第6章 模具设计.docx
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第6章模具设计
第六章模具設計
6-1流道系統
流道系統(runnersystems)將熔膠從豎澆道引導到模穴內,要推動熔膠流過流道系統就需要額外的壓力。
當熔膠流經流道系統時,產生的剪切熱(摩擦熱)使熔膠溫度昇高,有助於熔膠的流動。
雖然適當的流道尺寸對於一個塑件和模具設計有許多好處,但因為其基本原理尚未廣泛深入瞭解,所以流道尺寸設計問題經常被忽略。
一般認為,大尺寸流道可以使用較低壓力推進熔膠流動,但是卻需要較長的冷卻時間,會產生較多的廢料,也需要較高的鎖模力。
反之,適當的小尺寸流道在使用原料和消耗能源等方面可以達到最高效率。
流道尺寸的縮減極限在於射出成形機的射出壓力規格。
模流分析的流道平衡功能可以找出最佳化的流道尺寸,提供良好的流道系統,以合理的壓力降充填平衡的流道和模穴。
設計良好的流道系統有下列好處:
可以決定最佳的模穴數目
確定熔膠可以填飽模穴
可以達成多模穴系統之平衡充填
可以達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
達成能源使用效率最佳化
可控制充填時間/保壓時間/成形週期時間
6-1-1模穴數目之決定
模穴數目的多寡取決於可應用的生產時間、射出機射出量的大小、所需之塑件品質、射出機塑化能力、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助決定模穴數目,應選取三組公式所獲得之最小值作為設計模穴數目。
(1)產品數量
假如塑件尺寸公差的要求不甚嚴格,而且需要大量的成品,則選擇多模穴較恰當。
模穴數目取決於供應一定量塑件所需的時間(tm)、每批次的塑件數量(L)、生產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=L×K×tc/tm
(2)射出量能
射出機的射出量能也是決定模穴數目的一個重要因素,取射出量能的80﹪為射出重量(S),再除以塑件重量(W),即可計算出模穴數目。
模穴數目=S/W
(3)塑化能力
射出機的塑化能力是影響模穴數目的另一個重要因素。
將射出機的塑化能力(P)除以每分鐘估計的射出次數(X)和塑件重量(W),即可計算出模穴數目。
模穴數目=P/(X×W)
6-1-2流道配置
多模穴系統的基本流道配置方式如圖6-1,包括:
標準流道系統(standard,或魚骨形Herringbone)
H形流道系統(H-bridge,或分枝形branching)
輻射流道系統(radial,或星形star)
H形和幅射流道系統提供自然平衡,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。
至於魚骨形流道系統,雖然不是自然平衡,卻比自然平衡系統可以在相同的模具內塞進更多模穴,造成最小的流道體和最低的模具加工成本。
除了採用自然平衡的流道系統之外,不平衡的流道系統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節螺絲,以調整獲得平衡的系統。
模流分析軟體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於塑件尺寸,特別是塑件的肉厚。
豎澆道的設計必須能夠方便可靠地讓塑件脫模,於射出成形時,豎澆道不可以比塑件其他部分的截面更早凝固,如此才能夠有效
圖6-1基本的流道系統之配置
圖6-2是建議的豎澆道設計規範。
不具有銳角的系統有助於塑料的流動,所以,應該將豎澆道根部設計成半徑r2的圓角。
其他的設計規格如下列:
Dco≧tmax+1.5(mm)
Ds≧Dn+1.0(mm)
α≧1°~2°
tan(α)=(Dco–D)/2L
圖6-2豎澆道根部的圓角可以改善熔膠的流動
6-1-4流道截面之設計
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
通常建議採用前三種流道截面設計。
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,卻必須在兩側模板都進行加工,模具加工成本通常較高昂,而且合模時兩側的半圓也必須對齊。
相對地,梯形流道只在母模側加工,其效能也很好,梯形流道通常應用於三板模,因為三板模如果採用圓形流道時,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
對於不同形狀的流道,可以使用做為流動阻力指標的水力直徑(hydraulicdiameter)進行比較。
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,這些係數正好是C-mold軟體之形狀因子(shapefactor)的倒數。
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。
設計流道直徑最初可以根據實驗數據或是下列方程式進行,然後應用模流分析軟體微調流道直徑,最佳化熔膠傳送系統。
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)。
範例說明:
圖6-4和圖6-5所提供實驗數據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3mm,流道長度為200mm,則流道直徑該是多少?
