进浇位置与浇道排布的研究1

1、進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 我們進行注射模具設計時力求能達到最佳化。它主要是指澆注系統與冷卻系統設計都是最佳化的。我們已經學習過冷卻系統設計課程, 以下我們將學習的是澆注系統設計課程。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品的過程可分為充填、加壓、補償三個階段。充填階段加壓階段補償階段Copyright 2001 CAE Engi

2、neer Arthur5塑膠如何充填模穴 v充填階段:充填階段時塑膠被射出機的螺桿擠入模穴中直到正好填滿。當塑膠進入模穴時, 塑膠接觸模壁時會很快的凝固, 這會在模壁和熔融塑膠之間形成凝固層。 v加壓階段:雖然所有的流動路徑在充填階段都已經充填完成, 但其實邊緣及角落都還有空隙存在。為了完全充填整個模穴, 所以必須在這個階段加大壓力將額外的塑膠擠入模穴。 v補償階段:塑膠從熔融狀態冷凝固到固體時, 大約會有25%的高收縮率, 因此必須將更多的塑料注入模穴以補償因冷卻而產生的收縮。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur6澆注系統的構成澆注系統由主流道、分流道、澆口

3、及冷料井構成。流道、澆口是用來將熔膠從噴嘴傳輸到每個模穴的進澆位置的工具。主流道(豎澆道)一次分流道(一級橫澆道)二次分流道(二級橫澆道)澆口冷料井產品Copyright 2001 CAE Engineer Arthur7主流道的設計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。其小端直徑應大於注射機出口直徑0.5-1.0mm左右。主流道上的錐角應該足夠大, 使它能被容易推出, 但不能太大, 因為冷卻時間和所使用的材料會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)垂直式主流道傾斜式主流道D-d =0.51.0 (mm) Rr =24

4、a的取值主要與塑膠性能有關: a=30(對於PE, PP,PA) a=20(對於PS, SAN,ABS,PC,POM,PMMA) Copyright 2001 CAE Engineer Arthur8分流道的設計 流道的設計影響到使用材料的用量以及產品的品質。 假如每個模穴的流動不平衡, 過渡保壓和滯流就會引起較差的產品品質。 又長又不合理的流道設計, 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。 復雜產品的單穴結構及多穴和族穴結構的平衡流道是很重要的。 v分流道(Runner)流道設計Copyright 2001 CAE Engineer Arthur9分流道

5、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, 當熱的熔膠碰到冷的模壁時,在流道表面會形成一層凝固層。當塑料被注入模穴中時, 流道的中心保持熔融狀態。流道的形狀影響到在內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。 流道設計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點: 表面積與體積之比最小, 壓力及溫度損失小, 有利於塑膠的流動及壓力傳遞。流道效率與經濟性最高。缺點:

6、必須在公母模上各分一半, 給模具加工帶來一定困難, 造價高。“U”形截面優點: 其截面形式接近圓形截面, 同時只需在模具的一面加工。缺點: 與圓形截面相比, 熱損失較大, 流道廢料多。梯形截面優點: 只需在模具的一面加工, 便於加工及刀具選擇。缺點: 熱損失較大。方形截面優點: 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: 流動阻力大, 頂出力量較大。較少採用。半圓形截面優點: 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: 流動阻力大, 受冷凝影響大, 流道效率最低。較少採用。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur11分

7、流道的截面形狀v分流道截面的計算圓形 “U”形 梯形 D=產品最大肉厚 + 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。 成型樹脂的流動性。 便於采用自動切除澆口裝置。 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, 其截面尺寸應相應長度增大。 對於含有玻璃縴維等流動性較差的樹脂, 流道截面要大一些。 流道方向改變的拐角處, 應適當設置冷料井。v確定分流道尺寸應考慮的因素流道設計注意事項Copyright 2001 CAE Engineer A

