塑膠模具設計(初級篇)

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塑膠模具是用來生產塑膠製品的工具,在設計製造模具之前.必須對各種常用塑膠的特性有充分瞭解和掌握.才能精確控制模具尺寸與塑膠件尺寸及成型條件之間的內在關係.才能設計出優秀的模具,常用熱塑性塑膠之特性如下:
塑膠    特性    縮水率%    排氣槽深度(mm)    模具設計注意事項
ABS(苯乙烯丁二烯丙烯睛共聚體)    1.    非結晶性塑膠吸濕性強要充分乾燥
2.    流動性中等注意結合線
3.    宜用高料溫高模溫壓力較高    0.4--0.5    0.01—0.03    1.    澆注系統阻力要小注意膠口位子大小
2.    脫模斜度2∘以上
HIPS(改性聚苯乙烯)    1.    吸濕性小不易分解性脆易裂內應力
2.    流動性好    0.5    0.01—0.03    1.    壁厚一致圓角
2.    脫模斜度2∘以上頂出平衡
3.    澆口圓滑行式各異
PC(聚碳酸酯)    1.    熔融沾度高須高溫高壓
2.    易應力裂痕
3.    較硬易損傷模具
4.    不易出現溢料
5.    有一定機械強度尺寸穩定耐熱透明有自滅性耐燃燒無毒    0.4—0.6    0.02—0.03    1.    高溫高壓成型
2.    充分乾燥
3.    分流道內澆口阻力小
4.    壁厚一致避免金屬鑲嵌
PP(聚丙烯)    1.    成型性優良
2.    易彎曲變形
3.    耐衝擊機械強度高    1.2—2.0    0.005—0.03    1.    絞鏈產品澆口設計
2.    注意縮孔變形
硬PVC(聚氯乙烯)    1.    熱穩定性差流動性差
2.    成型與分解範圍相近停機易分解
3.    腐蝕模具(氯氣)
4.    外觀易老化變壞    0.7    0.01—0.03    1.    控制料溫
2.    分流道內澆口阻力小
3.    模具表面處理(鍍鉻)
POM(聚縮醛)    1.    易分解
2.    澆口處易出現料痕
3.    收縮大易縮孔變形
4.    未冷卻便可取產品    1.8—2.5    0.01—0.02    1.    分流道內澆口阻力小防料痕與氣孔
2.    須治具
3.    須控制成形條件溫度
NYLON(尼龍)    1.    沾度低流動性好易溢邊
2.    收縮率不穩定
3.    易沾模
4.    熔融前很硬易損傷模具螺桿    1.5—2.5    0.005—0.02    1.    防溢邊精度高
2.    防止縮孔注意頂出機構
3.    注意流綖
PBT(聚對苯二甲酸二丁酯)    1.    電氣性能佳
2.    流動性好有光澤
3.    抗油性、抗化學品性能優良。    1.5—2.0    0.005—0.015    1.    模具精度高注意溢邊
2.    注意控制模溫
AS    1.    流動性成型性好
2.    產品易裂
3.    不易溢邊    0.4—0.5    0.02—0.04    1.    注意脫模以防裂紋
2.    避免側凹脫模斜度1∘以上
PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)    1.    流動性差易產生流痕高壓成型
2.    光學產品須注意透明度及樹脂分解    0.4—0.5    0.02—0.03    1.    脫模斜度盡可能大
2.    控制料溫模具溫度
3.    澆道必須利於料流流動
在實際研發和生產中,產品設計師與模具設計師往往不屬於同一人,這就造成各人會按自己的立場去設計完美自己的產品.如果兩者在各自領域不是很瞭解,將有可能設計出來的產品在模具結構和製造工藝上造成不可行性.塑膠製品的設計不僅要滿足使用要求,而且要符合塑膠的成型工藝特點,並且盡可能使模具結構減化.這樣可使成型工藝穩定,保證塑膠製品的質量,又可使生產成本降低,設計時考慮如下:
1.    塑膠的性能 塑膠的物理力學性能和工藝性能
2.    成型方法   要視具體的成型工藝來確定設計方案
3.    模具結構和製造工藝 有利於模具結構的簡化和製造
設計內容主要包括: 幾何形狀 尺寸精度 表面質量
幾何形狀: 形狀 肉厚 脫模斜度 加強肋 支撐面 圓角 孔 螺紋 嵌件
1.    形狀 盡量避免側壁凹槽或脫模方向垂直的孔,設計成球面或帶凸緣形狀可提高強度與剛性.
2.    肉厚 滿足使用和成型條件,力求勻稱,以防內應力.
3.    脫模斜度 為便於脫模,其大小與塑膠性能,縮水率,形狀,肉厚有關.注意:
(1)    精度要求高,尺寸較高部位脫模斜度較小.
(2)    形狀復雜,不易脫模處脫模斜度較大.
(3)    一般母模側斜度比公模側脫模斜度大.
方向:   內孔以小端為准,外形以大端為准,脫模斜度不包括在產品公差範圍內.
4.    加強肋 可確保產品的強,度剛度,又不至於使產品的厚度過大.在適當位置設置可避免塑件變形改善料流方向.
5.    支撐面 凸邊或凸點為支撐面,可增加產品剛度和平穩度.
6.    圓角 在轉角處盡可能採用圓弧過渡,可避免應力集中,提高產品強度,改善料流狀況及便於脫模.一般外半徑R1=1.5肉厚 ,內半徑R=0.5肉厚.
7.    孔 通孔,盲,螺紋孔,不影響產品強度,形狀簡單,簡化模具製造工藝.須注意孔與孔,孔與壁之間間距.
8.    螺紋 可直接成型,也可成型後機械加工.對經常裝卸或受力較大之螺紋採用金屬鑲嵌件.注意:
      外螺紋牙型不宜過細,直徑不宜小於4MM,內螺紋牙型不宜小於2MM,牙距須考慮收縮率.螺紋始端和末端須設計過渡長度,以防崩裂變形.
9.    嵌件 在產品中鑲入金屬或其他材料形成不可卸連接,可提高機械強度及耐磨性,保證電氣性能,增加產品形狀及尺寸的穩定性,提高精度.注意:
包裹層不可太薄,必須保證鑲件在模具內固定的牢靠性.
尺寸精度: 材料縮水率和模具製造誤差是主要因素
1.    成形材料成形條件 2塑件形狀   3模具   主流道尺寸 料流方向 分型面 模具製造誤差及磨損   4成型後的條件   測量誤差 存放條件
表面質量: 黑點 白點 條紋 縮水 氣泡 色差 光澤性行(鏡面) 粗糙度(蝕紋) 文字
                      二. 一般塑模設計及加工
  塑膠模具之設計與製造,是一種高度專門化的技術範圍.一個模具師在他的工作範圍內要熟練的話,需要經過幾年的刻苦磨練.在塑膠工業開始要蓬勃發展之時,熟練模具人才之缺乏就已經是一個嚴重的問題.現在想要在這方面一展抱負之模具人才,依然有多數就業機會在等他.因模具是一精密昂貴的設備,同時從設計到加工完成.須數月時間.而每一套模具的設計,都要因產品的需要而作靈活運用,因此其結構上的每一細節,都須仔細考量和詳加研究.假如現在我們接到一項開模通知單,將如何來展開開模動作呢?下面我們就一起一步一步來學習:
1.一般塑模結構簡介:
  首先讓我們來瞭解一下一套模具的基本結構(附模型)及作用(口述),如下圖:

