模流分析基础入门教程.doc

1、模流分析基础入门 目 录第一章、计算机辅助工程与塑料射出成形1- 1 计算机辅助工程分析1- 2 塑料射出成形1- 3 模流分析及薄壳理论1- 4 模流分析软件的未来发展第二章、射出成形机2- 1 射出机组件2- 1- 1 射出系统2- 1- 2 模具系统2- 1- 3 油压系统2- 1- 4 控制系统2- 1- 5 锁模系统2- 2 射出成形系统2- 3 射出机操作顺序2- 4 螺杆操作2- 5 二次加工第三章、什么是塑料3- 1 塑料之分类3- 2 热塑性塑料3- 2- 1 不定形聚合物3- 2- 2 （半）结晶性聚合物3- 2- 3 液晶聚合物3- 3 热固性塑料3- 4 添加剂、填充料

2、与补强料第四章、塑料如何流动4- 1 熔胶剪切黏度4- 2 熔胶流动之驱动 - 射出压力4- 2- 1 影响射出压力的因素4- 3 充填模式4- 3- 1 熔胶波前速度与熔胶波前面积4- 4 流变理论第五章、材料性质与塑件设计5- 1 材料性质与塑件设计5- 1- 1 应力 - 应变行为5- 1- 2 潜变与应力松弛5- 1- 3 疲劳5- 1- 4 冲击强度5- 1- 5 热机械行为5- 2 塑件强度设计5- 2- 1 短期负荷5- 2- 2 长期负荷5- 2- 3 反复性负荷5- 2- 4 高速负荷及冲击负荷5- 2- 5 极端温度施加负荷5- 3 塑件肉厚5- 4 肋之设计5- 5 组合

3、之设计5- 5- 1 压合连接5- 5- 2 搭扣配合连接5- 5- 3 固定连接组件5- 5- 4 熔接制程第六章 模具设计6- 1 流道系统6- 1- 1 模穴数目之决定6- 1- 2 流道配置6- 1- 3 竖浇道尺寸之决定6- 1- 4 流道截面之设计6- 1- 5 流道尺寸之决定6- 1- 6 热流道系统6- 2 流道平衡6- 2- 1 流道设计规则6- 3 浇口设计6- 3- 1 浇口种类6- 3- 2 浇口设计原则6- 4 设计范例6- 4- 1 阶段一： C- mold Filling EZ 简易充填模拟分析6- 4- 2 阶段二：执行 C- mold Filling & Po

4、st Filling 最佳化6- 5 模具冷却系统6- 5- 1 冷却孔道的配置6- 5- 2 其它的冷却装置6- 6 冷却系统之相关方程式6- 6- 1 冷却系统之设计规则第七章、收缩与翘曲7- 1 残留应力7- 1- 1 熔胶流动引发的残留应力7- 1- 2 热效应引发之残留应力7- 1- 3 制程引发残留应力与模穴残留应力7- 2 收缩7- 3 翘曲7- 4 收缩与翘曲的设计规则第八章、问题排除8- 1 包风8- 2 黑斑、黑纹、脆化、烧痕、和掉色8- 3 表面剥离8- 4 尺寸变化8- 5 鱼眼8- 6 毛边8- 7 流痕8- 8 迟滞效应8- 9 喷射流8- 10 波纹8- 11 短

5、射8- 12 银线痕8- 13 凹陷与气孔8- 14 缝合线与熔合线第九章 C- MOLD 软件介绍 (暂缺 ) 附录 A 射出机成形条件之设定 附录 B 常用塑料之性质附录 C 档案格式第 一章 计算 机辅 助工程 与塑 料射出 成形1- 1 计算机辅助工程分析计 算 机 辅 助 设 计 (Computer - Aided Design, CAD)是 应 用 计 算 机 协 助 进 行 创 造 、 设 计、 修改、 分析、 及最佳 化一个设计的技术。 计算机辅助工程分析 (Computer- Aided Engineering, CAE)是应用计算机分析 CAD 几何模型之物理问题的技术，可

6、以让设 计者进行仿真以研究产品的行为， 进一步改良或最佳化设计。 目前在工程运用上， 比较成熟的 CAE 技术 领域包括：结构应力分析、应变分析、振动分析、流体流场 分 析 、 热 传 分 析 、 电 磁 场 分 析 、 机 构 运 动 分 析 、 塑 料 射 出 成 形 模 流 分 析 等 等 。 有 效地应用 CAE，能够在建立原型之前或之后发挥功能：协 助 设计变 更 (design revision)协助排除困难 (trouble -shooting)累积知识经验，系统化整理 Know- how，建立设计 准则 (design criteria)CAE 使用近似的数 值 方法 (num

