模具設計-膠件結構

3.1 注塑工藝對膠件結構的要求

膠件產生收縮凹陷、氣烘、困氣、變形、燒焦等工藝性問題,是與膠件的局部膠厚、澆口設置、冷卻等因素影響有關。分析膠件結構的工藝性應從以下幾方面進行。

3.1.1 壁厚

膠件壁厚應均勻一致，避免突變和截面厚薄懸殊的設計，否則會引起收縮不均，使膠件表面產生缺陷。

膠件壁厚一般在1～6mm範圍內，最常用壁厚值為1.8～3mm，這都隨膠件類型及膠件大小而定。

對已建3D模型之膠件，應用 Pro/E 進行截面分析，可發現膠件壁厚不均勻問題，其步驟：

Analysis ® Model Analysis ® Thickness ® [給定最大膠厚和最小膠厚，選分析起始點和結束點，確定分析所對應的平行截面]®Compute ,如圖3.1.1 圖3.1.2所示。

另外，膠件壁厚還與熔體充模流程有密切關係；其流程是指熔料從澆口起流向型腔各處的距離。在常規工藝條件下，流程大小與膠件壁厚成正比關係。膠件壁厚越大，則允許最大流程越長。可利用關係式或圖表(見《塑料模具技術手冊》68～69頁)校核膠件成形的可能性。

膠件壁厚為2.5mm，常規成形條件，其常用料的流程如下：

ABS ： 流程220 mm； PC ： 流程120 mm；

HDPE： 流程280 mm； POM ： 流程180 mm。

常見壁厚不均會產生的問題：

(1)局部厚膠位如圖3.1.1所示，易產生表面收縮凹陷。

(2)如圖3.1.2所示，膠件兩邊薄膠位，易產生成形滯流現象。

(3)止口位如圖3.1.3所示,膠厚採用漸變方法以消除表面白印；另有膠件內部拐角位增加圓角使其壁厚均勻。

(4)如圖3.1.4所示，膠件平面中間凹位過深，實際成形膠件產生拱形變形；解決變形的方法是減小凹位深度，使壁厚盡量均勻。

(5)如圖3.1.5所示，尖角位表面易產生烘印，避免烘印的辦法是加圓角過渡。

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3.1.2 (筋)骨位

膠件骨位其作用有增加強度、固定底面殼、支撐架、按鍵導向等。由於骨位與膠件殼體連接處易產生外觀收縮凹陷；所以，要求骨位厚度應小於等於0.5t(t為膠件壁厚),一般骨位厚度在0.8～1.2mm範圍。

圖3.1.6

當骨深15mm以上，易產生走膠困難、困氣，模具上可製作鑲件，也方便省模、排氣。

骨深15mm以下，脫模斜度應有0.5˚以上；骨深15mm以上，骨位根部與頂部厚度差不小於0.2mm，如圖3.1.6所示。

為改善某些深骨位的流動狀況，骨位上增加走膠米仔；如圖3.1.7所示喇叭骨加走膠米仔，模具製作鑲件。

3.1.3 澆口

膠件澆口位置和入澆形式的選擇，將直接關係到膠件成形質量和注射過程能否順利進行。膠件的澆口位置和形式，應進行分析確定；對客戶膠件資料中已確定的澆口，也需進行分析，對不妥之處提出建議。

澆口的設置原則如下：

(1)保證膠料的流動前沿，能同時到達型腔末端，並使其流程為最短，如圖3.1.8所示；

(2)澆口應先從壁厚較厚的部位進料，以利於保壓，減少壓力損失；

(3)型腔內如有小型芯或嵌件時，澆口應避免直接衝擊，防止變形；

(4)澆口的位置應在膠件容易清除的部位，修整方便，不影響膠件的外觀，如圖3.1.9所示；

(5)有利於型腔內排氣，使腔內氣體擠入分模面附近；

(6)避免膠料流動出現「跑道」效應，使膠件產生困氣、熔接痕現象；

(7)避免澆口處產生氣烘、蛇紋等現象，如圖3.1.10 圖3.1.11圖3.1.12所示；

(8)膠料流入方向，應使其流入型腔時,能沿著型腔平行方向均勻地流入，避免膠料流動各向異性，使膠件產生翹曲變形、應力開裂現象，如圖3.1.13 圖3.1.14所示。

