第六章模具設(shè)計

1、第六章 模具設(shè)計6-1 流道系統(tǒng)流道系統(tǒng)(runner systems)將熔膠從豎澆道引導(dǎo)到模穴內(nèi)，要推動熔膠流過流道系統(tǒng)就需要額外的壓力。當(dāng)熔膠流經(jīng)流道系統(tǒng)時，產(chǎn)生的剪切熱（摩擦熱）使熔膠溫度升高，有助于熔膠的流動。雖然適當(dāng)?shù)牧鞯莱叽鐚τ谝粋€塑件和模具設(shè)計有許多好處，但因為其基本原理尚未廣泛深入了解，所以流道尺寸設(shè)計問題經(jīng)常被忽略。一般認(rèn)為，大尺寸流道可以使用較低壓力推進(jìn)熔膠流動，但是卻需要較長的冷卻時間，會產(chǎn)生較多的廢料，也需要較高的鎖模力。反之，適當(dāng)?shù)男〕叽缌鞯涝谑褂迷虾拖哪茉吹确矫婵梢赃_(dá)到最高效率。流道尺寸的縮減極限在于射出成形機(jī)的射出壓力規(guī)格。模流分析的流道平衡功能可以找出最佳化

2、的流道尺寸，提供良好的流道系統(tǒng)，以合理的壓力降充填平衡的流道和模穴。設(shè)計良好的流道系統(tǒng)有下列好處： 可以決定最佳的模穴數(shù)目 確定熔膠可以填飽模穴 可以達(dá)成多模穴系統(tǒng)之平衡充填 可以達(dá)成多澆口之模穴的平衡充填 可以使廢料最少化 使塑件頂出較容易 達(dá)成能源使用效率最佳化 可控制充填時間保壓時間成形周期時間6-1-1 模穴數(shù)目之決定模穴數(shù)目的多寡取決于可應(yīng)用的生產(chǎn)時間、射出機(jī)射出量的大小、所需之塑件品質(zhì)、射出機(jī)塑化能力、塑件形狀與尺寸，以及模具成本等因素。以下三組簡單的公式可以協(xié)助決定模穴數(shù)目，應(yīng)選取三組公式所獲得之最小值作為設(shè)計模穴數(shù)目。(1) 產(chǎn)品數(shù)量假如塑件尺寸公差的要求不甚嚴(yán)格，而且需要大量

3、的成品，則選擇多模穴較恰當(dāng)。模穴數(shù)目取決于供應(yīng)一定量塑件所需的時間（tm）、每批次的塑件數(shù)量（L）、生產(chǎn)一模塑件所需的時間（tc）、和淘汰因子（K），其中，K = 1/（1 - 不良率） 模穴數(shù) = L × K × tc / tm(2) 射出量能射出機(jī)的射出量能也是決定模穴數(shù)目的一個重要因素，取射出量能的80為射出重量(S)，再除以塑件重量（W），即可計算出模穴數(shù)目。模穴數(shù)目 =S / W(3) 塑化能力射出機(jī)的塑化能力是影響模穴數(shù)目的另一個重要因素。將射出機(jī)的塑化能力（P）除以每分鐘估計的射出次數(shù)(X)和塑件重量(W)，即可計算出模穴數(shù)目。模穴數(shù)目 = P / ( X &

4、#215; W)6-1-2 流道配置多模穴系統(tǒng)的基本流道配置方式如圖6-1，包括： 標(biāo)準(zhǔn)流道系統(tǒng)（standard，或魚骨形Herringbone） H形流道系統(tǒng)（H-bridge，或分枝形branching） 輻射流道系統(tǒng)（radial，或星形star）H形和幅射流道系統(tǒng)提供自然平衡，亦即從豎澆道到所有的模穴都有相同的流動距離和流道尺寸，所以各模穴都有相同的充填條件。至于魚骨形流道系統(tǒng)，雖然不是自然平衡，卻比自然平衡系統(tǒng)可以在相同的模具內(nèi)塞進(jìn)更多模穴，造成最小的流道體和最低的模具加工成本。除了采用自然平衡的流道系統(tǒng)之外，不平衡的流道系統(tǒng)也可用人工改變流道直徑與長度，或是在各個子流道加裝流量調(diào)

5、節(jié)螺絲，以調(diào)整獲得平衡的系統(tǒng)。模流分析軟件的流道平衡分析可以自動化完成流道平衡。6-1-3 豎澆道尺寸之決定豎澆道尺寸主要決定于塑件尺寸，特別是塑件的肉厚。豎澆道的設(shè)計必須能夠方便可靠地讓塑件脫模，于射出成形時，豎澆道不可以比塑件其它部分的截面更早凝固，如此才能夠有效圖6-1 基本的流道系統(tǒng)之配置圖 6-2是建議的豎澆道設(shè)計規(guī)范。不具有銳角的系統(tǒng)有助于塑料的流動，所以，應(yīng)該將豎澆道根部設(shè)計成半徑 r2的圓角。其它的設(shè)計規(guī)格如下列：Dco tmax + 1.5 (mm)Ds Dn + 1.0 (mm) 1° 2°tan() = (Dco D) / 2L圖6-2 豎澆道根部的圓

6、角可以改善熔膠的流動6-1-4 流道截面之設(shè)計常見的流道截面如圖 6-3，包括： 圓形流道 梯形流道 改良梯形流道（圓形與梯形之組合） 半圓形流道 長方形流道通常建議采用前三種流道截面設(shè)計。就最大的體積與表面積比值而言，圓形流道最佳，也具有最小的壓力降和熱損失，然而，卻必須在兩側(cè)模板都進(jìn)行加工，模具加工成本通常較高昂，而且合模時兩側(cè)的半圓也必須對齊。相對地，梯形流道只在母模側(cè)加工，其效能也很好，梯形流道通常應(yīng)用于三板模，因為三板模如果采用圓形流道時，可能無法順利脫模，而且模具可能在分模線造成圓形流道與模板滑動件之間的干涉。圖6-3 常用的流道截面形狀對于不同形狀的流道，可以使用做為流動阻力指標(biāo)

