模具设计进阶教程.ppt

1、三.塑膠模具用鋼,(3.1 塑膠模具鋼之特性比較),3.2 鏡面加工性,鏡面程度與鋼材選擇,5000,10000,15000,0,10,20,30,40,50,60,PDS2,PDS3,PDS5,PD555Pre-H,DH2F,NAK 55,NAK 80,DHA1,(SKD61),(SKD11),DC53,PD613,PD555,3.3 研磨加工方法:,(1) 必須照正規的研磨作業順序施工. (2) 必須遵守研磨作業各項注意事項.,研磨作業順序: 車削加工 銑床加工 -#220-#320-#400)-砂紙研磨 (#220-#280-#320-#400-#600 -#800-#1000-#120

2、0-#1500)-鑽石膏精加工 (15um-9um- 6um-3um-1um),- 砥石研磨 (粗-細#46-#80-#120-#150,3.4 塑膠鋼材預硬性,PDS2,PDS3,PDS5,10,20,30,40,50,60,50,100,300,500,1000,3000,DH2F NAK55 NAK80,時效處理型 (MASIC),MASIC,DHA1,(SKD61),PD555,DC53 PD613,(SKD11),淬火型 預硬型,一般用(雜貨),多量生產用(汽車.電器),耐久.FR.鏡面用,四.模具設計:,4.1 每模穴數,依下列項目決定每模穴數: 總生產量 成形品大小與機台配合問題

3、 模具製作成本 成形品結構復雜度,精度要求 流動平衡問題,4.2 成品排列方向:,形狀.,大小,滑塊結構 澆口位置 加工方法 成品取出方法,取出方向 脫模深度 外觀面,4.3 分模線位置及分模面設計,1.投影面積大小比較 2.外觀面要求 3.R位置,R有無 4.成形方向 5.成品附著,頂出問題 6.滑塊結構 7.靠破面,插破面設計 8.加工方法 9.接触面大小,壓力,硬度,精度.(防止毛頭產生) 10.研磨保養方法,4.4 投影面積計算,1.應扣除中孔部分 2.與厚度無關 (成品位置偏心問題) 3.重疊部分的計算 4.透氣不良的中孔如何計算,4.5 鎖模力量,1.與膠料的流動性(粘度)有關.

4、2.考慮模座受力平衡的問題. 3.配合射出成形机的規格. 4.鎖模力應大於射出成形力. 5.射出成形力與膠料流動性,成品肉厚,料溫有關. 鎖模力F=投影面積A*模具內壓力P,樹 脂 最高壓力kg/cm,2,PS 400,ABS 400,PP 300,PC 500,POM 800,4.6 模具標準結構,如圖:二板模 側澆,口,扇形澆口,隱藏式澆口,不 論模穴數多寡,皆可使用. 二板模的成品與流路副料可以同 時取出.,(一),如圖:三板模 一般用在針點澆口,成品及流路副 料分別在不同的模面取出. 一般先取出流路副料,再取出成品. 因靜模板在導柱上滑動,因此須加強 導柱的精度及強度. 此種模具极易產

5、生不同心的問題,因 此必須有止滑塊的機構.,標準側向型模具結構圖(可動側),標準側向型模具結構圖(固定側),如圖:滑塊模: 1.應注意側向滑塊承受射出壓力大小的問題. 2.滑塊的驅動方式. 3.斜梢的作用係驅動滑塊左右的位移.與製品是否產生毛頭無關. 4.壓塊與滑塊密合的程度直接與毛頭的產生有關.一般壓塊有一體式 與分割式二種,前者加工困難,但強度較佳. 5.設計標準化.,(二)模板的結構可以分為一體式與分割式,1.模板止滑定位機構:,應注意模板滑動方向:(如圖),成形品,止滑面,靜模,分模面,心型,2.靜模板的結構:,可以分為一體型及分割型兩种:(如圖),3.動模板的結構:,可以分為一體型及

