進(jìn)澆位置與澆道排布的研究1

1、Copyright 2001 CAE Engineer Arthur1進(jìn)澆位置與流道排布的研究CAD/CAE工程中心陳德錚2001/3Copyright 2001 CAE Engineer Arthur2開 始 語 我們進(jìn)行注射模具設(shè)計(jì)時(shí)力求能達(dá)到最佳化。它主要是指澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是最佳化的。我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程, 以下我們將學(xué)習(xí)的是澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur3注射成型簡介Copyright 2001 CAE Engineer Arthur4塑膠如何充填模穴 塑膠注入模穴成型產(chǎn)品的過程可分為充填、加壓、補(bǔ)償三個(gè)階段。

2、充填階段加壓階段補(bǔ)償階段Copyright 2001 CAE Engineer Arthur5塑膠如何充填模穴 v充填階段:充填階段時(shí)塑膠被射出機(jī)的螺桿擠入模穴中直到正好填滿。當(dāng)塑膠進(jìn)入模穴時(shí), 塑膠接觸模壁時(shí)會(huì)很快的凝固, 這會(huì)在模壁和熔融塑膠之間形成凝固層。 v加壓階段:雖然所有的流動(dòng)路徑在充填階段都已經(jīng)充填完成, 但其實(shí)邊緣及角落都還有空隙存在。為了完全充填整個(gè)模穴, 所以必須在這個(gè)階段加大壓力將額外的塑膠擠入模穴。 v補(bǔ)償階段:塑膠從熔融狀態(tài)冷凝固到固體時(shí), 大約會(huì)有25%的高收縮率, 因此必須將更多的塑料注入模穴以補(bǔ)償因冷卻而產(chǎn)生的收縮。 Copyright 2001 CAE Eng

3、ineer Arthur6澆注系統(tǒng)的構(gòu)成澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口及冷料井構(gòu)成。流道、澆口是用來將熔膠從噴嘴傳輸?shù)矫總€(gè)模穴的進(jìn)澆位置的工具。主流道(豎澆道)一次分流道(一級(jí)橫澆道)二次分流道(二級(jí)橫澆道)澆口冷料井產(chǎn)品Copyright 2001 CAE Engineer Arthur7主流道的設(shè)計(jì)主流道的形狀一般為圓錐形。主流道的開口要盡可能小, 但必須能完全充滿模具。其小端直徑應(yīng)大於注射機(jī)出口直徑0.5-1.0mm左右。主流道上的錐角應(yīng)該足夠大, 使它能被容易推出, 但不能太大, 因?yàn)槔鋮s時(shí)間和所使用的材料會(huì)隨著主流道直徑的增加而變大。其圓錐角一般要求大於3度。v主流道(Sprue)垂

4、直式主流道傾斜式主流道D-d =0.51.0 (mm) Rr =24 a的取值主要與塑膠性能有關(guān): a=30(對(duì)於PE, PP,PA) a=20(對(duì)於PS, SAN,ABS,PC,POM,PMMA) Copyright 2001 CAE Engineer Arthur8分流道的設(shè)計(jì) 流道的設(shè)計(jì)影響到使用材料的用量以及產(chǎn)品的品質(zhì)。 假如每個(gè)模穴的流動(dòng)不平衡, 過渡保壓和滯流就會(huì)引起較差的產(chǎn)品品質(zhì)。 又長又不合理的流道設(shè)計(jì), 能引起較大的壓力降並且需要較大的注射壓力。 使用熱流道可以解決以上成型問題。 復(fù)雜產(chǎn)品的單穴結(jié)構(gòu)及多穴和族穴結(jié)構(gòu)的平衡流道是很重要的。 v分流道(Runner)流道設(shè)計(jì)Cop