7、erical methods) 来计算求解，而不是传统的数学求 解 。 数 值 方 法 可 以 解 决 许 多 在 纯 数 学 所 无 法 求 解 的 问 题 ， 应 用 层 面 相 当 广 泛 。 因 为 数 值 方 法 应 用 许 多 矩 阵 的 技 巧 ， 适 合 使 用 计 算 机 进 行 计 算 ， 而 计 算 机 的 运 算 速 度、内存的数量和算法的好坏就关系到数值方法的效率与成败。一般的 CAE 软 件之架构可以区分 为 三大部分：前 处 理器 (pre -processor) 、求 解 器(solver )和 后 处 理 器 (post -processor )。 前 处 理

8、 器 的 任 务 是 建 立 几 何 模 型 、 切 割网 格 元 素 与 节 点 、 设 定 元 素 类 型 与 材 料 系 数 、 设 定 边 界 条 件 等 。 求 解 器 读 取 前 处理 器 的 结 果 档 ， 根 据 输 入 条 件 ， 运 用 数 值 方 法 求 解 答 案 。 后 处 理 器 将 求 解 后 大量的数据有规则地处理成人机接口图形， 制作动画以方便使用者分析判读答案。 为了便利建构 2D 或 3D 模型，许多 CAE 软件提 供了 CAD 功能，方便建 构模型。或 者提供 CAD 接口，以便 将 2D 或 3D 的 CAD 图 文件直接 汇入 CAE 软件 ，再进

9、行挑面 与网格切割，以便执行分析模拟。应用 CAE 软件必须注 意到其分析结果未必能够百分百重现所有的问题，其应用重 点在于有效率地针对问题提出可行之解决方案，以争取改善问题的时效。经验 知识 实验比对 品质 (Q)、成本 (C)、交期 (D) CAE 工具 应用 CAE 工具时，必 须充分了解其理论内涵与模型限制，以区分仿真分析和实际制程的差异，才不至于对分析结果过度判读。据估计，全球应用 CAE 技术的比例 仅 15%左右，仍有广大的 发 展空 间 。影响 CAE 技术 推广的主因有三：分析的准确性。相关技术人员的养成。技术使用的简易性。而 CAE 模拟分析之主要误差来源包括：理论模式物理

10、现象、材料物性。数 值 解法 (numerical Solver)几何模型 (geometry model)错误的输入数据1- 2 塑料射出成形 塑 料 制 品 依 照 其 材 料 性 质 、 用 途 和 成 品 外 观 特 征 而 开 发 了 各种 加 工 的 方 法 ， 例 如押 出 成 形 (extrusio n) 、 共 押 出 成 形 (co- extrusion) 、 射 出 成 形 (injection molding) 、 吹 袋 成 形 (blown film) 、 吹 瓶 成 形 (blow molding) 、 热 压 成 形 (thermoforming) 、 轮压 成

11、形 (calendering molding)、发泡成形(Foam molding) 、 旋 转 成 形 (rotational molding )、 气 体 辅 助 射 出 成 形 (gas -assist e d injection molding) 等等。塑料射出成形 (injection molding) 是将熔融塑料材料压挤进入模穴，制作出 所 设 计 形 状 之 塑 件 的 一 个 循 环 制 程 。 射 出 成 形 制 程 根 据 所 使 用 的 塑 料 而 有 不 同 ， 热 塑 性 塑 料 必 须 将 射 进 模 穴 的 高 温 塑 料 材 料 冷 却 以 定 形 ， 热 固

12、 性 塑 料 则 必 须 由 化 学反应固化定形。射 出 成 形 是 量 产 设 计 复 杂 、 尺 寸 精 良 的 塑 件 之 最 普 遍 和 最 多 元 化 的 加 工 方 法 。 按 照重量计算， 大约 32%的塑料采用射出成形加工。 射出成形所生产的塑件通常只须 少 量 的 二 次 加 工 组 合 、 甚 至 不 需 要 二 次 加 工 组 合 。 除 了 应 用 于 热 塑 性 塑 料 、 热 固 性 塑 料 以 外 ， 射 出 成 形 也 可 以 应 用 于 添 加 强 化 纤 维 、 陶 瓷 材 料 、 粉 末 金 属 的 聚合物之成形。射出机自从 1870 年代初期问世以来，