7、的水力直徑(hydraulic diameter)進(jìn)行比較。水力直徑愈大，流動阻力愈低。水力直徑定義為：其中，Dh = 水力直徑A = 截面面積P = 周長圖 6-3比較各種流道形狀之等效水力直徑，這些系數(shù)正好是C-mold軟件之形狀因子(shape factor)的倒數(shù)。圖6-3 各種流道形狀的等效水力直徑6-1-5 流道尺寸之決定流道的直徑和長度會影響流動阻力。流動阻力愈大的流道，充填就會造成愈大的壓力降。加大流道直徑可以降低流動阻力，但是會耗用較多的樹脂材料，也需要更長的冷卻時間，才能頂出塑件。設(shè)計流道直徑最初可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或是下列方程式進(jìn)行，然后應(yīng)用模流分析軟件微調(diào)流道直徑，最佳化熔

8、膠傳送系統(tǒng)。最初估算的流道直徑為：其中，D = 流道直徑 (mm)；W = 塑件重量 (g)； L =流道長度 (mm)。范例說明：圖 6-4和圖 6-5所提供實驗數(shù)據(jù)可以用來計算流道尺寸，例如，一個 300公克重的 ABS 塑件，其厚度為 3 mm，流道長度為 200 mm，則流道直徑該是多少？1. 根據(jù)圖 6-4，在 300公克重之水平線和 3mm厚直線之交點處畫一垂直線，與橫軸交于 5.8 mm處，即為參考直徑D。2. 使用圖 6-5，在流道長度 200 mm處畫水平線與曲線得到交點，再畫垂直線與橫軸交于 1.29，即為長度系數(shù) fL 。3. 將5.8 mm 乘上1.29，獲得之流道直徑

9、為7.5 mm 。 圖 6-4 材料的流道直徑圖，其中，G=塑件重量(g); S=塑件厚度（mm）; D=參考直徑(mm)圖 6-5 流道長度與長度系數(shù)對于流動直徑的影響一般無法填充料之塑料的典型流道尺寸列于表 6-。表6-1 無填充料之塑料的典型流道尺寸材料直徑材料直徑mminchmminchABS, SAN5.0-10.03/16-3/8Polycarbonate聚碳酸脂(PC)5.0-10.03/16-3/8Acetal聚縮醛樹脂3.0-10.01/8-3/8Thermoplastic polyester熱塑性聚脂樹脂3.0-8.01/8-5/16Acetate5.0-110.3/16-

10、7/19Thermoplastic polyester (reinforced)補(bǔ)強(qiáng)熱塑性聚脂樹脂5.0-10.03/16-3/8Acrylic 壓克力8.0-10.05/16-3/8Polyethylene聚乙烯2.0-10.01/16-3/8Butyrate5.0-10.03/16-3/8Polyamide聚丙烯酸脂5.0-10.03/16-3/8Fluorocarbon聚氟碳樹脂5.0-10.03/16-3/8Polyphenylene oxide6.0-10.01/4-3/8Impact acrylic耐沖擊壓克力8.0-10.05/16-1/2Polyphenylene聚丙烯5.0-

11、10.03/16-3/8Ionomers2.0-10.03/32-3/8Polystyrene聚苯乙烯3.0-10.01/8-3/8Nylon 耐隆2.0-10.01/16-3/8Polysulfone聚氟乙烯6.0-10.01/4-3/8Phenylene6.0-10.01/4-3/8Polyvinyl (plasticized)聚氯乙烯3.0-10.01/8-3/8Phenylene sulfide6.0-10.01/4-1/2PVC Rigid硬質(zhì)聚氯乙烯6.0-16.01/4-5/8Polyallomer異聚合物5.0-10.03/16-3/8Polyurethane聚尿素樹脂6.0-

12、8.01/4-5/166-1-6 熱流道系統(tǒng)理想的射出成形系統(tǒng)可以生產(chǎn)密度均勻的塑件，而且不需要流道，不產(chǎn)生毛邊和澆口廢料。使用熱流道系統(tǒng)(hot runner systems)可以達(dá)成此一目標(biāo)。熱流道內(nèi)尚未射進(jìn)模穴的塑料會維持在熔融狀態(tài)，等充填下一個塑件時再進(jìn)入模穴，所以不會變成澆口廢料。熱流道系統(tǒng)也稱作熱歧管系統(tǒng)(hot manifold systems)或無流道成形(runnerless molding)。常用的熱流道系統(tǒng)包括：絕熱式和加熱式兩種。使用絕熱式流道(insulated runners) 的模具，其模板有足夠大的通道，于射出成形時，接近流道壁面塑料的絕熱效果加上每次射出熔膠之

13、加熱量，就足以維持熔膠流路的通暢，如圖6-6(a)所示。加熱式流道(heated runners)系統(tǒng)有內(nèi)部加熱與外部加熱兩種設(shè)計。內(nèi)部加熱式如圖6-6(b)，由內(nèi)部的熱探針或魚雷管加熱，提供了環(huán)形的流動通道。藉由熔膠的隔熱作用可以減少熱量散失到模具。外部加熱式提供了內(nèi)部的流動通道，并由隔熱組件與模具隔離以降低熱損失，如圖6-6(c)。表5-2列出三種熱流道的優(yōu)缺點。表6-2 各種流道系統(tǒng)之優(yōu)缺點熱流道種類優(yōu) 點缺 點絕熱式設(shè)計較簡單成本較低 會在澆口處產(chǎn)生不必要的凝固層 。 必須以短周期時間維持熔融狀態(tài)。 需要較長的起動時間以到達(dá)穩(wěn)定的熔膠溫度。 有充填不均之問題。內(nèi)部加熱式改善熱分布情形