5、yright 2001 CAE Engineer Arthur9分流道的截面形狀v分流道的截面形狀(Runner Cross Section)流道的截面形狀影響到塑料在澆道中的流動(dòng), 當(dāng)熱的熔膠碰到冷的模壁時(shí),在流道表面會(huì)形成一層凝固層。當(dāng)塑料被注入模穴中時(shí), 流道的中心保持熔融狀態(tài)。流道的形狀影響到在內(nèi)部的熔融塑膠的體積。圓形截面的流道能夠最大比例的保持熔融狀態(tài)的塑膠。有曲線或尖角的截面比矩形截面的流道需要較小的力移除流道廢料。 流道設(shè)計(jì)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur10分流道的截面形狀v各種流道截面的比較圓形截面優(yōu)點(diǎn): 表面積與體積之比最小, 壓力及溫

6、度損失小, 有利於塑膠的流動(dòng)及壓力傳遞。流道效率與經(jīng)濟(jì)性最高。缺點(diǎn): 必須在公母模上各分一半, 給模具加工帶來一定困難, 造價(jià)高?！癠”形截面優(yōu)點(diǎn): 其截面形式接近圓形截面, 同時(shí)只需在模具的一面加工。缺點(diǎn): 與圓形截面相比, 熱損失較大, 流道廢料多。梯形截面優(yōu)點(diǎn): 只需在模具的一面加工, 便於加工及刀具選擇。缺點(diǎn): 熱損失較大。方形截面優(yōu)點(diǎn): 流道效率較高, 只需在模具的一面加工, 便於加工及刀具選擇。缺點(diǎn): 流動(dòng)阻力大, 頂出力量較大。較少採用。半圓形截面優(yōu)點(diǎn): 離模性佳, 適用于分模面較複雜之模具。只需在模具的一面加工。缺點(diǎn): 流動(dòng)阻力大, 受冷凝影響大, 流道效率最低。較少採用。Co

7、pyright 2001 CAE Engineer Arthur11分流道的截面形狀v分流道截面的計(jì)算圓形 “U”形 梯形 D=產(chǎn)品最大肉厚 + 1.5mm B=1.25D Copyright 2001 CAE Engineer Arthur12分流道的尺寸 制品的體積和壁厚。 主流道至澆口的距離。 流道的冷卻方法。 成型樹脂的流動(dòng)性。 便於采用自動(dòng)切除澆口裝置。 分流道的截面厚度要大於制品的壁厚。 分流道的長度要盡量短, 不能短時(shí), 其截面尺寸應(yīng)相應(yīng)長度增大。 對(duì)於含有玻璃縴維等流動(dòng)性較差的樹脂, 流道截面要大一些。 流道方向改變的拐角處, 應(yīng)適當(dāng)設(shè)置冷料井。v確定分流道尺寸應(yīng)考慮的因素流道

8、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur13分流道的尺寸v分流道的直徑流道的直徑過大時(shí), 一來浪費(fèi)材料, 二來冷卻時(shí)間增長, 成型週期亦隨之增長, 造成成本上的浪費(fèi)。流道的直徑過小時(shí), 材料的流動(dòng)阻力大, 易造成充填不足, 或者必須增加射出壓力始能充填。故流道直徑應(yīng)適合產(chǎn)品的重量或投影面積。圓形流道 D(mm)4681012以產(chǎn)品重量作基準(zhǔn)以產(chǎn)品投影面積作基準(zhǔn)流道直徑(mm)產(chǎn)品重量(g)49563758375以上1012大型流道直徑(mm)產(chǎn)品重量(cm2)410以下6200850010120012大型Copyright 2001 CAE Engine