13、经历了多次重大的改良， 主要的里程碑 包括回 转 式螺杆 (reciprocating screw) 射出机的发明、 各种替代加工制程的发明， 以 及 塑 件 计 算 机 辅 助 设 计 与 制 造 的 应 用 。 尤 其 是 回 转 式 螺 杆 射 出 机 的 发 明 ， 更 对于热塑性塑料射出成形的多样性及生产力造成革命性的冲击。现 今 的 射 出 机 ， 除 了 控 制 系 统 与 机 器 功 能 有 显 著 改 善 以 外 ， 从 柱 塞 式 机 构 改 变 为 回 转 式 螺 杆 是 射 出 成 形 机 最 主 要 的 发 展 。 柱 塞 式 射 出 机 本 质 上 具 有 简 单

14、的 特 色 ， 但 是 纯 粹 以 热 传 导 缓 慢 地 加 热 塑 料 ， 使 其 普 及 率 大 大 地 受 到 限 制 。 回 转 式 射 出 机 则 借 着 螺 杆 旋 转 运 动 所 造 成 的 摩 擦 热 可 以 迅 速 均 匀 地 将 塑 料 材 料 塑 化 ， 并 且 ， 也 可以像柱塞式射出机一般向前推进螺杆，射出熔胶。图 1- 1 是回转 式螺杆射出机 的示意图。图 1 - 1 回转式螺杆射出机射 出 成 形 制 程 最 初 仅 仅 应 用 于 热 塑 性 塑 料 ， 随 着 人 类 对 于 材 料 性 质 的 了 解 、 成 形 设 备 的 改 良 、 和 工 业 上

15、特 殊 需 求 等 因 素 ， 使 射 出 成 形 制 程 大 大 地 扩 张 了 应 用 范 围 。 在 过 去 的 二 十 几 年 ， 许 多 新 开 发 的 射 出 成 形 技 术 应 用 于 具 有 特 殊 特 征 的 设 计 与 特 别 材 料 的 塑 件 ， 使 射 出 成 形 塑 件 的 设 计 比 传 统 上 更 具 有 结 构 特 征 的 多 样性和自由度。这些研发的替代制程包括： 共射成形（ co-injection molding ，又称为三明治成形） 核心熔化成形（ fusible core injection molding ） 气 辅 射出成形（ gas-assis

16、ted injection molding ） 射出压缩 成形（ injection - compression molding ） 层 状射出成形（ l amellar, or microlayer, injection molding ） 活 动 供料射出成形（ live - feed injection molding ） 低 压 射出成形（ low-pressure injection molding ） 推拉射出成形（ push-pull injection molding ） 反 应 性射出成形（ reactive molding ） 结 构 发 泡射出成形（ structure

17、foam injection molding ） 薄膜成形（ thin - wall molding ）因 为 射 出 成 形 的 广 泛 应 用 及 其 具 有 前 景 的 未 来 ， 制 程 的 计 算 机 仿 真 也 从 早 期 的 均 一 配 置 、 模 穴 充 填 的 经 验 估 算 演 进 到 可 以 进 行 后 充 填 行 为 、 反 应 动 力 学 、 和 不 同 材 料 或 不 同 相 态 之 仿 真 的 复 杂 程 序 。 市 场 上 的 模 流 分 析 软 件 提 供 了 改 变 塑 件 设计、模具设计、及制程条件最佳化等 CAE 功能。1- 3 模流分析及薄壳理论 塑

18、料 射 出 成 形 之 模 流 分 析 系 应 用 质 量 守 恒 、 动 量 守 恒 、能 量 守 恒 方 程 式 ， 配 合 高分 子 材 料 的 流 变 理 论 和 数 值 求 解 法 所 建 立 的 一 套 描 述 塑 料 射 出 成 形 之 热 力 历 程 与 充 填 保 压 行 为 模 式 ， 经 由 人 性 化 接 口 的 显 示 ， 以 获 知 塑 料 在 模 穴 内 的 速 度 、 应 力 、 压 力 、 温 度 等 参 数 之 分 布 ， 塑 件 冷 却 凝 固 以 及 翘 曲 变 形 的 行 为 ， 并 且 可 能 进 一 步 探 讨 成 形 之 参 数 及 模 具 设

19、计 参 数 等 关 系 。 理 论 上 ， 模 流 分 析 可 以 协 助 工 程 师 一 窥 塑 料 成 品 设 计 、 模 具 设 计 、 及 成 形 条 件 的 奥 秘 ， 其 能 够 帮 助 生 手 迅 速 累 积 经 验 ， 协 助 老 手 找 出 可 能 被 忽 略 的 因 素 。 应 用 模 流 分 析 技 术 可 以 缩 减 试 模 时 间 、 节 省 开 模 成 本 和 资 源 、 改 善 产 品 品 质 、 缩 短 产 品 上 市 的 准 备 周 期 、 降 低 不 良 率 。 在 CAE 领域， 塑料射出模流分析已经存在具体的成效， 协助射出成形业者获得相当完 整的解决方