對一些膠料充模流動複雜的膠件，以及，一模多腔或多種成品的模具如圖3.1.15所示，入澆口位置和尺寸的確定，可申請藉助CAE(Moldflow軟體)分析解決。

3.2 模具對膠件結構的要求

分析膠件結構是否符合模具成形和出模的要求，可從如下幾方面進行：脫模斜度、擦碰位、行位、斜頂、尖薄鋼位、出模。

3.2.1 脫模斜度

膠件必須有足夠的脫模斜度，以避免出現頂白、頂傷和拖白現象。脫模斜度與膠料性能、膠件形狀、表面要求有關。

常用膠料最小脫模斜度的推薦值(見《塑料模具技術手冊》67頁)。對膠件3D文件中沒有脫模斜度要求的部位，參照技術說明中一般脫模斜度的要求。膠件外觀表面要求光面或紋面，其脫模斜度也不同，斜度值如下：

(1)外表面光面小膠件脫模斜度/1˚，大膠件脫模斜度/3˚；

(2)外表面蝕紋面Ra < 6.3脫模斜度/3˚，Ra/6.3脫模斜度/4˚；

(3)外表面火花紋面Ra < 3.2脫模斜度/3˚，Ra/3.2脫模斜度/4˚。

對已建3D模型之膠件，應用Pro/E進行脫模斜度檢查，其步驟如下：

Analysis ® Surface Analysis ®

Draft Check®[給定最大斜度值，選分析

Part或Surface，確定分析所對應的方向面] ® Compute。

應注意，在修改膠件脫模斜度時，還需保證膠件裝配關係和外觀的要求，如圖3.2.1所示。

3.2.2 擦、碰面

模具擦、碰面如圖3.2.2所示。模具的擦面應有斜度，擦面斜度有兩個功用：

(1)防止溢膠，因為豎直貼合面不能加預載；

(2)減少磨損。

分析擦、碰面可從如下幾方面考慮；

(1)保證結構強度。如圖3.2.3為避免模具凸出部位變形或折斷，設計上B/H之值大於等於1/3較合理。

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(2)防止產生披峰。如圖3.2.3所示，碰面貼合值E/1.2mm。如圖3.2.4圖3.2.5所示,保證擦面間隙值 e/0.25mm。若按擦面斜度考慮， h£3mm時，斜度 α/5˚；h > 3mm時,斜度 α/3˚；某些膠件對斜度有特定要求時，擦面高度 h/10mm，允許斜度 α/2˚ 。對擦碰面尖部封膠位應有圓角R0.5以上。

(3)便於模具加工和維修。如圖3.2.6 圖3.2.7所示，轉軸位模具上製作鑲件。

3.2.3 行位、斜頂

膠件側壁有凹凸形狀、側孔和扣位時，模具開模頂出膠件前則須將側向型芯抽出，此機構稱行位。如圖 3.2.8 所示，膠件外側孔，需后模行位抽芯。如圖 3.2.9 所示，膠件內側凹槽，若用斜頂出模，頂部開距不夠，須採用內行位。

另外，利用斜向頂出，頂出和抽芯同時完成的頂出機構稱斜頂。對膠件上需抽芯的部位，當行位空間不夠時，可利用斜頂機構完成。斜頂機構中，斜向頂出距離應大於抽芯距離( B > H )如圖3.2.10所示，防止頂出干涉。