9、er Arthur14分流道的尺寸v分流道的直徑圖表G-產(chǎn)品質(zhì)量,g; S-產(chǎn)品肉厚,mm; D-分流道參考直徑,mm。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur15分流道的尺寸v分流道的長度流道長度宜短, 因?yàn)殚L的流道不但會(huì)造成壓力損失, 不利於生產(chǎn)性, 同時(shí)亦浪費(fèi)材料。但是, 材料以低溫成型時(shí), 為增高成型空間的壓力或延長保壓時(shí)間來減少產(chǎn)品收縮凹陷時(shí), 縮短流道長度並非絕對(duì)可行。因?yàn)榱鞯肋^短, 則產(chǎn)品的殘餘應(yīng)力增大, 且易產(chǎn)生毛邊。流道長度可以如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:D =D-分流道直徑,mm; W-產(chǎn)品質(zhì)量,g; L-流道長度,mm。Copyright 2001 CA

10、E Engineer Arthur16分流道的佈置v分流道排列的原則 盡可能使熔融樹膠從主流道到各澆口的距離相等。 使模穴壓力中心盡可能與注射機(jī)中心重合。v分流道的佈置 自然平衡: 從主流道至各模穴的分流道長度及截面形狀都相同, 向各模穴平衡充填。 人工平衡: 從主流道至各模穴的分流道長度不同, 通過改變流道及澆口的截面面積(運(yùn)用CAE模流分析), 達(dá)到向各模穴平衡充填的目的。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur17分流道的佈置不平衡流道佈置自然平衡人工平衡Copyright 2001 CAE Engineer Arthur18自然平衡流道佈置Copyright

11、 2001 CAE Engineer Arthur19人工平衡流道佈置Copyright 2001 CAE Engineer Arthur20人工平衡流道佈置一模兩穴多點(diǎn)進(jìn)澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur21人工平衡流道佈置族穴多點(diǎn)進(jìn)澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur22澆口的設(shè)計(jì)v澆口(Gate)澆口是位於流道與成型空間的小通道。澆口的位置、數(shù)量、形狀、尺寸等是否適宜, 直接影響到產(chǎn)品的外觀、尺寸精度、物性和成型效率。澆口大小的決定, 需是產(chǎn)品的重量塑膠材料特性及澆口形狀而定。在不影響產(chǎn)品機(jī)能及成型效率下, 澆口應(yīng)盡量

12、縮短其長度、深度、寬度。若澆口過小, 則易造成充填不足(短射)、收縮凹陷、熔接線等外觀上的缺陷, 且成型收縮會(huì)增大。若澆口過大, 則澆口周圍產(chǎn)生過剩的殘餘應(yīng)力, 導(dǎo)致產(chǎn)品變形或破裂, 且澆口的去除加工困難等。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur23澆口的設(shè)計(jì)v澆口的形式與尺寸設(shè)計(jì) 直接澆口或豎澆道式澆口(Direct Gate) 邊緣澆口或側(cè)面澆口(Side Gate) 重疊式澆口或搭接式澆口 扇形澆口(Fan Gate) 潛伏式澆口或隧道澆口(Tunnel Gate) 針點(diǎn)澆口(Pin Gate) 無澆道進(jìn)澆 耳式澆口或凸片澆口 膜式澆口(Film Gate)

13、 香蕉形澆口或牛角形澆口 環(huán)形澆口(Ring Gate) 圓盤澆口(Disk Gate)邊門澆口澆口與塑料的搭配Copyright 2001 CAE Engineer Arthur24澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v澆口不應(yīng)設(shè)在影響產(chǎn)品外觀或使用性能的部位, 避免影響產(chǎn)品的商業(yè)價(jià)值。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur25澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v澆口的直面應(yīng)避開小直徑的入子、預(yù)埋嵌件, 避免因較高的壓力造成小直徑的入子、預(yù)埋嵌件彎曲變形。 v 澆口應(yīng)設(shè)在便於進(jìn)行修整的部位。v 澆口應(yīng)避免設(shè)置在受外力的部位及要求強(qiáng)度的部位, 因?yàn)闈部诟浇讱埩魬?yīng)力而變脆。v 澆