6、分割型兩种.(如圖),P,P,P,d,(a) (b) (c),強度以(a)最佳 (c )尚可 (b)較差 精度以(b)最佳 ( c)尚可 (a)較差,4.7 模具強度計算,1.方形模板(無底)壁厚尺寸計算:,H: 側壁厚 mm p: 成形壓力 kg/cm l: 梁長 mm a: 受力部分高度 mmE: 楊氏系數,鋼:2.1*10 kg/cm b: 模穴高度 mm 事實上因截面積過大,流速成平方關係的上降,因流動過 慢反而易冷卻,更增加流動的阻力,造成填充不易的不良現象. b.流道表面積大小與膠料流動速度及溫度的下降有密切關係.截面積越小, 流速越快(成平方關係的增加),因流速增加,膠料傳到模具

7、的熱量會減少, 有助於料的流動,充填.,c.同樣的流道斷面積,其表面積越小越佳,因此以圓形最佳,方形較差. 1) 圓形流道與矩形流道的流量 圓形流道 QR= = 當a = 2.53.5時 Q為D的6次方 矩形流道 QG= = Q為H 的5次方 亦郰表示圓形流道的流量正比於直徑的6次方,矩形流道的流量為 深度的5次元,因深度微小的變化而有很大的變化,例如深度,5mm的 矩形澆口(Gate)如果有5%(0.025mm)加工上的誤差,流量便有20%的 誤差,因此澆口的加工對生產性,加工成本有很大的影響.,Fe P,D a+3,a,R,2 (a+3)L,2 a+3,R,a,feD P,R,3,3072

8、L,R,a,FeBH P,a+2,a,G,2 (a+2)L,a+1,G,a,feBH P,G,3,80L,G,3,5,2,1,2) 由項 式圓形流道流量反推其壓力降 P 式矩形流口流量反推其壓力降 P (設流量QR=QG時),R,2,1,R,feD P,R,3,3072L,R,a,則 =,feBH P,G,3,80L,G,3,5,PR,PG,=,38.4BH L,3,R,5,D L,G,3,6,3,(a =3時) Q:流量(cm /sec) fe,a :流動特性 a =2.53.5 D : 圓形流路直徑(cm) H : 矩形流路深度(cm) B : 矩形流路寬度(cm) P : 流路中壓力降(

9、dyne / cm ),2,d.一般情形的射出壓力若為1000kg/cm ,模穴內的壓力為400500kg/cm , 壓力降 P=500kg/cm 600kg/cm ,因此在流道中的壓力損失,因摩擦 生熱產生的溫升 T約為40度60度. e.當流道的截面積取小,壓力損失,嗇因摩擦生熱使膠料的粘降低而有利 於膠料的流,動對於充填不良,接合線等有顯著的改善. f.因有助於上述不良現象的改善,調整射出成形的壓力時,可以盡量的降 低, 因射壓的降低對成形品內應力問題及毛頭問題有很大的改善效果.,D,D,D,D,D,D,D,d,0.250 0.250 0.250 0.24950 0.19970 0.15

10、30 d=,D/2 0.166D,D/4 0.1 D,D/2 0.071 D,流道斷面形狀效率,樹脂名 流道直徑 ABS AS 4.89.5 POM 3.29.5 PMMA 8.09.5 PMMA 8.012.7 PA6 1.69.5 PC 4.89.5 PP 4.89.5 PE 1.69.5 PPO 6.49.5 PS 3.29.5 PVC 3.29.5,樹脂流道直徑,3.流道長度與成品配置: 一模多穴,模穴位置的決定,流道長短的設計, 為膠料是否同時進入澆口,是否同時充滿模 穴的關鍵技術. a.一模多穴如果因設計不, 不能同時充填如圖:,當膠料對b,c先充填,而a,b尚未充填,亦即b,c填

11、飽時,a,b尚在充填中.因 a,b尚在充填,膠料繼續前進,料的前端承受的壓力約為一個大氣壓或更高些 (視透氣狀況而定),與充填射壓500kg/cm 相較,顯然低了很多.也就是在所 有模穴尚未填飽時的波前壓力只比大氣壓略高而已,在最後充填完成模穴 真飽的瞬間,膠料才隨到500kg/cm 的壓力.,2,2,a b c d,b.如果有上述先後次序的充填,b,c先填,飽,b葟填;飽如果在a,b未填飽之前 亦即b,c尚未承受500kg/cm 壓力之前,b,c的澆口即已開始冷卻固化,則後 續壓力的增加(含保壓)亦無法改善其嚴重縮水凹陷的不良. 因此如何達成多模穴同時充填完成的流路設計,實為模具設計的關鍵技

