塑胶模具设计与维修性之要点

草木残心

塑胶模具设计与维修性之要点
" M9 V2 b& {2 e3 u0 r
现在，塑胶零件因为素材开发的进步及近年的技术开发，利用领域急速扩大，从传统的"金属转换成塑胶"的素材转变，变化成活用形状自由度的增大及轻量等塑胶特性的复合化，以及高精度化所产生的高机能化。因此，制作高机能零件的模具，必须维持更高的精度方可以。
- D- g7 U; N( W. l


2 o4 P2 [8 H* c0 f: m所以这里将针对维持安定的高精度及具优维护性(免维护性及易维护性)之模具设计上的注意事项，从本公司的经验及实例来进行汇整。
8 Z1 D3 ~$ S: j) N+ T


标准化的步骤
1 C3 w  P/ V7 W. U6 C) n9 R( k
; n0 e! Z! N9 ~" a9 L: V7 z

进行「高精度模具」机能的价值分析时，即使是一品一样的模具世界，在设计阶段中也可以整理出必要部份(机能上必须设计)及不必要部份(亦即可以标准化)。即使模具的大小及形状不同，不论模具设计者是谁，模具各部份必须是以同样的概念来构成。
5 c- T/ k7 M3 L$ h7 T% Q* R" \
0 |- K6 t+ v8 T0 O9 u% R+ e

本公司针对低成本、高品位、长寿命设定的具体模具设计基准(标准)在後面将加以陈述，这里将针对代表模具本身标准化的盒式(cassette)模具之维护性，以本公司所开发之单元unit式系统模具(CASKETSYSTEM)为例进行说明。
/ N0 K+ B# T' B! Q0 E0 z! }
2 `' ?& y# d  v1 v3 u/ C
; y& t7 g/ i% D* M. ]' U3 w
将模具标准化，对模具设计、及加工和测定等模具制作上的许多工程中，都能发挥很大的效果。问题在於，标准化应进行到ê种程度，太过简化时，就会造成浪费，太过复杂时，则作业上又会十分麻烦。在模具的标准化中，最重要的一件事，就是明定标准化的目的。

) A# ]! Y$ n8 e7 \% G' O* w6 c" G

6 s! a7 L* }3 G相片1就是CASKETSYSTEM。托座外壳(holder)具有两个基准面，是型蕊(unitcore)的基准面，从对面以弹簧(spring)来押附，再以专用夹钳(clamp)来固定。所以，型蕊的模具温度，可以对应从低温到高温的所有温度领域。况且，和型蕊相接的面都被陶瓷(ceramic)隔热板围住，可提高温度效率(图1)。
http://cadbbs.cn/atachments/month_060902/200691313192493177801.gif
% }/ _6 Z$ e2 H/ Y; p9 A  图2是型蕊的概略图。图3则是对型蕊加工用的专用冶具。将此专用冶具装置於机械加工中心(machiningcenter)的角铁上，立即就可以将工作物设定。如前面所述，型蕊的2个基准而是制品部的加工、固定测及可动测的对台、装置到托座外壳及成形作业中所有工程的基准，也可称其为型蕊的命。此加工冶具可决定基准面的对面侧位置，可以在基准面加工的同时，进行导梢(guidepin)或其他加工。因为，不会有阶段转换时的装置误差。而在加工後的零件侧定上，也使用同样的专用冶具，可立即测量至基准面的尺寸。这些加工及测定都全部程式(Program)化，完全排除技能领域，是不会发生失误或尺寸不良的环境。工作机械的精度可以完全表现出来。
4 }$ t9 u, t" m9 s& H" ]http://cadbbs.cn/atachments/month_060902/200691313192527177802.gif
' a- c: L( z& f) q- I
http://cadbbs.cn/atachments/month_060902/200691313192542177803.gif


: E5 V" y4 k8 _6 A4 z图 2 图 3  型蕊的零件完成後，依作业手册进行组合。在此，作业者可以在检查表(checksheet)记载，彻底确认品质。