如圖3.2.11所示，膠件內、外側壁都有凹形，內側有骨位阻礙和高度不夠原因，須對外側壁前模行位，內側壁斜頂出模。

如圖3.2.12所示，膠件側孔周圍不能有夾線，側孔須前模行位抽芯，扣位斜頂出模。

3.2.4 分模面

膠件資料中，不論分模面是否作出規定,模具設計者都須具體確定；對已作規定的分模面，存在不合理之處，應反饋對方。

分析膠件分模面時注意以下幾點：

(1)按外觀要求，確定表面夾線位置，如圖3.2.13所示。

(2)將膠件有同軸度要求或易錯位的部分，放置分模面同一側，如圖3.2.14圖3.2.15所示。

(3)考慮脫模斜度造成的膠件大、小端尺寸差異，如圖3.2.16所示。

(4)確定膠件在模具內的方位，使之形成的分模面應盡量防止產生側孔或側凹，以避免採用複雜的模具結構,如圖3.3.16圖3.3.17所示。

3.2.5 尖、薄鋼位

避免影響模具強度及使用壽命的尖、薄鋼位。一般尖、薄鋼位在膠件上不易反映出來，分析它應結合膠件的模具情況。模具上產生尖、薄鋼位的原因有兩方面 —— 膠件結構和模具結構。

(1)膠件結構產生的尖、薄鋼位。如圖3.2.18圖3.2.19所示，膠件雙叉骨，模具上產生尖、薄鋼位；可改為單叉骨或加大中間寬度，避免模具產生尖、薄鋼位。

(2)模具結構產生的尖、薄鋼位。如圖3.2.20所示，膠件邊緣圓角處，模具上易出

現尖鋼；模具結構如圖3.2.21所示，此方法分模，出現尖鋼；圖3.2.22所示，分模面延圓弧法線方向，可避免尖鋼。

3.2.6 膠件出模

膠件的出模通常使用頂針、司筒和推板頂出。若膠件上有特殊結構或表面光潔度要求時，需採用其它方式出模，如頂塊頂出、斜向頂出、螺紋旋轉出模、二次頂出等。對某些透明膠件的頂出，還須注意頂出痕迹不能外露。

如圖3.2.23所示，多腔薄殼小膠件，使用推板頂出。

如圖3.2.24所示，膠件為透明薄片，為避免頂出夾線痕迹，採用頂塊頂出；注意，此類膠件底邊不要有圓角，防止頂出痕迹透出。

如圖3.2.25所示，膠件有內凹弧，採用二次頂出機構，實現膠件出模。

3.3 產品裝配對膠件結構的要求

膠件在產品中的裝配關係，會給模具製造提供一些有關膠件要求的信息，如與其它膠件的配合間隙、連接方式等。

3.3.1 裝配干涉分析

模具工程師根據各膠件的連接方式、配合間隙，裝配3D模型；分析各膠件之間是否干涉。應用Pro/E，分析各膠件之間干涉情況，其步驟如下：

Analysis ® Model Analysis ® Pairs Clearance(分析一個組合中，兩個零件之間的間隙或干涉情況) ® [選擇分析的兩個Part或Surface] ® Compute。

另一種，整個組合件的干涉檢查方法：

Analysis ® Model Analysis ® Global Interference(分析整個組合中，各零件與零件之間的干涉情況) ® [選擇整個組合] ® Compute (得出整個組合中，各零件與零件之間的干涉信息)。

3.3.2 裝配間隙

各膠件之間的裝配間隙應均勻，一般膠件間隙(單邊)如下：

(1)固定件之間配合間隙 0～0.1mm，如圖3.3.1所示；

(2)面、底殼止口間隙0.05～0.1mm，如圖3.3.2所示；

(3)規則按鈕(直徑Ø£15 )的活動間隙(單邊)0.1～0.2mm；規則按鈕(直徑Ø >15 )的活動間隙(單邊)0.15～0.25mm；異形按鈕的活動間隙0.3～0.35mm,如圖3.3.3所示。

3.3.3 柱位、扣位連接

分析連接各膠件的柱位、扣位，如圖3.3.4圖3.3.5所示。檢查裝配后的3D模型及各膠件2D文件中的柱位、扣位尺寸，它們的位置尺寸要保持一致。當膠件的柱位或扣位尺寸更改后，應對其配合膠件尺寸也進行更改。

