MOLDFLOW的模具设计.docx
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MOLDFLOW的模具设计
模具設計
模具是賦予成品固定的幾何形狀﹐用以重覆大量生產成品的工具。
除了產品外形、肉厚設計﹐還需要考慮澆口位置﹐流道排列﹐冷卻管路配置﹐滑塊、頂針、機構等。
模具設計準則
傳統上在模具設計﹐首先考量的是機構因素﹐安排分模面、軸向位置、滑塊頂針、澆口位置、流道排列等﹐最後才想到塑料應如何充填。
但通常模具設計者本身並不具備成型的概念﹐不瞭解究竟多少壓力差才能填滿整組模穴﹔為了確保成型性﹐一般均採取較謹慎保守的方式-加大流道面積﹐加多澆口數目等﹔當有了成型問題﹐塑料跑不到的地方再多開一個澆口...這個現象今天在台灣依然普遍。
要得到良好成品,需要瞭解模具內部的流動行為:
塑料在高溫下熔融成液態﹐射出機台賦予一股壓力﹐熱熔體會因壓力差由高壓往低壓方向流動。
模壁兩側速度較中央為慢﹐是因受到反方向的摩擦力所致。
事實上﹐在射出充填階段﹐仍然可以細分成兩部份:
1.流動:
塑料由噴嘴流出﹐經主澆道至流道、澆口而注入模穴﹐由流動起始至剛充滿模穴的瞬間﹐視為流動階段。
2.保壓:
當完全填滿整個模穴後﹐由於塑膠熔體具有可壓縮性﹐來自於射座螺桿的壓力持續增加時﹐此壓力升高可以多填入額外約15%的物料。
之後﹐由於冷卻造成體積收縮﹐保壓後段更隨時填入新塑料以補償收縮減少的體積﹐正常情況下可填入約25%的額外體積﹐這約等於熔融熱塑料與冷固態塑膠的體積變化。
模具設計正確觀念
傳統進行一項塑膠製品生產前﹐造形設計人員首先描繪出抽象的外形﹐以手工捏製出黏土模型﹐決定了尺寸後﹐再交由模具設計人員進行成品圖與模具圖繪製﹐完成後再去加工模具。
接下來﹐也許三個月後試模﹐試模結果經常是發現成型問題﹐需要反覆修模﹐修的不好還需補模﹐等試好一個產品時﹐有時模具已是千瘡百孔﹔而中間過程所浪費的人力與時間更是難以估計!
而我們的希望是一次試模就能夠得到良好的產品。
為什麼需要試模?
--因為沒有人能準確預測塑料在模具內部的成型情況﹐而這一部份因素卻決定了產品品質。
當得到的產品不是原先所預期而有缺陷時﹐只能加以修改﹐以求得較好的產品。
我們能控制的是射出機台上的操作參數﹐如溫度、射速、壓力、時間等﹔當完成射出程序後﹐得到的成品﹐我們期望是個良好的產品'表面美觀﹐沒有成型缺陷﹐尺寸安定﹐沒有凹陷變形等。
但在模具內部看不到的黑盒子內﹐到底發生了什麼?
中間過程這一部份是我們不瞭解的﹐為什麼有的產品品質良好﹐有的卻不良率很高呢?
