进浇位置与浇道排布的研究1

進澆位置與流道排布的研究CAD/CAE工程中心陳德錚2001/31Copyright2001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。2Copyright2001注射成型簡介3Copyright2001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

4Copyright2001塑膠如何充填模穴

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。

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。

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。

5Copyright2001澆注系統的構成

澆注系統由主流道、分流道、澆口及冷料井構成。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6Copyright2001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。

主流道(Sprue)垂直式主流道傾斜式主流道D-d=0.5~1.0(mm)

R>rα=2~4°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)

7Copyright2001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。

分流道(Runner)流道設計8Copyright2001分流道的截面形狀

分流道的截面形狀(RunnerCrossSection)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9Copyright2001分流道的截面形狀

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: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。10Copyright2001分流道的截面形狀

分流道截面的計算圓形“U”形梯形D=產品最大肉厚+1.5mmB=1.25D11Copyright2001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。

確定分流道尺寸應考慮的因素流道設計注意事項12Copyright2001分流道的尺寸

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13Copyright2001分流道的尺寸

分流道的直徑圖表G--產品質量,g;S--產品肉厚,mm;D--分流道參考直徑,mm。14Copyright2001分流道的尺寸

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。15Copyright2001分流道的佈置

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中心重合。

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。16Copyright2001分流道的佈置不平衡流道佈置自然平衡人工平衡17Copyright2001自然平衡流道佈置18Copyright2001人工平衡流道佈置19Copyright2001人工平衡流道佈置一模兩穴多點進澆20Copyright2001人工平衡流道佈置族穴多點進澆21Copyright2001澆口的設計

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。22Copyright2001澆口的設計

澆口的形式與尺寸設計

直接澆口或豎澆道式澆口(DirectGate)

邊緣澆口或側面澆口(SideGate)

重疊式澆口或搭接式澆口

扇形澆口(FanGate)

潛伏式澆口或隧道澆口(TunnelGate)

針點澆口(PinGate)

無澆道進澆

耳式澆口或凸片澆口

膜式澆口(FilmGate)

香蕉形澆口或牛角形澆口

環形澆口(RingGate)

圓盤澆口(DiskGate)邊門澆口澆口與塑料的搭配23Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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。

24Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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。

澆口應設在便於進行修整的部位。

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。

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和壓應力最高,特別是帶填料的增強塑膠(如玻籤Fiber)。

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。25Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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26Copyright2001從厚處進澆(2)潛伏澆口,從厚處進澆27Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

設置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。28Copyright2001避免不平衡流動

不平衡流動(UnbalancedFlow)

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。29Copyright2001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30Copyright2001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)31Copyright2001避免過保壓32Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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(WeldLines)熔合線(MeldLines)33Copyright2001跑馬場效應(RacetrackEffect)包風(AirTraps)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受性34Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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)35Copyright2001避免滯流0.51.5(1)36Copyright2001避免滯流1.01.5(2)37Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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38Copyright2001避免噴流噴流(澆口太小,射速太快)扇形澆口使用翼狀澆口39Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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)應確定塑膠流動波前只在充填結束才相遇40Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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41Copyright2001澆口數量及進澆位置確定原則

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。42Copyright2001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43Copyright2001充填流動Case1流動角度(FlowAngle)44Copyright2001充填流動Case2流動角度(FlowAngle)45Copyright2001充填流動Case3流動角度(FlowAngle)46Copyright2001充填流動Case4流動角度(FlowAngle)47Copyright2001充填流動流動角度(FlowAngle)Case548Copyright2001充填流動Case1Case3Case2Case4Case5流動波前(FlowFront)49Copyright2001充填流動Case1Case3Case2Case4充填壓力(Pressure)Case522.933.843.35454.150Copyright2001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4.0℃51Copyright2001保壓狀況Case1Case3Case2Case4體積收縮率(VolumetricShrinkage[%])Case5不平均度1.07(3.52~4.59)不平均度0.92(3.33~4.25)不平均度0.99(2.97~3.96)不平均度0.78(3.01~3.79)不平均度0.4(3.33~3.73)52Copyright2001翹曲變形Case1Case3Case2Case4X向收縮量(DeflectionX)Case51.2731.2531.2421.1951.19553Copyright2001翹曲變形Case1Case3Case2Case4Y向收縮量(DeflectionY)Case50.2320.2280.2250.2250.22154Copyright2001翹曲變形C