1.根據圖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,與橫軸交於5.8mm處,即為參考直徑D’。
2.使用圖6-5,在流道長度200mm處畫水平線與曲線得到交點,再畫垂直線與橫軸交於1.29,即為長度係數fL。
3.將5.8mm乘上1.29,獲得之流道直徑為7.5mm。
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流道長度與長度係數對於流動直徑的影響
一般無法填充料之塑膠的典型流道尺寸列於表6-1。
表6-1無填充料之塑膠的典型流道尺寸
材料
直徑
材料
直徑
mm
inch
mm
inch
ABS,SAN
5.0-10.0
3/16-3/8
Polycarbonate
聚碳酸脂(PC)
5.0-10.0
3/16-3/8
Acetal
聚縮醛樹脂
3.0-10.0
1/8-3/8
Thermoplasticpolyester
熱塑性聚脂樹脂
3.0-8.0
1/8-5/16
Acetate
5.0-110.
3/16-7/19
Thermoplasticpolyester(reinforced)
補強熱塑性聚脂樹脂
5.0-10.0
3/16-3/8
Acrylic壓克力
8.0-10.0
5/16-3/8
Polyethylene
聚乙烯
2.0-10.0
1/16-3/8
Butyrate
5.0-10.0
3/16-3/8
Polyamide
聚丙烯酸脂
5.0-10.0
3/16-3/8
Fluorocarbon
聚氟碳樹脂
5.0-10.0
3/16-3/8
Polyphenyleneoxide
6.0-10.0
1/4-3/8
Impactacrylic
耐衝擊壓克力
8.0-10.0
5/16-1/2
Polyphenylene
聚丙烯
5.0-10.0
3/16-3/8
Ionomers
2.0-10.0
3/32-3/8
Polystyrene
聚苯乙烯
3.0-10.0
1/8-3/8
Nylon耐隆
2.0-10.0
1/16-3/8
Polysulfone
聚氟乙烯
6.0-10.0
1/4-3/8
Phenylene
6.0-10.0
1/4-3/8
Polyvinyl(plasticized)
聚氯乙烯
3.0-10.0
1/8-3/8
Phenylenesulfide
6.0-10.0
1/4-1/2
PVCRigid
硬質聚氯乙烯
6.0-16.0
1/4-5/8
Polyallomer
異聚合物
5.0-10.0
3/16-3/8
Polyurethane
聚尿素樹脂
6.0-8.0
1/4-5/16
6-1-6熱流道系統
理想的射出成形系統可以生產密度均勻的塑件,而且不需要流道,不產生毛邊和澆口廢料。
使用熱流道系統(hotrunnersystems)可以達成此一目標。
熱流道內尚未射進模穴的塑料會維持在熔融狀態,等充填下一個塑件時再進入模穴,所以不會變成澆口廢料。
熱流道系統也稱作熱歧管系統(hotmanifoldsystems)或無流道成形(runnerlessmolding)。
常用的熱流道系統包括:
絕熱式和加熱式兩種。
使用絕熱式流道(insulatedrunners)的模具,其模板有足夠大的通道,於射出成形時,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(heatedrunners)系統有內部加熱與外部加熱兩種設計。
內部加熱式如圖6-6(b),由內部的熱探針或魚雷管加熱,提供了環形的流動通道。
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部的流動通道,並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缺點。
表6-2各種流道系統之優缺點
熱流道種類
優點
缺點
絕熱式
設計較簡單
成本較低
會在澆口處產生不必要的凝固層。
必須以短週期時間維持熔融狀態。
需要較長的起動時間以到達穩定的熔膠溫度。
有充填不均之問題。
內部加熱式
改善熱分佈情形
成本較高,設計較複雜。
應注意流動平衡和複雜的溫度控制。
應考慮模具的不同組件之間的熱膨脹。
外部加熱式
改善熱分佈情形
溫度控制較佳
成本較高,設計較複雜。
應考慮不同的模具組件之間的熱膨脹。
圖6-6熱流道系統之種類:
(a)絕熱式、(b)內部加熱式、和(c)外部加熱式。
6-2流道平衡
如果可能的話,應使用自然平衡流道系統來平衡進入模穴的熔膠流動。
讓熔膠平衡地流入模穴是高品質塑件之先決條件,藉由改變流道的尺寸與長度可以達成自然平衡的流道系統。
假如無法達成自然平衡之流道系統,可以改用人工平衡流道系統,經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,進一步影響塑件的均質。
應用模流分析軟體的流道平衡工具,可以使人工平衡流道系統變得更節省時間和成本,並且獲得平衡充填的塑件,參閱圖6-7。
圖6-7人工平衡流道系統之成形塑件
要平衡流道系統,促成熔膠流向距離豎澆道最遙遠的模穴,可以縮減充填其他模穴的流道口徑。
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,應該牢記非標準規格的流道口徑會增加模具的製作成本與維修成本。
人工平衡流道系統有可能因為塑料差異就射出不同品質的塑件,所以需要更嚴謹地控制成形條件。
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。