8、rthur13分流道的尺寸v分流道的直徑流道的直徑過大時, 一來浪費材料, 二來冷卻時間增長, 成型週期亦隨之增長, 造成成本上的浪費。流道的直徑過小時, 材料的流動阻力大, 易造成充填不足, 或者必須增加射出壓力始能充填。故流道直徑應適合產品的重量或投影面積。圓形流道 D(mm)4681012以產品重量作基準以產品投影面積作基準流道直徑(mm)產品重量(g)49563758375以上1012大型流道直徑(mm)產品重量(cm2)410以下6200850010120012大型Copyright 2001 CAE Engineer Arthur14分流道的尺寸v分流道的直徑圖表G-產品質量,g;

9、 S-產品肉厚,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, 因為長的流道不但會造成壓力損失, 不利於生產性, 同時亦浪費材料。但是, 材料以低溫成型時, 為增高成型空間的壓力或延長保壓時間來減少產品收縮凹陷時, 縮短流道長度並非絕對可行。因為流道過短, 則產品的殘餘應力增大, 且易產生毛邊。流道長度可以如下經驗公式計算:D =D-分流道直徑,mm; W-產品質量,g; L-流道長度,mm。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur16分流道的佈置v分流道排列的原則

10、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(運用CAE模流分析), 達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 2001 CAE Engineer Arthur19人工平衡流道佈置

11、Copyright 2001 CAE Engineer Arthur20人工平衡流道佈置一模兩穴多點進澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur21人工平衡流道佈置族穴多點進澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur22澆口的設計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、數量、形狀、尺寸等是否適宜, 直接影響到產品的外觀、尺寸精度、物性和成型效率。澆口大小的決定, 需是產品的重量塑膠材料特性及澆口形狀而定。在不影響產品機能及成型效率下, 澆口應盡量縮短其長度、深度、寬度。若澆口過小, 則易造成充填不足(短射)、收縮凹

12、陷、熔接線等外觀上的缺陷, 且成型收縮會增大。若澆口過大, 則澆口周圍產生過剩的殘餘應力, 導致產品變形或破裂, 且澆口的去除加工困難等。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur23澆口的設計v澆口的形式與尺寸設計 直接澆口或豎澆道式澆口(Direct Gate) 邊緣澆口或側面澆口(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) 針點澆口(Pin Gate) 無澆道進澆 耳式澆口或凸片澆口 膜式澆口(Film Gate) 香蕉形澆口或牛角形澆口 環形澆口(Ring Gate) 圓盤澆口(D

13、isk Gate)邊門澆口澆口與塑料的搭配Copyright 2001 CAE Engineer Arthur24澆口數量及進澆位置確定原則v澆口不應設在影響產品外觀或使用性能的部位, 避免影響產品的商業價值。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur25澆口數量及進澆位置確定原則v澆口的直面應避開小直徑的入子、預埋嵌件, 避免因較高的壓力造成小直徑的入子、預埋嵌件彎曲變形。 v 澆口應設在便於進行修整的部位。v 澆口應避免設置在受外力的部位及要求強度的部位, 因為澆口附近易殘留應力而變脆。v 澆口位置應設在產品的主要受力方向上, 因為塑料的流動方向上所承受的拉應力

14、和壓應力最高, 特別是帶填料的增強塑膠(如玻籤Fiber)。v 對於有肋的產品, 澆口應與肋的方向一致, 且不能正對肋, 要錯開。Copyright 2001 CAE Engineer Arthur26澆口數量及進澆位置確定原則v澆口應設在產品的厚壁部位, 使塑膠從厚壁流向薄壁, 便於塑膠的充填流動及保壓作用的進行, 避免發生滯流、凹陷、收縮不均及翹曲現象。 (1)扇形澆口,從薄處進澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur27從厚處進澆(2)潛伏澆口,從厚處進澆Copyright 2001 CAE Engineer Arthur28澆口數量及進澆位置確定原則v設置