模具的幾個常用名詞:
1.    溶注口或水口(sprue)
塑膠由此進入模腔內,亦稱主流道.溶注口瀙套連接噴嘴與模具,已形成標準件.有些母模板較薄的模具,不須瀙套,直接在模具上鑽出溶注口.
2.    冷料穴(cold-slug well)
噴嘴最前端的熔融塑膠溫度較低,形成冷料渣.在進料口的末端公模仁上開設洞穴,以防止冷料渣進入模腔,造成堵塞流道.減緩料流速度,產品上形成冷料痕結合線.
為了開模時從瀙套內拉出冷凝料,一般在冷料穴末端設置拉料桿(頂針上).
3. 分流道(runne)
  分流道是主流道的連接部分,是塑膠流入模腔的通道,它可在壓力損失最小的條件下,將主流道內的塑膠以較快的速度送到澆口處,其主要類型有:圓形.半圓形.矩形.梯形. 要求分流道的表面積或側面積與其截面積的比值為最小.
4.    柵門(gates)
亦稱澆口,是分流道和型腔之間連接部分,也是澆注系統的最後部分.其作用是使流道內熔融塑膠以較快速度進入模腔.型腔充滿後澆口能很快冷卻封閉,防止型腔內未冷卻料回流.其類型.位置.形狀.多種多樣.主要有:盤形.扇形.環形.點狀.側進膠.直接進膠.潛伏進膠.