由於柱位根部與膠殼連接處的膠壁會突然變厚，某些膠件資料中又沒減膠的說明，這時，模具上須在柱位根部加鋼(加火山口)，避免膠件表面產生縮痕。

常見柱位尺寸加火山口數據如下表：

註明：

1)上述數據平均膠厚為2.5，如圖3.3.6所 示；

2)對小於M2.6的螺絲柱，原則上不設火山 口，但吊針底膠厚應在1.2至1.4mm；

3)對有火山口的螺絲柱,原則上都應設置火 箭腳，以提高強度及便於膠料流動。

3.4 表面要求

指各膠件在裝配后，外露部分的狀況；其膠件表面的文字、圖案、紋理、外形及安全標準要求等。

3.4.1 文字、圖案和浮雕

膠件上直接模塑出的文字、圖案，如客戶無要求，可採用凸形文字、圖案。膠件的文字、圖案為凹形時，模具上則為凸形，模具製作相對複雜。

模具上文字、圖案的製作方法通常有三種：

(1)曬文字、圖案(也稱化學腐蝕)；

(2)電極加工模具，雕刻電極或CNC加工電極；

(3)雕刻或CNC加工模具。

若採用電極加工文字、圖案，其膠件上文字、圖案的工藝要求如下：

(1)膠件上為凸形文字、圖案，凸出的高度0.2～0.4mm為宜，線條寬度不小於0.3mm,兩條線間距離不小於0.4mm，如圖3.4.1所示。

(2)膠件上為凹形文字或圖案，凹入的深度為0.2～0.5mm，一般凹入深度取0.3mm為宜；線條寬度不小於0.3mm，兩條線間距離不小於0.4mm，如圖3.4.2所示。

膠件表面浮雕的製作，常用雕刻方法加工模具。由於膠件3D文件不會有浮雕造型，2D文件上浮雕的大小也是不準確的，其浮雕的形狀是依照樣板為標準。因此，模具設計和製造人員，應了解雕刻模製作過程；對雕刻模的製作配合，如何定位，都應在分析中確定。

3.4.2 膠件外形

膠件外形應符合各類型產品的安全標準要求。膠件上，不應出現鋒利邊、尖銳點；對拐角處的內外表面，可用增加圓角來避免應力集中，提高膠件強度，改善膠件的流動情況，如圖3.4.3所示。

膠件3D造型，若表面出現褶皺或細小碎面時，確定改善表面的方案；或者，在製造中修整電極，來滿足光順曲面的要求,如圖3.4.4所示。

3.4.3 表面紋理

膠件外觀表面紋理的要求，常為光面或紋面；紋面又有曬紋(也稱化學腐蝕紋)和火花紋兩種。其脫模斜度(見3.2.1節)。

當膠件表面還需噴油、絲印時，膠件表面應為光面或幼紋面(Ra<6.3)，紋面過粗易產生溢油現象。絲印面選在膠件凸出或平整部位較好；噴油后的表面，會放大成型時產生的表面痕迹。

附錄1 客戶資料的轉換與處理

模具設計的主要依據是客戶膠件資料，資料包括圖紙、樣板和電子文件。輸入膠件資料，進行相應轉換與處理，以達到模具設計所需的要求。

1.1 資料處理

膠件資料來源形式，並進行相應處理。

(1)圖紙資料 根據圖紙建成3D膠件模型或2D圖形。

(2)樣板資料 實測樣板，建成3D膠件模型或2D圖形。另外，依據樣板採用雕刻方法加工模具。

(3)電子文件 括2D或3D電子文件；常見2D格式為：xxx.prt、xxx.dwg、xxx.dxf和xxx.igs；3D格式為：xxx.prt.x、xxx.igs、xxx.dxf和xxx.stp。如果文件格式符合要求，直接使用；否則，文件須進行相應轉換與處理。

當同一膠件資料描述某一部位，出現兩者不一致時，需由TE組確認。

1.2 文件轉換

模房CAD/CAM常用軟體有CADKEY、Pro/ENGINEER、Space-E/CAM和Mastercam。

2D文件為xxx.dwg用CADKEY轉入；轉入不成功,其原因是低版本軟體不兼容高版本軟體的文件。可先在AutoCAD軟體內，輸出一個低版本的 xxx.dwg或xxx.dxf文件，再回到CADKEY內轉入。或者，用高版本的CADKEY轉入xxx.dwg文件。

