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1、模具设计思考流程模具是赋予成品固定的几何形状用以重复大量生产成品的工具。 除了产品外形、肉厚设计还需要考虑浇口位置流道排列冷却管路配置滑块、顶针、机构等。 模具设计思考流程模具设计准则传统上在模具设计首先考虑的是机构因素安排分模面、轴向位置、滑块顶针、浇口位置、流道排列等最后才想到塑料应如何充填。但通常模具设计者本身并不具备成型的概念不了解究竟多少压力差才能填满整组模穴为了确保成型性一般均采取较谨慎保守的方式-加大流道面积加多浇口数目等当有了成型问题塑料跑不到的地方再多开一个浇口.这个现象今天在台湾依然普遍。要得到良好成品,需要了解模具内部的流动行为: 塑料在高温下熔融成液态射出机台赋予一股压
2、力热熔体会因压力差由高压往低压方向流动。模壁两侧速度较中央为慢是因受到反方向的摩擦力所致。 事实上在射出充填阶段仍然可以细分成两部份: 1. 流动:塑料由喷嘴流出经主浇道至流道、浇口而注入模穴由流动起始至刚充满模穴的瞬间视为流动阶段。 2. 保压:当完全填满整个模穴后由于塑料熔体具有可压缩性来自于射座螺杆的压力持续增加时此压力升高可以多填入额外约15%的物料。之后由于冷却造成体积收缩保压后段更随时填入新塑料以补偿收缩减少的体积正常情况下可填入约25%的额外体积这约等于熔融热塑料与冷固态塑料的体积变化。模具设计正确观念传统进行一项塑料制品生产前造形设计人员首先描绘出抽象的外形以手工捏制出黏土模型
3、决定了尺寸后再交由模具设计人员进行成品图与模具图绘制完成后再去加工模具。 接下来也许三个月后试模试模结果经常是发现成型问题需要反复修模修的不好还需补模等试好一个产品时有时模具已是千疮百孔而中间过程所浪费的人力与时间更是难以估计！而我们的希望是一次试模就能够得到良好的产品。为什么需要试模? -因为没有人能准确预测塑料在模具内部的成型情况而这一部份因素却决定了产品质量。当得到的产品不是原先所预期而有缺陷时只能加以修改以求得较好的产品。 我们能控制的是射出机台上的操作参数如温度、射速、压力、时间等当完成射出程序后得到的成品我们期望是个良好的产品表面美观没有成型缺陷尺寸安定没有凹陷变形等。但在模具内部
4、看不到的黑盒子内到底发生了什么?中间过程这一部份是我们不了解的为什么有的产品质量良好有的却不良率很高呢?为达到最佳设计设计人员应该先了解模具内部的成型情形在模具设计前就先把相关因素考虑进来才能获致良好成品而CAE正是解读模具内部成型所有信息的有效工具。 冷却分析流动分析可以帮助我们了解塑料在模穴内部的成型情况用以找出适当成型条件及生产良好产品冷却分析则在于设计有效冷却管路与控制冷却条件缩短成型周期。对大部份产品冷却时间约占了七成若能缩减这一部份时间损耗对生产力来说是大幅提升。进行有效冷却设计之前应该先了解相关观念: 模具可以视为一个热交换系统热量来源是熔融热塑料所带进来的热量再以几种方式散失而
5、让成品冷却固化。冷却机构主要为: 1. 金属模板热传导。 2. 对流及非常小部份的辐射散到大气中。冷却水在管路中的流动形态可以分为层流与乱流乱流才能有效带走热量因此冷却液流率需控制在乱流范围内。下图是层流与乱流时管内液体与金属模壁间的温度梯度由左图可以了解层流时模壁温度较高是效率差的设计方式。 冷却速率快慢则影响到内部的分子配向性与结晶性。均匀的冷却能产生均匀的收缩是最理想的设计方式。但由于几何上的非对称产品内外容易形成不同热集中区该区是最慢才冷却的也因此造成了收缩较大成品翘曲。 每一条冷却水路所涵盖的有效区域则应加以考虑例如下图左对同一个平面两个大管径产生的效果并不会比图右开五个小管来得均匀
6、。 同样的相同管径但也要考虑热量集中程度而需有位置上的调整下图T型对象两面相交处是热集中点因此肋部背后是较多热量的位置此处水路应靠近些而内部两个角落处则适合加开两个小管才能有效达到均匀冷却。 水流的安排则有串联与并联两种基本型式。但因为并联方式管中流量被分散效率会降低一般均采用串联式。 对某些长深区域水管能加工区域有限则采用导管或挡板方式(bubbler & buffle)增加接触面积以提高冷却效率。 最新的冷却模块则更考虑了详细的各部机构例如分模面镶入件(insert)模座大小等。 应用冷却分析前一些基本的物理名词应当先行了解: 热量:使一公克的水升高温度1所需的热量为1卡(Cal)。 使一