5.    排氣槽(vent)
當模具完全閉合時,模腔與澆道內充滿空氣.注射時必須將空氣排出模具以外,否則將產生燒焦,填充不滿,毛邊,氣泡,銀線等不良.排氣槽的形式,大小.深度因材料和模具結構不同而異(如上表),其方法主要有:
分模面排氣法,頂針排氣法,鑲件排氣法,水路排氣法,真空排氣法.
6.    頂出系統(Ejection device)
是將產品從模具上脫出之裝置,亦稱脫模機構.是模具的重要組成部分,其形式和推出方式因產品形狀,結構和塑膠特性有關,其零件有頂針,推板,頂出塊,斜梢,司筒,油缸或氣缸,齒輪等,它與模仁之間是間隙配合,表面積盡可能大,設在不影響外觀和功能處,注意脫模平衡.
7.    模穴模仁(Mold cavity)
模穴是在模板上挖框,,以便埋入模仁,主要是節省材料和加工方便方面考慮.有些分模面斷差大的模具母模側,會不挖模穴直接在模板上加工產品部分.模仁主要指模具的產品部分,其精度,材質要求比模胚部分要高,其形狀,形式對不同的模具有不同的要求,為整套模具最重要部分.
8.    模具鋼(Mold Steel)
一套模具外觀看似乎都是一樣的鋼鐵,其實它的各部位因要求不同必須使用不同之材質,模具鋼之選擇對模具壽命,加工性,精度等影響很大.模具鋼材料因模具之構造塑膠產品要求不同而異.選材要求主要如下:
1.    采購容易
2.    機械加工性優良
3.    耐磨,耐腐蝕,耐熱性好
4.    組織細密一致,無針孔等內部缺陷
5.    適合熱處理變形小
6.    經濟,降低成本又能滿足使用要求
模具與成型設備之關係
模具要生產,必須架設在相應的成型設備上才能發揮其作用.所以從廣義上講,模具也是成型機的一個組成部分.兩者之間相輔相成,互為關聯.在模具設計中必須瞭解此模具生產中適用機台之相關規格.才能設計出符合要求之模具:
1.    注射機型號及生產廠商
2.    最大注射量
3.    最大鎖模力
4.    噴嘴球面半徑及噴嘴孔徑
5.    定位孔直徑
6.    頂桿間距座標
7.    閉合高度(最大最小)
8.    注塑機能配合的脫模方式
9.    注塑機開模行程及開距
10.    其他相關要求
模具設計思路
一套模具的好壞,可以說一半取決於設計.而一套模具設計的好壞,牽涉面極廣,除了要求設計者有豐富的模具方面理論知識和經驗外,對設計前的周詳檢討與思考也同樣重要:
1.    瞭解產品圖----是否具備開模條件:脫模斜度,收縮變形,能否頂出.
2.    確認產品材質----塑膠材料種類繁多,確定材質以決定收縮率,瞭解流動性以決定注口及澆道設計.
3.    模具材質----根據不同之塑膠及產品要求,來正確選擇模具鋼,以便達到品質及模具壽命要求,這要求設計者對塑膠和鋼材有足夠瞭解.
4.    成型機規格----瞭解夾模壓力,注射容量,裝模高度,定位環尺寸,噴嘴半徑,托模孔位置.
5.    模穴及其排列----由產品的投影面積,形狀,精度,產量及效益來確定.各方面互相協調制約,多方面考慮來達到一最佳組合,並確定模胚和標準件.
6.    澆道方式----熱澆道,絕熱澆道,無澆道,直接進膠(二板模),間接進膠(三板模)及其他方式.
7.    澆口方式----種類繁多,因需求而異,須注意澆口是否有外觀要求及流動,平衡,結合線,排氣等問題,.澆口型號尺寸是否足以充滿整個產品.
8.    分模面----為模具設計重要環節,由設計師靈活運用,須考慮產品外觀,頂出方式,模具加工等
9.    模仁----須考慮外觀,加工方式,模具強度,脫模方式,冷卻方式,流動性,排氣等問題.
10.    側凹----有滑塊,油(氣)缸,馬達,斜梢,強行脫模及其他特殊方式,此部分變化最多,最復雜之設計.
11.    頂出----多種方式,頂針.扁梢.司筒.托板.滑塊.二段頂出.油(氣)壓.注意脫模平衡,模具強度,外觀,功能,冷卻效果.
12.    排氣----對保證產品品質至關重要,利用多種形式進行排氣,注意防止產品真空吸附及模具拉不開.
13.    冷卻----冷卻對模具生產影響很大,而設計工作較繁雜,既要考慮冷卻效果及冷卻一致性,又要考慮冷卻系統對模具整體結構的影響.
14.    加工方式----所有模具設計都須確實考慮模具加工可行性,才有實用價值.否則將脫離現場模具製造經驗而成為一次失敗的設計.
15.    模具圖----按上述構思進行繪製模具圖,含組立圖,零件圖及相關之加工用圖.在繪製過程中進一步完善模具各系統之間協調,以趨完美.
16.    校對審核----模具設計完成,必須協同客戶及相關人員進行校對審核,以對總體結構,加工可行性及繪圖過程中的疏漏作一全面檢查,徵求客戶意見,避免因設計失誤造成模具製造和使用困難,甚至報廢.
模具加工常識
一套設計再好的模具,如果在加工時不能達到設計要求,將嚴重影響整套模具之質量和壽命.這是現場模具師的責任,也是設計者必須瞭解的加工可行性重點.根據模具的難易程度,我們必須選擇不同的加工方法來達到加工效果,總體來說,可分為傳統加工和特殊加工:
傳統加工
銑削,車削,磨削,鑽削,氬焊,鉗工,一般熱處理等.
特殊加工
火花放電,線切割,CNC加工,化學腐蝕,雕刻,鐳射,特殊熱處理,表面處理電鑄電鍍壓鑄等.
模具的加工過程,要靠加工者豐富的現場經驗和熟練的操作技巧及先進的設備來保證.它可以引深為另一門專業學科,對於我們設計者來說,不要求精通每一個加工過程和細節,但必須結合工廠實際,清楚每一種加工工序,充分瞭解加工可行性,才可在低成本下設計出符合要求之模具.避免因模具設計缺陷造成模具質量問題.
模具設計規範表
客