14、成本較高，設(shè)計較復(fù)雜 。 應(yīng)注意流動平衡和復(fù)雜的溫度控制。 應(yīng)考慮模具的不同組件之間的熱膨脹。外部加熱式改善熱分布情形溫度控制較佳 成本較高，設(shè)計較復(fù)雜。 應(yīng)考慮不同的模具組件之間的熱膨脹。圖6-6 熱流道系統(tǒng)之種類：(a)絕熱式、(b)內(nèi)部加熱式、和(c)外部加熱式。6-2 流道平衡如果可能的話，應(yīng)使用自然平衡流道系統(tǒng)來平衡進(jìn)入模穴的熔膠流動。讓熔膠平衡地流入模穴是高質(zhì)量塑件之先決條件，藉由改變流道的尺寸與長度可以達(dá)成自然平衡的流道系統(tǒng)。假如無法達(dá)成自然平衡之流道系統(tǒng)，可以改用人工平衡流道系統(tǒng)，經(jīng)由改變澆口尺寸獲得相似的平衡充填，但是會顯著地影響澆口的冷凝時間，進(jìn)一步影響塑件的均質(zhì)。應(yīng)用模流

15、分析軟件的流道平衡工具，可以使人工平衡流道系統(tǒng)變得更節(jié)省時間和成本，并且獲得平衡充填的塑件，參閱圖6-7。圖6-7 人工平衡流道系統(tǒng)之成形塑件要平衡流道系統(tǒng)，促成熔膠流向距離豎澆道最遙遠(yuǎn)的模穴，可以縮減充填其它模穴的流道口徑。但必須注意到，太小的流道口徑可能使流道內(nèi)的熔膠提前凝固，造成短射；另一方面，小口徑流道會增加剪切熱，使熔膠黏滯性降低，造成更快速的充填。此外，應(yīng)該牢記非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的流道口徑會增加模具的制作成本與維修成本。人工平衡流道系統(tǒng)有可能因為塑料差異就射出不同質(zhì)量的塑件，所以需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乜刂瞥尚螚l件。只要成形件稍有變化，充填模式就可能改變，造成不平衡的充填。在流道設(shè)計的最終階段，模流分

16、析軟件可以協(xié)助確認(rèn)流動速率對于流道系統(tǒng)設(shè)計的敏感度，并且決定適當(dāng)?shù)某尚螚l件。例如，使用魚骨形流道系統(tǒng)時，不同的進(jìn)澆速率會造成不同充填模式。一般而言，低進(jìn)澆速率將先充飽遠(yuǎn)離豎澆道的模穴；高進(jìn)澆速率則先充飽靠近豎澆道的模穴。原因在于低進(jìn)澆速率的熔膠流動到第一個澆口時，會因流動阻力而流向流道的其它部分，等到流道系統(tǒng)內(nèi)充滿熔膠之后，上游的第一個澆口因部分熔膠凝固而產(chǎn)生較大的流動阻力，于是，下游的模穴較先充飽，如圖6-8所示。圖6-8 使用不同射出速度之不平衡流道系統(tǒng)的流動模式6-2-1 流道設(shè)計規(guī)則流道設(shè)計對于塑件質(zhì)量與產(chǎn)能有絕對的影響，本節(jié)之流道設(shè)計規(guī)則提供了流道設(shè)計的基本規(guī)范。(1) 在流道尺寸方

17、面，流道截面面積不應(yīng)該小于豎澆道截面面積，以便熔膠可以快速流到澆口區(qū)域。但是必須注意不要使用太大口徑的流道，才能夠降低廢料量。選擇冷流道口徑應(yīng)考慮能夠使用標(biāo)準(zhǔn)刀具加工者優(yōu)先。對于大部分的塑料，建議流道最小直徑為 1.5 mm（0.06英吋）。未加填充材料的塑料之典型流道尺寸可以參考表 6-。梯形流道的高度與寬度大約相等，而且每邊各有 5°15°的斜角。(2) 每當(dāng)流道有分支，其分支流道的直徑應(yīng)該要小于主流道的直徑，因為只有較少量的熔膠會流進(jìn)分支。而且，從經(jīng)濟(jì)觀點而言，應(yīng)減少流道內(nèi)的的熔膠量，以減少廢料。當(dāng)主流分流到個分支流道時，主流道直徑(dmain)和分支流道直徑(dbr

18、anch)的關(guān)系為：dmain dbranch×(3) 考慮熔膠溫度，一般而言，小尺寸流道比大尺寸流道為佳，其可以產(chǎn)生較大量的黏滯熱，有效地提升熔膠溫度，而不必采用高溫料管。不當(dāng)?shù)貞?yīng)用高溫料管可能會導(dǎo)致塑料裂解。然而，小尺寸流道系統(tǒng)有可能提前凝固，造成短射。(4) 所有的流道必須在交接處設(shè)計一冷料井(cold slug well)，幫助熔膠流進(jìn)流道系統(tǒng)和模穴。圖6-9顯示冷料井的長度通常等于流道直徑。流道與另一分支流道相交處，通常在流道延伸處設(shè)置冷料井。圖6-9 冷料井(5) 流道的設(shè)計必須顧及頂出和脫模的方便性，提供適當(dāng)?shù)钠拭婧兔撃Ｐ苯?。對于大部份的塑料而言，必須將流道表面拋光，?/p>

