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1、注塑模具设计,徐昌煜Charles Hsu先进成型技术学会 创会理事,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 Design,徐 昌 煜Charles Hsu,浇注系统设计的优先顺序Prio
2、rities 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 added,one weld line,at least,one gate mark,more air t
3、raps 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,each gate shall be located at where the melt is able to cov
4、er maximum part area based on the largest melt flow length/thickness ratio.,浇口数目The Number of Gates,Gate位置不同，需注意L/t變化（以10型wide導光板為例）,即使同尺寸及肉厚，gate的位置若不同，L/t 則會大大不同！,Courtesy:JSW,2009.7.10.JSW澤田靖彥於清雲科技大學,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 Mat
5、erial:PC-GF50,原设计 Original,改善设计 Revised,改善浇口位置以重新定位熔接痕Weld Lines Can Be RelocatedBy 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 P
6、late/Film Gate,IBM笔记本电脑键盘盖,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 th
7、e part or/and the location of the gates,etc.,in order to eliminate weld lines.改善排气 Improve venting增加相遇前沿的会合角 Increase the meeting angle of the meeting melt fronts增加前沿会合区面积 Increase the area of the region where melt fronts meet加熔接冷料井 Add weld slug well提高模温 Increase mold temperature提高熔胶温度 Increase mel
8、t temperature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,气穴Air Traps,透明管帽上的气穴Air 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
9、 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(filling 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
10、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
11、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 Technolo
12、gy(KITECH),30”LCD TV Rear Housing,Case(5 Gates),Case(5 Gates),Hot Runner,Case(3 Gates),Case(3 Gates),Weld Lines,Comparison between 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Bala
13、nce 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 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
14、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%,44.1%,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,PA
15、6-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(hesitation 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
16、远处。,浇口设计(避免缩痕和缩孔)Gate Design to AvoidSink Mark&Void,百叶窗零件,PC,浙江省瑞安市,缩孔,2004.3.7.,max.thick.:6,gate:1t,缩孔Void,百叶窗零件,PC,浙江省瑞安市,缩孔,2004.3.7.,max.thick.:6,缩孔Void,浇口要置于厚壁处。,喷流痕 Jetting Mark,Jetting starting at the gate,spreading over the entire molded part,使用冲击型浇口以避免喷流Avoid Jetting by UsingImpingement Ga
17、te,差的Poor,好的Good,使用冲击型浇口以避免喷流Avoid Jetting by UsingImpingement Gate,使用凸片浇口以避免喷流Avoid Jetting byUsing Tab Gate,使用适当的浇口形状以避免喷流Avoid Jetting byProfiling Gate Properly,帮浦零件(part,pump)塑料(polymer):聚甲醛 POM(n=0.7)浇口厚度(gate thickness)：1.2mm型腔厚(cavity thickness)：3.2mm问题(problem)：喷流(jetting),矩形边缘浇口设计Rectangula
18、r Edge Gate Design,L=0.5 0.75 mm,h=浇口厚度 gate thickness(mm)t=产品壁厚 wall thickness(mm)W=浇口宽度 gate width(mm)A=型腔表面积 surface area of cavity(mm2)n=材料常数 material constant 0.5 for TPU 0.6 for PE,PS 0.7 for POM(聚缩醛),PP 0.75 for ABS,SAN,SBC(K-RESIN)0.8 for CA(醋酸纤维素),PA,PBT,PC,PMMA 0.9 for PPO,PVC,+GF,h=n t,W,
19、t,L,h,当W2h,W取2h When W 2h,use W=2h.,电视机后壳支架孔盖,ABS,广东省,喷流痕,2005.8.19.,电视机后壳支架孔盖上的喷流痕,电视机后壳支架孔盖,ABS,广东省,喷流痕,2005.8.19.,电视机后壳支架孔盖上的喷流痕,浇口厚度应大于(2.65 x 0.75=)2 mm,1.13t x 5w浇口加在2.65t厚壁上。,扇形浇口设计Fan Gate Design,当d nt,d取nt When d nt,use d=ntd:浇口直径 gate diameter(mm)t:产品壁厚 wall thickness(mm)(适用壁厚 applied to t
20、hickness of:0.752.5 mm)C:t的函数,见下表a function of t,see the table belowA:型腔表面积 surface area of cavity(mm2)n:材料常数 material constant 0.5 for TPU 0.6 for PE,PS 0.7 for POM,PP 0.75 for ABS,SAN,SBC(K-RESIN)0.8 for CA,PA,PBT,PC,PMMA 0.9 for PPO,PVC,+GF,d,t,针点浇口设计Pin Gate Design,L=0.5 0.75 mm,浇口井Dimple,潜伏式浇口设