20、案。塑料射出模流分析所需的专业知识包括：材料特性塑料之材料科学与物理性质、 模具材料和冷却剂等相关知识。设计规范产品设计和模具设计，可参考材料供货商提供的设计准则。成形条件塑料或高分子加工知识以及现场实务。市场上模流分析软件大多数是根据 GHS(Generalized Hele- Shaw)流动模型所发展 的中间面 (mid-plane) 模型或薄壳 (shell) 模型之 2.5D 模流分析， 以缩减求解过程 的变量数目， 并且应用 成熟稳定的数值方法， 发展出高效率的 CAE 软件。 加以 90% 的塑料成品都是所谓的薄件，2.5D 模流分析的结果具有相当高的准确性，佐以应 用的实务经验，

21、再结合专家系统，2.5D 模流分析仍将主导模流分析的技术市场。 薄壳模型要求塑件的尺寸肉厚比在 10 以上， 因此着重在塑料的平面流动， 而忽 略 塑 料 在 塑 件 肉 厚 方 向 的 流 动 和 质 传 ， 因 此 可 以 简 化 计 算 模 型 。 就 典 型 的 模 流 分 析案例而言， 一般大约需要 500010000 个三角形元素来建构几何模型， 目前 2.5D 模 流 分 析 方 法 在 厚 度 方 向 使 用 有 限 元 素 差 分 法 (finite difference method )分 开 处理，因此比较不会影响计算效率。通常，2.5D 模流分析软件可以读取的档案格 式

22、包括 .STL、 . .IGES、 MESH、 STEP 等档案格式。目前，市面上可以看到的塑料射出成形仿真软件如下表：软件名称 开发单位C- MOLD A.C.Tech. (美国 )MOLDFLOW Moldflow PTY (澳洲 )SIMUFLOW Gratfek Inc. (美国 )TM Concept Plastics & Compute Inc. (意大利 )CADMOULD I. K. V. (德国 )IMAP- F (株 )丰田中央研究所 (日本 )PIAS Sharp 公司 (日本 )TIMON- FLOW TORAY 公司 (日本 )POLYFLOW SDRC (美国 )C

23、APLAS 佳能 (日本 )MELT FLOW 宇部兴产 (日本 )SIMPOE 欣波科技 (台湾 )MOLDEX 科盛科技 (台湾 )INJECT- 3 Phillips( 荷兰 )Dassault( 法国 )Pro/E Plastics PTC (美国 )1- 4 模流分析软件的未来发展传统 2.5D 模流分析的最大困扰在于建立中间面或薄壳模型。为了迁就 CAE 分析， 工 程 师 往 往 在 进 行 分 析 之 前 先 利 用 转 档 或 重 建 的 方 式 建 构 模 型 ， 相 当 浪 费 时 间 ， 甚至可能花费分析时间的 80%以上在建模和修模。 新一代的模流分析软件舍弃 GHS

24、 流动模型， 直接配合塑件实体模型， 求解 3D 的流动、 热传、 物理性 质之模型方程 式，以获得更真实的解答。 3D 模流分析技术的主要问题在于计算量非常大、计算 的稳定性问题和网格品质造成数值收敛性的问题。目前， 3D 模流分析技术应用的 模型技术有下列：双域有限元素法 (dual - domain finite element method) ： 将塑件相对应面挑出，以两薄壳面及半厚度近似实体模型， 配合连接器 (connector) 的 应 用 以 调 节 流 动 趋势 。 此 技 术 对 于 肉 厚 变 化 较 大 的 产 品 ， 有 应 力 计 算 的 误 差 和 适 用 性 的

25、 问 题 。 应 用上 可 能 遭 遇 缝 合 线 预 测 错 误 、 流 动 长 度 估 算 错 误 等 问 题 。 使 用此法的软件如 MPI。中间面产生技术 (mid- plane generator) ：中 间 面 产 生 技 术 可 以 分 为 中 间 轴 转 换 (Medial Axis Transform, MAT)和 法 则归 纳 法 (heuristic meth od)， 对 于 复 杂 结 构 的 塑 件 ， 因 为 肉 厚 变 化 、 公 母 模 面不 对 称、 肋 (rib) 与毂 (boss) 等强化原件的设计， 使得 MAT 技术有实用上的困难，因此 此项技术的发

26、展以法则归纳法为主。HPFVM(High- Performance Finite Volume Method)： 应 用有限体 积 法配合配合快速数 值 算法 (Fast Numerical Algorithm, FNA)、非线 性 去 偶 合 计 算 法(Decoupled solution procedure for non -linearity )及 高 效 率 的迭代求解。使用此法的软件如 Moldex- 3D。第 二章 射出 成形 机 就热塑性塑料 (thermoplastics) 而言， 射出成形机将塑料颗 粒材料经由熔融、射 出 、 保 压 、 冷 却 等 循 环 ， 转 变 成