15、的澆口應使塑膠至模穴各處的流程基本一致, 以達到流動平衡, 避免過保壓現象的發生。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur29避免不平衡流動v不平衡流動(Unbalanced Flow) 不平衡流動是指某些流動路徑先於其他流動路徑充填完全。 不平衡流動能造成許多成型問題, 如毛邊、短射、循環週期過長、產品密度不均、翹曲、包風以及額外的縫合線。 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur30避免不平衡流動 通過改變產品的肉厚, 能夠在某些方向加速或者延遲流動以幫助平衡流動。 考慮進澆點位置, 或者進澆點的數目。盡量把進澆點移動到流動路徑長度

16、進似相等的位置上。 流動路徑1變薄流動路徑3變厚將模穴分成幾個假想的更易控制的小區域,然後使用多點進澆 Copyright 2001 CAE Engineer Arthur31避免過保壓過保壓發生在最容易充填(最短或最厚)的流動路徑, 當此流動路徑充填完成但其他地方未充完的時候, 射出機還是要持續將塑料擠入模穴中, 造成射出壓力還是持續作用在已充滿的區域, 所以這區域的密度較高,收縮較少,剪應力較大, 從而造成一系列問題, 包括毛邊、翹曲、產品重量增加、塑料密度分佈不均等。 過保壓(Overpacking)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur32避免過保壓Cop

17、yright 2001 CAE Engineer Arthur33澆口數量及進澆位置確定原則v澆口應設在不易產生縫合線(或能把縫合線移至不敏感區域)、氣體容易排除的部位。縫合線及熔合線會造成塑膠強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生表面斑點。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跑馬場效應(Racetrack Effect) 包風(Air Traps)將熔合線移至邊角不敏感區域 需考量縫合線與凹痕二者的可接

18、受性Copyright 2001 CAE Engineer Arthur35澆口數量及進澆位置確定原則v設置的澆口位置應避免產生滯流現象。滯流現象常發生在肋的部分或厚薄劇烈變化的地方。由於產品表面的缺陷、不良的保壓、較高的剪應力值, 還有塑膠分子的配向性不一致, 滯流現象會降低產品的成型品質。假如滯流現象導致流動波前完全凝固則會產生短射的現象。 滯流(Hesitation) Copyright 2001 CAE Engineer Arthur36避免滯流0.51.5(1)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur37避免滯流1.01.5(2)Copyright 200

19、1 CAE Engineer Arthur38澆口數量及進澆位置確定原則v設置的澆口位置應避免產生噴流現象。噴流會在產品表面, 尤其是澆口附近產生紊亂的流動痕跡。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澆口數量及進澆位置確定原則v設置的澆口位置應避免產生潛流現象。潛流現象是指流動波前出現回流的狀況。不論是以表面品質或是以結構的觀點而言, 塑料回流對塑膠件的品質都有很大的負面影響。 潛流(Underflow)應確

20、定塑膠流動波前只在充填結束才相遇Copyright 2001 CAE Engineer Arthur41澆口數量及進澆位置確定原則v應盡量減少因澆口數量或澆口位置造成的產品變形。注射成型時, 由於澆口數量或澆口位置的不同, 造成熔融塑膠的流動取向不同及產品內殘留應力狀態不同, 其變形趨勢亦不同。盤狀產品環狀產品Copyright 2001 CAE Engineer Arthur42澆口數量及進澆位置確定原則v窄長形產品的澆口位置應避免設置在產品的中心。因為窄長形產品成型時容易翹曲變形, 若在產品中心設置澆口, 則塑膠的流動呈輻射狀, 造成產品的徑向收縮與切線方向的收縮不均而產生變形。Copyr

21、ight 2001 CAE Engineer Arthur43不同進澆方案之比較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Case1流動角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur45充填流動Case2流動角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur46充填流動Case3流動角度(Flow Angle)Copyright 2001

22、 CAE Engineer Arthur47充填流動Case4流動角度(Flow Angle)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur48充填流動流動角度(Flow Angle)Case5Copyright 2001 CAE Engineer Arthur49充填流動Case1Case3Case2Case4Case5流動波前(Flow Front)Copyright 2001 CAE Engineer Arthur50充填流動Case1Case3Case2Case4充填壓力(Pressure)Case522.933.843.35454.1Copyright 2001

23、 CAE Engineer Arthur51充填流動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 Engineer