面向制造和装配的产品设计-第二部分-塑胶件的设计

DFMA面向制造和装配的产品设计塑胶件的设计DFMA目录一、定义与特性二、分类三、材料四、塑胶件设计零件壁厚避免尖角脱模斜度加强筋的设计支柱的设计孔的设计提高塑胶件强度的设计提高塑胶件外观的设计降低塑胶件成本低设计注塑模具可行性设计塑胶件的装配卡扣装配卡扣的设计机械固定，自攻螺钉超声波焊接塑胶件DFMA检查表DFMA五、塑胶件设计-定义与特性塑胶：主要由碳、氧、氢和氮及其他有机或无机元素所构成，成品为固体，在制造过程中是熔融状的液体，因此可以籍加热使主要由碳、氧、氢和氮及其他有机或无机元素所构成，成品为固体，在制造过程中是熔融状的液体，因此可以籍加热使其熔化、加压力使其流动、冷却使其固化，而形成各种形状，此庞大而变化多端的材料族群称为塑胶其熔化、加压力使其流动、冷却使其固化，而形成各种形状，此庞大而变化多端的材料族群称为塑胶;特性:低强度与低韧性原料丰富，价格低廉成型容易，易加工成复杂形状，可大批量生产重量轻，低密度（塑胶比重0.92，铝2.7，铁7.8)受外力作用时容易产生连续变形色彩鲜明，着色容易，适当加入着色剂，可改变其色泽良好的绝缘性耐腐蚀性佳，耐水、耐油、耐酸、耐化学药品，而且不生锈耐热性差，大部份的塑料耐热温度约在150C以下不导电性、不导热性可以具有其他特殊性质，例如透明性、弹性等DFMA五、塑胶件设计-分类HDT=100HDTV=250性能成本高性能工程塑料工程塑料通用塑料非结晶塑料结晶塑料PIPESPARPEEXLCPPEIPSUPTFEPETPA66PA6PDMPBTPPPESMAPSPVCSANPMMAPVDFPCPPOPC/ABSABSHDT=175HDTV=250PA46PPSPPAPCT 塑胶 分类材料特性非结晶塑胶结晶塑胶比重较低较纸拉伸强度较低较低拉伸模量较低较高延展性较高较低抗冲击性较高较低最高使用温度较低较高收缩率和翘曲较低较高流动性较低较高耐化学性较低较低耐磨性较低较高抗蠕变性较低较高硬度较低较高透明性较高较低加玻璃纤维补强效果较低较高DFMA塑料材料的分类物性表零件的功能要求使用环境要求价格装配要求尺寸稳定性外观安规要求五、塑胶件设计-材料的选择DFMA五、塑胶件设计-零件壁厚零件壁厚必须适中壁厚太小：l强度低l流动阻力大，熔料难充满壁厚太大：l产生缩水、气孔和翘曲等质量问题l冷却时间增加，成型周期加长，生产效率低l用料增加，成本正佳常用塑料材料合适壁厚范围（单位：mm）：尽量减小零件壁厚，错误的做法是为提高零件强度而片面增加零件壁厚。决定零件壁厚的因素有：强度要求成型时能否抵抗脱模力抵抗装配时的紧固力有金属埋入件时，埋入件周围的强度是否足够孔的强度是否足够 材料壁厚PEPPNylonPSASPMMAPVCPC ABSPOM最小0.90.60.61.01.01.51.51.51.51.5最大4.03.53.04.04.05.05.05.04.55.0塑胶种类最小壁厚小型舰壁厚中型件壁厚大型件壁厚ABS0.751.251.63.25.4防火ABS0.751.251.63.25.4PArt66+玻纤0.450.751.62.43.2PMMA0.81.52.246.5透明PC0.951.82.334.5塑胶件壁厚选择DFMA五、塑胶件设计-零件壁厚零件壁厚均匀:当壁厚不均匀时：原始设计较优设计A较优设计B最优化设计DFMA五、塑胶件设计-避免尖角避免零件外部尖角：避免在塑胶熔料流动方向上产生尖角：避免在零件连接处产生尖角：圆角的角的设计 零件零件应力集中系数力集中系数DFMA五、塑胶件设计-脱模斜度决定脱模斜度的因素:l脱模斜度一般取12；l收缩率较大的塑胶件脱模斜度较大；l尺寸精度要求较高的特征处取较小脱模斜度:l公模侧脱模斜度小于母模侧以利于脱模；l壁厚较厚时，成型收缩大，取较大脱模斜度;l咬花面与复杂面取较大脱模斜度;l玻纤增强塑料取较大脱模斜度；l零件某些平面因为功能需要可以不设置脱模斜度，但模具则需设计侧抽芯结构，模具结构复杂，成本高:l在零件功能和外观等允许情况下，零件脱模斜度尽可能取大;l脱模斜度的大小与方向不能影响零件的功能实现。