27、 最 终 的 塑 件 。 热 塑 性 塑 料 射 出 成 形 机 通 常 采 用 锁 模吨数 (clamping tonnage) 或射出量 (shot size) 作为简易的机器规格辨识，可 以 使 用 的 其 它 参 数 还 包 括 射 出 速 率 、 射 出 压 力 、 螺 杆 设 计 、 模 具 厚 度 和 导 杆 间 距 等等。 根据功能区分， 射出成形机的大致上有三个种类： (1) 一般用途射出机； (2) 精密、 紧配射出机； 和 (3) 高速、 薄肉厚射出机。 射出成形机的主要辅助设备包括 树 脂 干 燥 机 、 材 料 处 理 及 输 送 设 备 、 粉 碎 机 、 模 温

28、控 制 机 与 冷 凝 器 、 塑 件 退 模 之 机械手臂、以及塑件处理设备。2- 1 射出机组件典型的射出成形机如图 2- 1 所示，主要 包 括了射出系 统 (injection system) 、模 具系统(mold system) 、 油 压 系 统 (hydraulic system) 、 控制系 统 (comtrol system) 、 和 锁 模系 统 (clamping system) 等五个单元。图 2 - 1 应用于热塑性塑料的单螺杆射出成形机2- 1- 1 射出系统 射 出 系 统 包 括 了 料 斗 (hooper) 、 回 转 螺 杆 与 料 筒 (barrel)

29、组 合 ， 和 喷 嘴(nozzle) ， 如 图 2- 2。 射出系统的功能是存放及输送塑料， 使塑料经历进料、 压缩、 排气、熔化、射出及保压阶段。图 2 - 2 热塑性塑料的单螺杆射出成形机之塑化螺杆、料筒、 电热片、固定模板及移动模板。(1) 料斗 热 塑 性 塑 料 通 常 以 小 颗 粒 供 应 成 形 厂 。 射 出 机 的 料 斗 可 以 存 放 塑 料 胶 颗粒 ， 藉 由重力作用使塑料颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合内。(2) 料筒射 出 机 的 料 筒 可 以 容 纳 回 转 式 螺 杆 ， 并 且 使 用 电 热 片 (electric hea ter bands)

30、 加热塑料。(3) 回 转式螺杆 回 转 式 螺 杆 可 以 压 缩 塑 料 、 熔 化 塑 料 及 输 送 塑 料 ， 螺 杆 上 包 括 了进 料 区 (feedingzone) 、 压 缩 区 （ com pression zone, 或 转 移 区 transition zone ） 、 和 计 量 区(metering zone)三个区段，如 图 2- 3 所示。图 2 - 3 回转式螺杆之进料区、压缩区、和计量区。螺杆的外径为固定值，螺杆的沟槽深度 (the depth of flight) 从进料区到计量区 起 点 逐 渐 递 减 ， 沟 槽 深 度 的 变 化 使 塑 料 相

31、对 于 料 筒 内 径 产 生 压 缩 ， 造 成 剪 切 热 ， 提 供 熔 化 塑 料 的 主 要 热 量 。 料 筒 外 的 加 热 片 则 帮 助 塑 料 维 持 于 熔 融 状 态 ， 一 般 的 射出机有三组或更多组加热片，以便设定为不同的温度区段。(4) 喷嘴喷嘴连接料筒和竖浇道衬套 (s prue bushing) 。当料筒移到最前端的成形位置，其 喷 嘴 外 径 必 须 包 覆 在 竖 浇 道 定 位 环 内 ， 构 成 密 封 。 喷 嘴 的 温 度 应 该 设 定 在 材 料 供 货 商 建 议 之 塑 料 熔 化 温 度 ， 或 是 略 低 于 温 度 。 如 此 ，

32、清 理 料 筒 时 ， 只 要 将 料 筒 后 退远离竖浇道，清除的塑料可以从喷嘴自由落下，参阅图 2 - 4。图 2 - 4 (a) 在成形位置的 喷嘴与料筒； (b) 在清料位置的喷嘴与料筒。2- 1- 2 模具系统模 具 系 统 包 括 了 导 杆 (tie bars) 、 固 定 模 板 (stationary platen) 、 移 动 模 板 (movable platen )、 和 容 纳 模 穴 、 竖 浇 道 、 流 道 系 统 、 顶 出 销 和 冷 却 管 路 的 模 板 (molding plates) ，如 图 2- 5 所示。基本上 ，模具是一座热交换器，使热塑性塑