12、術. c.流道長度及成品流道長度成品配置實例: 1) 流道長度越短越好,形狀以圖形最佳. 2) 由澆道到各澆口的距離應皆相等(等長),如圖:,4) 流動比與面積比: 膠料在模穴中的流動性與粘度有密切關係,粘度愈低,流動性愈佳,當然 流動的距離(L)也越長,因膠料在模穴流動時,有一部分的熱量被模具帶 走,溫度逐漸下降( P壓力降造成摩擦熱產生的溫升不考慮時)流動的 距離越長,阻力越大,越不易流動,成品的厚度t越薄,流動阻力也相對提高. 流動比即指膠料流動的長度D(L)與成品厚度(t)之比,下表為各种膠料不 同的流動比數值:,樹脂 T(mm) L/T PE 0.33.0 280200 PP 0.6

13、3.0 280160 POM 1.55.0 250150 PA 0.83.0 320200 PS 1.44.0 300220 PS 1.55.5 150100 PVC(硬質) 1.55.0 150100 PC 1.55.0 150100 醋酸纖維素 1.44.0 300220 ABS 1.54.0 280160,膠料在模穴中的流動比應小於上表列之數值,否則會有充填不 良的現象. 模溫高,料溫高,模穴拋光度佳時,流動比值可取高(上限). 流動比= L i =某段流路長度 t i =某段流路厚度 面積比=1/流動比=t / L,i=1,i =n,L i,T i,5) 澆口形式: 澆口種類很多,在使

14、用上應依膠料的粘度流動性等特性及成品形狀 大小,重量,厚度變化,成品分模線的復雜度:決定適當的澆口型式. 澆口形式及大小,直接與膠料的充填有關,並影響成品呎寸的穩定性, 縮水,變形,接合線的產生等,澆口的設計除與製品品質有關係,並影響 以後的生產性.,常見的澆口形式有下列九种: 1.側澆口(Side Gate) 2.疊型澆口(Over lap Gate) 3.直接澆口(Direct Gate) 4.針點澆口(Pin Point Gate) 5.耳式澆口(Tab Gate),6.扇狀澆口(Fan Gate) 7.環狀澆口(Ring Disc Gate) 8.膜狀澆口(Film Gate) 9.隱

15、藏式澆口(Submarine Gate),7.澆口位置: 膠料在模具內的流動距離與其粘度有密切的關係,粘度越高流動 距離越短.流動比(L/t)成正比.與澆口的大小沒有正比例的線性關係. 1) 澆口的大小與成口的重量有密切的關係. 2) 澆口數目與成形品面積及成品的重量有關. 3) 如果一點澆口不能完成充填而需多點澆口時,每一澆口所負責 充填的面積(重量)應相同,也就是須使每一澆口能同時均勻填 滿模腔內的各部位,為達此目的,澆口的位置須慎重考慮,分析. 4) 澆口位置須配合成品平坦度,接合線的要求. 5)一般澆口附近,因保壓及膠料先充填之故,有下列現象: a.溫度較高,應力較大,易產生收縮變形的

16、現象. b.因壓力較大,易生毛頭,但較不易產生接合線. c.成品頂出不易,易有白化現象. d.若模溫較低,或冷料處理不當,澆口附近易產生流紋及不同的光 澤度. e.因流速過快,使澆口附近產生許多不良現象.,6) 理想的澆口位置: a.應在成品厚的地方充填. b.應均勻充填,防止“包風”現象. c.應從易縮水凹陷的補強肋附近充填. d.應避免成品外觀有明顯的接合線產生. e.防止心型因高速成形而變形. f.應避免成品有短射或過度充填的現象. g.應防止成品的變形,撓曲. h.應造成膠料迂迴流動,順利充填. i.計算膠料的流動比.,7) 澆口位置圖例:,中央一點澆口,端部一點澆口,端部三點澆口,端