0 B9 `, l: m/ n% w  |' @# D( h

7 E0 `+ |, Y. D( E其次，就是托座外壳的维护，在成形作业中，万一发生问题而使陶瓷隔热板破损时，应进行更换，而基准面所使用的陶瓷精度特别严格，但陶瓷的尺寸上，在目前要从成本而来要求精度的提高是非常困难的。所以，如图4所示，利用调整板以组合状态来满足要求精度。因而，使用者方面地很简单就可以更换。



制品设计的步骤
8 b' u9 Z, s( g1 D3 R1 X/ N* Y, O
4 ^6 G- N7 d/ N. e' S2 {: p, X

, ?' o8 `0 p$ [' K; n/ C# t本公司以企业内模具部门的角色，也从制品设计的面来针对提高模具维护性、长寿命化、保持精度来进行改善。
- Q" |5 T6 Y* }( p( v7 c


% d' U3 P9 y- T( Q而其具体内容，可以分成下列叁点：
( E% [% G2 P. b- |

6 ~. J% a& j% h0 o# p7 `+ _! K* c
就是在成形材料方面，选择成形时气体发生量较少且流动性较佳的树脂等级。并藉此来减少维护，并以对模具降低负荷之成形，求取长寿命化。而在玻璃纤维等强化材料方面，也在制品设计的容许范围内，使用含有率较低的树脂等级，以便减少因为模具磨损导致的精度降低及破损。



为了要活用一般市面上贩卖之模具标准零件，也会变更制品形状，使制品的轮壳(boss)直径及肋部(rib)形状和其规格尺寸一致。如此，磨耗及破损的零件可以较容易取得及更换。效果上，不论是国内或海外，都可以迅速处理，对推动海外生产上，也有很大的贡献。

' w- N, j  n" G

) F5 e7 X8 o4 \+ U对制品形状重新检讨，设法使模具构成更为简单。例如，使分模线(Partingline)尽可能为单纯平面，或设法使滑蕊(slidecore)的必要形状可以固定侧蕊改可动侧蕊来构成等，必要时，也会进行外观的设计变更。利用这些变更，使模具更为简单，不但可以提高维护性，也可减少模具破损等问题。
- d0 r6 @4 H5 V: n

! E5 b% {  t$ y0 [# x7 I% l* O0 J
( o: K* y+ |7 i- e2 f  f2 b以往，这些措施都是在制品化的量产阶段进行，近年来则在手制(hand-made)阶段就开始考虑制品设计，在制品化的早期阶段就发现并解决问题，使制品化的时程缩短，迅速进入顺畅的量产阶段。实施了采用所谓3次元CAD/CAM的同步工程(concurr-entengineering)，并发挥其效果。
) x! q. \0 N* s7 k$ {+ [: @
; u9 t6 \" H  _4 h/ A4 g2 Z
9 }7 \. j4 Z6 g6 Q: s8 o& u/ V
1. 免维护

  Z$ _; n; p- L" @$ M
4 U( V( ~. R0 K0 l
# @( H6 s- a+ @$ k% M在考虑模具维护性之前，应尽可能以不要维护的模具为目标。以下将针对本公司如何进行维护次数较少且可长期进行成形之模具制作加以说明。

2 O, Y/ ?/ v! Y% T' S2 z! e) Q4 W
# f/ W5 q/ s0 a& C) @
8 s3 k% F$ |; ^) C# y! x气体对策
3 n7 m; M3 q# e

- C. A$ x; a/ L+ q  P& o* E
塑胶射出成形模具在量产时可能发生的问题，以因为气体而产生毛边、表面雾化不良、模具刮痕等原因为最多。即使以最新设备在制造高精度模具，若气体对策不周全，不但无法维持精度，同时也会是一个经常需要修理及改造的模具，而成为令生产现场头痛的元凶。因为塑胶成形中必须对树脂进行高温加热，故一定要考虑到气体发生的情形。但在模具设计阶段是以形状制作为先决条件，所以要考虑到量产时的事情并事先设置有效率的通气孔(airvent)，是很困难的。
! L$ Q0 Q) N; ~' u- s" {! Y


