模具設(shè)計(jì)原則ppt課件

1、模具設(shè)計(jì)原則1鑄件精度之主要變因模具製造精度材料收縮率：與產(chǎn)品形狀、模具設(shè)計(jì)方案、成形條件有關(guān)成形條件如模溫、頂出溫度、射出壓力等模具零件熱變形、磨耗、熔損或移位，以及毛邊附著在零件上造成製品形狀變動(dòng)成形設(shè)備硬體剛性及精度頂出銷尺寸及位置安排不當(dāng)、滑塊構(gòu)造不當(dāng)?shù)仍斐僧a(chǎn)品變形2影響壓鑄件尺寸之變因3基本產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則在滿足功能要求的條件下儘量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，並考慮降低模具設(shè)計(jì)的困難度及成本。薄而大面積的平面易產(chǎn)生撓曲變形，應(yīng)儘量避免，如果必須採(cǎi)用，就應(yīng)以肋條等方式達(dá)到輔助流動(dòng)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)之效果，並特別注意製程之溫度控制，避免冷卻不均。採(cǎi)用漸變、圓角等方式，避免厚度及流動(dòng)方向的劇烈改變。設(shè)法讓料頭、毛邊等用

2、沖壓模就可輕易的移除。需後加工處要留足夠的加工餘量，並考慮可伸進(jìn)加工的方向及空間。4壁厚設(shè)計(jì)原則以筆記型電腦外殼而言，不同大小的液晶顯示器(LCD)所對(duì)應(yīng)的電腦外殼面積約略如下：6.1 LCD (A5)：230 cm210.4 LCD (B5)：520 cm211.3 LCD：570 cm212.1 LCD (A4)：660 cm213.3 LCD：720 cm214.1 LCD：775 cm2目前A5及B5尺寸的筆記型電腦LCD背板外殼壁厚最薄可達(dá)0.60.8 mm，A4一般約為1.2-1.5 mm，最薄約0.8-1 mm，而13.3及14.1最薄可達(dá)1-1.2 mm。5線性公差同一模仁部分

3、所鑄出形狀之線性公差圖中E1如下表。例：某一線性尺寸100 mm，其標(biāo)準(zhǔn)及精密級(jí)線性公差為：標(biāo)準(zhǔn)級(jí)：(0.25) + 3(0.025) = 0.325精密級(jí)：(0.05) + 3(0.025) = 0.1256分模線公差跨越分模線形狀的線性公差圖中E2E1是將上述線性公差的值加上查下表所得的額外公差來(lái)決定。下表的數(shù)值是在單一模穴的情況下，由鑄件在分模面的投影面積而定，且由於此額外公差是由分模線分離所引起，因此影響的只有+的公差。例：一鑄件投影面積500 cm2，跨越分模線的線性尺寸125 mm，其公差為：標(biāo)準(zhǔn)級(jí)：(0.35) + (+0.30) = +0.65-0.35精密級(jí)：(0.15) +

4、 (+0.203) = +0.353-0.157分模線偏移的額外線性公差分模線若有模塊因溫度變化、滑塊鎖定機(jī)構(gòu)內(nèi)力、或定位銷間隙過(guò)大而產(chǎn)生偏移，可能造成與分模面平行的前後左右任一方向之尺寸變化，影響跨越分模線的線性尺寸、同心度、以及基準(zhǔn)面結(jié)構(gòu)(datum structure)。注意此處包括正和負(fù)的影響。NADCA G-5-2-97 Guidelines8可動(dòng)模塊公差可動(dòng)模塊構(gòu)成形狀的線性公差圖中E3E1是將上述線性公差的值加上查下表所得的額外公差來(lái)決定。下表的數(shù)值是由可動(dòng)模塊所形成的鑄件部位在分模面的投影面積而定，且由於此額外公差是由可動(dòng)模塊的移動(dòng)或磨損所引起，因此影響的只有+的公差。例：由可

5、動(dòng)模塊所形成的鑄件部位在分模面的投影面積500 cm2，線性尺寸125 mm，則公差為：標(biāo)準(zhǔn)級(jí)：(0.35) + (+0.61) = +0.96-0.35精密級(jí)：(0.15) + (+0.356) = +0.506-0.159平面公差要提昇平面度應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：平面週邊及底下的壁、凸圓及凸片都應(yīng)有夠大的拔模角。避免在平面下設(shè)計(jì)大凸面或截面，以免發(fā)生縮痕(sink mark)或收縮變形。採(cǎi)用漸進(jìn)的截面變化，並注意適當(dāng)?shù)奶罱?，減少應(yīng)力及收縮變形的發(fā)生。各種不對(duì)稱的凸塊及壁高變化都會(huì)影響平面度，因此在可能情況下盡量用對(duì)稱形狀。10拔模角一般鎂鑄件的拔模角可以較其他壓鑄材料為小，某些情況下甚至可以不用