在流道設計的最終階段,模流分析軟體可以協助確認流動速率對於流道系統設計的敏感度,並且決定適當的成形條件。
例如,使用魚骨形流道系統時,不同的進澆速率會造成不同充填模式。
一般而言,低進澆速率將先充飽遠離豎澆道的模穴;高進澆速率則先充飽靠近豎澆道的模穴。
原因在於低進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他部分,等到流道系統內充滿熔膠之後,上游的第一個澆口因部分熔膠凝固而產生較大的流動阻力,於是,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的流動模式
6-2-1流道設計規則
流道設計對於塑件品質與產能有絕對的影響,本節之流道設計規則提供了流道設計的基本規範。
(1)在流道尺寸方面,流道截面面積不應該小於豎澆道截面面積,以便熔膠可以快速流到澆口區域。
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。
選擇冷流道口徑應考慮能夠使用標準刀具加工者優先。
對於大部分的塑料,建議流道最小直徑為1.5mm(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6-1。
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)每當流道有分支,其分支流道的直徑應該要小於主流道的直徑,因為只有較少量的熔膠會流進分支。
而且,從經濟觀點而言,應減少流道內的的熔膠量,以減少廢料。
當主流分流到N個分支流道時,主流道直徑(dmain)和分支流道直徑(dbranch)的關係為:
dmain=dbranch×N1/3
(3)考慮熔膠溫度,一般而言,小尺寸流道比大尺寸流道為佳,其可以產生較大量的黏滯熱,有效地提昇熔膠溫度,而不必採用高溫料管。
不當地應用高溫料管可能會導致塑膠裂解。
然而,小尺寸流道系統有可能提前凝固,造成短射。
(4)所有的流道必須在交接處設計一冷料井(coldslugwell),幫助熔膠流進流道系統和模穴。
圖6-9顯示冷料井的長度通常等於流道直徑。
流道與另一分支流道相交處,通常在流道延伸處設置冷料井。
圖6-9冷料井
(5)流道的設計必須顧及頂出和脫模的方便性,提供適當的剖面和脫模斜角。
對於大部份的塑料而言,必須將流道表面拋光,以方便熔膠流動和頂出塑件。
加長的流道系統應該採用多豎澆道拉桿(multiplespruepullers)和多重頂出位置。
(6)設計熱澆道系統時,應諮詢塑料供應商,以確定正確的歧管尺寸和進澆量。
6-3澆口設計
澆口是熔膠流進模穴處的小開口,一個塑件的澆口設計包括澆口種類、尺寸和位置。
澆口設計受到塑件設計、模具設計、塑件規格(例如外觀、公差、同軸性)、成形塑料、填充材料、模板種類、和經濟因素(模具加工成本、成形週期、允許之廢料量等)的影響。
澆口設計對於塑件的品質和產量的影響甚鉅。
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,否則最好採用單澆口。
多澆口系統通常會產生縫合線和熔合線的問題。
單澆口系統可以確保材料、溫度的均勻分佈和均勻的保壓,以及較佳的分子鏈配向性。
雖然單澆口系統模具的最初加工成本較高,但是廢料少,塑件品質佳等結果使其值回票價。
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。
由於澆口處的塑料凝固可以視為保壓階段的結束,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澆速度進澆,使用較高的保壓壓力進行較長時間的保壓,以提高塑件的材料密度。
假如必須考慮塑件的外觀、低殘留應力和較佳尺寸穩定性等因素,就應該選用較大的澆口。
圖6-10澆口各個尺寸之名稱
澆口位置之選擇,應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度的區域。
另外,熔膠流動的高壓力和高流動速度使得澆口附近產生極高的殘留應力,所以應將澆口設置在遠離塑件承受外來高應力的區域。
澆口應遠離塑件之薄截面區域或肉厚突然變化區域,以避免遲滯現象或產生凹痕與空洞。
6-3-1澆口種類
澆口有許多類型,根據去除澆口方式方類可以區分為人工去除式澆口(manuallytrimmedgates)和自動去除式澆口(automaticallytrimmedgates)。
(A)人工去除式澆口
人工去除式澆口需要作業員二次加工切除澆口,其使用的原因包括:
澆口太大,必須移到模具外面再予以剪除。
對於剪切應力很敏感的塑料(例如PVC),應避免採用自動去除式澆口。
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、重疊式澆口、扇形澆口、盤狀澆口、環狀澆口、輻狀澆口、和薄膜澆口。
(1)直接澆口
直接澆口(directgate)又稱為豎澆道澆口(spruegate)如圖6-11,通常使用於單模穴模具,塑料以最小的壓力降直接從豎澆道填入模穴。
此類澆口於剪除後容易在塑件表面留下澆口痕跡。
直接澆口的凝固受控制於塑件肉厚,而不是澆口厚度。
通常塑件在接近直接澆口區域的收縮不大,但在直接澆口處有大量的收縮,結果造成澆口處的大量拉伸應力。
直接澆口入口端的直徑與射出機噴嘴直徑有關係,此澆口入口直徑必須比射出機噴嘴直徑大1mm以上。
標準豎澆道襯套具有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1.5mm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;太大的錐角則浪費塑料,並且加長冷卻時間。
