注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計胡雄偉2008.1.151 1、通論、通論2 2、原型之設(shè)計3 3、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計4 4、組裝設(shè)計5 5、焊接設(shè)計、焊接設(shè)計6 6、澆口設(shè)計、澆口設(shè)計7 7、節(jié)約成本設(shè)計、節(jié)約成本設(shè)計 1 通 論 v產(chǎn)品設(shè)計是利用材料，經(jīng)設(shè)計成為新創(chuàng)的外形或結(jié)構(gòu)，以制成指定作用或目的的產(chǎn)品。其所須具備之條件為：1. 在功能上：要能符合使用者的需求。2. 在使用操作上：要能符合使用者的習慣與身份。3. 在外型上：要能合乎簡單的制造原則并滿足使用者的喜好。4. 材料應(yīng)用與加工方法上：要合乎經(jīng)濟與合理的原則，并能求得最適化而降低成本。即任何一新產(chǎn)品，從構(gòu)思到生產(chǎn)，對一公司而言，其考量前題為以下所

2、列各項：將來性：公司未來發(fā)展領(lǐng)域的配合，成長性。 技術(shù)性：與該公司現(xiàn)有技術(shù)之關(guān)系，原料設(shè)備獲得之難易及技術(shù)上成功的可能性。 領(lǐng)先性：是否可申請或抵觸專利及制品是否具獨特性。 銷售可能性：產(chǎn)品的展望，推出市場之難易，銷售網(wǎng)的建立及有無商品特征等可能性。 經(jīng)濟性：研究經(jīng)費人員的多寡，開發(fā)期間的長短，設(shè)備投資額之獲得及獲利率的大小。其它如材料之選擇、加工方式、模具的設(shè)計、二次加工方式及安全規(guī)范、法令等，皆須詳加考慮。v通常塑料新制品產(chǎn)生的方式可分為三種：1. 再設(shè)計(redesign)：就是將現(xiàn)有產(chǎn)品的部分，做一些改變或修飾，使成為更具價值與流行的新產(chǎn)品?，F(xiàn)今市場上約莫80，屬于此類。2. 組合(c

3、ombination)：結(jié)合兩種以上不同功能，發(fā)展而成之新制品。例如PC制成的潛水鏡再貼上防霧膜，而成為價值更高的新產(chǎn)品。此類新產(chǎn)品約占10。3. 創(chuàng)新(innovation)：剩下的10即為發(fā)明前所未有之新制品，此類產(chǎn)品由于須花費較長的時間在宣傳及消費者的接受性上，所以通常這方面之設(shè)計比例較低。塑料產(chǎn)品設(shè)計者與其它設(shè)計者最大的不同是，前者必須詳加考慮塑料之各種物性，尤其是環(huán)境變化對物性之影響及在長時間負載下對產(chǎn)品之影響。v通常，塑料之物性數(shù)據(jù)是在實驗室的環(huán)境下，依照美國標準測試方法(ASTM)而測得。而所設(shè)計的塑料產(chǎn)品并不會正如測試樣品在同樣條件下成形或被加應(yīng)力。其它如：肉厚及形狀。所加負載

4、之速率及時間長短。玻纖之排列方向。縫合線。表面缺陷。成形參數(shù)。以上這些；都會影響到塑料產(chǎn)品之強度及韌性。設(shè)計者亦須考慮到溫度，濕度，陽光（紫外線），化學藥劑等之影響。所以了解其產(chǎn)品的最終目的而探討相關(guān)的物性是非常重要的。下表2-1為一標準的設(shè)計檢查表(design check list)。2原型之設(shè)計v為了能將實物從設(shè)計的階段到真正的商品化，我們通常是建一原型而加以測試并修正。最好的方法是盡可能的將原型與將商品化制造的加工方式相近。大部份的工程塑料產(chǎn)品是由射出成型所制出，所以原模必須為一單模穴原型模具所制得。以下將討論各種制造原型之方法及其優(yōu)缺點。2-1機械加工圓桿或平板、塊法(machini

5、ng from rod or slab stock)v此法是當所允許的設(shè)計時間非常短及只須少量的原型和物體的形狀非常簡單的時候，我們可將其經(jīng)機械加工而得。這樣不僅能幫助發(fā)展至固定的設(shè)計，亦能做為有限度的測試結(jié)果條件；但千萬不能將其做為最后商品化的標準，其原因如下：其物性如強度，韌性及伸長量可能會小于真正的成形品，因為機械加工會在原模上留下痕跡。強度及韌性可能會高于成形品，因為圓桿或平板塊具較高的結(jié)晶度。若是加了玻纖的產(chǎn)品，則玻纖的方向性影響會誤導了結(jié)果。成形品的特性如頂出針痕，澆口痕及不定形的表面結(jié)構(gòu)將不會出現(xiàn)在原型上。無法探討縫合線及接合線之影響。由于內(nèi)應(yīng)力之不同，尺寸穩(wěn)定性會被誤導。在圓桿