客戶提供的3D文件是Pro/E軟體建立的，如果調入不成功,其原因是低版本軟體不兼容高版本軟體的文件。可在高版本Pro/E上輸出 xxx.stp或xxx.igs文件，再到低版本的Pro/E去轉入。

當提供的3D文件是其它軟體所建立時，文件格式通常為xxx.igs。轉入Pro/E內，曲面與曲面之間構成了封閉的區域，則Pro/E系統會自動在封閉區域形成實體(實體的邊界線成白色線條)，若曲面與曲面之間有間隙(一般稱為「裂縫」),則有間隙的區域在畫面上呈現黃色。因此，轉入xxx.igs文件后，畫面上某些區域呈黃色的線條,即代表這些區域需要修補。

1.3 IGS文件的處理

轉入 xxx.igs文件形成裂縫，有如下原因：

(1)原先相鄰的兩個曲面不相接，其情況如同曲面被剝離開，如圖1-1所示，或一個曲面穿透到另一個曲面。

(2)原先被接合(Merge)或被裁剪(Trim)的曲面變為沒有被接合或裁剪，曲面邊會多出去，如圖1-2所示。

(3)曲面的邊扭曲變形，如圖1-3所示。

(4)曲面丟失，呈現缺面。

(5)部分曲面被打亂。

(6)一些輔助曲面都被轉入，呈亂面。

處理上述問題的基本概念，是將曲面的邊界線整理為正常(或合理)的狀態。對裂縫曲面的修補方式如下：

(1)去除多餘或輔助的曲面。在軟體輸出xxx.igs前，可先複製出實體表面，再輸出只有實體表面的 xxx.igs文件，就可不帶入多餘的輔助曲面。或者，刪除多餘曲面，其步驟；

Feature ® Redefine ® [選轉入進來的曲面任意處] ® Heal Geometry (幾何整修) ® Delete ® [選預刪除的多餘曲面]。

(2)軟體自動修補小裂縫，其步驟；

Feature ® Redefine ® [選轉入進來的曲面任意處] ®Heal Geometry® Manual(手動修整邊界線) ® Fix Bndries(修整邊界線) ® Zip Gaps(修補小裂縫) ® Auto Select(自動選出可修補的小裂縫)® Zip Gaps ® Accept(接受修補結果)

(3)軟體無法自動修補的裂縫，其修補步驟；

Feature ® Redefine ® [選轉入進來的曲面任意處] ®Heal Geometry ®Manual® Fix Bndries ® Edit Bndry (編輯裂縫面的邊界線) ® [選需修補曲面] ® SelContour(選擇需修補有黃色的邊界線變為淡咖啡色顯示)®Modify®MoveVertex(移動端點的方法修補，即先選擇舊端點，再選擇新端點移動，如圖1-4所示)® Done

再修補面的邊界線，選Fix Bndries ®Zip Gaps ® Sel Chain(選需修補相鄰兩邊界的面)® Done ® Zip Gaps ® Accept修補面邊界的其它方法：Edit Bndry® [選需修補曲面]® Sel Contour ®Modify

® Straighten (拉為直線，選擇兩點，將邊界線恢復至該有的直線)

® Merge Edges (合併段線，將鏈內多段線合併為一整段線)

® Move Vertex (移動端點，使舊線段到正確的位置)

® SetTanCond (改兩段線為相切或垂直)

® Divide (線條上增加斷點)

另外，編輯整理邊界時，建立新線條的方法如下： Edit Bndry® [選需修補曲面]Sel Contour ® Create

® Project (選擇某線條，投影到要修整的曲面上)

® Make Isoline (選擇兩條線的交點,由此兩條線中挑選所需的線條)

® Connect (選擇兩個點，拉出直線或曲線后，再投影到要修整的曲面上)

® Intersect (選擇一個曲面，取得要修整曲面和所選擇曲面的交線)

(4)曲面丟失，呈現缺面的裂縫，其修補前先確定曲面特徵，再重新建立曲面，並將其Merge起來。對一些修補困難，其特徵清楚的曲面，也可先刪除，再重建曲面.

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