The Mould Design Guide

Contents......Page 5
1 Introduction......Page 33
2.1 Background......Page 37
2.2.3 Mould Height......Page 38
2.2.4 Daylight......Page 39
2.2.5 Distance Between Tie Bars......Page 40
2.2.6 Clamping Mechanisms......Page 41
2.2.7 The Injection Unit......Page 45
2.3 Theoretical Mould Locking Force......Page 51
2.4.4 Holding Time and Pressurising Phase......Page 52
2.4.7 Mould Open Phase......Page 53
2.4.8 Ejection Phase......Page 54
3.2 Definition of Plastics......Page 55
3.3 The Nature of Plastics Materials......Page 56
3.4 Monomers, Polymerisation and Polymers......Page 57
3.5.1 Thermosets and Thermoplastics......Page 58
3.5.2 Homopolymers, Copolymers and Polymer Blends (Alloys)......Page 59
3.5.3 Amorphous and Semicrystalline Thermoplastics......Page 61
3.6 Melting and Solidification......Page 62
3.7 Shrinkage......Page 63
3.8.2 Commodity Plastics......Page 64
3.9 Material Additives......Page 65
3.11 Variable Molecular Weight......Page 67
3.12 Melt Flow Index (MFI)......Page 68
3.15 Material Names and Abbreviations......Page 69
3.16 Material Applications......Page 71
3.17.4 Additives......Page 72
3.17.5 Material Drying......Page 73
3.17.6 Plasticising or Melting......Page 74
3.17.8 Degradation of Materials During Plasticising......Page 75
3.17.10 The Effect of Screw Rotational Speed and Back Pressure......Page 76
3.17.12 Selection of Injection Speed......Page 77
3.18 Initial Cavity Filling Phase......Page 79
3.21 Melt Compressibility and Shrinkage......Page 80
3.22 Sinks and Voids......Page 81
3.23 Weld Lines and Meld Lines......Page 84
3.24 Cooling and Solidification of the Melt......Page 85
4 Good Design Practice......Page 87
4.2 Reading General Arrangement Diagrams (GA)......Page 88
4.3 Understanding Toolmaking Concepts......Page 89
4.5 Summary of Good Design Practice......Page 90
5.1 Predesign Checklist......Page 91
5.4 Component Geometry......Page 92
5.7 Component Function......Page 93
5.10 Gating Method......Page 94
5.12 Component Aesthetics......Page 95
6 Determining the Right Number of Impressions......Page 97
6.2 Appearance......Page 98
6.5 Discussion......Page 99
6.6 More Cavities = Less Control......Page 100
6.7 Summary......Page 102
7.2 Golden Rules......Page 103
7.4 Design Example......Page 104
7.4.1 STEP 1: The Split Line......Page 105
7.4.3 STEP 3: Ejection......Page 107
7.4.4 STEP 4: Cavity Inserts......Page 108
7.4.5 STEP 5: Venting......Page 110
7.4.6 STEP 6: Water Cooling......Page 111
7.4.7 STEP 7: Impression Centres......Page 112
7.4.8 STEP 8: Mould Layout......Page 113
7.4.9 STEP 9: Main Sectional View......Page 114
8.2.1 Mould Materials......Page 115
8.2.4 Beryllium-Copper......Page 116
8.3.1 Cavity Construction......Page 117
8.3.3 Milling......Page 118
8.3.4 Grinding......Page 119
8.3.5 Fabrication......Page 120
8.3.6 Standard Electrodischarge Machining (EDM)......Page 121
8.3.7 Wire Electrodischarge Machining......Page 123
8.3.8 Cold Hobbing......Page 124
8.3.10 Electroforming......Page 125
8.3.12 Gassing and Burning......Page 127
8.4 Differential Shrinkage......Page 128
8.6 Example......Page 129
9.1 Design Details......Page 131
9.1.2 Top Plate......Page 133
9.1.6 Rear Cavity Plate......Page 134
9.1.8 Ejection System......Page 135
9.1.13 Fine Tuning the Mould Tool......Page 136
9.1.17 Support Pillars......Page 138
9.1.21 Guide Bushes......Page 139
10.1.2 Draft Angles......Page 141