21、计Subgate Design,h=浇口厚度 gate thickness(mm)=ntW=t=产品壁厚 wall thickness(mm)W=浇口宽度 gate width(mm)A=型腔表面积 surface area of cavity(mm2)n=材料常数 material constant 0.5 for TPU 0.6 for PE,PS 0.7 for POM,PP 0.75 for ABS,SAN,SBC(K-RESIN)0.8 for CA,PA,PBT,PC,PMMA 0.9 for PPO,PVC,+GF,当W2h,W取2h When W 2h,use W=2h.,开关
22、装饰框,ABS,要电镀,浙江省温州市,冷料痕,2008.5.27.,开关装饰框,ABS,要电镀,浙江省温州市,冷料痕,2008.5.27.,流道设计Runner Design,徐 昌 煜Charles Hsu,水力直径 Hydraulic Diameter,Where DH is the hydraulic diameter水力直径 A is the cross-sectional area of the flow 流路断面积 P is the wetted perimeter湿周长,流道尺寸设计(1)Runner Sizing(1),D:流道直径(mm)runner diameter in
23、mmW:下游塑料重量(g)downstream plastic weightL:流道长度(mm)runner length in mm,Note:The above-mentioned empirical formula is suggested as a guide to the size of the runner or branch runner for mouldings weighting up to 200 g,and with wall sections less than 3 mm.For the rigid PVCs and the acrylics,increase the
24、 calculated diameter by 25%.,流道尺寸设计(2)Runner Sizing(2),流道尺寸设计(3)Runner Sizing(3),2mm(part thickness)x 1.5(2.25 if amorphous)=3.00mm 2.38mm,所以D1取3.00mm,钨钢球刀(mm)(2刃),可选半径是1.5 mm的钨钢球刀。,流道尺寸设计(4)Runner Sizing(4),球刀选择,算出的D2是4.33mm，可供选择的钨钢球刀(2刃)半径有2mm和2.5mm，其直径分别为4mm和5mm。可选半径是2.5mm的钨钢球刀。,钨钢球刀(mm)(2刃),可选半径
25、是2.5mm的钨钢球刀。,W(g),D(mm),PS,ABS,SAN,CAB,CAB：Cellulose acetate butyrate,W:重量 weightS:产品厚度 thicknessD:参考直径 reference diameter,W(g),D(mm),W:重量 weightS:产品厚度 thicknessD:参考直径 reference diameter,PE,PP,PA,PC,POM,L:流道长度 length of runnerfL:修正系数 correction factorD:参考直径 reference diameterD：流道直径 diameter of runne
26、r D=D x fL,“How to Make Injection Molds”,Menges/Mohren,6,5,3,0.5t浇口加在0.8t产品上,电源键,阻燃PC/ABS,XK公司,江苏省常州市,2009.2.10.,产品重量2x0.1g,料柄重1g,射料量1.2g,射胶量15g,注射时间4秒,冷却时间8秒,周期时间20秒,注射机20吨,新加,若使用半热半冷流道(单一热嘴通往二浇口之间冷流道段的中点,该流道段直径可为0.8x2.25=1.8,热嘴出口的冷料井以2计)，最大冷流道直径从6降至2，理论上冷却时间可减少：1-(22/62)=89%周期时间可减少：89%x 0.8=71%用料可
27、以减少将近：1/1.2=83%,冷料井设计Cold Slug Well Design,冷料井设计Cold Slug Well Design,Dave:主流道平均直径(mm)Average diameter of sprue in mmW:下游塑料重量(g)Downstream plastic weight in gL:主流道长度(mm)Sprue length in mm,愈短愈好 the shorter the better,主流道衬套尺寸Sprue Bushing Sizing,喷嘴球头和主流道衬套承窝半径Radius of Nozzle Head and of Sprue Bush So
28、cket,排气系统设计Venting System Design,徐 昌 煜Charles Hsu,深度(depth):1.0.075 mm易流塑料(easy-flow mat.)2.0.125 mm难流塑料(stiffer-flow mat.)3.深度深到流道末端见飞边为准(deep enough to feel flash at runner end)宽度(width):和流道同宽(as wide as runner dia.)排气唇部(vent lip):1.5mm A1抛光(finish)(SPI Finish Designations：A-1Grade#3 Diamond Buff)
29、排气沟通大气(vent channel to atmosphere):1mm深(deep),流道排气Runner Vent,流道排气Runner Vent,深度(depth):参照厂商建议(refer to manufacturers recommendation)宽度(width):5mm/25mm or全周长(whole perimeter)长度(length):1 mm or 1.5 mm A1抛光(finish)(SPI Finish Designations：A-1Grade#3 Diamond Buff)排气沟通大气(vent channel to atmosphere):1mm深
30、(deep),分型面排气Parting Line Vent,Injection Vent,DVD机面框 DVD Player Front Cabinet,W.L.,DVD机面框 DVD Player Front Cabinet,DVD机前框,ABS,浙江省宁波市,熔接痕、变形,2001.6.23.,熔接痕,DVD机面框 DVD Player Front Cabinet,DVD机前框,ABS,浙江省宁波市,熔接痕,变形,2001.6.23.,DVD机面框 DVD Player Front Cabinet,等离子电视机前框的 熔接痕、流痕、黄化,产品：等离子电视机前框材料：PC模具：半热半冷流道系
31、统简述：为了淡化熔接痕与流痕(flow mark)，日本顾问采取高模温对策，然则无效。问题：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.,等离子电视机前框的 熔接痕、流痕、黄化,进胶处产品为4.0t,浇口2.5t太薄,应改为3.2t 3.5t,另外浇口太长,应改为0.75mm。,Product:42”TV Bezel(weight:1,700 g);Machine(Mitsubishi):1,300 Ton;Shot Weight(PS)6240 g(1,700/6,240=27.2%)(Shot to Cy
32、linder 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，
33、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0.08mm,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,Perimet
34、er 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.,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
35、 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(whole 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,
36、顶出销或型芯销排气EjectororCore 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。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