19、方便熔膠流動和頂出塑件。加長的流道系統(tǒng)應(yīng)該采用多豎澆道拉桿(multiple sprue pullers)和多重頂出位置。(6) 設(shè)計熱澆道系統(tǒng)時，應(yīng)咨詢塑料供貨商，以確定正確的歧管尺寸和進(jìn)澆量。6-3 澆口設(shè)計澆口是熔膠流進(jìn)模穴處的小開口，一個塑件的澆口設(shè)計包括澆口種類、尺寸和位置。澆口設(shè)計受到塑件設(shè)計、模具設(shè)計、塑件規(guī)格（例如外觀、公差、同軸性）、成形塑料、填充材料、模板種類、和經(jīng)濟(jì)因素（模具加工成本、成形周期、允許之廢料量等）的影響。澆口設(shè)計對于塑件的質(zhì)量和產(chǎn)量的影響甚巨。除非熔膠的流動長度超過實用上的限制，而必須使用多澆口系統(tǒng)，否則最好采用單澆口。多澆口系統(tǒng)通常會產(chǎn)生縫合線和熔合線的問

20、題。單澆口系統(tǒng)可以確保材料、溫度的均勻分布和均勻的保壓，以及較佳的分子鏈配向性。雖然單澆口系統(tǒng)模具的最初加工成本較高，但是廢料少，塑件質(zhì)量佳等結(jié)果使其值回票價。圖6-10顯示澆口尺寸的名詞。和塑件及流道比較，澆口截面通常很小，所以塑件可以很容易地去除澆口而不會留下澆口痕跡。通常澆口厚度大約是塑件厚度的 2/3。由于澆口處的塑料凝固可以視為保壓階段的結(jié)束，大截面的澆口可以減少黏滯熱熱，大截面澆口容許使用較低進(jìn)澆速度進(jìn)澆，使用較高的保壓壓力進(jìn)行較長時間的保壓，以提高塑件的材料密度。假如必須考慮塑件的外觀、低殘留應(yīng)力和較佳尺寸穩(wěn)定性等因素，就應(yīng)該選用較大的澆口。圖6-10 澆口各個尺寸之名稱澆口位置

21、之選擇，應(yīng)該確保均勻快速地充填，而且將縫合線熔合線和排氣孔安排到最不影響塑件外觀或強(qiáng)度的區(qū)域。另外，熔膠流動的高壓力和高流動速度使得澆口附近產(chǎn)生極高的殘留應(yīng)力，所以應(yīng)將澆口設(shè)置在遠(yuǎn)離塑件承受外來高應(yīng)力的區(qū)域。澆口應(yīng)遠(yuǎn)離塑件之薄截面區(qū)域或肉厚突然變化區(qū)域，以避免遲滯現(xiàn)象或產(chǎn)生凹痕與空洞。6-3-1 澆口種類澆口有許多類型，根據(jù)去除澆口方式方類可以區(qū)分為人工去除式澆口(manually trimmed gates)和自動去除式澆口(automatically trimmed gates)。(A) 人工去除式澆口人工去除式澆口需要作業(yè)員二次加工切除澆口，其使用的原因包括： 澆口太大，必須移到模具外面

22、再予以剪除。 對于剪切應(yīng)力很敏感的塑料（例如PVC），應(yīng)避免采用自動去除式澆口。 來自不同方向的熔膠同時流過大的截面積，而且要求纖維的配向性時，應(yīng)避免自動去除式澆口。人工去除式澆口有下列形式：直接澆口、凸片澆口、邊緣澆口、重迭式澆口、扇形澆口、盤狀澆口、環(huán)狀澆口、輻狀澆口、和薄膜澆口。(1) 直接澆口直接澆口（direct gate）又稱為豎澆道澆口（sprue gate）如圖6-11，通常使用于單模穴模具，塑料以最小的壓力降直接從豎澆道填入模穴。此類澆口于剪除后容易在塑件表面留下澆口痕跡。直接澆口的凝固受控制于塑件肉厚，而不是澆口厚度。通常塑件在接近直接澆口區(qū)域的收縮不大，但在直接澆口處有大

23、量的收縮，結(jié)果造成澆口處的大量拉伸應(yīng)力。直接澆口入口端的直徑與射出機(jī)噴嘴直徑有關(guān)系，此澆口入口直徑必須比射出機(jī)噴嘴直徑大 mm以上。標(biāo)準(zhǔn)豎澆道襯套具有2.4° 錐度向塑件端開口，因此，直接澆口的長度控制著塑件端的澆口根部直徑，此澆口根部直徑至少要比塑件肉厚大1.5 mm以上，或者大約取塑件澆口肉厚的2倍。直接澆口錐角至少要1°，太小的錐角可能在頂出時使豎澆道無法與豎澆道襯套分離；太大的錐角則浪費(fèi)塑料，并且加長冷卻時間。非標(biāo)準(zhǔn)錐角的豎澆道加工成本較高，卻沒有什么好處。圖6-11 直接澆口(2) 凸片澆口凸片澆口（tab gate）如圖6-12，通常使用于扁平塑件或薄塑件，以減

24、小模穴內(nèi)的剪應(yīng)力。澆口周遭的高剪應(yīng)力只發(fā)生在輔助凸片，并且將于成形后剪除。凸片澆口經(jīng)常應(yīng)用于PC、壓克力、SAN和ABS等樹脂的成形。凸片的最小寬度是6.4mm，最小厚度為模穴肉厚的75%。(3) 邊緣澆口側(cè)邊澆口（edge gate）又稱為標(biāo)準(zhǔn)澆口（standard gate），如圖6-13所示，通常位于模具的分模在線，而且從塑件的側(cè)邊、上方或下方充填。典型邊緣澆口尺寸為塑件厚度的6%75%，或是0.46.4 mm，寬度為1.612.7 mm，澆口面長度不應(yīng)超過1.0 mm，最佳值為0.5 mm。 圖6-12 凸片澆口圖6-13 邊緣澆口(4) 重迭澆口重迭澆口（overlap gate）與

25、邊緣澆口類似，如圖6-14所示，但是重迭澆口與塑件側(cè)壁或表面有重迭。重迭澆口通常用來防止噴流效應(yīng)。典型重迭澆口尺寸為0.46.4 mm厚，1.612.7 mm寬。(5) 扇口澆口扇形澆口（fan gate）如圖6-15，是厚度逐漸改變的寬邊澆口，具有大充填面積，可以讓熔膠迅速地充填大型塑件。大型塑件非常在乎翹曲問題和尺寸的穩(wěn)定性，使用扇形澆口可以讓大型塑件的熔膠波前均勻地充填模穴。扇形澆口的寬度和厚度具有錐度，并且要維持固定的熔膠波前面積，以確保固定的熔膠速度，讓熔膠在整個澆口的寬邊以相同壓力進(jìn)行充填。如同其它的人工去除式澆口，扇形澆口的最大厚度不超過塑件的肉厚的75。典型的扇形澆口厚度為0.

