塑料制品结构设计-1

一 塑料制品结构设计主要内容l 结构设计概述 l 塑料制品的收缩 l 塑料制品几何形状设计（脱模斜度、壁厚、加强筋 、凸台、角撑、支承面、边缘、平面、拱底、圆角 、孔、避免侧面凸凹和侧孔、螺纹、凸凹纹（滚花 ）、文字、标记和符号） l 嵌件设计（作用、形式、设计要点） l 联接件设计（螺钉联接、卡夹联接、铰链联接） l 塑料制品的尺寸精度与表面质量 l 设计实例目标：优良的产品性能，同时获得较低的成本 。 设计任务：材料选择选择合适的加工过程强度计算模具设计1、结构设计的内容和步骤l 设计零部件形状、数量、相互空间位置、选择材料 、确定尺寸、进行各种计算、按比例绘制结构方案 总图。l 充分考虑现有的各种条件，如加工条件、现有材料 、各种标准零部件、相近机器的通用件等。 l 结构设计是从定性到定量，从抽象到具体，从粗略 到精细的设计过程。 结构设计的步骤 l 设计任务书对结构设计的要求l 初步确定主要功能载体的结构l 初步确定辅助功能载体结构l 检查主辅助功能载体结构相互影响及配合性l 详细设计主辅功能载体结构，确定两种结构的零部件几 何尺寸、相互位置等l 对设计的进一步完善 l 技术和经济评价 结构设计主要包括3个方面l定性分析构形（各零件形状、数目、位置关 系）l定量计算尺寸，确定材料l按比例绘制结构图。l结构设计主要目标是：保证功能，提高性能 ，降低成本。 1.1.2 结构设计基本要求 l功能和工作原理明确l结构简单l安全可靠1、功能和工作原理明确 l功能明确：所选择结构要达到预期的功能， 每个分功能有确定的结构来承担，各部分结 构之间有合理的联系。要避免冗余结构，尽 量减少静不定结构。 l工作原理明确：所选结构的物理作用明确， 从而可靠地实现能量流（力流）、物料流和 信号流的转换或传导。 2、结构简单 l零部件数量少l零件几何形状简单l采用标准零部件l操作简单，结构布置合理，信号显示醒目l包装简单，运输方便 3、安全可靠 l机器安全包括4个方面：零件安全、整机安全、工作安全、环境安全l安全技术法：直接安全技术法（安全存在原 理、有限损坏原理、冗余配置原理）、间接 安全技术法、指导性安全技术法什么是结构设计？结构设计时需要考虑如下要点： l 确定尺寸，选择材料，零部件的安装、连接、固定方式，运 动部件的结构，表面处理工艺和模具加工要求等。其中，确 定尺寸最重要的依据是积累的经验数据，包括形状尺寸、定 位尺寸、配合尺寸； l 选择材料要考虑材料的成本，成型特点，物理和化学性能等 ，塑料件的连接结构很多利用了材料本身的弹性和强度特性 ； l 零部件的安装、连接、固定、运动方式需要积累各种典型结 构类型，考虑各种结构的优劣、适用场合，尽可能采用简单 的方式实现； l 表面处理工艺不仅和外观要求有关，还要考虑加工成本、工 艺难度等制造生产要求； l 结构设计同时要考虑塑料注塑模具的加工要求：动定模分模 线的位置，是否需要侧抽芯，浇口位置，脱模斜度，壁厚是 否均匀，表面粗糙度，模具成本，型腔数目等。§1.1 塑料制品设计的一般程序和原则1.1.1 塑料制品设计的一般程序l 详细了解塑料制品的功能、环境条件和载荷条件 l 选定塑料品种 l 制定初步设计方案，绘制制品草图（形状、尺寸 、壁厚、加强筋、孔的位置等） l 样品制造、进行模拟试验或实际使用条件的试验 l 制品设计、绘制正规制品图纸 l 编制文件，包括塑料制品设计说明书和技术条件 等l塑料的性质受使用环境、加工过程、模具设 计和操作条件的影响 l从样品到量产 l借助原料制造商的经验，将新的设计理念转 化成实际产品1.1.2 塑料制品设计的一般原则l 在选料方面需考虑：n塑料的物理机械性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸 水性以及对应力的敏感性等；n塑料的成型工艺性，如流动性、结晶速率，对成型温度 、压力的敏感性等；n塑料制品在成型后的收缩情况，及各向收缩率的差异。 