6、或平板，塊的中間常有包氣現(xiàn)象，以致減少了其強度。同理在成形品的較厚肉處亦有此現(xiàn)象，而無法做一致的評估。只有少數(shù)的圓桿或平板，塊材料可供選擇。2-2 鑄模法(die casting tool)v通常我們能夠修正射出成形的原型，如果具有鑄模模具的話。利用此鑄模模具可減少對制造原型工具的須要及以低成本提供所須的前測試。然而，此法也許也無甚助益，因為原來的模具可能是為金屬鑄模而設(shè)，而非塑料。所以，外壁及肋將不會最適化；澆口通常會過大及位置不合；并且無法有效的冷卻塑料產(chǎn)品，造成質(zhì)量具甚大的相異性。2-3 原型模具法(protoype tool)v特別是對塑料產(chǎn)品設(shè)計而言，利用便宜的鋁，黃銅或是鈹銅合金制

7、成原型是個不錯的方法。因為基本的訊息如收縮度，玻纖方向性及澆口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有限度的射壓，所以無法正確的估算出成形周期(cycle time)，而且模具冷卻性被限制，甚至不存在?？墒?，在另一方面而言，其好處為此形式能夠有效的提供樣品做最終的目的測試及快速的修正外形尺寸。2-4 生產(chǎn)試模法(preproduction tool)v對設(shè)計的未來發(fā)展及產(chǎn)品的準確性而言，最好的方法是制造鋼鐵試模。它可以為單模穴模具或以多模穴模具為體的單模穴模具。此模穴已經(jīng)機械加工完成，只是未做硬化處理，所以仍可做一些修正。其好處為它具有與生產(chǎn)模具相同之冷卻效果，收縮與翹曲可被探得；還有因為具有適當

8、的頂出鞘，模具能夠如生產(chǎn)線般的循環(huán)，于是能夠探得其周期。當然，最重要的是這些樣品能夠如最終產(chǎn)品般的做強度，抗沖擊，磨耗及其它物性等之測試。以上各法都是為了能在正式大量商品化前，做最低成本及最有效的預(yù)估分析。當然，我們不能本末倒置，忘記了最終產(chǎn)品的真正須求。最好是寫下一標準產(chǎn)品所須表，如功能，外觀，可容許的公差等，做個最完美的設(shè)計者。3產(chǎn)品設(shè)計v雖然塑料之產(chǎn)品設(shè)計非常復(fù)雜，但總有一些基本之原理方法來減少一些成形上及產(chǎn)品功能上所發(fā)生的問題。以下所探討的是在設(shè)計上所須注意的基本細節(jié)，俾能在未來更復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計上有所助益。3-1 壁厚(wall thickness)3-2 材料選擇3-3半徑(radi

9、i)3-4 傾斜角(draft angle)3-5 肋及角板(gussets)3-6 浮凸物(bosses)3-7 孔洞及鑄空(holes & coring)3-8 螺紋(threads)與嵌入物(inserts)3-9 尺寸公差(dimensional tolerance)3-1 壁厚(wall thickness)v在工程塑料零件的設(shè)計中，經(jīng)驗表明，有一些設(shè)計要在工程塑料零件的設(shè)計中，經(jīng)驗表明，有一些設(shè)計要點要經(jīng)?？紤]，因此可將這些要點提煉為簡單的設(shè)計點要經(jīng)常考慮，因此可將這些要點提煉為簡單的設(shè)計指南。指南。v這些要點之一就是壁厚設(shè)計對零件質(zhì)量有重要影響。這些要點之一就是壁厚設(shè)計對

10、零件質(zhì)量有重要影響。v改變一個零件的壁厚，對以下主要性能將有顯著影響：改變一個零件的壁厚，對以下主要性能將有顯著影響： 1、零件重量、零件重量 2、在模塑中可得到的流動長度、在模塑中可得到的流動長度 3、零件的生產(chǎn)周期、零件的生產(chǎn)周期 4、模塑零件的剛性、模塑零件的剛性 5、公差、公差 6、零件質(zhì)量，如表面光潔度、翹曲和空隙、零件質(zhì)量，如表面光潔度、翹曲和空隙 v通常產(chǎn)品必須具均勻的壁厚，如果變化不可避免，則利用轉(zhuǎn)換區(qū)的方法來防止突然的遽變?nèi)鐖D2-1，且澆口位于較厚處以防止充填不滿。流程與壁厚的比率 v在設(shè)計的最初階段，有必要考慮一下所用材料是否可以得到所要求壁厚。v流程與壁厚的比率對注塑工藝

11、中模腔填充有很大影響。如果在注塑工藝中，要得到流程長、而薄，則聚合物應(yīng)具有相當?shù)牡腿廴谡扯龋ㄒ子诹鲃尤劢猓┦欠浅１匾?。為了深入了解聚合物熔化時的流動性能，可以使用一種特殊的模具來測定流程（圖1、圖2）。v圖1v圖圖2 撓曲模量與壁厚的函數(shù)關(guān)系撓曲模量與壁厚的函數(shù)關(guān)系v一塊平板的抗撓剛度由材料特有的彈性模數(shù)和該塊版的橫截面的轉(zhuǎn)動慣量所決定。v如果未經(jīng)任何考證就自動增加壁厚以改進塑料制品的剛性，通常會導致出現(xiàn)嚴重問題，對結(jié)晶材料尤為如此。對玻璃纖維增強材料，改變壁厚也會影響玻璃纖維的取向。靠近模具壁面，纖維按照流體流動方向取向。而在模具壁面橫截面的中央部位，纖維取向混亂，從而導致出現(xiàn)湍流。圖3v