為達到最佳設計﹐設計人員應該先瞭解模具內部的成型情形﹐在模具設計前就先把相關因素考慮進來﹐才能獲致良好成品﹔而CAE正是解讀模具內部成型所有資訊的有效工具。
冷卻分析
流動分析﹐可以幫助我們瞭解塑料在模穴內部的成型情況﹐用以找出適當成型條件及生產良好產品﹔
冷卻分析﹐則在於設計有效冷卻管路與控制冷卻條件﹐縮短成型週期。
對大部份產品﹐冷卻時間約佔了七成﹐若能縮減這一部份時間損耗﹐對生產力來說是大幅提升。
進行有效冷卻設計之前﹐應該先瞭解相關觀念:
模具可以視為一個熱交換系統﹐熱量來源是熔融熱塑料所帶進來的熱量﹐再以幾種方式散失﹐而讓成品冷卻固化。
冷卻機構主要為:
1.金屬模板熱傳導。
2.對流及非常小部份的輻射散到大氣中。
冷卻水在管路中的流動形態可以分為層流與亂流﹐亂流才能有效帶走熱量﹐因此冷卻液流率需控制在亂流範圍內。
下圖是層流與亂流時﹐管內液體與金屬模壁間的溫度梯度﹔由左圖可以瞭解﹐層流時模壁溫度較高﹐是效率差的設計方式。
冷卻速率快慢﹐則影響到內部的分子配向性與結晶性。
均勻的冷卻﹐能產生均勻的收縮﹐是最理想的設計方式。
但由於幾何上的非對稱﹐產品內外容易形成不同熱集中區﹐該區是最慢才冷卻的﹐也因此造成了收縮較大﹐成品翹曲。
每一條冷卻水路所涵蓋的有效區域則應加以考慮﹐例如下圖左﹐對同一個平面﹐兩個大管徑產生的效果﹐並不會比圖右開五個小管來得均勻。
同樣的﹐相同管徑﹐但也要考慮熱量集中程度﹐而需有位置上的調整﹐下圖T型物件﹐兩面相交處是熱集中點﹐因此肋部背後是較多熱量的位置﹐此處水路應靠近些﹔而內部兩個角落處﹐則適合加開兩個小管﹐才能有效達到均勻冷卻。
水流的安排﹐則有串聯與併聯兩種基本型式。
但因為併聯方式管中流量被分散﹐效率會降低﹐一般均採用串聯式。
對某些長深區域﹐水管能加工區域有限﹐則採用導管或擋板方式(bubbler&buffle)﹐增加接觸面積﹐以提高冷卻效率。
最新的冷卻模組﹐則更考慮了詳細的各部機構﹐例如分模面﹐鑲入件(insert)﹐模座大小等。
應用冷卻分析前﹐一些基本的物理名詞應當先行瞭解:
熱量:
使一公克的水升高溫度1℃所需的熱量為1卡(Cal)。
使一公斤的水升高攝氏1℃所需的熱量為1千卡(Kcal)。
比熱(specificheat):
水的熱值設定為1Cal/g℃﹐則其他物質的熱值﹐相對於水的比值稱為比熱﹐這數字顯示了該物質一克升高攝氏1℃所需要的能量。
熱容量Cp(heatcapacity)[Cal/cm^3℃]=比重ρ﹐[g/cm^3]x比熱[Cal/g℃]﹐這數字表示物質1單位體積升高溫度1℃時﹐所包容的能量。
相同體積下﹐熱容量高的物質﹐升高相同溫度差時﹐所吸收的能量較高。
當考慮不同材質﹐如鋼材﹐塑膠﹐冷卻液等﹐因其比重比熱各不相同﹐熱容量各異﹐表現出來的溫度便有差異。
要完整考量各成份間的熱傳情況﹐除了熱容量(吸收能量多少)外﹐還需考慮熱量傳遞速度(熱傳導度)﹐才能計算出最佳的冷卻設計及控制參數。
熱傳導度κ(Thermo-Conductivity):
[W/M/℃]﹐表示材質傳導熱量快慢的能力。
熱傳導度大的物質﹐吸熱快散熱也快。
真正決定全組模具不同材質間的熱傳特性需包括了兩方面﹐一是熱容量﹐一是熱傳系數﹔在此又另外定義一個參數表示二者的關係:
熱擴散度α(heatdiffusivity)=熱傳導度/熱容量(α=κ/ρCp)。
熱擴散度大的物質﹐表示熱傳導度大(散熱快)且熱容量小(吸熱少)﹐便能有效散熱。