l 在制品形状方面：能满足使用要求，有利于充模、排气、 补缩，同时能适应高效冷却硬化（热塑性塑料制品）或快 速受热固化（热固性塑料制品）等。 l 在模具方面：应考虑它的总体结构，特别是抽芯与脱出制 品的复杂程度。同时应充分考虑模具零件的形状及其制造 工艺，以便使制品具有较好的经济性。 l 在成本方面：要考虑注射制品的利润率、年产量、原料价 格、使用寿命和更换期限，尽可能降低成本。 设计塑料零件时需注意的要点：l 比较各种材料的基本特性。l 金属具有更高的 n密度 n最高使用温度 n刚性/强度 n导热性n导电性 l 工程塑料具有更好的n机械避震 n热伸缩性 n断裂伸长率 n韧性 l必须对产品所有的要求和限制条件进行完整 和细致的分析，选择合适的材料。 l一般来说，半结晶性热塑性塑料主要用于机 械强度高的部件，而无定型热塑性塑料由于 不易弯曲，则常被应用于外壳。§1.2 塑料制品的收缩塑料制品在成型过程中存在尺寸变小的收缩现 象，收缩的大小用收缩率表示。S收缩率； L0室温时的模具尺寸； L室温时的塑料制品尺寸。l具有较低同向收缩率的材料通常提供了较好 的尺寸控制对于小公差工件来说是一个 重要的考虑因素。影响收缩率的主要因素有：l 成型压力 型腔内的压力越大，成型后的收缩越小。 l 注射温度 收缩率随温度的升高而减小。 l 模具温度 通常情况是，模具温度越高，收缩率增大的趋势越明显。 l 成型时间 成型时保压时间一长，补料充分，收缩率小。与此同时， 塑料的冻结取向要加大，制品的内应力亦大，收缩率也就增大。成型的 冷却时间一长，塑料的固化便充分，收缩率亦小。 l 制品壁厚 结晶型塑料(聚甲醛除外)的收缩率随壁厚的增加而增加， 而非结晶型塑料中，收缩率的变化又分下面几种情况：ABS和聚碳酸酯等 的收缩率不受壁厚的影响；聚乙烯、丙烯腈苯乙烯、丙烯酸类等塑料 的收缩率随壁厚的增加而增加；硬质聚氯乙烯的收缩率随壁厚的增加而 减小。 l 材料特性 例如：半结晶热塑性塑料收缩率高于非结晶热塑性塑料。 l 工件尺寸 孔、肋板等工件特征起到限制收缩的作用，减小整体收缩 率。 l 进料口尺寸 进料口尺寸大，塑料制品致密，收缩小。靠近进料口的 区域收缩小于远离进料口的区域。 l 玻璃纤维等的填充物 收缩率随填充量的增加而减小。§1.3塑料制品几何形状设计1.3.1尺寸精度和表面光洁度l塑件的尺寸精度主要取决于塑料收缩率的波 动和模具制造误差。 l根据材料类型，可选用不同的精度等级。 l表面光洁度主要取决于模具光洁度。§1.3塑料制品几何形状设计1.3.2 脱模斜度脱模斜度：为便于脱模，塑料制品壁在出模方向上应具 有倾斜角度，其值以度数表示。 l 制品精度要求越高，脱模斜度应越小。 l 尺寸大的制品，应采用较小的脱模斜度。 l 制品形状复杂不易脱模的，应选用较大的斜度。 l 制品收缩率大，斜度也应加大。 l 增强塑料宜选大斜度，含有自润滑剂的塑料可用小斜度。 l 制品壁厚大，斜度也应大。 l 斜度的方向。内孔以小端为准，满足图样尺寸要求，斜度向 扩大方向取得；外形则以大端为准，满足图样要求，斜度向 偏小方向取得。一般情况下脱模斜度。