12、對于玻纖增強塑料，有一個可精確區(qū)分出制品剛度的邊界區(qū)，這個邊界區(qū)將隨壁厚增加而減少。這就解釋了為什么當增加壁厚則撓曲模量將減低（圖4）。根據(jù)標準測試條(3,2 mm壁厚)所確定的強度值不能直接用來確定壁厚，否則將產(chǎn)生偏差，為估計出制品的性能，有必要使用安全系數(shù)。所以說，如果不考慮后果就增加壁厚，將使材料和生產(chǎn)成本增加，而剛性并未有增加。是否要增加壁厚是否要增加壁厚/均勻性？均勻性？ v增加壁厚不僅決定了機械性能，還將決定成品的質(zhì)量。v在塑料零件的設(shè)計中，很重要的一點是盡量使壁厚均勻。同一種零件的不同壁厚可引起零件的不同收縮性，根據(jù)零件剛性不同，這將導致嚴重的翹曲和尺寸精度問題（圖6）。v不均勻

13、的壁厚會造成嚴重的翹曲及尺寸控制的問題。如果產(chǎn)品須要較高的強度，從成本的觀點上來看，用肋(ribs)比增加壁厚要好的多。但如果產(chǎn)品須要好的外觀表面時，則因凹陷痕(sink marks)會在表面上產(chǎn)生，故須避免之。若非得用肋不可時：則應(yīng)盡量讓凹陷痕出現(xiàn)在肋的另一面或較不顯眼處。圖2-2與2-3為使壁厚均勻的一些方法，圖2-2乃利用肋及浮凸物(boss)，圖2-3則為利用鑄空法(cornig)使設(shè)計更好。v為取得均勻的壁厚，模制品的厚壁部分應(yīng)設(shè)置模心（圖5）。此舉可防止形成空隙，并減少內(nèi)部壓力，從而使扭曲變形減至最小。零件中形成的空隙和微孔，將使橫截面變窄，內(nèi)應(yīng)力升高，有時還存在切口效應(yīng)，從而大大

14、降低其機械性能。v總之，一般的原則就是能夠利用最少的壁厚，完成最終產(chǎn)品所須具備的功能。表2-2為一般熱塑性樹脂制品之厚度表，表2-3則為熱固性塑料制品之厚度表。 3-2、材料選擇、材料選擇 v正確的選擇材料正確的選擇材料一般來說，并沒有不好的材料，只有在特定的領(lǐng)域使用了錯誤的材料。因此，設(shè)計者必須要徹底了解各種可供選擇的材料的性能，并仔細測試這些材料，研究其與各種因素對成型加工制品性能的影響。傳統(tǒng)的熱塑性材料傳統(tǒng)的熱塑性材料v在注射成型中最常用的是熱塑性塑料。它又可分為無定型塑料和半結(jié)晶性塑料（見圖1）。這兩類材料在分子結(jié)構(gòu)和受結(jié)晶化影響的性能上有明顯不同（見圖2）。v一般來說，半結(jié)晶性熱塑性

15、塑料主要用于機械強度高的部件，而無定型熱塑性塑料由于不易彎曲，則常被應(yīng)用于外殼。填料和增強材料填料和增強材料v熱塑性塑料備有未增強、玻璃纖維增強、礦物及玻璃體填充等種類產(chǎn)品。玻璃纖維主要用于增加強度、堅固度和提高應(yīng)用溫度；礦物和玻纖則具較低的增強效果，主要用于減少翹曲。 v玻璃纖維會影響到成型加工，尤其會對部件產(chǎn)生收縮和翹曲性。所以，玻璃纖維增強材料不能被未增強熱塑性塑料或低含量增強材料來替代，而不會有尺寸改變（見圖3）。玻璃纖維的取向由流動方向決定，這將引起部件機械強度的變化。 v為了論證這些影響，從注射成型片的橫向和縱向截取了10個測試條，并在同一個拉力測試儀上對它們的機械性能進行了比較（

16、見圖4）。v對添加了30玻璃纖維增強的熱塑性聚酯樹脂，其橫向的拉伸強度比縱向（流動方向）低了32，撓曲模量和沖擊強度分別減少了43和53。v在綜合考慮安全因素的強度計算中，應(yīng)注意到這些損失。v在一些熱塑性塑料中加入了一系列增強材料、填料和改性劑來改變它們的性質(zhì)。在中，由這些添加劑產(chǎn)生的性能變化必須認真地從手冊或數(shù)據(jù)庫(如Campus)中查閱，更好的是聽取原材料制造廠家的專家的技術(shù)建議（見圖5）。濕度的影響濕度的影響 v一些熱塑性材料，特別是PA6和PA66，吸濕性很強。這可能會對它們 的機械性能和尺寸穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。在進行時，應(yīng)特別注意這種性能（見圖6和圖7）。 其他挑選準則其他挑選準則

17、 v一些要求與加工注意事項和裝配有關(guān)。研究將幾種不同功能集中于一個部件也很重要，這可以節(jié)約昂貴的裝配費用。v這個準則對計算生產(chǎn)成本非常有益。在價格計算中可以看出，不但應(yīng)考慮原材料的價格，還應(yīng)注意，有高性能(剛性，韌性)的材料可以使壁厚更薄，從而縮短生產(chǎn)周期。因此，列出所有的標準，并對它們進行系統(tǒng)性評估是很重要的。 v一個韌性材料的選擇流程見圖8.v 3-2、圓角半徑(radii)v切莫將產(chǎn)品設(shè)計成具尖銳的邊角，因為其刻痕(notch)狀會造成應(yīng)力集中，以致減少了產(chǎn)品之抗沖擊力。為了保證設(shè)計在安全的應(yīng)力范圍內(nèi)，我們須計算每個邊角的應(yīng)力集中因子。如圖2-4為懸桁(cantilever)的情形下，應(yīng)