$ w  [) |0 l+ C: o$ D所以本公司在确认成形的第一阶段，就在制品的外周整个部份挖掘沟槽，使其产生排气效果。虽然不是通气孔，但这样已具有相当不错的效果。而在确认制品的状态後，在第二阶段就局部设置通气孔(图5)。
http://cadbbs.cn/atachments/month_060902/200691313192557177804.gif

9 U6 l) [$ x' L
5 |3 f5 H: ?7 B( w图 5  若没有到目前为止的经验资料，可事先以流动解析来预测树脂的最终端，然後再套用至该零件上。
; ?3 C. V, e/ w" W7 m
& e" T2 O* v( K4 _: U1 K

" f+ D2 J: t6 l; ]因制品形状或树脂的不同，有时必须采用以真空邦浦(pump)进行真空成形或减压成形等强制排气方法，而非前面所提的自然排气方法。因为自然排气和制气排气的模具制造方法完全不同，在模具的企划阶段就明确决定方向是非常重要的。
) M( i$ r' f* D  L0 k% c

3 {3 W- W2 u- a1 s+ {: U
3 b! A2 U! K) K% ?7 P0 F除了通气孔这种方法以外，也有以具有通气性之陶瓷及金属的复合材料做为模具的材料。即使这类方法，最後仍会残存气体，所以必须定期进行洗净。此时，只要将容易积存气体的部份填满，并可以从分模面脱离，则效率就会很好。
. H: @& `  s. P  i$ Z6 r" v; Q
, D- n5 {; h  D" y' E
$ o* n9 J% e3 l# b( z9 ?
7 q/ N4 N+ z2 _8 D2. 刮痕对策

% G3 D' C& v7 @

刮痕的问题最多。制品本身可能也会有刮痕的情形，但大部份是发生模具内的摺动部分及模具相接合的部份。

" J0 t) T1 C% d" G" S" j) \- m
6 ^4 P* z5 l6 h( w- ]% }
! G: O% P: S! u/ l6 P) N, G2 a8 t模具设计时，要从选择模具材质就开始考虑。模具间的接合面若是同一材料及同一硬度，就容易造成刮痕。最好能改变材料或处理刀法，使其产生硬度差。若考虑刮痕最坏的情形，可以降低较易加工部份之硬度，并使其可以更换。
, j0 p9 [  {4 @$ E: [
3 y2 p$ Z: x/ G( L( r3 S3 K9 K

模具的接合面，本来就会有斜度使其在尺寸公差内差生多馀部份，在组合模具时再花时间来接合。所以，容易形成较多的刮痕及毛边。



0 [% T, u3 E; j. N而改善的刀法正好和以往的方式相反，在模具的接合面上预留间隙。树脂不同，如PPS在10μm时仍会有毛边产生，但通常在20"3Oμm时，轨不会产生毛边了。但滑动(slide)部的滑动导轨(slideguide)间隙也会较大，就有产生无法决定位置等种种问题之危险。所以，最好能另外设置导轨。
- k5 q# Q& Y9 D! L8 k7 e5 m


4 c* G% r5 y  j! g8 m" ]- g摺动面通常是使用淬火材料，但有时也会再施行氮化处理。在氮化处理以外，也会使用陶瓷被覆。此时，依机能来选择使用被覆(coating)材料是非常重要的。

% I/ n" `$ ]9 b" R; `7 a

3. 其他
/ N/ r& q# y( H* ^

# A! C! g' R( D- ?3 y0 M( j
流道板的改善

- @* D/ I) X! i- Q$ s3板模具的流道部份直接雕刻在模具基座(base)材料的情形较多。但在进行含有玻璃纤维的强化材料的成形时，会将流道部份分离，而使用淬火材料。