26、251.6 mm，寬度從6.4 mm到模穴側(cè)邊長度的25%。(6) 盤狀澆口盤狀澆口（disk gate）又稱為薄膜澆口（diaphragm gate），如圖6-16所示，常用在內(nèi)側(cè)有開口的圓柱體或圓形，并且需要高度同軸性的塑件，或是不容許有縫合線的塑件?；旧?，盤狀澆口是在塑件的內(nèi)緣使用毛邊狀的澆口，熔膠從同軸的豎澆道充填進(jìn)入模穴，很容易獲得熔膠均勻流動的塑件。盤狀澆口厚度通常是0.251.27 mm。 圖6-14 重迭澆口 圖6-15 扇口澆口(7) 環(huán)狀澆口環(huán)狀澆口（ring gate）如圖6-17，也應(yīng)用于圓柱體或圓形塑件，塑料先沿著模心環(huán)繞，然后再沿著圓管向下充填。環(huán)狀澆口并不適用在

27、所有的塑件。環(huán)狀澆口的厚度通常為0.251.6 mm。 圖6-16 盤狀澆口 圖6-17 環(huán)狀澆口(8) 輻狀澆口輻狀澆口（spoke gate）如圖6-18，也稱為四點澆口(four-point gate)或者十字澆口(cross gate)，它適用于管狀塑件，具有容易去除澆口和節(jié)省塑料的優(yōu)點。但是可能會造成縫合線，也無法獲得完美的真圓度。輻狀澆口通常是0.84.8 mm厚，1.66.4 mm寬。(9) 薄膜澆口薄膜澆口（film gate）如圖6-19，又稱為毛邊澆口（flash gate），薄膜澆口與環(huán)狀澆口類似，但使用于邊緣平直的塑件，它具有平直的澆口，澆口寬度可以跨接整個模穴邊緣或是

28、部份的模穴。薄膜澆口適用于壓克力塑件，而且常常用在又大又平整的塑件，以保持最小量的翹曲。薄膜澆口尺寸很小，厚度大約是0.250.63 mm，寬度大約為0.63 mm。 圖6-18 輻狀澆口 圖6-19 薄膜澆口(B) 自動式去除式澆口自動去除式澆口與模具動作配合，在頂出塑件時剪斷澆口。它們應(yīng)用于： 避免去除澆口的二次加工。 維持均一的周期時間 使?jié)部诤圹E最小化。自動去除式澆口包括下列各類型：針狀澆口、潛式澆口、熱流道澆口、和閥澆口。(1) 針狀澆口針狀澆口（pin gate）如圖6-20，通常應(yīng)用于三板模，其流道系統(tǒng)位于模板的一組分模在線，塑件模穴接在主要分模在線。具有倒錐角的澆口在平行于模板

29、運(yùn)動方向穿透中間模板。當(dāng)打開模穴主分模線時，針狀澆口的小直徑端從塑件撕離，再打開流道分模線即可頂出流道廢料。此系統(tǒng)也可以先打開流道分模線，再使用輔具撕下流道廢料。針狀澆口最常使用在單一塑件多點進(jìn)澆，以確保對稱的充填，或是縮短流道長度以確保整個塑件的保壓操作。典型的針狀澆口的直徑 0.251.6 mm。(2) 潛式澆口潛式澆口（submarine gate）或稱為隧道澆口（tunnel gate）、鑿子澆口（chisel gate），如圖6-21所示，使用于兩板模，在分模線以下，流道末端與模穴之間加工一傾斜之錐狀隧道。于頂出塑件和流道時，澆口會與塑件分離。典型的潛式澆口直徑為0.25 2.0 m

30、m，澆口由粗變細(xì)，直到成為球狀端點。假如塑件的非功能區(qū)具有大直徑的針狀特征，可以將它與潛式澆口連接，以減低加工成本。假如針狀特征發(fā)生在隱藏面，亦可以不將他去除。將多重潛式澆口設(shè)計在圓柱體的內(nèi)面，可以取代盤狀澆口，并且具備自動去除澆口的功能，其獲得塑件的外圍真圓度雖然比盤狀澆口塑件的真圓度差，但通常也還可以接受。 圖6-20 針狀澆口 圖6-21 潛式澆口(3) 熱流道澆口熱流道澆口（hot-runner gate）或稱為熱探針澆口（hot-probe gate），如圖6-22所示，通常從電熱式豎澆道和加熱流道直接傳送熔膠進(jìn)入模穴，以產(chǎn)生無流道的塑件。其保壓周期受控制于塑件澆口附近的凝固情形。當(dāng)