33、 料的熔胶在模穴内凝固成需要的形状及尺寸。图 2 - 5 典型的三板模之模具系统模 具 系 统 将 熔 融 塑 料 在 模 穴 内 定 形 ， 并 于 冷 却 后 将 塑 件 顶 出 。 射 出 成 形 的 模 具 系 统 是 安 装 模 板 与 成 形 模 板 的 组 合 ， 通 常 以 工 具 钢 加 工 制 成 。 固 定 安 装 板 连 接 到 成 形 机 料 筒 一 侧 ， 并 经 由 导 杆 与 移 动 模 板 相 接 。 母 模 板 通 常 锁 在 固 定 模 板 上 ， 并 且 连 接 到 喷 嘴 ； 公 模 板 锁 在 移 动 安 装 板 上 ， 沿 着 导 杆 之 导 引

34、而 移 动 。 有 些 应 用 会 相 反地将母模板锁在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固定模板上。(1) 两板模大多数模具是由两片模板组成， 如图 2- 6， 此类模具常使用在塑件浇口正好设在塑 件边缘或者接近塑件边缘的设计，其流道 (runner) 也设计在母模板上。(2) 三板模 三 板 模 通 常 应 用 于 浇 口 远 离 塑 件 边 缘 的 设 计 ， 其 流 道 是 设 计 在 分 隔公 模 与 母 模 的脱料板 (stripper plate) 上，如 图 2- 6 所示。图 2 - 6 (左 )两板模与 (右 )三板模(3) 冷却管路（回路）冷 却 管 路 (cooli

35、ng channels )是 模 具 本 体 的 通 道 ， 冷 媒 （ 一 般 是 水 、 蒸 汽 或 油 ） 经 由 冷 却 管 路 循 环 以 调 节 模 壁 温 度 。 冷 却 管 路 也 可 以 搭 配 其 它 的 温 度 控 制 装 置 一 起使用 ， 例如障板管 (bafflers) 、 扰 流板 (bubblers) 或 热 管 (thermal pins or heat pipes) 等。2- 1- 3 油压系统 射 出 机 的 油 压 系 统 提 供 开 启 与 关 闭 模 具 的 动 力 ， 蓄 积 并 维 持 锁模 力 吨 数 ， 旋 转 与推 进 螺 杆 ， 致 动

36、顶 出 销 ， 以 及 移 动 公 模 侧 。 油 压 系 统 的 组 件 包 括 帮 浦 、 阀 、 油 压 马达、油压管件、油压接头及油压槽等。2- 1- 4 控制系统 控 制 系 统 提 供 成 形 机 一 致 性 的 重 复 操 作 ， 并 且 监 控 温 度 、 压 力 、射 出 速 度 、 螺 杆速 度 与 位 置 、 及 油 压 位 置 等 制 程 参 数 。 制 程 控 制 直 接 影 响 到 塑 件 品 质 和 制 程 的 经 济效益。 控制系统包括简单的开关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。2- 1- 5 锁模系统 锁 模 系 统 用 来 开 启 关 闭 模 具 ，

37、支 撑 与 移 动 模 具 组 件 ， 产 生 足够 的 力 量 以 防 止 模具 被 射 出 压 力 推 开 。 锁 模 机 构 可 以 是 肘 节 机 构 锁 定 、 油 压 机 构 锁 定 、 或 是 上 述 的 两个基本型态的组合。2- 2 射出成形系统典型的射出成形系统(molded system)包括熔胶 输 送系 统 和成形塑件，如 图 2- 7 所 示 。 熔 胶 输 送 系 统 提 供 让 熔 胶 从 射 出 机 喷 嘴 流 到 模 穴 的 通 道 ， 它 通 常 包 括 ： 竖 浇 道 (sprue) 、冷料井 (cold slug well) 、主流道、分枝流道、和浇口

38、(gates) 。图 2 - 7 射出成形系统包括熔胶输送系统及成形塑件。输 送 系 统 的 设 计 对 于 充 填 模 式 与 塑 件 品 质 都 有 很 重 要 的 影 响 。 因 此 应 该 设 计 流 道 系 统 ， 以 维 持 所 需 充 填 模 式 ， 将 熔 胶 输 送 到 模 穴 。 在 完 成 射 出 成 形 之 后 ， 冷 流 道 输送系统将会被切除成为回收废料， 所以应该设计输送系统， 以产生最少的废料。热流道（Hot runner 或无流道 runnerless ）成形制程维持流道于高温，使其内之 熔 胶 维 持 在 熔 融 状 态 。 因 为 热 流 道 并 不 与