6、斜角，但是在允許範(fàn)圍內(nèi)，一般還是選用較大拔模角，以減少所需之頂出力或抽芯力。內(nèi)壁的C值是外壁的一半，因此內(nèi)壁的拔模角一般是外壁的兩倍。鑄造字體及裝飾花紋不適用此標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)參考NADCA G-6-7-97 Guidelines。11一般級(jí)切削螺紋預(yù)留孔螺紋尺寸註明f者表細(xì)牙若須指定孔徑公差，D1用-0.05 mm，D2用+0.05 mm。(NADCA S-4-6-97)12精密級(jí)切削螺紋預(yù)留孔螺紋尺寸註明f者表細(xì)牙若須指定孔徑公差，D1用-0.025 mm，D2用+0.025 mm。(NADCA P-4-6-97)13成形螺紋預(yù)留孔以擠鍛(swaging)方式成形螺紋的預(yù)留孔公差都以精密級(jí)考慮螺紋

7、尺寸註明f者表細(xì)牙若須指定孔徑公差，D1用-0.015 mm，D2用+0.015 mm在通孔的末端及盲孔的入口應(yīng)加錐坑盲孔底部預(yù)留4牙的深度M3或小於M3的牙只適用於通孔擠鍛攻牙方式不適用於壁厚小於螺孔直徑的2/3的情況(NADCA P-4-7-97)14管牙預(yù)留孔適用於英制N.P.T.及A.N.P.T.管牙，單邊斜角為147 10。(NADCA S-4-8-9)15填角(fillet)及交角(corner)由於充模時(shí)間在10-100 msec左右，所有邊緣及角落都應(yīng)盡量使用圓角，以減少紊流產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。使用圓角也可以減緩鑄件及模具內(nèi)的應(yīng)力集中，延長(zhǎng)模具壽命並降低模具維修費(fèi)用。鎂壓鑄件的填角及交

8、角比照一般鋁壓鑄件設(shè)計(jì)，如圖(NADCA G-6-2-97 Guidelines)。16肋 (Rib)加肋的目的是要增加鑄件的剛性或強(qiáng)度，降低因鑄件變形產(chǎn)生的不良率。然而若設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，可能反而在其邊緣產(chǎn)生較高應(yīng)力，或?qū)е聭?yīng)力集中的現(xiàn)象。建議設(shè)計(jì)方式如右圖(NADCA G-6-3-97 Guidelines)。17嵌件嵌件的用途主要在使鑄件局部具有高硬度或耐磨性等特殊性質(zhì)，或藉以改善壓鑄件的工藝性，例如消除局部熱點(diǎn)、消除側(cè)凹、細(xì)長(zhǎng)孔等。使用嵌件時(shí)應(yīng)注意：嵌件表面或端部應(yīng)滾花，以加強(qiáng)其與鑄件之密合。嵌件周圍應(yīng)包覆有一定厚度之金屬層，防止破裂。嵌件在嵌入前最好能先做防蝕保護(hù)，避免嵌件與鑄件產(chǎn)生電化學(xué)反

9、應(yīng)。含有嵌件的鑄件盡量避免表面處理，以免鬆動(dòng)或產(chǎn)生腐蝕。18模具的主體功能選擇適當(dāng)規(guī)格之機(jī)械成形材料之基本性質(zhì)檢討決定壓鑄條件模具方案及尺寸設(shè)計(jì)模具材料選用標(biāo)準(zhǔn)零件加工製造、組立及試模產(chǎn)品品質(zhì)檢驗(yàn)調(diào)整最適化製程條件模具修改量產(chǎn)設(shè)計(jì)流程19機(jī)械規(guī)格選擇Pinj (kg/cm2)為射出時(shí)金屬壓力，Aproj, total (cm2)是總鑄造面積，需求夾模力為：Aproj, total = 製品投影面積 + 溢流井投影面積 + 流道投影面積 + 滑塊投影面積 + 滑塊拔模角效應(yīng)滑塊拔模角效應(yīng) = 滑塊投影面積除了夾模力以外，也需要檢驗(yàn)鑄造面積與繫桿(tie bars)的形心是否接近，以及繫桿受力狀況