18、力集中因子對半徑壁厚之圖。v在塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)避免在料流應(yīng)避免在料流方向的尖角方向的尖角！這樣會產(chǎn)生局部應(yīng)力且有注塑缺陷！第二種為改良方案，消除了尖角！v這也是尖角問題，第二種為改良方案！加了圓角，圓角的好處是避免集中。提高塑件的強度，改善塑件的流動性！圓角半圓角半徑的大小一般外徑的大小一般外R取取2t(壁厚壁厚)，內(nèi)，內(nèi)R取取t.3-3傾斜角(draft angle)為了使產(chǎn)品能夠輕易的從模具內(nèi)頂出，外壁必須設(shè)計成具傾斜的斜角，如圖2-6所示。通常每一英寸，0.5度的傾斜角是達成有效結(jié)果所能容許之最小值。一般而言每一英寸1度是標準的做法。v模具制造的必須相對嚴格地遵守。設(shè)計者應(yīng)切記，脫模斜度

19、的重要性在于它能使脫模容易及防翹曲（見圖3）。 3-4肋及角板(gussets)v肋及角板能夠有效的增加產(chǎn)品之剛性與強度。適當?shù)睦美吲c角板不僅能夠節(jié)省材料，減輕重量及減短成形周期，更能消除如厚橫切面所造成的成形問題。設(shè)計肋及角板時，我們有一些基本之原則必須遵守，如圖2-7與圖2-8。與壁厚比較，如果肋或角板太厚的話，則可預(yù)期的會產(chǎn)生凹陷痕，包氣、翹曲、縫合線（造成內(nèi)應(yīng)力）及較長的成形周期。肋之形狀最好設(shè)計成如圖2-2所示，乃因用窄形之肋骨以代替大而厚之肋骨，可減少塑料之消耗。并且肋及角板必須被置于能夠方便流動的位置，如此才能夠幫助產(chǎn)品的充填猶如內(nèi)流道之作用。否則，常會造成最后產(chǎn)品有燒焦之痕跡

20、及包氣等問題。注：角板乃是用作于邊緣的支架，以提高強度。 v為了克服壁厚大可能引起的問題，加強筋使用是一種可減少壁厚并能增加剛性的有效方法。 v一般來說，部件的剛性可用以下方法增強v增加壁厚； v增大彈性模量（如加大增強纖維的含量）； v設(shè)計中考慮加強筋。 v如果設(shè)計用的材料不能滿足所需剛性，則應(yīng)選擇具有更大彈性模量的材料。簡單的方法是增加塑料中增強纖維的含量。但是，在特定壁厚下，這種方法僅能使剛性呈線性增長。更有效的方法是使用經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的加強筋。由于慣性力矩增大，部件的剛性便會增大。在優(yōu)化的加強筋尺寸時，不但要考慮工程設(shè)計應(yīng)當考慮的問題，還應(yīng)考慮與生產(chǎn)和外觀有關(guān)的技術(shù)問題。優(yōu)化的尺寸優(yōu)化的

21、尺寸 v大的慣性力矩可很容易地通過設(shè)置又厚又高的加強筋來實現(xiàn)。但是對熱塑性工程塑料，這種方法常會產(chǎn)生制品表面凹痕、內(nèi)部空洞和翹曲等問題。而且，如果加強筋的高度過高，在負荷下結(jié)構(gòu)將有可能膨脹。出于這種考慮，必須在合理比例內(nèi)保持加強筋的尺寸（見圖1）。v為確保帶加強筋的制品容易頂出，必須設(shè)計一個適當?shù)拿撃ｅF度（見圖2）。加強筋的拔模加強筋的拔模角一般取角一般取0.25-2度度，塑件表面有皮紋或是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)加大拔模角！可達到2度,這是因為形狀復(fù)雜的制品脫模阻力大！如拔模角不夠大時會出現(xiàn)拉花現(xiàn)象！ 防止材料堆積防止材料堆積v對于表面要求非常高的組件，如汽車輪蓋，的尺寸是非常重要的。正確的設(shè)計可以減少

22、組件形成表面凹痕的可能，以提高組件的質(zhì)量。的底部的材料積聚在圖1所示的圓中。這個圓的大小與的尺寸相關(guān)，應(yīng)該越小越好，這樣才能減小或避免凹痕。如果圓太大，可能會形成內(nèi)部空洞，制品的機械性能將會非常差。減少底部的應(yīng)力減少底部的應(yīng)力v如果給一個有的組件以負載，則的底部可能會產(chǎn)生應(yīng)力。在這一部位如果沒有圓弧，可能會產(chǎn)生非常高的應(yīng)力集中（見圖3），通常會導致組件的斷裂和報廢。補救措施是建立一個半徑足夠大的圓?。▓D1），使肋底部建立更好的應(yīng)力分布。但如果圓弧半徑太大，也會增大上文提及的圓的直徑，而導致上文已經(jīng)提及的問題。v在塑料設(shè)計中，十字結(jié)構(gòu)是最好的，因為它能應(yīng)付許多不同的負荷排列變化（圖4）。正確設(shè)計