14、口位置應(yīng)設(shè)在產(chǎn)品的主要受力方向上, 因?yàn)樗芰系牧鲃?dòng)方向上所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最高, 特別是帶填料的增強(qiáng)塑膠(如玻籤Fiber)。v 對(duì)於有肋的產(chǎn)品, 澆口應(yīng)與肋的方向一致, 且不能正對(duì)肋, 要錯(cuò)開。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur26澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v澆口應(yīng)設(shè)在產(chǎn)品的厚壁部位, 使塑膠從厚壁流向薄壁, 便於塑膠的充填流動(dòng)及保壓作用的進(jìn)行, 避免發(fā)生滯流、凹陷、收縮不均及翹曲現(xiàn)象。 (1)扇形澆口,從薄處進(jìn)澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur27從厚處進(jìn)澆(2)潛伏澆口,從厚處進(jìn)澆Copyright 2001 CA

15、E Engineer Arthur28澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v設(shè)置的澆口應(yīng)使塑膠至模穴各處的流程基本一致, 以達(dá)到流動(dòng)平衡, 避免過保壓現(xiàn)象的發(fā)生。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur29避免不平衡流動(dòng)v不平衡流動(dòng)(Unbalanced Flow) 不平衡流動(dòng)是指某些流動(dòng)路徑先於其他流動(dòng)路徑充填完全。 不平衡流動(dòng)能造成許多成型問題, 如毛邊、短射、循環(huán)週期過長、產(chǎn)品密度不均、翹曲、包風(fēng)以及額外的縫合線。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur30避免不平衡流動(dòng) 通過改變產(chǎn)品的肉厚, 能夠在某些方向加速或者延遲流動(dòng)以幫助平衡流動(dòng)

16、。 考慮進(jìn)澆點(diǎn)位置, 或者進(jìn)澆點(diǎn)的數(shù)目。盡量把進(jìn)澆點(diǎn)移動(dòng)到流動(dòng)路徑長度進(jìn)似相等的位置上。 流動(dòng)路徑1變薄流動(dòng)路徑3變厚將模穴分成幾個(gè)假想的更易控制的小區(qū)域,然後使用多點(diǎn)進(jìn)澆 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur31避免過保壓過保壓發(fā)生在最容易充填(最短或最厚)的流動(dòng)路徑, 當(dāng)此流動(dòng)路徑充填完成但其他地方未充完的時(shí)候, 射出機(jī)還是要持續(xù)將塑料擠入模穴中, 造成射出壓力還是持續(xù)作用在已充滿的區(qū)域, 所以這區(qū)域的密度較高,收縮較少,剪應(yīng)力較大, 從而造成一系列問題, 包括毛邊、翹曲、產(chǎn)品重量增加、塑料密度分佈不均等。 過保壓(Overpacking)Copyright

17、 2001 CAE Engineer Arthur32避免過保壓Copyright 2001 CAE Engineer Arthur33澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v澆口應(yīng)設(shè)在不易產(chǎn)生縫合線(或能把縫合線移至不敏感區(qū)域)、氣體容易排除的部位。縫合線及熔合線會(huì)造成塑膠強(qiáng)度降低及外表的缺陷。氣泡能夠引起短射及注射壓力過大的缺陷，而且易在充填末端產(chǎn)生表面斑點(diǎn)。在空氣包中被壓縮的氣體可能加壓、升溫而引起局部燒焦。 縫合線(Weld Lines)熔合線(Meld Lines)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur34跑馬場(chǎng)效應(yīng)(Racetrack Effect) 包風(fēng)(Air

18、 Traps)將熔合線移至邊角不敏感區(qū)域 需考量縫合線與凹痕二者的可接受性Copyright 2001 CAE Engineer Arthur35澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v設(shè)置的澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生滯流現(xiàn)象。滯流現(xiàn)象常發(fā)生在肋的部分或厚薄劇烈變化的地方。由於產(chǎn)品表面的缺陷、不良的保壓、較高的剪應(yīng)力值, 還有塑膠分子的配向性不一致, 滯流現(xiàn)象會(huì)降低產(chǎn)品的成型品質(zhì)。假如滯流現(xiàn)象導(dǎo)致流動(dòng)波前完全凝固則會(huì)產(chǎn)生短射的現(xiàn)象。 滯流(Hesitation) Copyright 2001 CAE Engineer Arthur36避免滯流0.51.5(1)Copyright 2001 CAE Engineer