10、是否均勻並且在安全範(fàn)圍以內(nèi)，以免繫桿變形甚至斷裂，或是模具張開(kāi)造成毛邊或熔湯飛濺。20金屬成形模具設(shè)計(jì)之材料因素考量熱性質(zhì)熱焓量 (enthalpy)凝固機(jī)構(gòu) (solidification mechanism)比熱熱傳係數(shù)介面熱傳性質(zhì)流動(dòng)性質(zhì)穩(wěn)態(tài)黏度 (steady viscosity)暫態(tài)流變行為 (transient rheology)相分離 (phase separation)化學(xué)性質(zhì)氧化濕潤(rùn)性 (wetting)速度場(chǎng)壓力場(chǎng)溫度場(chǎng)產(chǎn)品品質(zhì)sprue, runner, gate, vent, cooling channel21半固態(tài)射出成形模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為避免過(guò)多轉(zhuǎn)折導(dǎo)致捲氣，應(yīng)採(cǎi)直接進(jìn)

11、澆方式，並儘量減小流道長(zhǎng)度。半固態(tài)金屬之黏度較熔融金屬為高，較適合類似塑膠模之流路設(shè)計(jì)，然必須考慮固液相分離之偏析現(xiàn)象，適當(dāng)調(diào)整澆口大小及進(jìn)澆速度。半固態(tài)金屬可平緩地充填模穴，因此可減少或不用溢流槽，但仍應(yīng)有逃氣槽；為改善氧化現(xiàn)象或成形薄壁鑄件時(shí)，可考慮使用真空裝置。半固態(tài)金屬已有部份液體凝固，因此須視成形時(shí)的固相分率降低模具的收縮率考量。22收縮率有模芯時(shí)鑄件在模具內(nèi)無(wú)法收縮，但一旦脫模，鑄件會(huì)瞬間收縮，並自脫模溫度持續(xù)收縮至室溫，因此單位長(zhǎng)度之收縮量為：其中= 鑄造合金之熱膨脹係數(shù) = 模具材料之熱膨脹係數(shù) Te = 鑄件離模時(shí)的溫度 Tm = 熔融合金進(jìn)入模具前之模溫T0 = 室溫，一般

12、設(shè)為20 CAZ91D在20300 C之熱膨脹係數(shù)約為26 x 10-6 mm/mm-C，一般模具之熱膨脹係數(shù)則可取11 x 10-6 mm/mm-C，因此單位長(zhǎng)度之收縮量為：假設(shè)Te = 320 C，Tm = 230 C，則收縮率約為0.5%。若鑄件厚度很薄，Te很接近Tm，則收縮率可低至0.3%。23收縮率無(wú)模芯時(shí)鑄件在凝固完畢即開(kāi)始收縮，因此單位長(zhǎng)度之收縮量為：凝固範(fàn)圍 = 470595 C凝固熱 = 373 kJ/kg比熱 = 1.05 J/kg-C熱傳導(dǎo)係數(shù) = 72 W/m-K其中 Ts = 鑄造合金之固相線溫度假設(shè)Tm = 230 C，則收縮率約為0.9%。實(shí)際模具之冷卻收縮狀況

13、一般介於以上兩種極端之間，詳如下表。熱性質(zhì)總結(jié)24典型製程條件熔解溫度：620650 C (熱室)，650690 C (冷室)鑄造壓力：170380 kg/cm2 (熱室)，3501000 kg/cm2 (冷室)壓缸射出速度：1.52 m/s (熱室)，45 m/s (冷室)模具溫度：200250 C頂出時(shí)澆道溫度：430 C (參考值)頂出時(shí)鑄件遠(yuǎn)端溫度：320340 C (參考值)循環(huán)時(shí)間：2090 sec介面熱梯度：1000 C/cm介面Biot數(shù)：1熔湯Prandtl數(shù)：0.01澆口Reynolds數(shù)：10525分模面取在鑄入位置有最大投影面積的部位最好採(cǎi)用單純的平面，注意簡(jiǎn)化模具構(gòu)造