31、模板打開時，相當(dāng)高溫的塑料將自模穴撕開。(4) 閥式澆口閥式澆口（valve gate）如圖6-23，在熱流道澆口內(nèi)增加一針桿，以便在澆口凝固之前關(guān)閉澆口。它可以應(yīng)用在較大的澆口而不會產(chǎn)生澆口痕跡。因為保壓周期受控于針桿，閥式澆口可以得到較佳的保壓周期和較穩(wěn)定的塑件質(zhì)量。 圖6-22 熱流道澆口 圖6-23 閥式澆口6-3-2 澆口設(shè)計原則設(shè)計恰當(dāng)?shù)臐部诳梢跃鶆蜓杆?、單一方向地傳送熔膠以充填模穴，并且獲得適當(dāng)?shù)哪虝r間來冷卻塑件。澆口應(yīng)該射在非功能區(qū)、非外觀區(qū)等適當(dāng)位置。澆口設(shè)置在塑件的最厚部位，讓塑料從厚區(qū)流向薄區(qū)，有助于獲得良好的流動路徑和保壓路徑。將澆口位置應(yīng)設(shè)置在塑件中央，可以使熔膠流

32、動到塑件的各個極端位置都有相同的流動長度。不適當(dāng)?shù)臐部谖恢贸Ｔ斐梢恍﹩栴}，應(yīng)牢記在心。澆口的位置必須讓模穴內(nèi)的氣體于射出成形時逃逸出，否則將會造成短射、包風(fēng)、燒焦痕跡、或是在澆口處貯積高壓力。澆口位置與尺寸的設(shè)計也應(yīng)該要避免噴射流現(xiàn)象，加大澆口或者改善澆口位置使熔膠沖擊模壁，可以改善噴射流現(xiàn)象。對稱的塑件應(yīng)使用對稱的澆口，以維持對稱性。假如流動路徑不對稱，會使塑件的部份區(qū)域先完成充填、保壓、冷卻，最后造成不均勻的收縮和翹曲。假如選擇的澆口位置無法避免讓塑件產(chǎn)生縫合線或熔合線，應(yīng)該將澆口移到非功能區(qū)、非外觀區(qū)等位置。澆口凝固時間是模穴進(jìn)行保壓的最終有效時間。太小的澆口使得最慢凝固的部位發(fā)生在塑件

33、內(nèi)部，而不是發(fā)生在澆口，甚至澆口可能于解除保壓之后才凝固，使熔膠從塑件逆流到流道系統(tǒng)。良好設(shè)計的澆口必須防止熔膠逆流。設(shè)計初期應(yīng)該使用較小尺寸的澆口，必要時，還可以將澆口加大。正常的澆口厚度(gate thickness)是澆口處塑件肉厚的5080%。人工去除式澆口偶而會與塑件肉厚相同，自動去除式澆口厚度一般都小于塑件肉厚的80%，以避免剪除澆口造成塑件變形。針狀澆口和潛式澆口的末端直徑一般約0.252.0 mm（0.010.08英吋）。澆口長度短越好，以減少澆口區(qū)的壓力降，適當(dāng)澆口長度從 11.5 mm（0.040.06英吋）。添加纖維的塑料需要使用較大的澆口，以防止通過澆口的纖維斷裂。潛式

34、澆口和針狀澆口從等小尺寸的澆口可能損傷添加纖維，邊緣澆口等能夠產(chǎn)生均勻充填模式的澆口可以產(chǎn)生均勻纖維配向性的塑件。射出成形的數(shù)值模擬分析是用來比較不同澆口設(shè)計的效果之有效工具。6-4 設(shè)計范例本單元說明模流分析軟件在塑料工業(yè)之不同層面的功用，以及使用軟件的策略，俾使得設(shè)計觀念與物理概念能夠付諸實施。本單元討論的主題包括射出壓力、充填模式、熔膠波前速度、流道設(shè)計與平衡，和澆口設(shè)計。本單元融入塑料射出成形的設(shè)計概念于各步驟，應(yīng)用C-mold的Process Solution進(jìn)行模擬分析。第一階段使用C-mold Filling EZ（簡易充填）分析初始的設(shè)計和決定澆口位置與螺桿速度曲線，第二階段使

35、用C-mold Filling and Post Filling （充填與后充填）分析，更詳細(xì)地選擇的材料、塑件設(shè)計、模具設(shè)計和成形條件。6-4-1 階段一：C-mold Filling EZ簡易充填模擬分析C-mold Filling EZ執(zhí)行等溫條件下的三維牛頓流體之模穴充填模擬。Filling EZ應(yīng)用在塑件、澆口及成形條件的先期設(shè)計，每次模擬改變一組設(shè)計參數(shù)以觀察其對于充填結(jié)果的影響，最終目的在于決最佳澆口位置和最佳螺桿速度曲線。已知條件：原始產(chǎn)品設(shè)計。目 的：決定最適當(dāng)之澆口位置和最佳射出速度曲線。設(shè)計規(guī)范： 以最短的流動長度和最低的射出壓力產(chǎn)生一均勻的充填模式。 維持固定的熔膠波前

36、速度，使塑件性質(zhì)差異降到最低。設(shè)計1：扇形澆口，固定射出速度之設(shè)定，執(zhí)行Filling EZ分析。觀察結(jié)果1.1：從熔膠波前圖得知其最長的流動長度大約等于塑件長度。太長的流動長度導(dǎo)致需要較高的射出壓力充填模穴。圖6-24 流動長度太長，需要高射出壓力充填模穴。觀察結(jié)果1.2：固定射出速度（亦即固定容積流動速率）造成隨MFA而變化的MFV。變化之MFV導(dǎo)致塑件表面的分子鏈纖維配向性差異，可能造成不同的收縮與翹曲。圖6-25 熔膠波前具有不同的流動速度設(shè)計2：將澆口移側(cè)塑件幾何中心位置，以固定射速中心進(jìn)澆，重新執(zhí)行分析。觀察結(jié)果2.1：縮短的流動長度可以降低需求之射出壓力。圖6-26 中央進(jìn)澆縮短