19、 Arthur37避免滯流1.01.5(2)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur38澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v設(shè)置的澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生噴流現(xiàn)象。噴流會(huì)在產(chǎn)品表面, 尤其是澆口附近產(chǎn)生紊亂的流動(dòng)痕跡。噴流(Jetting) 順流Copyright 2001 CAE Engineer Arthur39避免噴流噴流(澆口太小,射速太快)扇形澆口使用翼狀澆口Copyright 2001 CAE Engineer Arthur40澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v設(shè)置的澆口位置應(yīng)避免產(chǎn)生潛流現(xiàn)象。潛流現(xiàn)象是指流動(dòng)波前出現(xiàn)回流的狀況。不論是以表面品質(zhì)或是以結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)而言, 塑料

20、回流對(duì)塑膠件的品質(zhì)都有很大的負(fù)面影響。 潛流(Underflow)應(yīng)確定塑膠流動(dòng)波前只在充填結(jié)束才相遇Copyright 2001 CAE Engineer Arthur41澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v應(yīng)盡量減少因澆口數(shù)量或澆口位置造成的產(chǎn)品變形。注射成型時(shí), 由於澆口數(shù)量或澆口位置的不同, 造成熔融塑膠的流動(dòng)取向不同及產(chǎn)品內(nèi)殘留應(yīng)力狀態(tài)不同, 其變形趨勢(shì)亦不同。盤狀產(chǎn)品環(huán)狀產(chǎn)品Copyright 2001 CAE Engineer Arthur42澆口數(shù)量及進(jìn)澆位置確定原則v窄長形產(chǎn)品的澆口位置應(yīng)避免設(shè)置在產(chǎn)品的中心。因?yàn)檎L形產(chǎn)品成型時(shí)容易翹曲變形, 若在產(chǎn)品中心設(shè)置澆口, 則塑膠的流動(dòng)呈

21、輻射狀, 造成產(chǎn)品的徑向收縮與切線方向的收縮不均而產(chǎn)生變形。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur43不同進(jìn)澆方案之比較Case1:中部,扇形Case2:1/3處,扇形Case3:1/8處,扇形Case4:頭部,扇形Case5:頭部,膜狀水路模型Copyright 2001 CAE Engineer Arthur44充填流動(dòng)Case1流動(dòng)角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur45充填流動(dòng)Case2流動(dòng)角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur46充填流動(dòng)

22、Case3流動(dòng)角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur47充填流動(dòng)Case4流動(dòng)角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur48充填流動(dòng)流動(dòng)角度(Flow Angle)Case5Copyright 2001 CAE Engineer Arthur49充填流動(dòng)Case1Case3Case2Case4Case5流動(dòng)波前(Flow Front)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur50充填流動(dòng)Case1Case3Case2Case4充填壓力(Pressure)Ca

23、se522.933.843.35454.1Copyright 2001 CAE Engineer Arthur51充填流動(dòng)Case1Case3Case2Case4波前溫度(Temperature)Case5溫差2.7溫差1.1溫差1.4溫差0.8溫差4.0Copyright 2001 CAE Engineer Arthur52保壓狀況Case1Case3Case2Case4體積收縮率(Volumetric Shrinkage%)Case5不平均度1.07(3.524.59)不平均度0.92(3.334.25)不平均度0.99(2.973.96)不平均度0.78( 3.013.79)不平均度0.4(3.333.73)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur53翹曲變形Case1Case3Case2Case4X向收縮量(Deflection X)Case51.2731.2531.2421.1951.195Copyright 2001 CAE Engine