脱模斜度的大小和方向不能影响零件的功能实现：表面部位斜度连接零件与薄壁零件其它零件外表面1530;1内表面301孔（深度1.5d）153045加强筋、凸缘2、3、5、10不同表面的脱模斜度推荐塑料名称脱模斜度聚乙烯、聚丙烯、软聚氯乙烯301ABS、聚酰胺、聚甲醛、氟化聚醚、聚苯醚40130硬聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚砜502聚苯乙烯、有机玻璃502热固塑料201不同塑料的脱模斜度推荐DFMA五、塑胶件设计-加强筋的设计加强筋的尺寸：l筋的厚度：不应该超过塑胶零件厚度的50%60%l筋的高度：不能超过塑胶零件厚度的3倍l筋的根部圆角：为塑胶零件厚度的0.250.5倍l筋的脱模斜度：一般为0.51.5l筋与筋的间距：至少为塑胶零件厚度的2倍加强筋的设计原则：l壁厚均匀：l筋的方向与塑胶熔料方向一致：l顶端增加斜角，避免困气：l与塑胶容量的流向一致：DFMA五、塑胶件设计-支柱的设计支柱的尺寸：l外径与内径：外径为内径的2倍l厚度：不超过零件厚度的0.6倍l高度：不超过零件厚度的5倍l根部圆角：为零件壁厚的0.250.5倍l根部厚度：为零件壁厚的0.7倍l脱模斜度：一般内径0.25，外径0.5支柱的设计原则：壁厚均匀：保持与零件壁的连接：单独支柱四周增加加强筋补强：DFMA五、塑胶件设计-孔的设计孔的深度尺寸：不能太深(若太深，采用阶梯孔成型)孔与孔的间距及孔与零件边缘的尺寸：u应至少大于孔径或零件壁厚的1.5倍以上，即S1.5t或1.5d，取二者的最大值避免盲孔根部太薄：u不通孔底部厚度至少应当大于不通孔直径的0.2倍，底部太薄，不通孔强度低，同时背面容易产生外观缺陷。u如果底部太薄，则可以考虑采用底部增强结构（如下）。零件上的孔尽量远离受载荷部位：孔的边缘增加凸缘以增加强度：增加强度、防止变形避免与零件脱模方向垂直的侧孔：简化模具结构塑胶件上常见的孔大致可以分为不通孔、通孔和阶梯孔3种：u当不通孔的直径小于5mm时，孔的深度不应该超过孔直径的2倍;当不通孔的直径大于5mm时，孔的深度不应超过孔直径的3倍。u通孔比不通孔更容易制造，因为型芯可以分布在凸、凹模两侧，通孔的深度可以适当加大。当通孔的直径小于5mm时，孔的深度不应该超过孔直径的4倍;当通孔的直径大于5mm时，孔的深度不超过孔直径的6倍。阶梯孔DFMA五、塑胶件设计-孔的设计长孔的设计：应该与塑胶熔料的流动方向一致，避免垂直于流动方向，以免阻碍塑胶熔料的流动。风孔的设计：u一般情况下，风孔为圆孔时模具型芯为圆柱形，加工容易，模具成本低。u过多的风孔设计会造成零件强度降低，可以通过增加加强筋或凸缘等方法来增加风孔处零件的强度。圆形风孔 六边形风孔DFMA五、塑胶件设计-提高塑胶件强度的设计通过添加加强筋而不是增加壁厚来提高零件强度：加强筋的方向要考虑载荷的方向：多个加强筋比单个较厚或较高的加强筋好：设计零件增强剖面：增加侧壁：避免零件应力集中：避免零件在熔接痕区域承受载荷：u零件壁厚增加不仅会增加塑胶件重量，而且容易使零件产生缩水、气泡等缺陷，同时增加注射生产时间，降低生产效率。为提高零件的强度，正确的方法是增加加强筋、而不是增加零件壁厚。u加强筋只能加强塑胶件一个方向的强度。加强筋方向需要考虑载荷方向，否则加强筋不能增加零件抵抗载荷的能力；u如果零件承受的载荷是多个方向的载荷或者扭曲载荷，可以考虑增加X形加强筋或者发散形加强筋来提高零件强度。u当单个加强筋的高度太高或者厚度太厚时，可以用两个较小的不高不厚的加强筋来替代.u通过设计零件增强剖面形状可以提高塑胶件的强度，常见的零件增强剖面包括形、锯齿形和圆弧形。u避免平面型塑胶件设计，平面型的塑胶件强度非常低，可以通过四周增加侧壁来提高零件的强度；u侧壁的形状可以是单纯的直壁，在条件允许时，曲面式侧壁或者带增强剖面式侧壁更能提高零件的强度。