39、塑 件 一 起 脱 模 ， 不 致 于 造 成 废 料 ， 并 且 节省塑件二次切除加工的制程。2- 3 射出机操作顺序 塑 料 射 出 成 形 加 工 是 一 种 适 合 高 速 量 产 精 密 组 件 的 加 工 法 ，它 将 粒 状 塑 料 于 料 筒内融化、混合、移动(3 Ms: Melt, Mix, and Move)，再于模穴内流动、充填、 凝固 (3Fs: Flow, Form, and Freeze) 。其动作可以区分为塑料之塑化、充填、 保压、冷却、顶出等阶段的循环制程，包括的基本操作动作如下列：关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图 2 -8(a) 。 与柱塞式射出机相同地，

40、推进回转式螺杆以充填模穴，如图 2 -8(b) 。 螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图 2 -8(c) 。 当模穴冷却 ， 浇口凝固， 螺杆开始后退， 并塑化材料准备下一次射出， 如图 2-8(d) 。 开启模具，顶出塑件，如 图 2 -8(e) 。开闭模具，以开始下一个循环，如图 2-8(f) 。 塑 料 在 料 筒 被 螺 杆 挤 压 产 生 大 量摩 擦 热 而 形 成 熔 融 状 态 ， 熔 胶 堆 积 于 料 筒 前 端 ，并 且 使 用 加 热 器 维 持 熔 胶 温 度 。 在 充 填 阶 段 开 始 ， 射 出 机 打 开 喷 嘴 ， 螺 杆 前 进 将 熔胶经喷嘴注入关闭的模

41、穴， 以完成充填。 当熔胶进入模穴， 受压气体从顶出销、 分 模 线 和 气 孔 逸 出 。 良 好 的 充 填 决 定 于 塑 料 组 件 设 计 、 浇 口 位 置 和 良 好 的 排 气 。 假 如 塑 料 的 流 动 性 不 佳 ， 或 者 射 出 压 力 不 足 就 可 能 造 成 短 射 现 象 ； 相 反 地 ， 假 如 塑 料 的 流 动 性 太 好 ， 容 易 在 塑 件 的 分 模 面 造 成 毛 边 。 熔 胶 完 全 填 满 模 穴 后 ， 继 续 施压以注入更多熔胶， 补偿因冷却而造成之塑料体积收缩， 并确保模穴完全填满。充 填 与 保 压 阶 段 结 束 ， 熔 胶

42、 在 模 具 里 完 全 凝 固 后 ， 再 打 开 模 穴 取 出 塑 件 。 冷 却 时 间在整个成形周期占非常高的比例，大约 80%，成形品的冷却 时间依照塑料性质、 成 形 品 的 形 状 、 大 小 、 尺 寸 、 精 度 而 有 不 同 。 当 移 动 模 板 后 退 ， 使 顶 出 销 顶 到 后 板 (rear plate) 而停止运 动，将成形品、浇道系统及废料顶出。(f)(a) (b)(c) (d)图 2 - 8 射出机之操作程序。 (a) 关闭模具； (b) 充填模穴； (c) 保压； (d) 螺杆后退； (e) 顶出塑件； (f) 开始下一个循环。为了进一步说明制程循环

43、中的射出机动作， 图 2 - 9 画出不同阶段的油压缸压力、 模穴压力、公母模分隔距离与螺杆位置的示意图，其中编号表示：图 2 - 9 典型的射出成形机之动作循环和各动作所占的时间比例- 充填（射出阶段）- 保压与冷却- 开启模具- 顶出塑件- 关闭锁具射 出 成 形 的 周 期 时 间 根 据 制 程 的 塑 件 重 量 、 肉 厚 、 塑 料 性 质 、 机 器 设 定 参 数 而 改 变。典型的周期时间可能从数秒钟到数十秒。2- 4 螺杆操作 根 据 需 求 ， 回 转 式 螺 杆 可 以 设 定 转 速 以 塑 化 塑 料 颗 粒 ， 并 且 将 熔胶 以 设 定 之螺 杆 速 度 、

44、 射 出 量 与 射 出 压 力 压 挤 进 入 模 穴 。 回 转 式 螺 杆 射 出 机 之 射 出 成 形 的 主 要控制参数如下列：(1) 背 压背压(back pressure) 是螺杆往后推以准备下一次射出塑料时，作用于螺杆前 端 之 塑 料 的 压 力 值 。 当 射 出 机 准 备 要 射 出 时 ， 螺 杆 将 前 端 的 塑 料 推 入 模 穴 ， 射 出 的塑料在模具内冷却后， 射出机再进入螺杆倒退阶段， 重新开始一个循环。 通常， 射 出 机 可 以 调 节 背 压 的 最 大 值 ， 当 螺 杆 移 到 此 预 设 背 压 位 置 ， 就 结 束 螺 杆 倒 退 阶