17、部薄膜澆口,a.分子向性: 分子排列方向與膠料流動方向平行,排列方向與成品的變形,應力分 佈有密切關係. b.膠料流動解析: 膠料經過澆口進入模腔的瞬間,分子排列為交錯無方向性,遠離澆口時, 膠料接近模壁部分流速較慢,中央部分繼續前進,如圖所示:,熔膠,射出成形机,澆口,模穴面,膠料中心,分子配向,膠料表面,c.不當的澆口形式及位置: 如圖,對圓筒成品,側澆口充填產生肉厚不均的現象,改良對策: 1) 改變澆口型式及位置 2) 心型強度的增加 3) 射出速度的降低 4) 動靜模同心度的確保 5) 均勻的成品肉厚,使膠料能均 勻等速前進. 6) 動靜模插破面的考慮,8.澆口數目. 澆口的數目應盡量

18、的少,不要過多,過多反而造成: 1) 二次加工成本的增加 2) 接合線增加 3) 造成成品內壓,變形,龜裂. 4) 廳數個有較佳的真圓度. 9.澆口尺寸 (一) 澆口是連接流道及模穴的通道,澆口的斷面與流道及模穴相較,顯 然小了很多,其理由如下: 1) 為自動化成形加工的自動斷落,及二次加工的容易切除. 2) 小澆口在成品上殘留的痕跡小. 3) 料經澆口有加速充填的效果,因摩擦生熱,有利於充填時料的流動. 4) 冷卻快,保壓時間短,可防止逆流,減少成品的縮水,凹陷,變形.,(二) 澆口尺寸的決定與下素有關: 1) 膠料的粘度,流動性. 2) 成品的重量. 3) 成品的平均肉厚,結構的復雜度.

19、4) 膠料熔融的溫度. 5) 模具的溫度. 6) 澆口大小與流動比有關. 7) 加大澆口尺雨有助於縮水凹陷的改善. 8) 充填不足與澆口大小無關. 澆口尺寸的計算應參考下列所示的一些計算式,加上以往的經驗 (模具及成形條件的變化)來適當的修正.,(三)常用澆口尺雨計算式: 1) 側澆口及疊形澆口: h=nt W=,30,n A,L1=0.50.75mm L2=h+w/2 注:側澆口L2=0,A:模穴表面積(mm ) W:澆口寬度(mm) h: 澆口厚度(mm) L: 澆口長度(mm) (L1+L2) t : 成品厚度(mm) n : 膠料系數 PE,PS n=0.6 PP,POM,PC n=0

20、.7 PA,PMMA n=0.8 PVC n=0.9,2,1 2 4 6 8 10 20 40 60 100 200 400 600 1000,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.1,0.08,0.06,0.04,0.02,in,25,20,15,10,5,2.5,2,1.5,1,0.5,mm,澆口寬度(W),凹模的表面積(A) (in ),2,PVC,CA PMM NYLON,PC PP PA,PE PS,n=0.6,n=0.7,n=0.8,n=0.9,30,n A,W=,凹模的表面積(A) (mm10 ),3,2,0.8 1 2 3 4 6 8 10 20 30 60 100 20

21、0 400 700,2. 測澆口尺寸的平衡: 1) Q : 流量 P : 壓力降 D : 流道直徑 V : 流速 L : 流道長度 T : 膠料流到澆口時間 ( = ),V,L,V= = =,4,D,2,4,V D,2,3072L,4,feD P,6,3,V,L, =,D,2,5,3072L,4,feD P,6,3,T = =743D ,D,2,4,3072,L,4,feD P,6,3,2,L,4,FeD P,4,3,=743 =B L,L,4,FeD P,6,3,4,得知膠料到達澆口的時間為流道長度L的四次方關係,流道長度對 射出成形時間影響之大可知. (四) 澆口平衡值(BGV)的意義:(

22、參考) 一模多穴,料的充填很難同時完成,澆口平衡值的計算目的,即在追 求多模穴同時充填完成的目標,一般澆口較大時,較易(先)充填,計算 BVG即計算各模穴澆口的大小尺寸. 為甚麼多模穴的充填,各模穴須充填完成?理由如下: 1) 澆口越大越易充填,但冷卻凝固的時間較長,增加成形加工的成本, 因此,在不影響成品品質的條件下,澆口尺寸越小越好. 2) 多模穴充填如果充填的速度有快慢,亦即填飽的順序有先後之別, 先充填完成的模穴,很可能因澆口小先行固化(此時的模穴還在充 填,壓力尚未達最高值)後續的保壓動作對澆口已凝固的模穴,已無 保壓效果,而有嚴重凹陷縮水的情形, 3) BGV值的計算,即為達到同時