23、的可承受預(yù)期應(yīng)力的十字結(jié)構(gòu)，可以確保在整個制品上的應(yīng)力均勻分布。在的十字交叉處形成的節(jié)點（圖5）代表材料的積聚，但可以將節(jié)點中心挖空,以防止產(chǎn)生問題。還必須注意，不要在交叉處和組件的邊相交的地方形成材料積聚（圖6）。塑件加強筋的設(shè)計原則：v基本厚度等于基本厚度等于0.5倍壁厚倍壁厚,高度小于等于高度小于等于3倍倍壁厚壁厚,圓角大于等于圓角大于等于0.250.4的壁厚的壁厚,拔模角拔模角大于等于大于等于0.5度度,間距大于間距大于2倍的壁厚倍的壁厚 。v加強筋應(yīng)布置在塑件受力較大之處布置在塑件受力較大之處，以改善塑件的強度！v 加強筋應(yīng)作對稱分布應(yīng)作對稱分布，避免塑件局部集中。v 加強筋應(yīng)盡可能

24、設(shè)計的矮一些盡可能設(shè)計的矮一些！3-5浮凸物(bosses)v浮凸物之目的是用來連接組合螺絲釘、導銷、栓或迫緊(force-fits)等作用。設(shè)計浮凸物的最重要原則為避免其無支撐物，并盡量讓其與外壁或肋相連如圖2-9所示：一般而言，肋外徑須為圓孔直徑的2至2.5倍，以保證有足夠之強度。v如果肋本身即與外壁間隔相當遠，則最好加上角板如圖2-10所示。圖2-11及圖2-12為肋靠近外壁及遠離外壁時，浮凸物之設(shè)計：v圖2-13為浮凸物設(shè)計之范例： v 3-6 孔洞及鑄空(holes & coring)v在塑物上開孔洞或切口可使其和其它零件組合以達成更多之功能及更具吸引力。圖2-14為孔洞的一

25、般類型。v全穿孔洞比半孔洞易于加工，因為前者之穿孔銷可在兩端尋得支撐，而后者由于只有一端獲得支撐，易被熔融之塑流進入模穴時，使穿孔銷偏心而造成誤差。所以，一般半穿孔之深度以不超過穿孔銷直徑兩倍為原則。若要加深半穿孔洞之深度則可用層次孔洞如圖2-15所示。v由于塑流常會在穿孔針旁形成縫合線之故，我們可以將其先做成凹痕或小凹洞，成形后再以鉆孔針予以鉆孔，如此可防止縫合線造成之強度減少亦可降低模具成本如圖2-16所示。v于成型大多數(shù)之熱塑性塑料時，在洞壁和塑物外壁間之寬度至少要和孔洞之直徑相等及孔洞與孔洞內(nèi)壁間之厚度至少要和孔洞之直徑相等如圖2-17所示。v若為半孔洞，則其底部之壁厚至少須為其孔洞直

26、徑的1/6，否則模制后會膨脹如圖2-18所示。 3-7 螺紋(threads)與嵌入物(inserts)v不管是外螺紋或內(nèi)螺紋，皆可在模具內(nèi)成型，避免了利用機械加工之麻煩。設(shè)計內(nèi)，外螺紋時，其基本規(guī)格設(shè)計須如圖2-19所示。v內(nèi)螺紋底部未螺紋化的直徑必須等于或小于螺紋的最小直徑如圖2-19(a)，AB。若是外螺紋，則其底部未螺紋化的直徑必須等于或大于螺紋的最大值徑如圖2-19(b)，BA。成型螺紋必須避免具有如羽毛般的邊，以免造成應(yīng)力集中，使該區(qū)域強度變?nèi)跞鐖D2-20。v用于塑料品的金屬嵌入物，通常用以承擔產(chǎn)品被磨損、撕裂的力量或用以與電氣相連及裝飾用。嵌入物之類型有兩種，一種為成型前模內(nèi)插入

27、物，另一種為成型后插入物。前者具中等或極粗的刻痕以提供足夠的力量防止滑動，后者可螺紋化或是藉由熱，超音波的方法來裝置。通常模制嵌入物時，我們須考慮以下幾個因素：插入物須能提供所需要的機械強度。在所有的塑料中，塑模的嵌入物須不具撓性。固定的壁厚必須圍繞嵌入物之四周，以防止塑料冷卻時發(fā)生裂化。當插入物嵌入塑物中后，可能須要再修飾，二次加工等耗費金錢的步驟。嵌入物必須與塑模打開或關(guān)閉的移動方向平行。因為直角或斜角之插入物在模制時是非常困難且費成本的如圖2-21所示。v不管是陰或陽之嵌入物，皆須要有一肩座，以防止塑料化合物流入螺紋中如圖2-22所示，(a)不具肩座嵌入物，須避免之。(b)為單一封合肩座