45、段 。 此 预 设 的 螺 杆 停 止 位 置 是 根 据 充 填 流 道 和 模 穴 所 需 的 塑 料 量 ， 以 手 动 方 式 设 定。(2) 射出速度（或射出时间）射出速度（ injection speed 或螺杆速度 ram speed ）是指射出操作中，螺杆 的 前 进 速 度 。 对 于 大 部 份 的 工 程 塑 料 ， 应 该 在 塑 件 设 计 的 技 术 条 件 和 制 程 允 许 的 经 济 条 件 下 ， 设 定 为 最 快 的 射 出 速 度 。 然 而 ， 在 射 出 的 起 始 阶 段 ， 仍 应 采 用 较 低 的射速以避免喷射流 (jetting) 或扰流

46、。 接近射出完成时， 也应该降低射速以避免 造成塑件溢料，同时可以帮助形成均质的缝合线。射 出 时 间 是 将 熔 胶 充 填 进 模 穴 所 需 的 时 间 ， 受 到 射 出 速 度 控 制 。 虽 然 最 佳 的 充 填 速 度 取 决 于 塑 件 的 几 何 形 状 、 浇 口 尺 寸 和 熔 胶 温 度 ， 但 大 多 数 情 况 会 将 熔 胶 尽 速 射 入 模 穴 。 因 为 模 具 温 度 通 常 低 于 树 脂 的 凝 固 点 (freezing point )， 所 以 太 长 的 射出时间会提高导致塑料太早凝固的可能性。薄 肉 厚 塑 件 使 用 高 射 出 速 度 以

47、 防 止 充 保 模 穴 前 发 生 凝 固 。 有 时 候 ， 粗 厚 塑 件 或 小 浇 口 会 降 低 充 填 速 度 ， 此 时 必 须 保 持 熔 胶 连 续 地 流 过 浇 口 以 防 止 浇 口 凝 固 ， 进 而 充 饱 模穴 。 新 进 的研究方向 尝试 控制射出量 ， 控制螺杆 动 作和止回 阀 (check valve) 关闭的时间，以达到控制组件尺寸的目的。(3) 螺杆旋 转速度 螺 杆 旋 转 速 度 是 塑 化 螺 杆 的 转 速 。 转 速 越 快 ， 塑 料 螺 杆 沟 槽 压缩 得 越 激 烈 ，产生更大量的剪切热。(4) 缓 冲量缓 冲 量 (cushion

48、 )是 螺 杆 的 最 大 允 许 前 进 位 置 与 最 末 端 的 前 进 位 置 之 间 的 差 值 。 假 如 允 许 螺 杆 行 程 设 为 最 大 值 ， 缓 冲 量 为 零 ， 螺 杆 将 前 进 至 碰 到 喷 嘴 后 才 停 止。通常，缓冲量设定为 36 mm（ 1/81/4 英吋） 。熔胶温度 熔胶温度应依照 (a) 树脂种类、 (b) 射出机特性、 (c) 射出量， 相互 配合。最初设定的 熔 胶 温 度 应 参 考 树 脂 供 货 商 的 推 荐 数 据 。 通 常 选 择 高 于 软 化 温 度 、 低 于 树 脂 之熔点做为熔胶温度，以免过热而裂解。以 nylon

49、为 例，在射出区 (feed zone) 的温 度 通 常 比 料 筒 的 温 度 高 ， 此 增 加 的 热 量 可 以 降 低 熔 胶 射 出 压 力 而 不 致 于 使 熔 胶 过 热。因为 nylon 熔胶 的黏滞性相当低，可以很容易地充填模穴而不必倚赖提升温 度造成的致稀性。模具温度模 具 温 度 的 限 制 在 于 避 免 塑 料 在 模 穴 内 的 剖 面 冻 结 (freezing )以 及 塑 料 的 冷 却性 质 (例如 crystallization 等 )。所以，模具温度应该是在熔胶的流动性与模具温 度 之 间 作 折 衷 选 择 。 假 如 可 能 的 话 ， 应 该 让 临 界 之 凝 固 位 置 ( t he critical freezing location )发 生 在 浇 口 处 。 调 节 浇 口 尺 寸 能 够 获 得 在 可 能 的 最 低 模 具 温 度下的最佳流动性。较 低 的 模 具 温 度 可 以 加 速 成 形 周 期 ， 故 应 尽 量 使 用 可 接 受 的 最 低 模 具 温