戶    公司名稱   
   地址   
   交貨地點   
產



品    品名   
   材質   
   收縮率   
   顏色    透明,不透明,色名
   成品單重    克
   成品投影面積   
成


型


機    成型機廠商   
   形式    立式,臥式,直角式,轉盤式,偏心式,雙(多)色式
   射出量    克
   合模力    噸
   托模孔間距    標準
   頂桿直徑    毫米
   裝模高度    毫米(最大,最小)
   定位環孔孔徑    毫米
   噴嘴孔徑    毫米
   噴嘴端R    毫米
模

具

構

造    模具構造形式    二板式,三板式,二次分模,無流道,特殊構造
   模穴    1, 2, 4, 8, 16
   分模面    單分模面,復雜分模面
   頂出    頂針,剝料板,司筒,氣(油)缸,斜梢,滑塊,復合式,二次頂出
   流道    一般,絕熱,加熱,圓形,U形,梯形,方形,半圓形
   噴嘴    一般,加長,絕熱,內部加熱
   澆口    側狀,潛狀,點狀,扇形,凸狀
   側凹    斜梢,滑塊,油缸
   冷卻或加熱    冷凍水,模溫機
   回位    強迫,彈簧,油缸,拉桿,其他
其

他

資

料    特殊加工    放電,線割,電鑄,壓鑄,電鍍,蝕紋,雕刻
   模具主要材質    718.NAK80.P20.SKD11.SKD61.S55C.
   熱處理    淬火,回火,退火,氮化,碳化,調質
   實物(樣品)   
   圖面(圖檔)    2D. 3D
   試模    T1 T2 T3
   模具尺寸    長X寬X厚
   模具重量    公斤
   模具價格    成本價.商品價
   模具壽命    1萬，10萬，30萬，50萬，100萬
      
      
模具設計檢查表
   注意事項
品質    模具材質,硬度,精度,構造,是否符合要求
產品    1.    塑膠的流動,收縮,結合線,裂紋,脫模斜度,流痕等關係產品外觀事項
2.    在產品功能,外形等容許範圍內盡量簡化加工
3.    收縮率計算是否得當,是否會變化
成型機    1.    注射量,射出壓力,合模力是否充分
2.    模具能否正確安裝於成型機上
3.    產品從成型機上取出是否順利
4.    成型機噴嘴與模具定位環瀙套是否能正確接觸
5.    頂出系統是否正常
分模線    1.    位置是否適當,是否容易長毛邊,開模時是否沾模
2.    是否對模具加工,產品外觀有影響
頂出機構    1.    頂出方式對產品是否合適
2.    位置是否理想,數目是否合適,脫模是否平衡
3.    剝料板是否易卡住模心
溫度控制    1.    溫控器能量是否充分
2.    冷卻回路的大小,位置,數量是否合適
3.    冷卻介質是否合適
側凹處理    1.    方法是否合適
2.    側向機構是否會與頂出,回位機構干涉
流道澆口    1.    形狀是否合理
2.    位置,大小是否合適
3.    主流道,橫流道尺寸,形狀是否合適
裝配圖    1.    模具大小,強度是否適當
2.    模具各相關零件配置是否合適
3.    裝備圖的繪製是否明確合適
4.    各零件是否注明裝配位置
5.    必要零件是否全部記入
6.    必要的規格欄,標題欄是否明確標明
零件圖    1.    零件號,名稱,數量是否正確記入
2.    必要時是否使用標準品或市購品
3.    配合公差,表面精度,粗糙度是否明確標示
4.    精度要求高的部分是否考慮再修正之可能
5.    是否有不必要之過剩精度要求
6.    模具鋼材的選用是否適合零件的機能
7.    是否以注明熱處理,表面處理及表面特殊加工之要求
8.    模仁及基準是否已標明
9.    各零件之加工方法是否已注明
圖紙表示    1.    現場作業者是否能看懂圖面的標示
2.    圖面是否重複或有欠充分
尺寸    1.    現場作業者是否無須再作計算
2.    文字,數字,尺寸,標注位置是否明確合適
加工考慮