28、。(c)雙封合肩座，此種最理想，但成本較高。v猶如孔洞設(shè)計的位置一樣，插入物的位置設(shè)計方法與其大同小異。設(shè)計插入物時除考慮機械應(yīng)力外，由于嵌入物本身之高熱膨脹系數(shù)，造成塑物之熱應(yīng)力亦須考慮。所以當塑物冷卻時，塑料會比金屬收縮的還多，造成應(yīng)力集中以致爾后插入物周遭龜裂。預(yù)防的方法是，提供足夠之塑料于插入物的四周或是增加嵌入物與外壁之距離。表2-4為一些常用的塑料于嵌入物四周所須之最小厚度以避免龜裂。 v v自攻螺絲柱子的設(shè)計,柱子的直徑等于3倍底孔的直徑 143-8 尺寸公差(dimensional tolerance)v大部分的塑料成形品皆能維持相當緊密之尺寸公差，除了高收縮性的材料之外如PE

29、，PP，Nylon，POM，EVA及軟質(zhì)PVC，其收縮率達到2至3，而一般熱塑性制品的商業(yè)許可公差為0.5。所以對于這些高收縮性材料必須指定較大之容許公差方行，因為其尺寸公差很難藉模具設(shè)計予以補救。產(chǎn)品設(shè)計者在選定尺寸公差時要考慮使用之塑料材料、產(chǎn)品形狀及將來之使用條件等。隨著公差的嚴格要求，其制造加工精度與模具價格亦相對提高，所以產(chǎn)品設(shè)計者于圖面上記入公差時，要審慎的設(shè)定適用于此公差的使用條件。因此，產(chǎn)品設(shè)計者所設(shè)定之總公差應(yīng)該包含了使用條件和環(huán)境條件下的尺寸變化。塑料成形品除了尺寸公差以外，對于一些精密成形更須考慮形狀公差，因為澆口的種類和位置或是模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)之決定，皆須根據(jù)這些資料來

30、設(shè)計之。 v隱含的成本要素隱含的成本要素注射成型制品不可能具有機械加工制品一注射成型制品不可能具有機械加工制品一樣的。雖然大多數(shù)人都意識到這一點，但樣的。雖然大多數(shù)人都意識到這一點，但還是常常被指定到無法達到的公差，或使還是常常被指定到無法達到的公差，或使具成本效益的生產(chǎn)變得不可能。具成本效益的生產(chǎn)變得不可能。公差的成本含意公差的成本含意v注射成型一般分為3種質(zhì)量等級，即一般用途的注射成型、技術(shù)注射成型和高精度注射成型。DIN16901標準指出，它們是根據(jù)在公差容許范圍內(nèi)（范圍1和2 ）注射成型制品的和尺寸來劃分的。 v一般用途的注射成型要求低水平的質(zhì)量控制，其特點是低的退貨率和快的生產(chǎn)周期。

31、 v技術(shù)注射成型會比較昂貴，因為它對模具和生產(chǎn)過程有更高的要求，要求頻繁的質(zhì)量檢查，因而增加了退貨率。 v第三種，即高精度的注射成型，要求精確的模具、最佳的生產(chǎn)條件和100連續(xù)的生產(chǎn)監(jiān)控。這將影響生產(chǎn)周期，增加單位生產(chǎn)成本和質(zhì)量控制成本。 v設(shè)計者在決定注射模具制品的成本方面起了關(guān)鍵作用，他們必須確定商業(yè)上可行的，選定的公差雖然不必盡可能的嚴格，但必須足夠嚴格。v商業(yè)上可接受的產(chǎn)品一般公差是，產(chǎn)品與標準尺寸的偏差不高于0.25-0.3%，但這還需要與應(yīng)用時的具體要求相結(jié)合來判斷（圖1）。熱塑性塑料一般具有高的延展性和彈性，不需要象具有高剛性、低延展性和低彈性的金屬一樣指定嚴格的范圍。 影響的因

32、素影響的因素v為了不對塑料部件制定過分嚴格的公差范圍，必須要注意一些影響注射成型制品尺寸準確性的因素（圖2）。v一個與公差相關(guān)的問題是，當成型品是由不同材料或不同壁厚制成。模后收縮值與方向和厚度相關(guān)。玻璃增強材料的這一性質(zhì)更明顯。玻璃纖維的取向性可在水平方向和垂直方向產(chǎn)生具有顯著性差異的收縮，從而導致尺寸不準確。v塑料制品的幾何形狀對收縮也有影響，進而影響到公差（圖4）。如果復(fù)雜的成型加工對公差的要求非常嚴格，必須要獲得模具原型有關(guān)收縮值和翹曲行為的準確數(shù)據(jù)。 生產(chǎn)和使用生產(chǎn)和使用 v因為熱塑性塑料受使用條件的影響，因而決定它只需要生產(chǎn)還是同時需要使用非常重要。例如，熱塑性塑料的熱膨脹性可能比

33、金屬的高10倍（圖5），一些塑料（如尼龍）的吸水性對制品使用的可靠性產(chǎn)生非常重要的影響。v使用半結(jié)晶性塑料時，必須考慮模后收縮。這種現(xiàn)象主要受注射成型的加工條件影響，可導致制品在脫模后發(fā)生尺寸變化。v脫模后不必馬上進行質(zhì)量控制。DIN16901標準指出，需要在標準氣候條件（23，50相對濕度）下儲存16h后或在適當?shù)念A(yù)處理后才可進行質(zhì)量控制。公差建議公差建議vDIN16901中指定的可作為塑料制品成本有效生產(chǎn)的下限，現(xiàn)代化的注射成型機器的技術(shù)使我們可以獲得比該標準中指定的數(shù)值更精確的。v對高精度的注射成型，因為DIN16901已不再適用，各個工業(yè)部門已經(jīng)制定出了各自的表，。v在任何時候，如果需