23、充填的目的,止成品的凹縮水.,BGV值的計算: BGV=,SG,LR LG,每一澆口的BGV值與模穴的重量成正比,W1 W2,=,SG2,LR2 LG2,SG1,LR1 LG1,= ,SG2 SG1,LR2 LG1,LR2 LG2,LG:澆口長度 (mm) SG:澆口斷面積 (mm ) LR:澆道長度 (mm),2,W1:模穴1的重量(g) W2:模穴2的重量(g),疊形澆口:,h. 澆口深度 (mm) w. 澆口寬度 (mm) t. 成品厚度 (mm) A. 成品表面積 (mm ) h=nT n=0.6 PS PE ABS w=nA/30 n=0.7 POM PC PP n=0.8 PA P

24、MMA n=0.9 PVC,(a),(b),(c),(d),w,h,L2,L1,t,材料,澆道直徑,制品質量,3oz以下 12oz以下大形,d D d D d D,PS 2.5 4 3 6 4 8 PE 2.5 4 3 6 4 8 ABS 2.5 5 4 7 5 8 PC 3 5 4 7 5 8,直接澆口:, d, D,耳式澆口:,t,z,Y,D,x,t : 成品平均厚度 (mm) D: 流道直徑(mm) Y: 澆口寬度(mm) Z: 澆口長度(mm) X: 澆口深度(mm) Y=D X=0.9t Z=1.5D,針點澆口:,針點澆口尺寸,成形品重量 50150 1540 615 36,每分鐘成

25、形數 23 45 67 810,d 1.52.5 1.21.6 11.2 0.81,R 5.5 4.5 4 3.5,a 0.8 0.7 0.6 0.5,4.14 模具溫度控制 1.模具吸收的熱量:,流體在管中流動,通往管壁有熱傳達的情況,在化學工程的領域做 過各種研究. 我們來看看這些研究是不是能夠適用於成形模具的溫度調節上.流 體在管的時候,由於流體以層狀流動或亂流(混流)流動的情況,其適 用公式不同,所以必須明確區分開來. 讀者可以先不管公式,跳過去繼續看下去也沒關係. 在共同的條件下,下表做為模式.,射出材料溫度 220 成形周期 30秒 取出平均 80 樹脂的平均比熱0.33 Kcal

26、/kg 模具溫度 60 1次射出操作重量 60g,模式成形條件,材料為非結晶性,假設保持長程中的熱平衡狀態 假設流道也包含在內 此樹脂在220 冷卻到80 時,被具取走的熱量Q計算看看.在這里 和模具的重量無關. Q= 比熱溫度差【 】= t = 0.06 0.33 (200-80) =332.6kcal/hr,重量 時間,Kg hr,Kcal kg,W hr,Cp,3600 30,結晶性樹脂的時候,還要加上結晶潛熱,這個公式必須變成下列所示,以 80取出時,由於結晶化程度的全部都還未進行,所以計算上要注意.結 晶潛熱的一部分傳給模具的熱量從熱澆道 (hot runner)傳給模具的熱量從噴嘴

27、 (nozzle)傳給模具的熱量傳到 空中,機械的熱量公式 將變成: Q= 【Cpt+Ho】+H1+H2-H3,w h,Ho kcal/kg H1 kcal/kg H2 kcal/kg H3 kcal/kg,從噴嘴口(nozzle touch)傳來的熱將造成噴嘴的重要溫度亂掉,對於 模具也是沒有用處的熱,所以應避免沒有必要的接触,模具鋼材的反復 耐壓強度和圓筒缸的前進力而來的接触面積加以計算,也應能夠理解 越狹窄樹脂越不會漏.,2.亂流的場合: 流體通往冷卻孔,其流體的流速密度,粘度與孔徑之間,下列的公式成立 這個雷諾數(Re)今後將發揮主要功能. Re=,D v p u,(1),Re:雷諾數