7、公斤的水升高摄氏1所需的热量为1千卡(Kcal)。 比热(specific heat):水的热值设定为1 Cal/g则其它物质的热值相对于水的比值称为比热这数字显示了该物质一克升高摄氏1所需要的能量。 热容量Cp (heat capacity)Cal/cm3=比重g/cm3 x比热Cal/g这数字表示物质1单位体积升高温度1时所包容的能量。相同体积下热容量高的物质升高相同温度差时所吸收的能量较高。当考虑不同材质如钢材塑料冷却液等因其比重比热各不相同热容量各异表现出来的温度便有差异。 要完整考虑各成份间的热传情况除了热容量(吸收能量多少)外还需考虑热量传递速度(热传导度)才能计算出最佳的冷却设计
8、及控制参数。 热传导度(Thermo-Conductivity): W/M/表示材质传导热量快慢的能力。热传导度大的物质吸热快散热也快。 真正决定全组模具不同材质间的热传特性需包括了两方面一是热容量一是热传系数在此又另外定义一个参数表示二者的关系: 热扩散度(heat diffusivity)= 热传导度/热容量 (=/Cp) 。 热扩散度大的物质表示热传导度大(散热快)且热容量小(吸热少)便能有效散热。举例来说水与塑料、模具钢材的热物性分别是:材质比重 g/cm3比热 Cal/g热容量Cp Cal/cm3热传系数 Kcal/M.Hr.热扩散度M2/Hr塑料0.950.470.4470.120
9、.0003铁7.90.110.87450.0517热扩散度的比值铁与塑料约为0.517/0.0003=172相差172倍。 翘曲分析翘曲主要是因为收缩不均所造成的收缩均匀的成品只是尺寸变小若不均则成品产生扭曲。在一个成品收缩性的变化可能有几种型式: 1. 区域性(region to region):平面位置不同。 2. 厚度层(through the thickness):厚度位置不同。 3. 方向性:平行/垂直分子方向基本影响收缩的因素则有1. 自由体积收缩: 此为P-V-T实验量测得到的数据。 2. 结晶性:材料在结晶过程产生相变化结晶性高的物料收缩会较大。 3. 模具限制:模壁若阻隔了塑
10、料自由收缩则收缩量会变小。 4. 分子配向性:在流动过程产生的方向性若不及释放则平行于分子主要配向与垂直方向会有不同收缩值。 为了控制翘曲首先要了解影响收缩率的操作参数有: 归纳翘曲的主要因素可以分成三大类: 1. 冷却性差异(differential cooling):冷却效率所影响冷面会先收缩但很快固化收缩量固定但热面缓慢收缩分子有较长时间重排收缩量会更大。 2. 区域收缩性差异(differential shrinkage):随厚度或位置而有不同随保压效率所决定。 3. 分子配向性差异(orientation):浇口位置流动方向等是主要因素。例如下例为一中央进料圆盘流动方向主要是延半径辐
11、射方向当此径向收缩大于其垂直方向时产品会发生图上马鞍状翘曲若收缩是垂直方向大于半径方向时则发生图下钟形翘曲。收缩分析 读取流动、冷却分析结果，配合材料物性，计算成品之:a. 各方向收缩率 b. 分子配向性（ORIENTATION） c. 面积收缩率 d. 体积收缩率 e. 进行单变量分析翘曲 读取收缩分析结果，限定边界条件，计算因收缩不均所造成的各方向翘曲率。详细功能再细分为线性、非线性、挫曲分析与单变量分析等。 模拟可能翘曲形状 诊断寻找，造成翘曲之原因 逻辑判断，提供解决方案 以最佳充填、保压、冷却等操件条件，减少成品翘曲变形 以肉厚变化及补强等方式，可减低翘曲变形 翘曲的型态与计算方式则
12、可以再区分为线性与非线性两种线性关系是翘曲值与收缩量成线性比例非线性关系则是因为材料产生挫曲 (Buckling)与永久变形变形量与收缩负荷呈非线性比例需另外以不同数值解法计算(大位移变形)。 以软件计算翘曲值首先需进行挫曲分析计算求得特征值(Eigenvalue)判断变形形态是线性或非线性。特征值是表示在当时收缩负荷下会发生挫曲的比例值当此特征值大于一时表示在全部(百分之百)负荷收缩范围内成品不会发生挫曲计算翘曲只需要以线性比例描述。若特征值小于一产品在收缩负荷内就会发生挫曲产生非线性变形。 挫曲分析:应先判断为线性或非线性 小位移分析:计算线性变形 大位移分析:计算非线性变形 Constrain:不同限制点选择方式则会影响表现出的翘曲形状 -