14、及製作。開(kāi)模時(shí)確保鑄件留在可動(dòng)模側(cè)。鑄件的毛邊少，且溢流井及毛邊容易去除。使熔湯充填平順，空氣易於排出。較精密的尺寸勿橫跨分模面。注意熱平衡，避免模具的熱集中，影響鑄件品質(zhì)。生產(chǎn)時(shí)模穴內(nèi)廢屑容易清理。模具拆裝後精度恢復(fù)容易，嵌塊安裝方便。26理想充填模式(a)平板形(b)環(huán)形(c)圓盤形(d)盒形(e)深箱形(f)圓柱形27澆口設(shè)計(jì)澆口為影響鑄件品質(zhì)之重要因素，若截面積過(guò)大，鑄件易捲氣產(chǎn)生氣孔；若截面積太小，澆口附近會(huì)產(chǎn)生燒焦，且澆口比鑄件先凝固會(huì)使鑄件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔。28澆口設(shè)計(jì)續(xù)找出產(chǎn)品之平均厚度（Zavg）以及最小厚度（Zmin）。流經(jīng)澆口的體積（V）即鑄件體積加上溢流井之容積，一般可以估

15、計(jì)為鑄件體積的1.08倍。當(dāng)鑄件平均壁厚越薄，或表面光滑度要求越高，則澆口速度（vg）越高，但也須考慮對(duì)模具壽命的影響。一般澆口速度可由經(jīng)驗(yàn)值估算：厚肉件（2.03.0mm）：2535 m/s一般件（1.22.0mm）：3550 m/s薄肉件（0.61.2mm）：5090 m/s澆口速度越高，捲氣、模具磨耗及黏模也越嚴(yán)重，因此應(yīng)該在不影響產(chǎn)品品質(zhì)的條件之下，選用較低的澆口速度。29澆口設(shè)計(jì)續(xù)充填時(shí)間（tfill）一般係根據(jù)平均厚度Zavg值及右圖來(lái)估算：或是以下式來(lái)計(jì)算：其中 Tm = 金屬湯射出溫度(C) Tf = 金屬湯維持流動(dòng)性之 最低溫度約等於液 相線溫度(C) Td = 模具溫度(C

16、) S = 充填停止前出現(xiàn)之最 大固相率(%)30澆口設(shè)計(jì)續(xù)澆口截面積澆口厚度一般性原則為鑄件厚度的1/31/6。亦可依下列經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)：澆口流量澆口寬度可由澆口截面積和澆口厚度相除得知，一般性原則為鑄件寬度的4/65/6，且寬度一般不超過(guò)80 mm。若澆口太寬，澆口中心與邊緣之流速相差太多，會(huì)影響充填，因此針對(duì)大型製品應(yīng)將澆口分割成數(shù)個(gè)澆口，但要特別注意流道平衡及熔合線的問(wèn)題。31澆口位置優(yōu)先考慮充填困難處，設(shè)置對(duì)應(yīng)澆口。不要設(shè)在靠近模銷或阻礙較大處，避免使銷彎曲或產(chǎn)生亂流現(xiàn)象。在較厚處設(shè)澆口，使熔液自厚處流入薄處。將鑄件展開(kāi)成平面，按可能之澆口位置將鑄件畫分為幾個(gè)主要充填區(qū)域，澆口大小依各充

17、填區(qū)之體積比例分配，每區(qū)體積應(yīng)與所對(duì)應(yīng)之澆口所能供給的熔湯量成比例，並使各區(qū)儘可能同時(shí)充填完畢。澆口位置應(yīng)使金屬流動(dòng)路徑越短越好，非直接充填區(qū)域越小越好。避免讓兩股金屬湯在薄肉處會(huì)合。使用鑄件最長(zhǎng)而不間斷的地方做澆口。注意使熔湯容易流入肋或深槽部。澆口要容易去除，且不影響外觀。澆口附近常有較高的殘餘應(yīng)力，因此應(yīng)避免設(shè)在有強(qiáng)度要求的部分?？紤]模具的排氣。32澆口與鑄件接合方式(a) 側(cè)向充填(side feeder)：使熔湯進(jìn)入模穴時(shí)有特定角度(b) 端部充填(end feeder)：使熔湯容易往上充填，適用於深槽件(c) 對(duì)合充填(split feeder)：適於圓角形鑄件(d) 墊形充填(p

18、ad feeder)：適於平板鑄件及要求整緣容易之鑄件33塑膠和金屬流動(dòng)行為差異熔融塑膠充填模具時(shí)，由於是壓力主導(dǎo)流場(chǎng)(pressure-driven flow)，雷諾數(shù)低，流體會(huì)順著最小流動(dòng)阻抗方向平穩(wěn)推移，因此流經(jīng)轉(zhuǎn)角時(shí)的壓力損失不大。由於熔融金屬比重大、速度快，使得雷諾數(shù)高，即其慣性力遠(yuǎn)大於黏滯力，因此流經(jīng)轉(zhuǎn)角時(shí)會(huì)沿原運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)，撞擊到模壁後再反彈形成紊流，經(jīng)動(dòng)量轉(zhuǎn)移後再沿新的方向流動(dòng)，所損耗的壓力有時(shí)高達(dá)30%。在次流道口徑一樣的情況下，塑膠(a)會(huì)最先流入最靠近入射口的次流道，金屬(b)則剛好相反，會(huì)最先流入最遠(yuǎn)端的次流道，如下圖所示。(a)(b)34扇形流道用於澆口長(zhǎng)度受限制之鑄

