注塑模具设计3.天津.Jul2009.ppt

1、注塑模具设计,徐昌煜 Charles Hsu 先进成型技术学会 创会理事 2009年7月12、13日于天津市,模具设计的流程,分型面设计 (Parting Plane Design) 侧向分模与抽芯机构设计 浇注系统设计 (Filling System Design) 排气系统设计 (Venting System Design) 冷却系统设计 (Cooling System Design) 脱模系统设计 (Ejecting System Design) 导向装置设计 (Guiding System Design) 模架的确定和标准件的选用,浇注系统设计 Filling System Desig

2、n,徐 昌 煜 Charles Hsu,浇注系统设计的优先顺序 Priorities of Filling System Design,产品设计 (Part Design) 型腔设计 (Cavity Design) 浇口设计 (Gate Design) 流道设计 (Runner Design) 喷嘴设计 (Nozzle Design),典型的浇注系统 Typical Filling System,浇口设计 Gate Design,徐 昌 煜 Charles Hsu,每增加一个浇口，至少要增加一条熔接痕，同时还要增加一个浇口痕迹、较多的困气以及流道的体积。 Once a gate is adde

3、d, one weld line, at least, one gate mark, more air traps and more runner volume will be added. 在型腔能够如期充填的前提下，浇口的数目是愈少愈好。 As long as the cavity is able to be filled, as expected, gates are the less the better. 为了减少浇口的数目，每一浇口应就塑流力所能及的流长/壁厚比之内，找出可以涵盖最大产品面积的进浇位置。 In order to reduce the number of gates,

4、 each gate shall be located at where the melt is able to cover maximum part area based on the largest melt flow length/thickness ratio .,浇口数目 The Number of Gates,熔胶前沿推进 Melt-front Advancement,充填模式, 气穴和熔接痕 Filling patterns, air-traps and weld lines location,材料 Material : PC-GF50,原设计 Original,改善设计 Rev

5、ised,改善浇口位置以重新定位熔接痕 Weld Lines Can Be Relocated By Changing Gate Location,典型对头熔接痕伸张强度保留值 Typical Butt Weld Tensile Strength Retention Values,以外差法算出：PC, 50%GF, 44%,IBM笔记本电脑键盘盖, PC-CF, 广东省东莞市, 2003.10. 23.,IBM笔记本电脑键盘盖, PC-CF, 广东省东莞市, 2003.10.23.,板条/薄膜浇口 Plate/Film Gate,板条/薄膜浇口 Plate/Film Gate,IBM笔记本电脑

6、键盘盖, PC-CF,广东省东莞市, 2003.10.23.,熔接痕预测与对策,NG,OK,汽车保险杠材料：PP,原始设计时，已经预测到熔接痕会在外观面出现。,前沿会合角在75以下，则产生明显(深的)熔接痕(实验结果)。,t=4.0mm,R停止,t=4.5mm,t=3.5mm,BL断面(中心开 口横水平板部),t=1.5mm,厚度检讨,120 OK,对策： 厚度变更后，会合角变大，熔接痕淡化。,增加厚度,上策是优化产品厚度或/和浇口位置等以消除熔接痕 The best way is changing the thickness profile of the part or/and the lo

7、cation of the gates, etc., in order to eliminate weld lines. 增加前沿会合区面积 Increase the area of the region where melt fronts meet 增加相遇前沿的会合角 Increase the meeting angle of the meeting melt fronts 改善排气 Improve venting 加熔接冷料井 Add weld slug well 提高模温 Increase mold temperature 提高熔胶温度 Increase melt temperatur

8、e 提高射压和保压 Increase injection pressure and holding pressure,如何优化熔接痕的质量 How to Optimize The Quality of The Weld Line,移动空调外壳, 制件重1.5kg, 6浇口, 1000吨注塑机, 以前使用HIPS注塑后喷涂, 现在改用黑色高光ABS直接注塑, 注塑产品的表面光泽达到要求，只是在制件中间有一道明显的熔接痕, 尝试把下端的进胶口堵住，只从上面进胶，但很难打满, 廣東省佛山市, 2009. 3. 5.,移动空调外壳上的熔接痕,熔接痕,新加,气穴 Air Traps,透明管帽上的气穴Ai

9、r Trap on a Transparent Cap,顶出销痕,白斑,左图显示一透明带螺牙管帽顶部沟槽旁(顶出销痕的左下方)，有一白班， 此一白班使的整个产品的质量蒙羞-当然，客户是无法接受的。 试了各种各样的成型条件，白斑依然故我，厂商为此伤透脑筋！,以CAE模拟原始设计， 发现在出现白斑处有一气穴(air trap)，如左图所示。,原始设计Original Design,合理假设： 充填时，在相对于管帽顶部生成白斑的型腔处，熔胶前沿(melt front)包围了气体，气体无路可走，在升压升温的情况下，前沿塑料氧化、降解(degrade)、变色。 对策： 气穴的位置，由充填模式(filli