可不受制品公差带的 限制，高精度塑料制品的脱模斜度则应当在公差带内。由表中可以看出，塑料硬脆、刚性大的，脱模斜度要求大。 具备以下条件的型芯，可采用较小的脱模斜度： (1) 顶出时制品刚度足够。 (2) 制品与模具钢材表面的摩擦系数较低。 (3) 型芯表面的粗糙度值小，抛光方向又与制品的脱模方向致。 (4) 制品收缩量小，滑动摩擦力小。制品脱模斜度设计l箱体与盖类制品l当H50mm时，S/H=1/301/50 l当50H100mm时，S/H1/60l格子板形制品 当格子的间距P4mm 时，脱模斜度=1/10P。 格子C尺寸越大，脱模斜 度越大。 当格子高度H超过8mm ，脱模斜度不能取太大 值时，可采用图(b)的形 式，使一部分进入动模 一侧，从而使脱模斜度 满足要求。l带加强筋类制品 A=(1.01.8)T mm； B=(0.50.7)T mml底筋类制品 A=(1.01.8)T mm；B=(0.50.7)T mml凸台类制品 l最小脱模斜度 §1.3.4 制品壁厚制品壁厚的作用 l使制品具有确定的结构和一定的强度、刚度 ，以满足制品的使用要求。 l成型时具有良好的流动状态（如壁不能过薄 ）以及充填和冷却效果（如壁不能太厚) l合理的壁厚使制品能顺利地从模具中顶出。 l满足嵌件固定及零件装配等强度的要求。 l防止制品翘曲变形。l改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有 显著影响： n零件重量 n在模塑中可得到的流动长度 n零件的生产周期 n模塑零件的刚性 n公差 n零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙 l流程与壁厚的比率l翘曲模量与壁厚的关系n一块平板的抗挠刚度由材料特有的弹性模数和该 块版的横截面的转动惯量所决定。如果未经任何 考证就自动增加以改进塑料制品的刚性，通常会 导致出现严重问题，对结晶材料尤为如此。对玻 璃纤维增强材料，改变也会影响玻璃纤维的取向 。靠近模具壁面，纤维按照流体流动方向取向。 而在模具壁面横截面的中央部位，纤维取向混乱 ，从而导致出现湍流。制品壁厚的设计 基本原则均匀壁厚。即：充模、冷却收缩 均匀、形状性好、尺寸精度高、生产率高。 l在满足制品结构和使用要求的条件下，尽可 能采用较小的壁厚。 l制品壁厚的设计，要能承受顶出装置等的冲 击和振动。 l在制品的连接固紧处、嵌件埋入处、塑料熔 体在孔窗的汇合（熔接痕）处，要具有足够 的厚度。l保证贮存、搬运过程中强度所需的壁厚。 l满足成型时熔体充模所需壁厚，既要避免充 料不足或易烧焦的薄壁，又要避免熔体破裂 或易产生凹陷的厚壁。 l制品上相邻壁厚差的关系(薄壁：厚壁)为： l热固性塑料：压制1：3，挤塑1：5 l热塑性塑料：注塑1：1.5(2)l当无法避免不均匀的壁厚时，制品壁厚设计 可采用逐步过渡的形式（图2-6，图2-7），或 者改制成两个制品然后再装配为一个制品（ 图2-8）等方法。§1.3.5 加强筋l为了克服壁厚大可能引起的问题，使用加强 筋是一种可减少壁厚并能增加刚性的有效方 法。 l一般来说，部件的刚性可用以下方法增强n增加壁厚； n增大弹性模量（如加大增强纤维的含量）； n设计中考虑加强筋。 l在不加大制品壁厚的条件下，增强制品的强 度和刚性，以节约塑料用量，减轻重量，降 低成本。 l可克服制品壁厚差带来的应力不均所造成的 制品歪扭变形。 l便于塑料熔体的流动，在塑料制品本体某些 壁部过薄处为熔体的充满提供通道。l十字结构