第6章 模具设计.docx

1、第6章 模具设计第六章 模具設計6-1 流道系統流道系統(runner systems)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

2、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

3、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

4、 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

5、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) 1 2 tan() = (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

6、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(hydraulic diamet

7、er)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(shape factor)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：

8、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 3 mm，流道長度為 200 mm，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 5.8 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於 1.29，即為長度係數 fL 。3. 將5.8 mm 乘上1.29，獲得之流道直徑為7.5 mm 。 圖 6-4 材

9、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-。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3.0-8.01/8-5/16Acetate5.0-110.3/16-7/19Thermoplastic

10、 polyester (reinforced)補強熱塑性聚脂樹脂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耐衝擊壓克力8.0-10.05/16-1/2Polyphenylene聚丙烯5.0-10.03/16-3/8Ionom

11、ers2.0-10.03/32-3/8Polystyrene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6.0-8.01/4-5/166-1-6

12、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(hot runner systems)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(hot manifold systems)或無流道成形(runnerless molding)。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(insulated runners) 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，

13、如圖6-6(a)所示。加熱式流道(heated runners)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

14、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

15、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

16、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

17、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 1.5 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 515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(3) 考慮

18、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(cold slug well)，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(multi

19、ple sprue pullers)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

20、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

21、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(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

22、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（direct gate）又稱為豎澆道澆口（sprue gate）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

23、嘴直徑有關係，此澆口入口直徑必須比射出機噴嘴直徑大 mm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1.5 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（tab gate）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P

24、C、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（edge gate）又稱為標準澆口（standard gate），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0.46.4 mm，寬度為1.612.7 mm，澆口面長度不應超過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) 重疊澆口重疊澆口（overlap gate）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

25、效應。典型重疊澆口尺寸為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0.251.6 mm，寬度從6.4 mm到模穴側邊長度的25%。(6) 盤狀澆口盤狀澆口（dis

26、k gate）又稱為薄膜澆口（diaphragm gate），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0.251.27 mm。 圖6-14 重疊澆口 圖6-15 扇口澆口(7) 環狀澆口環狀澆口（ring gate）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0.251.6 mm。 圖6-16 盤狀澆口 圖6-17 環

27、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0.84.8 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

28、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（pin gate）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

29、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 0.251.6 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 2.0 mm，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

30、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-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（valve gate）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