10、ng pattern)决定。 在产品已经定型的情况下，改变充填模式最有效的方法就是改变浇口的位置。,合理假设和对策 Reasonable Assumptions and Solutions,原始设计浇口位置Original Gate Location,借助3D CAE的模拟， 可以评估不同浇口设计对充填模式的影响。 要注意的是，螺牙的造型对充填模式的影响是不可轻忽的，为了避免螺牙的造型失真，须要采用3D造型、以3D CAE进行模拟。 左图显示改善设计的两个浇口位置。,3D造型 3D Model,左图显示气穴移到管帽顶部中央。,改善设计Revised Design,为什么要将气穴移到管帽的顶部中

11、央呢？ 因为该处的动模(core)侧，本来就有一顶出销，将顶出销的顶部磨掉一圈，再略为加工，就可改成排气销(venting pin)，气穴能在管帽的顶部中央形成，被包围的气体就可以从该处的排气销的排气口(venting land)和排气沟(venting groove)逃到大气，不至于留在型腔中危害产品的质量了。,顶出销修改成排气销Ejector Pin Modified to be Venting Pin,调整浇口，使得熔接痕与气穴移至对强度与外观不敏感处。,流动平衡 Flow Balance,就单型腔而言，流动平衡意味着熔胶前沿于同一时间抵达型腔各末端。 就多型腔而言，流动平衡意味着熔胶前

12、沿于同一时间抵达各型腔末端。 流动平衡的设计，熔胶的压力、温度以及体积收缩率分布均匀，质量均一。 流动平衡是注塑产品和模具设计最重要的原则之一。,2004年11月19日，徐昌煜、 陈夏宗、钟文仁、Ho Kwan Lee、 Seok-Woo Lee摄于韩国仁川市的Korea Institute of Industrial Technology(KITECH),30” LCD TV Rear Housing,Case (5 Gates),Case (5 Gates),Hot Runner,Case (3 Gates),Case (3 Gates),Weld Lines,Comparison bet

13、ween 5 Gate and 3 Gate Designs,30” LCD TV Rear Housing,30” LCD TV Rear Housing,家族模Family Mold,相同材料 Same Material 相同颜色 Same Color 相近尺寸 Similar Size 装配制件 Assembly Parts,平衡家族模之塑流Balance Flows in Family Mold,功能键Function Key,功能键模Function Key Mold,熔胶前沿推进Melt-front Advancement,剪切速率 Shear Rate,剪 切 应 力 shear

14、 stress 黏 度 viscosity 剪 切 速 率 shear rate,剪切应力 Shear Stress,导致平直产品的浇口设计 Gate Design for Flat Part,产品：角磨机机壳 材料：PA6-GF35 模具：二型腔模，每一型腔二浇口 简述：角磨机壳第一次试模时变形严重，左右机壳合在一起未打螺丝时合缝明显，打螺丝后还是存在变形，影响产品的装配及使用功能 问题：翘曲， 合缝大,机壳的合缝,机壳的合缝,原始方案,改善方案,0.21mm,0.50mm,116t,82.4MPa,改善,32.4%,0.74mm,#1点总变形量,改善情况,原始,61.1%,43.4%,44

15、.1%,0.54mm,80.9t,57.2MPa,#2点总变形量,Max.Clamp Force,Max.Pressure,方案,总 结,实际试模样品的翘曲变形量在未打螺丝时变形微小，在一端固定的情况下，合缝减到0.63mm,原始方案,改善方案,机壳的合缝,产品设计: 模具设计: 从2个浇口改成1个浇口，以符合单一方向流原则。 制程设计:,机壳的合缝,浇口1,浇口2,医疗器械塑件A, PA6-GF30, 南京市, MuCell 堵掉浇口2后, 平面度OK, 中央熔接痕消除 。,可以导致单一方向流的浇口设计，较能产出平直的产品。,迟滞痕 Hesitation Mark,迟滞痕(hesitatio

16、n mark)的定义: 当熔胶流到壁厚厚薄变化大 的区域，进入薄壁区的前沿会慢下来，甚至停滞不动，直到厚壁区充填满为止，在这段时间，慢或停下来的前沿会形成一痕迹，谓之迟滞痕，既影响外观，也是应力集中处。,浇口设计(减少滞流效应) Gate Design to Avoid Hesitation,迟滞现象减轻,帮浦零件(Part, Pump) 塑料(Polymer): 聚甲醛 POM,浇口要置于距离可能发生迟滞处最远处。,浇口设计(避免缩痕和缩孔) Gate Design to Avoid Sink Mark Machine(Mitsubishi): 1,300 Ton; Shot Weight

