所示,以水平中心線為界,上面三個,下面三個。(3)模板設計:採用標準模座,在模穴部份的上下模板採嵌入式,所採用的模座並沒有背板。(4)頂出(Ejection):採用適用的頂出銷做為頂出使用,由圖16.28可示兩種直徑的頂出銷被採用。(5)頂出銷固定板及頂出銷定位板(Ejectorassemblyandejectorgrid):一種常用的頂出裝置及固定頂出銷方式在這次設計型式中被採用。(6)進料系統(Feedsystem):經由注道,主流道及次流道將一模六穴的空間充滿塑膠(參考圖16.27),採用重疊澆口方式避免在充填時融膠噴流效應發生。(7)冷卻系統(Fluidcirculationsystem):一種基本的冷卻方式由四個水平的貫穿孔(F10)所構成,採用的原因是基於結構簡單(圖16.28),貫穿孔設在背板上(方便模板更換),(8)模板定位(mouldalignment):在固定側模板上裝置導銷(G4),在可動側模板裝置導銷襯套(G3),用來作為公母模的定位,在這個特殊例子中,因為模穴都位於單一模板上,所以定位的需求便降低了。(9)注道拉銷(spruepulling):使用一種包含死角的注道拉銷(S16),作用在冷滯料井處,當開模時將注道拉出。(10)分模面浮凸(PartingSurfaceRelief):兩塊模板結合處為做成浮凸型式,所包圍範圍包括了六個模穴,並在可動側模板的四個角落加上四個矩形凸塊,目的是減低鎖模所使用的油壓缸力量(見圖16.30)。,實例(二)檢視設計錯誤之處,(1)冷料井(coldslugwell)直徑小於豎澆道頂出銷S16(spurepin)直徑，所以沒有頂出的機能(2)從模穴模板C6(cavityplate)後方，到頂出銷固定板R4(retainingplate)前方其頂出距離過分大。(3)頂出銷E4(ejectorpin)太細長，要採用階梯式頂出銷(steppedejectorpin)(4)頂出銷E4太接近模穴壁面(impressionwall)(5)頂出銷的頭部凸緣直徑太大(6)頂出銷背板E5(ejectorplate)太薄，頂出時有可能會變形(7)頂出銷背板的平面太大，所以復歸銷P9(push-backpin)應該放在接近模穴的位置(8)在凸轂(boss)位置的頂出，最好是用套筒式(sleevetype)，以確保頂出(9)局部崁入塊的模心銷I3(corepin)，沒有背板支撐(10)間隔塊S23(supportblock)位置距離太遠(平斷面圖造成誤解)。模穴模板C6(cavityplate)沒有背板，射出成型時會造成變形,實例(三),隨身碟的頭部外殼塑膠模設計,設計流程,澆道系統的考量,1.按重量選用流道產品重量4g=0.14oz所以選用62.流道型式採用U型(如圖2-2)的流道。加工上只要半邊加工，採用球刀既可。且業界較常用。,3.側狀澆口的尺寸確立,(材質ABS:n=0.7)取深度h為1取寬度W為3,頂出系統的考量,在豎澆道的拉料系統上我們採取最簡單的Z字形的拉銷頂出系統方面則由成品的外型來考量，由於成品有一部份為非外觀面的位置，且其他位置也不易製作頂出,易損傷外觀面，因此我們考量頂出製作於外觀面的位置上如圖(2-7),倒角的考量,角銷，滑塊及導軌(railguide)採用標準件，節省時間。角度方面角銷（Anglepin）為20度，固定塊（Lockingblock）為22度。在行程方面，由於模心在脫模時要完全脫離成品，所以其行程約為30為了角銷尺寸為整數，所以反算行程為90*sin20=30.78。滑塊共計四組，左右邊共兩組。之所以不製作成兩組，主要是為了試模時比較好調整間隙及相關尺寸。角銷長度一般採用公式為，但由於是電腦繪圖，因此尺寸由電腦上既可讀出。,模具側壁及承板強度考量,由MOLDEX的模流分析，在壓力方面模具平均所受壓力為40Mpa，因此採用壓力40Mpa及容許位移量為0.1來計算。另外根據產品及模板的厚度及寬度,分別來運算模穴側壁及移動側模穴承板強度，計算如下,模穴側壁的強度計算,移動側模穴承板強度,ANSYS作模具強度分析,可使用ANSYS來作模具強度分析，我們選擇移動側模穴承板強度來作分析，預估其最大的位移量。分析結果如下，其大位移量為0.04，發生於模具中心，由於0.040.1，所以承版的結構強度是足夠的。,冷卻水路的設計考量,移動側模穴冷卻水路,固定側模穴冷卻水路,滑塊上的模心冷卻水路示意圖,MOLDEX模流分析,材質:ABS充填時間:0.5秒冷卻時間:10秒融膠溫度:210頂出溫度:120模具溫度:50保壓時間:1.5射出壓力:120Mpa保壓壓力:80Mpa,模具完成圖,導光板的開發實例四,在TFT-LCD液晶顯示器中，背光模組為主要光源所在，而其光亮度分佈和大小，主要為導光板所掌控。其主要功能是將冷陰極燈管(CCFL)或LED之線光源、點光源轉換成面光源。,模具設計流程,成形品設計,選用射出成形機,模穴數、模具配置,選擇標準模座,模具結構(直接雕刻、鑲入方式),流道系統設計,冷卻系統設計,模流分析CAE,頂出機構設計(頂出銷、滑塊設計),模具強度計算,模具組立圖、零件圖,成品圖,2.5吋、厚度由2.3mm漸縮至0.9mm之楔形板導光板。表面具有V-CUT之光學特徵。,成形品設計,分模面:設於AA處，易於模具加工且較不會影響成品外觀，公模形狀為楔形凹槽，母模為佈有pattern的平面模仁。,肉厚:導光板的厚度由2.3mm漸縮至0.9mm1)肉厚不均且較薄，易因成形時冷卻不均及殘留應力產生收縮及翹曲變形。2)肉厚太薄易因頂出產生變形或破裂，頂出方式使成品在不產生變形且不影響外觀下而能順利頂出。拔模斜度:導光板外形為楔形薄板，最大厚度為2.3mm，設置1的拔模斜度於成品外側以利於脫模。,成形品設計,模具設計,成形材料：Asahichem80NHPMMA射出成形機：Sodick-TR30EH油電複合式V型机構射出成形機射出量：14g(0.5oz)合模力：30(ton)射出壓力：262(MPa)射出速度：500(/s)連桿間隔(横縦)：260260()最小/最大模具厚度：150/300()模穴配置：採用一模一穴。模具種類：二板式模具。標準模座：選用仕霸大水口1520系列C型(C1520-50-70-60S),模具結構,模仁採用鑲入組裝的方式注道採用偏置的設計母模設置具有V-cut的模仁(鈹銅)公模設置具有澆口、楔形斜面的模仁(STAVEX),母模cavity,公模core,流道系統設計,注道：採用A形注道襯套射出機噴嘴直徑d3.0，噴嘴端面r10注口直徑D=3.5，注道襯套R=16,澆口設計,