19、件澆口中央速度較高，兩端速度較小，因此流道兩端夾角應(yīng)小於90若夾角太大，兩側(cè)不僅沒(méi)有熔湯射出，反而可能捲回造成包封捲氣由於流道由窄變寬，為避免壓力損失過(guò)大，截面積由流道入口至澆口應(yīng)減少2040%35切線式流道用於長(zhǎng)度較大的澆口，藉著改變流道入口面積(Ain)與澆口面積(Ag)的比，就可控制流動(dòng)角(Af)的大小。注意流道截面積的變化，使?jié)部谒俣染鶆?，並且在流道尾端設(shè)緩衝器，一方面作為熔湯流動(dòng)的緩衝，使其動(dòng)量在此轉(zhuǎn)換，再均勻的灌入模穴；再者可以容納流動(dòng)前緣的空氣、凝固塊或氧化渣。36溢流井熔湯最後流到的位置或不能直接充填的死角，以容納雜質(zhì)與流動(dòng)前緣固化的部分。模穴易積留空氣之處，以及兩股以上熔湯匯

20、合處的外圍，以容納捲氣的金屬液，並配合逃氣道排出模穴內(nèi)空氣。薄壁難充填部位，或局部肉厚易有縮孔的附近?？商峁┹o助頂出銷的位置，或可供夾持運(yùn)送的部分?？商峁┠Ｑㄋ锜崞胶獾奈恢?，改變最終凝固之縮孔位置，並減少鑄件流痕、冷接紋和短射現(xiàn)象。溢流井容積一般不超過(guò)壓鑄件體積的7%，小而複雜的鑄件可按10%估計(jì)，總截面積則約相當(dāng)於澆口總截面積的70%。A = 1535 mm, S = 5.08.0 mm, t = 0.81.0 mmt = 3.56.0 mm, t = 0.51.2 mmB = 1550 mm, B = 625 mm, B = 1040 mm37逃氣道讓模具內(nèi)氣體及離型劑揮發(fā)的氣體，順利排

21、到模穴外，以免模穴內(nèi)氣壓上升，阻礙熔融金屬的流動(dòng)。由於空氣排出速度不會(huì)超過(guò)該溫度下的音速，一般保守估計(jì)以音速的一半約200 m/s計(jì)算，因此所需的逃氣道總面積(Av)約為：有時(shí)在分模面容許配置的面積有限，可能只能安置澆口斷面積的1530%，但原則上仍以儘量不低於澆口斷面積的30%為宜。38逃氣道續(xù)一般佈置在溢流井後端，以加強(qiáng)溢流和排氣效果，但有時(shí)需佈置獨(dú)立的逃氣道，以滿足額外的逃氣需求。深度通常為0.100.15 mm，延伸到距離模穴2030 mm以上時(shí)，可將其深度增加到0.30.4 mm。寬度視模穴大小及安排空間而定，一般在610 mm，通常不超過(guò)20 mm。逃氣道入口與出口間要拐彎連接，並且盡量不要在靠近人員操作側(cè)設(shè)逃氣道，以免金屬液飛濺發(fā)生事故。在不易設(shè)置分模面逃氣道的地方，可利用頂出銷間隙、頂出襯套、和型芯間隙等地方排氣。39模溫的影響若模溫過(guò)高鑄件易發(fā)生黏模，增加頂出困難成形周期會(huì)較長(zhǎng)鑄件易有氣孔、氧化膜，或在肉厚處產(chǎn)生表面縮孔離型劑易揮發(fā)及變質(zhì)若模溫過(guò)低模具易因熱衝擊產(chǎn)生龜裂影響熔湯流動(dòng)性，甚至射不飽鑄件易有流紋、噴痕等缺陷，且組織較鬆弛鑄件表面精度較差易因收縮發(fā)生抱住模芯的現(xiàn)象40模具冷卻需求當(dāng)模具達(dá)成熱平衡時(shí)：其中 Qm = 熔融金屬傳入模具的熱量 Qc = 冷卻液帶走的熱量 Qloss = 經(jīng)由大氣及模板藉傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等散失的熱量其中 q = 每