17、(PS) 6240 g (1,700/6240 = 27.2%) (Shot to Cylinder Size of 40 60 % is recommended by GE.),等离子电视机前框的 熔接痕、流痕、黄化,42”等离子电视机前框, PC (GE LEXAN HF1110), 深圳市, 熔接痕、流痕、黄化, 2004. 6. 2.,K公司的评语 2005年3月 xxx透明面框是我们公司第一次做的大型透明件，这在国内尚无先例，最初在试产过程始终无法解决的问题是熔接痕过重，产品变黄，无法提供合格产品，徐昌煜提出了两点建议，一是用小规格的螺杆，减少料在炮筒中的加热时间，改善注塑材料降解问

18、题。二是加强模具的排气，实施低压高速的注塑模式，提高料流前端的温度，以达到淡化熔接痕的目的。按照徐昌煜的建议，我们对模具的排气系统进行了本质上的变更，更改了注塑工艺，终于生产出了客户能够接受的产品。通过这一事件的处理，使我们对模具的排气系统的认识有了本质的改变，制定了排气系统设计标准，将排气这一曾经被我们忽略的事情纳入设计必须考虑的因素之内，将上述经验推广到相关的模具结构设计中去，使得我们模具的注塑工艺性能有较大改进。,等离子电视机前框的熔接痕,产品设计: 模具设计: 排气合理化 制程设计: 缩短注射时间,30” LCD TV Rear Housing,此ABS后壳模具排气口的深度增加到0.0

19、8mm, 注射时间可缩短到接近优化者,充填满时, 熔胶温度和压力分布均匀, 后壳平坦。 2003年于广东省东莞市,Perimeter Vent,安全针筒推杆的脆裂与短射,制品：安全针筒推杆 材料：SAN 模具：16型腔模 简述：高料温时推杆脆裂、低料温时短射。 问题：脆裂与短射,安全针筒, SAN, 台北市, 2005年,安全针筒推杆的脆裂与短射,安全针筒推杆底座法蓝,安全针筒推杆的脆裂与短射,16型腔安全针筒推杆模, SAN,台湾省台中县, 高料温脆裂、低料温短射, 2005. 11. 1.,16型腔安全针筒推杆模, SAN,台湾省台中县, 高料温脆裂、低料温短射, 2005. 11. 1.

20、,排气口切推杆法蓝型腔边缘而过, 排气不足,安全针筒推杆的脆裂与短射,P,L,安全针筒推杆底座法蓝,排气沟, 0.02深x 5宽,低效排气 Low Efficient Vent,塑料：SAN,P,L,安全针筒推杆底座法蓝,全周长排气口, 0.05深x 1.5长,排气沟, 1深x 5宽, 通至模外,推杆材料：SAN,高效排气 High Efficient Vent,制品设计: 模具设计: 单点排气改成全周长排气 制程设计:,安全针筒推杆的脆裂与短射,深度(depth): 参照厂商建议 (refer to manufacturers recommendation) 宽度(width): 全周长(w

21、hole perimeter) 长度(length): 1.5mm 排气沟(vent groove): 1mm深(deep),顶出销或型芯销排气 Ejector or Core Pin Vent,顶出销 或 型芯销排气 Ejector or Core Pin Vent,DVD机面框按键, ABS, 浙江省宁波市, 2001. 6. 23.,排气不足，熔接痕明显,熔接痕,插座上盖, ABS, 广东省深圳市, 熔接痕, 周期时间 45秒, 2004. 5. 13.,抽真空排气,加装抽真空系统，在充填前和充填时进行抽气，是一有效方法。 对于某些皮纹装饰产品而言，这可能是唯一的排气良方。,汽车用显示器

22、前框, PC+ABS, 台北县汐止镇, 气痕, 2004. 6. 24.,气痕,冷却系统设计 Cooling System Design,徐 昌 煜 Charles Hsu,模具冷却设计的目的 Purposes of Mold Cooling Design,1.均衡冷却(改良产品质量) Even Cooling (Improve Part Quality) 2.有效冷却(提高生产力) Efficient Cooling (Increase Productivity),薄壳产品不像传统壁厚者一般可以承受较大的因热传不均而产生的弯曲力矩。 为了将变形控制在可以接受的程度，均衡的冷却设计变得非常重要

23、。 Thin-wall part can not afford as much thermal induced bending moment as the conventional one does. An even cooling design becomes very important to control the warpage at an acceptable level.,冷却设计Cooling Design,注塑周期时间 Injection Molding Cycle Time,充填时间 Fill Time,开模时间 Open Time,后充填时间 Post-fill Time,