28、【1】表示流動混合程度的數字 d: 孔的直徑【cm】或【m】 v: 流速【cm/sec】或【m/hr】 p: 流體的密度【g/cm 】或【kg/m 】 u: 流體的粘度【g/cmsec】或【kg/mhr】 此時,讓我們來考量通往冷卻孔的水量和溫度.,Re(雷諾數)在210010000之間是亂流和層流的分界點,首先考量亂流. 流體流過管中時,因為粘性粘住管壁使流動困難的一層薄膜會形成. 亂流地時候,管子中央部和壁面部的液體容易混雜在一起,而層流的場 合,不容易混雜在一起,所以會形成一層不易流動的薄膜,這個薄膜將大 大防礙熱的傳導.模具的場合,這种液體薄膜將形成熱傳導的大障礙. 這种情形的計算,判

29、斷依據就是用Re.對於空氣,水,油等流體,當: 10 Re1210 0.7Pr120 L/D60 的時候,下列公式成立: ( )=0.025( ) ( ),4,4,(2),hd,d v p 0.8 Cp u 0.4,h : 界膜傳熱系數 kcal/hr Cp:體的平均定壓比熱 kcal/kg d : 管的內徑 m v : 流體的平均速度 m/hr p : 流體的平均密度 kg/m u : 流體的平均粘度 kg/m hr : 流體的熱傳導率 kcal/hr,3,Cp u,: 普蘭德爾數 表示流體的熱性質,hd,: 努雪魯德數,(2),hd,d v p 0.8 Cp u 0.4,( )=0.025

30、( ) ( ),( )內每一項都沒有單位,因此0.8次方,單位也不會混亂,如果是水的 場合可以簡略成下列帶有單位的式子.在實用上較方面.但只限用在亂 流合. h=(3210+43t)Us /(d) -(3) t : 不的平均溫度 : Us : 不的流速 : m/sec d : 管的內徑 : cm 以上式計算之.h直接以kcal/Hr求算 (以上單位請不要弄錯),0.8 0.2,3. 冷卻孔的設計步驟: 根據樹脂有多少熱量進入成形模具中及在幾度冷卻下,來可以計算 出進入模具的熱量Q. Q=W. S. CR.t-(4) W : 射出重量 kg/次 S : 每小時射出次數 次/hr CR:樹脂比熱

31、kcal/kg. T:射出溫度與平均取出溫度的差 Q :模具吸收的熱量 kcal/hr 此熱量Q和進入冷卻水的熱量Q,相等即可 Q1=V.C.p(T出-T入) -(5) V : 水量 m3/hr C : 水的比熱 kcal/kg. p : 水的比容量 kg/ T出-T入 : 水的入口與出口的溫度差,由水帶走的熱量Q2為 Q2= .d . l . h.(T模-T水平均)- (6) d : 冷卻孔徑 m i :冷卻孔長V m h : 界膜系數 kcal/ T膜-T水平均 : 模溫與水平均溫度的差 由於Q=Q1=Q2 請記住T水平均=1/2(T入-T出) 由式(5)及(6)可得 t = Q/ d l

32、 h+Q/2V p C t = T模-T入 再加以整理 i=,2Q.V. p.C d H(2tVpC-Q),1) 想定條件后,Q由式(24)導出 2) 假定t為2左右,此時 p . C在假定管徑下可求得. 3) 水量V,經預定的設備的能力來看,也考慮壓力下降,或以相似模具,測 得水量決定之. 4) 計算Re,使之為104以上用以決定流速或改變管徑d. 5) h由式(1) (2) (3)等計算之注意不要誤用. 6) 冷卻總長i由式(6)求得. 7) 以模具大小(寬度,高度)將1分成數等分. 8) 構造上在不得已的狀況下,t-大,l就變小.不過為為了調溫如果有吐出 能力,以Re為基準,將d減半,則v變為四倍,Re增為2,則h也變化可縮短1.,9) 為了考慮水垢因素將計算值提高為2倍的能力,只要嗇管長,內面積 即可.h既使增大,只要水溫接近模溫並不會有問題. 成形工作人真應該在模具設計之前,決定預測成形周程,收縮率和模 具溫度,並通知設計人員,.另外,所使用模具調溫器等的媒體,出入口 溫度差的度,流量能和,壓力等等也是必要資料. 模具設計人員,制作人員將冷卻回路的藍圖,接讀方法及其設計計算 的基楚交給成形人員是最理想.,4. 部分冷卻: 如圖所示肉厚的成形品,針對肉厚部進行冷卻調溫,有一種方法可以應 用同一水,源將這一部分快速取熱.,T,2T,成形品,0.