加工考慮    1.    檢討加工方法是否適合模具結構
2.    是否可能而且容易,如可能但加工極難,可否變更設計
3.    特殊加工及工程指令是否充分
4.    對加工與裝配之基準是否已標示
5.    是否考慮熱處理等加工引起的變形
模具檢查表
  檢查部位    項目    檢查部位    項目
產品部分    1.    表面質量
2.    鉗工修正
3.    合模面
4.    斜度
5.    肉厚6.    形狀    側凹    1.    滑動配合
2.    滑動行程
3.    定位裝置
4.    斜梢與斜梢孔配合
流道    1.    尺寸形狀
2.    表面光潔    冷卻系統    1.    水壓試驗
2.    位置大小數量
注道    1.    與噴嘴接觸2.    孔徑    溫控器    1.    與模具的嵌合
2.    位置數量能量
3. 絕緣電阻試驗
澆口    長寬深    分模面    1.    表面加工
2.    間隙配合
導柱    1.    與導套配合間隙
2.    配合有效長度    模胚    1.    外觀
2.    托模孔徑與孔距
頂出機構    1.    動作情形
2.    頂出行程
3.    頂針配合間隙
4.    回針配合間隙    其他    1.    模具標記及基準
2.    吊環孔
3.    各部定位塊
4.    圖面要求的其他事項
三, 試模與維護
試模
產品的品質與成型機性質,模具設計及加工成型條件有關,其中一項不當時, 便得不到良好的產品.以現有的成型機,預估成型條件,來設計模具.若不實際成型,也很難保證其效果好壞.通常是模具加工完成後,進行試模,以檢討產品外觀,尺寸,功能是否適合設計和使用要求.試模或產品中的不良原因,可能由模具本身或成型條件聯合引起所致,須充分檢討後再修改,一般情況下成型條件較易變更,故显粄整成型條件,無法解決時再修正模具,模具設計人員應參加試模工作,以便發現問題及提出修改意見.
1.    試模前必須對成型機進行全面檢查,確保機台工作正常.
2.    確認原料正確,並正確加熱到注射溫度.
3.    開始試模時原則上先低壓,低溫和較長時間條件下成型,然後按壓力,時間,溫度這樣的順序變動.最好不要同時變動2個或3個工藝條件.以便分析判斷情況.
4.    可選用高速和低速兩種工藝,壁薄大面積宜用高速注射,壁厚小面積者宜用低速注射.優先採用低速成型,
5.    對於粘度高和熱穩定性差之塑膠,注意螺桿轉速及背壓,噴嘴溫度太低太高時採用每成型一模座後移之方式.以防斷澆道及流涎.
試模過程中應作詳細記錄,填寫試模記錄卡,檢討模具問題點,提出還修意見,在樣品上作相應標示.以作修模參考.
維護
模具在生產過程中會產生磨損和不正常之損壞,而其中操作不當引起的模具故障占大多數,如夾模,碰傷,生銹,鑲嵌件未放好等.
1.    鑲柱或導柱碰彎.
2.    產品部分局部受傷,大部分還是好的.
3.    模具鋼材硬度太低,零件精度太差,使用一段時間後長毛邊,尺寸偏差.
4.    模具生產一段時間後,客戶提出工程變更,在原有基礎上作外觀和尺寸修改.
  在這種情況下,並不須要將整套模具報廢,只須局部修復既可,修模之前,必須充分研究模具圖紙,模具結構,材質,熱處理狀態及模具損傷原因,考慮各種修模方案,取最佳方案實施.最重要的是杜絕同樣的故障再次出現,切忌腳痛醫腳頭痛醫頭.

远州李宁

为什么是繁体字，难道是台湾的技术文件？