非標準錐角的豎澆道加工成本較高,卻沒有什麼好處。
圖6-11直接澆口
(2)凸片澆口
凸片澆口(tabgate)如圖6-12,通常使用於扁平塑件或薄塑件,以減小模穴內的剪應力。
澆口周遭的高剪應力只發生在輔助凸片,並且將於成形後剪除。
凸片澆口經常應用於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
側邊澆口(edgegate)又稱為標準澆口(standardgate),如圖6-13所示,通常位於模具的分模線上,而且從塑件的側邊、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0.4~6.4mm,寬度為1.6~12.7mm,澆口面長度不應超過1.0mm,最佳值為0.5mm。
圖6-12凸片澆口圖6-13邊緣澆口
(4)重疊澆口
重疊澆口(overlapgate)與邊緣澆口類似,如圖6-14所示,但是重疊澆口與塑件側壁或表面有重疊。
重疊澆口通常用來防止噴流效應。
典型重疊澆口尺寸為0.4~6.4mm厚,1.6~12.7mm寬。
(5)扇口澆口
扇形澆口(fangate)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,並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行充填。
如同其他的人工去除式澆口,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0.25~1.6mm,寬度從6.4mm到模穴側邊長度的25%。
(6)盤狀澆口
盤狀澆口(diskgate)又稱為薄膜澆口(diaphragmgate),如圖6-16所示,常用在內側有開口的圓柱體或圓形,並且需要高度同軸性的塑件,或是不容許有縫合線的塑件。
基本上,盤狀澆口是在塑件的內緣使用毛邊狀的澆口,熔膠從同軸的豎澆道充填進入模穴,很容易獲得熔膠均勻流動的塑件。
盤狀澆口厚度通常是0.25~1.27mm。
圖6-14重疊澆口圖6-15扇口澆口
(7)環狀澆口
環狀澆口(ringgate)如圖6-17,也應用於圓柱體或圓形塑件,塑料先沿著模心環繞,然後再沿著圓管向下充填。
環狀澆口並不適用在所有的塑件。
環狀澆口的厚度通常為0.25~1.6mm。
圖6-16盤狀澆口圖6-17環狀澆口
(8)輻狀澆口
輻狀澆口(spokegate)如圖6-18,也稱為四點澆口(four-pointgate)或者十字澆口(crossgate),它適用於管狀塑件,具有容易去除澆口和節省塑料的優點。
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0.8~4.8mm厚,1.6~6.4mm寬。
(9)薄膜澆口
薄膜澆口(filmgate)如圖6-19,又稱為毛邊澆口(flashgate),薄膜澆口與環狀澆口類似,但使用於邊緣平直的塑件,它具有平直的澆口,澆口寬度可以跨接整個模穴邊緣或是部份的模穴。
薄膜澆口適用於壓克力塑件,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0.25~0.63mm,寬度大約為0.63mm。
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。
它們應用於:
避免去除澆口的二次加工。
維持均一的週期時間
使澆口痕跡最小化。
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(pingate)如圖6-20,通常應用於三板模,其流道系統位於模板的一組分模線上,塑件模穴接在主要分模線上。
具有倒錐角的澆口在平行於模板運動方向穿透中間模板。
當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0.25~1.6mm。
(2)潛式澆口
潛式澆口(submarinegate)或稱為隧道澆口(tunnelgate)、鑿子澆口(chiselgate),如圖6-21所示,使用於兩板模,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。
於頂出塑件和流道時,澆口會與塑件分離。
典型的潛式澆口直徑為0.25~2.0mm,澆口由粗變細,直到成為球狀端點。
假如塑件的非功能區具有大直徑的針狀特徵,可以將它與潛式澆口連接,以減低加工成本。
假如針狀特徵發生在隱藏面,亦可以不將他去除。
將多重潛式澆口設計在圓柱體的內面,可以取代盤狀澆口,並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-runnergate)或稱為熱探針澆口(hot-probegate),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入模穴,以產生無流道的塑件。
其保壓週期受控制於塑件澆口附近的凝固情形。
當模板打開時,相當高溫的塑料將自模穴撕開。
(4)閥式澆口
閥式澆口(valvegate)如圖6-23,在熱流道澆口內增加一針桿,以便在澆口凝固之前關閉澆口。
它可以應用在較大的澆口而不會產生澆口痕跡。
因為保壓週期受控於針桿,閥式澆口可以得到較佳的保壓週期和較穩定的塑件品質。
圖6-22熱流道澆口圖6-23閥式澆口
6-3-2澆口設計原則
設計恰當的澆口可以均勻迅速、單一方向地傳送熔膠以充填模穴,並且