37、了流動長度需克服問題：結(jié)果，造成具有變化MFV的放射狀充填模式，仍然不理想。圖6-27 固定螺桿速度圖6-28 變化的熔膠波前速度設(shè)計3：中央進(jìn)澆，使用Filling EZ建議的變化螺桿速度曲線重新執(zhí)行分析。觀察結(jié)果3.1：結(jié)果，MFV變得均勻圖6-29 變化之螺桿曲線圖6-30 均勻的熔膠波前速度6-4-2 階段二：執(zhí)行C-mold Filling & Post Filling 最佳化 第一階段的設(shè)計已經(jīng)初步改善了原始設(shè)計，第二階段將使用 C-mold Filling and Post-Filling ，更詳細(xì)研究具有熱傳效應(yīng)下，熱塑性塑料之非牛頓流體行為的三維充填分析，它可以檢驗所

38、選擇材料、塑件設(shè)計、模具設(shè)計和最佳的成形條件（例如充填時間、熔膠溫度與冷卻劑溫度。）己知條件：使用設(shè)計2的澆口位置與設(shè)計3的螺桿速度曲線。目 的：將澆口位置、流道系統(tǒng)及成形條件最佳化以充填模穴。設(shè)計規(guī)范： 產(chǎn)生均勻的充填模式以降低射出壓力和鎖模力的需求，節(jié)省能源和機(jī)器成本。 維持固定熔膠波前速度，以最小化塑件性質(zhì)之差異。 使塑件整體的溫度差異降到最低，以去除局部熱點冷點，避免表面缺點。 在樹脂供貨商建議的范圍內(nèi)，維持最大剪應(yīng)力及剪切率。設(shè)計4：中央進(jìn)澆，變化之螺桿速度曲線。使用充填時間掃描(fill-time scan)進(jìn)行充填與保壓模擬分析。觀察結(jié)果4.1：等間距熔膠波前曲線代表MFV維持固

39、定值。圖6-31 固定熔膠波前速度觀察結(jié)果4.2：從充填時間掃描建立一U形曲線，代表射出壓力與充填時間的關(guān)系，采用最低射出壓力的最佳充填時間。圖6-32 最佳之充填時間需克服問題：假如所需要的射出壓力超過機(jī)器的最高負(fù)載，例如本范例中為80 M Pa，就必須修改成形條件或設(shè)計。圖6-33 射出壓力過高解決之程序： 應(yīng)該以現(xiàn)有工具，最簡易、最便直的方法出發(fā)，并評估各選用參數(shù)的優(yōu)劣。 分析各設(shè)計案例之不同熔膠溫度、模壁溫度、澆口與流道設(shè)計或塑件肉厚。 重復(fù)執(zhí)行可行之設(shè)計的模擬分析，以決定最佳設(shè)計。圖6-34 嘗試不同的成形條件設(shè)計5：多澆口進(jìn)澆，變化之螺桿速度曲線，執(zhí)行Filling EZ分析以決定

40、多重澆口之進(jìn)澆位置及最佳的螺桿速度曲線。最初階段的設(shè)計修改模具設(shè)計而不改變模具溫度或熔膠溫度，這可能導(dǎo)致周期時間增加。本設(shè)設(shè)采用多重澆口以縮短熔膠流動長度，也降低了需求的射出壓力。觀察結(jié)果5.1：C-mold Filling EZ預(yù)測了三個可能的澆口位置之充填模式。圖6-35 選擇之澆口位置圖6-36 此組澆口位置造成的熔膠波前設(shè)計6：三點進(jìn)澆，使用熱澆道系統(tǒng)，變化的螺桿速度曲線，再執(zhí)行充填與保壓模擬分析。觀察結(jié)果6.1：多點進(jìn)澆使流動長度大幅縮短，并且降低所需的射出壓力。觀察結(jié)果6.2：配合使用熱流道系統(tǒng)可以減低多點進(jìn)澆的流道廢料，降低流道的壓力降。圖6-37 流動長度縮短，只須低射出壓力充

41、填。需克服問題：仍有縫合線、熔合線和包封等問題待解決。建議：假如無法接受縫合線位置，可以變更澆口位置，或者控制閥澆口的開關(guān)，以改變縫合線位置。圖6-38 多澆口導(dǎo)致縫合線設(shè)計7：三個閥控澆口依序開啟或關(guān)閉。使用熱流道系統(tǒng)和變化的螺桿速度曲線。觀察結(jié)果7.1：使用順序控制閥以消除縫合線，并且保留多重澆口的優(yōu)點。圖6-39 最初，只開啟中央的澆口。觀察結(jié)果7.2：關(guān)閉下游的澆口，直到上游的熔膠波前到達(dá)時再開啟，并繼續(xù)充填程序。當(dāng)下游澆口閥打開后，中央澆口的閥可以選擇開啟或開閉。圖6-40 當(dāng)上游的熔膠到達(dá)時，開啟下游閥澆口。觀察結(jié)果7.3：從C-mold 的整體溫度分布圖可以得知充填過程的每一瞬間

42、的塑件溫度變化。圖6-41 整體的溫度分布觀察結(jié)果7.4：當(dāng)模壁之最大剪應(yīng)力超過一限度，會造成熔膠斷裂或尺寸不穩(wěn)定問題。 從C-mold分析所的模壁剪應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)在潛在問題的區(qū)域。圖6-42 模壁剪應(yīng)力分布6-5 模具冷卻系統(tǒng)熱塑性塑件的射出成形中，模具的冷卻時間占整個周期的2/3以上，如圖6-43所示。效率好的冷卻回路可以縮減冷卻時間，增加產(chǎn)能。再者，均勻的冷卻可以降低殘留應(yīng)力，維持塑件尺寸的精度與穩(wěn)定性，進(jìn)而改良塑件質(zhì)量。(參閱圖6-44)。圖6-43 模具冷卻占整個射出成形周期的2/3以上圖6-44 適當(dāng)有效的冷卻可以改善塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)率模具冷卻系統(tǒng)之組件模具本身可以視為一具熱交