- s% O" M" O+ |$ Y
; ~5 u# E4 v( V# W流道阀门(runnerlock)部份的改善

流道拉梢(runnerlockpin)的凹割(undercut)形状，必须依照使用的树脂来选择。若选择不正确，阀门会脱落或削切树脂，而挟住的削屑就会伤害到模具。
* W) W5 S" \3 }# |$ Q" `
" V0 I$ u% k  b' I$ i6 C/ B

; @2 r  R* P5 E' u& A潜入式浇口的改善

. X0 T& ]' Z( X: L! H潜入式浇口会随着单工程工作(shot)数的增加而使浇口部份的切断恶化。而图的部份就会留在模具内，产生浇口阻塞、成形不良、或突起，而导致梢的破损。所以将其改变形状。这个方法不但可以使浇口的切断良好，也不会残留废料，可以有效延长模具的寿命。
( }2 |- d- T5 r' T! p0 a0 F
* W8 O5 Q0 e1 P
' j4 `/ ^% c8 j3 P
# R9 T; @$ a/ W! T6 \& J" b易维护的设计
# \# S4 h2 }. f3 f3 Y3 S

1 s, i/ Y# e2 Z" t+ W+ [
+ n+ C6 |4 \. }4 D为了使模具的维护较为容易，模具设计必须是简单就能进行安全而确实的作业，而且不论是谁在作业都能达到相同的精度。其具体内容如下。
) F- o7 O% t9 P. S2 {. E: {. [


9 c2 }# u1 z: q) ]0 f1. 在塑胶模座(moldbase)的各板上设置环首螺栓(eyebolt)用的螺攻(tap)，使模具加工组立时的移动搬运较为容易。
! Z2 Q# L' C. o% `: Z
. Z, R$ t& m4 i; _# l2. 为了防止小型温调等使用之o滑环(link)在组立时脱落或断裂，要考虑小型的形状及组立步骤，而设计成容易装设的配置。
3 r$ O7 _7 H( ?( W0 r
3. 滑动区块(slideblock)及锁定区块(lockingblock)的接触面，应在滑动区块侧设置调整板，使以平面研制进行的调整更为容易。
/ M% s. R/ |+ C. M/ b) L" d, x2 ?
; K. h3 E% t$ M  w3 \- I4. 中、大型模具置入基套(basepocket)时，应将心型吊起，在分模面进行环首螺栓用螺攻的加工。

5. 若配合制品形状而必须在模具进行深沟加工时，为了使通气孔及模具加工较为容易，应将心型分割。其次，在心型的低而使用底板，将分割的心型组成一体，使其容易装入基套。底板在组立模具时，也可防止小型梢及填充物的脱落。
4 o" D' s5 l* I; o* U6 m% ^0 y! f
* y' Y. p3 c8 s: v  J6. 锁紧小型用的螺栓，应尽量配置较大尺寸且数量较少。至少在分模面上，也要彻底遵守通气孔加工的设计指示。
" G* A' C3 ]# n, o/ a
: B9 i; W# V: F7. 为了不使小型(core)及基座的边缘(edge)部份受损，应在图面上详细注明倒角的指示。

8. 浇口部份等容易磨耗的部份，应设计为可套用，方便更换。

  C% Y& @7 M4 {4 C  r

4 b% d2 R+ n; U- t6 Z  W# G: s模具的维护和零件的精度维持以及机能维持具有无法切断的关系。本次所介绍的事例，只是其中的小部份而已，对置身於塑胶加工世界中的我们而言，模具的免维修化永远是我们的目标。今後，我们仍会针对我们的基本概念「高精度模具」的机能进行价值分析，我们希望实现传统观念无法实现的梦想。


8 `4 b7 U0 N' Y7 X* e$ O0 Q! E
虽然有点自傲，但本公司将以提供技术服务方式，针对类似问题的解决，展开顾问事业，若能得到回报，定当竭立协助。