10.1.4 Material......Page 142
10.1.5 Gating......Page 143
10.1.6 Ejection Balance......Page 144
10.1.9 Machine Ejection Features......Page 145
10.2.1 Ejector Pins and Blades......Page 146
10.2.2 Sleeve Ejectors......Page 148
10.2.3 Stripper Plate Ejection......Page 149
10.2.4 Valve Ejection......Page 150
10.2.5 Ejection Forces......Page 151
10.4 Formulae......Page 152
10.4.1 Example......Page 153
10.5.1 Mechanical Ejection......Page 154
10.5.2 Hydraulic Ejection......Page 157
10.5.4 Hybrid Ejection Systems......Page 158
10.5.5 Double Ejection......Page 161
10.6 Unsatisfactory Systems......Page 164
11.1 Discussion......Page 165
11.2.2 Heat Transfer Oil......Page 166
11.5 Cooling Channels......Page 167
11.5.1 Core Cooling......Page 169
11.6 Cavity Cooling......Page 177
11.7.1 Series Cooling......Page 180
11.7.2 Parallel Cooling......Page 181
11.9 Factors Affecting the Cooling Cycle......Page 182
11.9.3 Moulding Material......Page 183
11.10 Mould Temperature Control......Page 184
11.11.1 Cavity Material and Construction......Page 185
11.11.4 Rate of Coolant Flow......Page 186
11.13.1 Specific Heat......Page 187
11.14 Pulsed Mould Cooling......Page 193
11.14.1 Selective Pulsed Cooling......Page 194
11.16 Summary......Page 195
12.1 Introduction......Page 197
12.1.1 Undercut Components......Page 199
12.1.3 Loose Inserts......Page 200
12.1.5 Straight Angle Dowels......Page 202
12.2 Key Design Features......Page 204
12.2.1 Example......Page 205
12.3 Offset Angle Dowels......Page 207
12.3.2 To Establish Point P......Page 209
12.4.1 Discussion......Page 210
12.5.1 Discussion......Page 211
12.5.4 Formulae......Page 213
12.6.1 Discussion......Page 214
12.6.2 Straight Action Form Pins......Page 215
12.6.3 Key Design Features......Page 216
12.6.4 Angled Form Pins......Page 217
12.6.5 Angled Action Form Pin......Page 218
12.6.7 Key Design Features......Page 219
12.7 Nonstandard Side Core Designs......Page 221
12.7.2 Description of Operation......Page 222
12.8.1 Description of Operation......Page 223
12.9 Radial Undercuts......Page 225
12.9.2 Key Design Features......Page 228
12.11 Normal Ejection Techniques......Page 229
12.11.1 Form of Undercut......Page 230
12.11.4 Unsatisfactory Materials......Page 231
12.12 Special Ejection Designs......Page 232
12.12.1 Splitting the Component......Page 233
12.12.3 Helical Ejection......Page 235
13.1 Introduction......Page 237
13.2 Injection Moulding Thread Forms......Page 238
13.3.2 Number of Starts......Page 239
13.3.3 Thread Form......Page 240
13.3.4 Taper Threads......Page 245
13.3.7 Longscrew Threads......Page 246
13.3.8 Moulded Thread Forms......Page 248
13.4.2 The Effect of Incorrect Shrinkage on Thread Forms......Page 249
13.5 Application of Shrinkage Allowance on Thread Forms......Page 250
13.5.1 Shrinkage Formulae......Page 251
13.6.5 Ejection Speed......Page 252
13.6.7 Tool Temperature Control......Page 253
13.7.1 Split Tooling......Page 254
13.7.2 Thread Jumping......Page 255
13.7.3 Collapsible Coring......Page 256
13.8 Rotary Unscrewing......Page 259
13.9 Types of Collapsible Core......Page 260
13.9.1 Two-segment Core Details......Page 261
13.9.2 Multisegment Collapsible Cores......Page 262
13.10.1 Advantages......Page 263
13.10.2 Disadvantages......Page 264
13.11.2 Cavity in Moving Half......Page 266
13.11.3 Cavity in Fixed Half......Page 267
13.11.4 Key Design Features of Figure 13.18......Page 270