43、換器，將熔膠所含的熱量經(jīng)由冷卻循環(huán)系統(tǒng)的冷媒帶走。典型的模具冷卻系統(tǒng)如圖6-45和圖6-46所示，包括下列組件： 模溫控制單元 幫浦 冷媒供應(yīng)歧管 管路(hoses) 模具內(nèi)的冷卻孔道(channels) 冷媒收集歧管 圖6-45射出成形機(jī)的典型冷卻系統(tǒng)圖6-46 與模板連接之冷卻孔道6-5-1 冷卻孔道的配置冷卻孔道可以是并聯(lián)或串聯(lián)管路，如圖6-28所示。并聯(lián)冷卻孔道路從冷媒供應(yīng)歧管到冷媒收集歧管之間有多個流路，根據(jù)各冷卻孔道流動阻力的不同，各冷卻孔道的冷媒流動速率也不同，造成各冷卻孔道不同熱傳效率，并聯(lián)冷卻孔道之間可能有不均勻的冷卻效應(yīng)。采用并聯(lián)冷卻孔道時，通常模具的模穴與公模心分別有并聯(lián)

44、冷卻系統(tǒng)，各系統(tǒng)之冷卻孔道數(shù)目則取決于模具的尺寸和復(fù)雜性。圖6-47 冷卻孔道的配置，(左) 并聯(lián)孔道；(右) 串聯(lián)孔道。串聯(lián)冷卻孔道從冷媒供應(yīng)歧管到冷媒收集歧管之間連接成單一流路，這是最常采用的冷卻孔道配置。假如冷卻孔道具有均勻的管徑，可以將通過整個冷卻系統(tǒng)的冷媒設(shè)計成所需的擾流，獲得最有效率的熱傳。然而，串聯(lián)冷卻管路必須注意將冷媒上升溫度最小化，通常要維持出口與入口溫度差在5以內(nèi)，精密模具則維持在3以內(nèi)。大型模具可能不只有一組串聯(lián)冷卻孔道，以確保均勻的冷媒溫度和均勻的模具冷卻。6-5-2 其它的冷卻裝置模具內(nèi)可能有些遠(yuǎn)離冷卻管路區(qū)域，無法達(dá)到正常的冷卻效果，這些區(qū)域可以采用障板管(baff

45、les)、噴流管(bubblers)或熱管(thermal pins)來達(dá)到均勻的冷卻效果。障板管、噴流管和熱管都是冷卻孔道的一部份，可以引導(dǎo)冷卻劑流進(jìn)平常難以冷卻的區(qū)域，如圖6-48所示。圖6-48 障板管、噴流管和熱管。(1) 障板管實際上，障板管是垂直鉆過主要冷卻孔道的冷卻管路，并且在冷卻孔道加入一隔板將其分隔成兩個半圓形流路，冷卻劑從主要冷卻孔道流進(jìn)隔板一側(cè)，進(jìn)到末端再回流到隔板的另一側(cè)，最后回流到主要孔道。障板管提供冷媒最大接觸面積，但是其隔板卻很難保持在中央位置，公模心的兩側(cè)的冷卻效果及溫度分布可能不同。將金屬隔板改成螺線隔板，可以改善此缺點，也符合制造上的經(jīng)濟(jì)效益。圖 6-49的

46、螺線隔板讓冷媒螺旋式地流到末端，再螺旋式地回流。另一種設(shè)計采用單螺旋或者雙螺旋隔板，如圖 6-49所示，其管徑大約在1250 mm，可以獲得均勻的溫度分布。 圖6-49 (左) 螺線隔板障板管(helix baffle)和(右) 螺旋式隔板障板管(spiral baffle)(2) 噴流管噴流管以小口徑的內(nèi)管取代障板管的隔板，冷卻劑從內(nèi)管流到末端，再像噴泉般噴出，從外管回流到冷卻管路。細(xì)長的公模心之最有效的冷卻方式是采用噴流管，其內(nèi)、外管直徑必須調(diào)整到具有相同的流動阻力，亦即：內(nèi)管直徑外管直徑0.707目前，噴流管已經(jīng)商業(yè)化，可以用螺紋旋入公模。外管直徑小于4mm的噴流管應(yīng)該將內(nèi)管末端加工成斜

47、邊，以增加噴流出口的截面積，如圖6-50 所示。噴流管除了應(yīng)用于公模心，也可以應(yīng)用于無法鉆銑冷卻孔道的平面模板。因為障板管和噴流管的流動面積窄小，流動阻力大，所以應(yīng)該細(xì)心地設(shè)計其尺寸。藉由模流分析軟件的冷卻分析可以將它們的流動行為和熱傳行為模式化，并且進(jìn)行分析模擬。 圖6-50 （左）鎖進(jìn)公模心之噴流管；（右）噴流管末端斜面造就較大的流動。(3) 熱管熱管是障板管和噴流管以外的選擇。它是一個內(nèi)部充滿流體的密封圓柱體，此流體于吸收熱量后蒸發(fā)，于釋放熱量到冷卻劑后凝結(jié)，如圖6-51所示。熱管的熱傳效率約銅管的10倍。使用熱管時應(yīng)該避免與模具之間的氣隙填入高導(dǎo)熱性的密封劑，以確保良好的熱傳導(dǎo)。圖6-51 熱管假如公模心的直徑或?qū)挾刃∮?3 mm，就只能以空氣冷卻而無法準(zhǔn)確地保持固定模溫。空氣是在打開模具后從外部吹入公模心，或經(jīng)由內(nèi)部的中心孔吹入公模心，如圖 6-52所示。尺寸小于5mm細(xì)長公模心的冷卻以采用高熱傳導(dǎo)性材料作為鑲埋件較佳，例如銅或是鈹銅，將之壓進(jìn)公模心深處