24、典型的冷却系统 Typical Cooling System,模温调节机 Temperature controlling unit,软管 Hoses,冷却回路2 Cooling Circuit 2,冷却回路1 Cooling Circuit 1,泵 Pump,收集歧管 Collection manifold,供给歧管 Supply manifold,1,模具冷却系统 Mold Cooling System,冷却孔道 Cooling Channels,喷泉管 Bubbler,障板管 Baffle,理论上最短冷却时间 Min. Possible Cooling Time,冷却时间和厚度分布 Coo

25、ling Time and Thickness Profile,差的设计 Bad Design,好的设计 Good Design,主外观面无光影,单浇口,32”液晶电视机PC + ABS底座模具制作完成后，试模效果良好。,次外观面有微弱光影，客户可以接受,32”液晶电视机PC + ABS底座模具热嘴保护套较短，分流道较多，和主流道(sprue)交会处粗大，积热严重，每次开模时主流道会从根部断裂，滞留于前模，调机师傅需用细铁丝烧红插入主流道，待冷却后将滞留于前模内的主流道拉出，而且不一定次次成功，不胜其烦。 或将生产周期定在95秒以上可顺利脱模。,主流道从根部断裂,将热嘴保护套加长3.2mm,

26、即主流道和分流道交会处减胶3.2mm后, 问题迎刃而解。,减胶3.2mm,32”液晶电视机PC + ABS脚架模具：建议更换热嘴保护套长度后, 生产周期从95秒缩短到63秒(模具车间师傅对此结果已经非常满意), 而且无主流道粘模现象。,Thermal Diffusivity of Nylon 66,Thermal Diffusivity of 30% Glass Fiber Filled Nylon 66,The thermal diffusivity of 30% glass fiber filled nylon 66 is 30% higher than the one of nylon

27、66. In other words, the cooling time of 30% glass fiber filled nylon 66 is 30% shorter than the one of nylon 66.,冷却孔道直径、深度和节距 Diameter, Depth & Pitch of Cooling Channel,D : 直径为10至14mm Diameter of Cooling Channel, 10 to 14 mm d : 深度为D至3D Depth, D to 3D P : 节距为3D至5D Pitch, 3D to 5D,汽车后视镜外壳, ABS, Indon

28、esia, 翘曲变形, 199?,原始设计 Original Design,改善设计 Revised Design,原始设计 Original Design,定模板 Cavity Plate,主流道衬套 Sprue Bushing,定模镶件 Cavity Insert,动模镶件 Core Insert,动模板 Core Plate,承板 Support Plate,改善设计 Revised Design,定模板 Cavity Plate,主流道衬套 Sprue Bushing,定模镶件 Cavity Insert,动模镶件 Core Insert,动模板 Core Plate,承板 Suppo

29、rt Plate,动模镶件 core insert,O型环 O-ring,空气囊 air pocket,原始设计 Original Design,动模镶件 core insert,O型环 O-ring,改善设计(一) Revised Design ( 1 ),动模镶件 core insert,O型环 O-ring,改善设计(二) Revised Design ( 2 ),冷却速率(Cooling Rate)不仅和 温差(Temperature Difference)成正比，也和流速(Flow Velocity)的0.8次方成正比。,牛顿冷却定律,一冷却体之冷却速率与该物及冷却介质之温差成正比,

30、冷却介质从模具带走的热量,模具与冷却介质间的热传系数(W/m2- K),冷却孔道的热传面积(m2),模具与冷却介质的温度差(K),冷却时间(秒),Forced Convention Heat Transfer Inside Tubes and ducts,Long Ducts, Liquids and Gases in Turbulent Flow (Re 6,000, Pr 0.7) Notes: Re is Reynolds number. Pr is Prandtl number. Nu is Nusselt number. Re, Pr and Nu are all dimension

31、less.,热传系数 Heat Transfer Coefficient,模具冷却速率不仅与模具与水的温差成正比，也与水的流速的0.8次方成正比。,冷却速率与温差和流速的关系,不平衡的设计 Unbalanced Design,平衡的设计 Balanced Design,不用限流孔销的内歧管设计 Internal Manifold Design without Using Frops,使用限流孔销的内歧管设计 Internal Manifold Design Using Frops,限流孔销 Flow Resistance Orifice Pin (FROP),紊流和层流 Turbulent a

32、nd Laminar Flows,紊流 Turbulent Flow,层流 Laminar Flow,雷诺数 Reynolds Number,雷诺数 Reynolds Number,当雷诺数小于2,100， 流体是层流。 当雷诺数在2,100和10,000之间，流体从层流过渡到紊流。 当雷诺数到了10,000，流体全然成为紊流。 The flow is laminar when the Reynolds number is below 2,100. In the range of Reynolds numbers between 2,100 and 10,000, the transition from laminar to turbulent flow takes place. At a Reynolds numbe