13.12.1 Base Key Geometry......Page 271
13.13 Moving Core Systems......Page 272
13.13.1 Key Design Features......Page 273
13.14 Cavity Rotation......Page 274
13.14.1 Key Design Features......Page 276
13.15.2 Key Design Features for Two External Threads......Page 277
13.15.3 Operation......Page 279
13.15.4 Key Design Features......Page 281
13.16.1 Introduction......Page 282
13.16.2 Basic Spur Gear Definitions......Page 284
13.16.5 Example Gear Calculations (ISO)......Page 285
13.16.7 Guidelines for Gear Train Design (ISO)......Page 287
13.17.2 Stage 1......Page 288
13.17.3 Stage 2......Page 289
13.17.4 Stage 3......Page 290
13.17.6 Stage 5......Page 291
13.18.2 Opening Movement of Mould Tool......Page 292
13.18.3 Actuation by Cylinder......Page 293
13.18.5 Hydraulic Motors......Page 295
13.18.7 Clutches and Rotation Control......Page 297
13.18.8 Using Clutches......Page 298
13.18.9 Using Stepper Motors......Page 299
13.18.10 Using Torque Limiters......Page 300
13.19 Special Designs......Page 301
13.20 Commercial Unscrewing Systems......Page 302
14.1 Three-Plate Tools......Page 303
14.1.1 Three-Plate Tool Operation......Page 305
14.2 Multiplate Undercut Tools......Page 311
14.2.1 Sequential Opening......Page 313
14.3 Stack Moulds......Page 317
15.1.1 Basic Antechamber Type......Page 323
15.1.2 Heated Hot Sprue Bushes......Page 325
15.1.3 Summary......Page 329
15.2.1 Insulated......Page 330
15.2.2 Semi-insulated......Page 331
15.3.1 Advantages Over Cold Runner Moulds......Page 332
15.3.3 Open Gate Nozzles......Page 337
15.3.4 Spring-Operated Needle Nozzle......Page 339
15.3.5 Hydraulically Operated Needle Valve Nozzle......Page 340
15.3.6 Multipoint Gating......Page 341
15.4.1 Band Heaters......Page 343
15.4.4 Tubular Heaters......Page 344
15.5 Temperature Control in Manifolds......Page 345
15.5.3 Other Factors......Page 346
15.6.1 Pin and Edge Gating......Page 347
15.6.3 Thermal Sealing......Page 348
15.7 Thermal Expansion......Page 349
15.8.2 Heating Capacity Requirements......Page 350
15.8.3 Wattage Density......Page 351
15.8.4 Manifold Heat-Up Time......Page 352
16.1 Introduction......Page 353
16.2 Selecting the Material for the Application......Page 354
16.3.1 Steel......Page 355
16.3.2 Plate Steel......Page 356
16.3.3 Cast Steel......Page 358
16.3.4 Nonferrous Materials......Page 361
16.3.5 Aluminium Alloys......Page 362
16.3.7 Beryllium–Copper Alloys......Page 364
16.3.8 Bismuth–Tin Alloys......Page 366
16.4 Heat Treatment......Page 367
16.4.1 Through-Hardening......Page 368
16.4.3 Carburising or Case Hardening......Page 370
16.4.4 Nitriding......Page 371
16.5 Mould Finishing......Page 372
16.5.3 Photochemical Etching......Page 373
16.5.6 Vapour Blasting......Page 374
16.6 Mould Maintenance......Page 375
17.1 The Feed System......Page 377
17.1.2 Cold Slug Well......Page 378
17.1.3 Runner Design......Page 379
17.1.4 Runner System Design Rules......Page 382
17.2 Calculating the Runner Length......Page 384
17.2.1 Example......Page 385
17.3 Gate Design......Page 387
17.3.2 Automatically Trimmed Gates......Page 392
17.3.3 Gating Design Rules......Page 394
17.3.5 Number and Location of Gates......Page 395
17.3.6 Gate Sizing......Page 397
17.3.7 Example......Page 398
17.3.9 Gate Diameter......Page 399
17.4 Establishing the Correct Gate Size......Page 401
17.4.2 Empirical Analysis......Page 402
18.1 Standard Parts Available......Page 405