34、要確定精確的公差，一定要與注塑廠或材料供應(yīng)商協(xié)商，以確定所需公差是否在技術(shù)上可行、商業(yè)上適用（圖6）。4、組裝設(shè)計(Assembly design)v一些被所有設(shè)計師認可的簡單裝配技術(shù)如卡扣裝配、壓機裝配和螺紋裝配等，以其簡便、快速地裝配組件可大大地節(jié)約生產(chǎn)成本。v由于塑料材料之多變化性，遂使得組裝塑料零件的方法五花八門，一般大概可分為機械組裝，溶劑組裝，黏著劑組裝及焊接組裝等四種。表2-5為一般常用材料其各種組裝法好壞之比較。v裝配技術(shù)分為“分離”和“集成”兩種類型。v以下各項歸入集成裝配工藝：焊接 、固定 、粘接 、嵌入技術(shù) 、90度角卡扣 。v分離裝配包括： 小于90度角卡扣 、螺扣裝配

35、 、中心裝配 、壓機裝配 4-1卡扣裝配設(shè)計v卡扣裝配的最大優(yōu)勢是不需要增加額外裝配部件。v塑料加工中最通用的卡扣類型有：1、倒鉤型卡扣 2、圓柱形卡扣 3、球座型卡扣 v在所有這些卡扣設(shè)計中，設(shè)計者必須確保配件的幾何尺寸，避免應(yīng)力松弛引起裝配部件松動。v基本設(shè)計原理基本設(shè)計原理 卡扣裝配的設(shè)計取決于使用的材料容許的變卡扣裝配的設(shè)計取決于使用的材料容許的變形。舉個例子，由于聚酰胺在干燥狀態(tài)下比形。舉個例子，由于聚酰胺在干燥狀態(tài)下比常規(guī)狀態(tài)下能容許的變形更低，有必要加倍常規(guī)狀態(tài)下能容許的變形更低，有必要加倍注意這種材料的應(yīng)用，玻璃纖維含量對材料注意這種材料的應(yīng)用，玻璃纖維含量對材料的所允許變形也

36、有很大的影響，因此對倒鉤的所允許變形也有很大的影響，因此對倒鉤允許的傾斜度也有影響。（見圖允許的傾斜度也有影響。（見圖1）v在倒鉤型卡扣裝配中，尖的倒鉤尖端可以減小倒鉤變形時的應(yīng)力（見圖2），這種設(shè)計能夠使應(yīng)力在整個倒鉤彎桿部分均勻分散。倒鉤基部的應(yīng)力集中相對減小。裝配壓力也有相當程度的減少。 v忽略了倒鉤底部與構(gòu)件主體之間連接處的曲率半徑應(yīng)該足夠大的問題，通常導致出現(xiàn)脆弱點。原則上說，應(yīng)該提供足夠大的曲率半徑來避免壓力集中。經(jīng)常將圓柱或球孔型卡扣裝配系統(tǒng)開槽，使其裝配起來更加方便，因此，槽尾不得設(shè)計成尖狀的邊緣。4-2壓件裝配壓件裝配v壓件裝配可以使塑料組件在最低的成本下進行高強度裝配。例如

37、對卡扣裝配來說，由于應(yīng)力松弛，高壓裝配的拉力強度隨著時間的流逝而減少（見圖3）。設(shè)計計算必須把它考慮進去。另外，必須作使用溫度周期變化的試驗，以保證設(shè)計的可行性。4-3螺紋裝配螺紋裝配v螺紋裝配由分離型、組合型螺桿或整體螺桿嵌件的運用組成。 材料的撓曲模量給螺件的合理裝配提供了指導。 例如， 帶螺紋的螺絲的彎曲模量可以達到2800Mpa。如果需要使用公制的螺絲，或者螺紋裝配需要多次來完成，這就需要采用 金屬的細紋嵌件。 v為了避免不合格組件的產(chǎn)生，確保正確的軸套尺寸是關(guān)鍵的一環(huán)（見圖4）。螺件制造商可在這方面提出不少建議。 v由于產(chǎn)生的壓力會使螺母口張開，原則上應(yīng)避免塑料裝配中使用帶有錐形埋頭

38、釘?shù)穆萁z（見圖5）。這種額外的壓力帶來一種可能的后果，就是螺母的熔接痕處容易開裂。5、焊接技術(shù)、焊接技術(shù) v除了在本系列第7部分中所描述的裝配技術(shù)外，塑料零件連接中還可以使用許多其他不同的焊接方法。為確保低成本、有效功能設(shè)計，在設(shè)計的早期階段，十分有必要選擇一種適宜的焊接方法，并對所需連接幾何形狀給予充分考慮。 v對不用其他裝配零件而永久性聯(lián)結(jié)的塑料零件的裝配可采用焊接方法。焊接方法的選擇依據(jù)以下幾種標準：根據(jù)模塑零件的幾何形狀，所使用的原料, 成本、總生產(chǎn)周期的綜合因素，裝配部位所要求的機械性能和外觀質(zhì)量。不同焊接方法不同焊接方法 v大規(guī)模生產(chǎn)中，有許多不同的廉價的焊接方法。最常用的塑料工程