u应力集中常发生于零件尖角处、零件壁厚剧烈变化处、零件孔、槽及金属嵌件处。零件应力集中会大幅降低零件的强度，使得零件在冲击载荷作用下发生失效。u零件熔接痕区域是零件强度最低的区域之一，是最容易发生失效的区域之一。因此必须合理设置浇口的位置和数量，以避免零件在熔接痕区域承受载荷。DFMA五、塑胶件设计-提高塑胶件强度的设计其他方法：l玻纤增强塑料常用来代替普通塑胶材料来提高塑胶件强度，需要注意的是玻纤增强塑胶只在玻纤的方向上提高零件的强度；l塑胶件承受压缩载荷的能力比承受拉伸载荷的能力强；l避免零件承受圆周载荷。零件承受圆周载荷时，例如金属镶件处，很容易发生破裂而实效；l在承受冲击载荷时，保持零件剖面的完整性，避免在冲击载荷方向上零件剖面出现缺口和应力集中。DFMA五、塑胶件设计-提高塑胶件外观的设计选择合适的塑胶材料：l合适的零件壁厚：在零件壁厚较厚处所对应的零件外表面一般会发生缩水。l通过设计掩盖缩水：l“火山口”设计：合理设置浇口位置：u塑胶材料的选取对产品的外观起着重要的作用，不同的塑胶材料有着不同的外观质量表现。例如，相对于非玻璃纤维增强的材料，玻璃纤维增强的材料注射成型后一般外观质量比较低，而且容易翘曲。u在允许的情况下，可以通过U形槽、零件表面断差的设计以及表面咬花等方式来掩盖塑胶件表面缩水u支柱壁厚处或加强筋壁厚处局部去除材料(我国台湾地区称之为“火山口”)，可以大幅降低零件外观缩水的可能性，u“火山口”设计会在一定程度上降低支柱或加强筋的强度。u离浇口越远处，越容易产生表面缩水。对于零件重要外观表面对表面缩水要求高的区域，可以合理设计浇口的位置使其靠近该区域，减小缩水。同时，浇口的位置应使得塑胶熔料从壁厚处流向壁薄处。u若熔料从壁薄处流向壁厚处，壁薄处首先冷却凝固，壁厚处表面很容易产生缩水，内部则容易产生气泡。DFMA五、塑胶件设计-提高塑胶件外观的设计预测零件变形，设计减少变形。零件发生变形的原因很多，主要包括4个方面：l1）零件在塑胶熔料流向方向上和横截面方向上不同的收缩比。l2）零件不均匀地冷却。l3）零件不均匀的壁厚造成变形。l4）零件不对称的几何形状造成零件变形。u为此，可通过加强筋、对称设计等方式减小零件变形。在外观零件之间设计美工沟：避免外观零件表面出现熔接痕：u塑胶件表面咬花可以部分掩盖熔接痕，但并不能完全掩盖；u喷漆可以掩盖熔接痕；u合理设置浇口的位置和数量，避免零件重要外观表面产生熔接痕；u保证模具通风顺畅。合理选择分模线，避免零件重要外观面出现断差或者毛边：u模具凸、凹模交汇处、型芯与型芯交汇处、型芯与凸、凹模交汇等处容易出现断差或飞边。因此，应当仔细检查模具的分型面位置，避免在零件重要外观面出现断差或飞边。避免将顶针设计在零件重要外观面。u两个外观塑胶件之间配合时，因为零件制造误差和装配误差的存在，两个零件之间的间隙和断差（指一个零件的表面高于另外一个零件的表面）的存在（间隙永远存在），会影响产品外观；u通过美工沟的设计可以掩盖两个外观塑胶件之间的间隙，从而提高产品的外观质量。常用的美工沟的设计有两种。DFMA五、塑胶件设计-降低塑胶件成本的设计设计多功能零件：u注射模具通常比较昂贵，设计多功能的塑胶件，能够分担模具成本，从而降低零件开发成本;同时，由于塑胶件可以具有复杂形状和内部结构，一个塑胶件往往可以替代两个甚至多个传统工艺方法加工的零件，而多个塑胶件在有些时候也可以合并成一个塑胶件以节省成本。降低零件材料成本：u通过加强筋而不是增加壁厚的方法提高零件强度；u零件较厚的部分去除材料；简化零件设计，降低模具成本：uKISS原则（keep it simple，stupid），简单就是么。零件中的每个特征必须有存在的理由，否则，该特征应该去除。u复杂的塑胶件形状和结构会增加模具结构的复杂性，导致模具成本增高，也会影响零件的质量和性能。u塑胶件应尽可能地设计成多功能的零件，但多功能的零件并不意味着复杂的零件。如果多功能塑胶件的设计造成了产品整体成本的上升，则违反了塑