18.1.5 Feed Systems......Page 406
18.2 Mould Tool Designing Using Standard Parts......Page 407
18.3 Toolmaking Using Standard Parts......Page 408
18.4 Summary......Page 410
19.1 Discussion......Page 411
19.1.3 Breakages......Page 412
19.2.1 Definitions of Forces......Page 413
19.4 Strain......Page 416
19.5.1 Young’s Modulus of Elasticity......Page 417
19.6 Factor of Safety (FOS)......Page 418
19.6.2 Ductile materials......Page 419
19.7 Poisson’s Ratio......Page 420
19.7.1 Example......Page 421
19.9 Beam Theory......Page 422
19.9.1 Beam Models......Page 424
19.10.1 Neutral Axis......Page 425
19.10.2 Second Moment of Area......Page 426
19.12 Section Modulus......Page 428
19.14.1 Two-Plate Example......Page 429
19.14.2 Split Tool Example......Page 432
19.14.3 Analysing Core Pins......Page 435
19.15 Summary......Page 437
20.1 Observations......Page 439
20.2 Facts on Fatigue......Page 440
20.3 Calculating Shut-off Areas......Page 442
20.3.1 Example......Page 444
20.4.1 Stress Concentrations......Page 446
20.4.2 Stress Raisers......Page 448
20.4.3 Machining Marks......Page 450
20.4.4 The Effect of Surface Finish......Page 451
20.4.5 Hardness Factors......Page 452
20.5 Summary......Page 453
21.2 Tolerance......Page 455
21.3 Limits......Page 456
21.4.1 Running Fit......Page 457
21.5 British Standard Hole and Shaft Fits......Page 458
21.6 British Standard Clearance Fits......Page 459
21.7 British Standard Clearance Fits – Hole Basis......Page 461
21.7.1 Example......Page 462
21.8 Geometric Tolerancing......Page 463
22.1 Reasons for Impression Blanking......Page 469
22.2.1 Original Estimate......Page 470
22.2.2 Effect of Running on Six Impressions......Page 471
22.2.4 Cycle Required to Achieve Original Profit Level......Page 472
22.2.5 Cycle Required to Break Even......Page 473
22.5 Methods of Blanking Impressions......Page 474
22.5.3 Cavity Rotation......Page 475
22.6 Summary......Page 477
23.2 Cooling Channel Diameters......Page 479
23.3 Runner Length Formulae......Page 480
23.5 Ejection Forces......Page 481
23.8 Poisson’s Ratio......Page 482
23.9.2 Circular Bar......Page 483
23.11 Bending Formulae......Page 484
23.12 Deflection of Beams......Page 485
23.13 Blanking Impressions......Page 486
24 Integrated Design Examples......Page 487
25 Mathematical and Reference Tables......Page 517
25.1 Logarithms......Page 518
25.2 Anti-logarithms......Page 520
25.3 Natural Sines......Page 522
25.4 Natural Cosines......Page 524
25.5 Natural Tangents......Page 526
25.6 Square Roots......Page 528
25.7 Reciprocals......Page 532
25.8 Powers, Roots and Reciprocals......Page 534
25.9 Thermal Properties of Some Common Mould-making Materials......Page 536
25.10 Typical Thermal and Mechanical Properties of Steels for Injection Moulds......Page 537
25.11 Thermal Properties of Plastics Materials......Page 538
25.12 I.S.O. Metric Fine Threads in mm......Page 539
25.13 I.S.O. Metric Coarse Threads in mm......Page 540
25.15 Whitworth Threads (55°)......Page 541
25.16 British Pipe Thread (B.S.P.) – Basic Sizes in Inches......Page 542
25.17 British Standard Taper Pipe (B.S.T.P.) Tolerances and Allowances, Turns of Thread......Page 543
25.18 Hardness Comparison Table......Page 544
25.19 Conversion Factors......Page 545
26.1 Time Elements in a Moulding Cycle......Page 547
26.2 Mould and Processing Terminology......Page 549
Index......Page 559
Titles of Related Interest......Page 573