舉例來說﹐水與塑膠、模具鋼材的熱物性分別是:
材質
比重ρg/cm^3
比熱Cal/g℃
熱容量CpCal/cm^3℃
熱傳系數κKcal/M.Hr.℃
熱擴散度α
M^2/Hr
塑膠
0.95
0.47
0.447
0.12
0.0003
鐵
7.9
0.11
0.87
45
0.0517
熱擴散度的比值﹐鐵與塑膠約為0.517/0.0003=172﹐相差172倍。
翹曲分析
翹曲主要是因為收縮不均所造成的﹐收縮均勻的成品只是尺寸變小﹐若不均則成品產生扭曲。
在一個成品﹐收縮性的變化可能有幾種型式:
1.區域性(regiontoregion):
平面位置不同。
2.厚度層(throughthethickness):
厚度位置不同。
3.方向性:
平行/垂直分子方向
基本影響收縮的因素﹐則有
1.自由體積收縮:
此為P-V-T實驗量測得到的數據。
2.結晶性:
材料在結晶過程產生相變化﹐結晶性高的物料收縮會較大。
3.模具限制:
模壁若阻隔了塑膠自由收縮﹐則收縮量會變小。
4.分子配向性:
在流動過程產生的方向性﹐若不及釋放﹐則平行於分子主要配向與垂直方向會有不同收縮值。
為了控制翹曲﹐首先要瞭解影響收縮率的操作參數有:
歸納翹曲的主要因素﹐可以分成三大類:
1.冷卻性差異(differentialcooling):
冷卻效率所影響﹐冷面會先收縮﹐但很快固化﹐收縮量固定﹔但熱面緩慢收縮﹐分子有較長時間重排﹐收縮量會更大。
2.區域收縮性差異(differentialshrinkage):
隨厚度或位置而有不同﹐隨保壓效率所決定。
3.分子配向性差異(orientation):
澆口位置﹐流動方向等是主要因素。
例如下例為一中央進料圓盤﹐流動方向主要是延半徑輻射方向﹐當此徑向收縮大於其垂直方向時﹐產品會發生圖上馬鞍狀翹曲﹔若收縮是垂直方向大於半徑方向時﹐則發生圖下鐘形翹曲。
收縮分析─讀取流動、冷卻分析結果,配合材料物性,計算成品之:
a.各方向收縮率
b.分子配向性(ORIENTATION)
c.面積收縮率
d.體積收縮率
e.進行單變數分析
翹曲─讀取收縮分析結果,限定邊界條件,計算因收縮不均所造成的各方向翹曲率。
詳細功能再細分為線性、非線性、挫曲分析與單變數分析等。
∙模擬可能翹曲形狀
∙診斷尋找,造成翹曲之原因
∙邏輯判斷,提供解決方案
∙以最佳充填、保壓、冷卻等操件條件,減少成品翹曲變形
∙以肉厚變化及補強等方式,可減低翹曲變形
翹曲的型態與計算方式﹐則可以再區分為線性與非線性兩種﹔線性關係是翹曲值與收縮量成線性比例﹔非線性關係則是因為材料產生挫曲(Buckling)與永久變形﹐變形量與收縮負荷呈非線性比例﹐需另外以不同數值解法計算(大位移變形)。
以軟體計算翹曲值﹐首先需進行挫曲分析計算﹐求得特徵值(Eigenvalue)﹐判斷變形形態是線性或非線性。
特徵值是表示在當時收縮負荷下﹐會發生挫曲的比例值﹔當此特徵值大於一時﹐表示在全部(百分之百)負荷收縮範圍內﹐成品不會發生挫曲﹐計算翹曲只需要以線性比例描述。
若特徵值小於一﹐產品在收縮負荷內就會發生挫曲﹐產生非線性變形。
挫曲分析:
應先判斷為線性或非線性
小位移分析:
計算線性變形
大位移分析:
計算非線性變形
Constrain:
不同限制點選擇方式則會影響表現出的翹曲形狀
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