39、零件的焊接方法有（圖1）：v高溫工具焊接 v旋轉(zhuǎn)焊接 v振動焊接 v超聲焊接 v其他方法有：v高頻焊接 v感應(yīng)焊接 v熱氣焊接 v還有一些新的方法正在開發(fā)中（例如激光焊接），但尚未在工業(yè)中獲得廣泛使用。v在所有方法中，都要使用加熱（使塑料表面融化再粘接）和加壓。通常通過接觸或輻射發(fā)熱、內(nèi)部或外部摩擦發(fā)熱，或用電加熱等方式提供熱量。5-1選擇合適方法選擇合適方法 v為得到高質(zhì)量、重復(fù)性好的焊接質(zhì)量，需要選擇一種合適的焊接方法，以使焊接參數(shù)最優(yōu)化，并確保需要焊接的零件設(shè)計正確，與所選用的焊接方法相匹配。焊機制造商不僅要提供標準設(shè)備，還要提供適合各種各樣焊接任務(wù)的特殊焊接設(shè)備。在決定選用某種焊接方法

40、前，與設(shè)備制造商或樹脂供應(yīng)商進行商議探討是十分明智的選擇。不同的焊接特點不同的焊接特點 v從理論上講，所有熱塑性塑料都是可以焊接的。但是有時塑料的焊接性能相當不同。非晶態(tài)聚合物和半結(jié)晶聚合物不能焊接在一起。由于水氣會影響焊接質(zhì)量，所以尼龍等吸水性塑料焊接前需要預(yù)先干燥。為使焊接質(zhì)量最好，尼龍零件最好注塑后立即焊接，或焊接前將之放在干燥環(huán)境中。玻璃纖維和穩(wěn)定劑等樹脂添加劑同樣會影響焊接質(zhì)量。選擇適宜的工藝參數(shù)和零件設(shè)計，未增強塑料的焊接裝配件的強度可以和其原料相媲美。對于玻璃纖維增強塑料而言，在焊接區(qū)域上，由于纖維分離和再取向使得強度減弱，這一點在設(shè)計中必須予以考慮。正確的焊接設(shè)計正確的焊接設(shè)計

41、 v高質(zhì)量焊接的基本保證在于焊接剖面的正確設(shè)計。在圖2和圖3中所示剖面圖中顯示了正確的基本設(shè)計。如果對焊接區(qū)域外觀有特殊審美要求，則需要考慮特殊幾何形狀。v此圖給出通過凹槽以吸收多余材料，從而避免飛邊（圖4）。薄壁零件設(shè)計時需要在零件雙方之間加入一個導槽，這樣，當使用一定的焊接壓力時，零件壁不會移動而偏離預(yù)定位置。超聲焊接的特點超聲焊接的特點 v半結(jié)晶聚合物熔點變化劇烈，當加熱時，聚合物瞬間從固相轉(zhuǎn)變成液相。因此，對半結(jié)晶塑料的超聲焊接中，最好使用剪切焊接（圖5）。由于非晶態(tài)塑料有一個軟化范圍，所以非晶態(tài)塑料的焊接設(shè)計相對次要些。圖6給出近聲場和遠聲場焊接方法的示意圖。靠著接觸點之間距離的不同

42、，超聲波將擺動傳至工件內(nèi)，并使接觸面間粘合連接起來。總的說來，近聲場焊接對所有塑料都會有很好的效果。對于低彈模數(shù)塑料的焊接最好采用近聲場焊接方法。5-2黏著劑接著(adhesive bonding)v黏著劑是用來黏貼接合物表面的一種物質(zhì)，依接著性質(zhì)不同之樹脂，塑料金屬，木材等時，各有適當之接著劑如下：1.橡膠系接著劑常用于接著極性低之塑料、金屬、橡膠、木材等。最適于接著苯乙烯系樹脂。2. 環(huán)氣系接著劑主要用于接著各種熱硬化性樹脂或接著塑料金屬，玻璃、木材等。環(huán)氧系接著劑在性質(zhì)上適于黏合硬質(zhì)而厚肉之材料，一般分為主劑與硬化劑兩液型，兩劑混合后，由于在常溫接著時之硬化時間頗長，故通常于60100加

43、熱數(shù)小時，以縮短硬化時間，增大接著力。環(huán)氧樹脂的黏接層強度與其厚度無關(guān)，故除了作接著劑外，亦可作為氣泡填充物用。3. 其它型之接著劑除了上述之外，另有乙烯基系，聚酯系，酯系及異氰酸鹽系等。另外如PE，PP，PTFE等樹脂，由于化學安定性優(yōu)，不容易直接接著，可用溶劑清拭后，以硫酸或重鉻酸鹽溶液作預(yù)備處理，再用橡膠系接著劑或環(huán)氧系接著劑等接著，但其接著力仍非很令人滿意。6、澆口的位置、澆口的位置 v正確的澆口位置正確的澆口位置v錯誤地選擇澆口體系的類型和，除了會引起加工問題，還會對塑料制品的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。因而，設(shè)計部門決不能低估澆口位置的重要性。 v設(shè)計者不但要進行塑料制品的設(shè)計計算，還必須

44、特別注意模具的澆口設(shè)計。他們必須選擇正確的澆口體系以及澆點的數(shù)目和位置。澆口的類型和位置不同都將對制品的質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。v澆口位置的選擇將決定塑料制品以下性質(zhì)：填充行為 、制品的最終尺寸（公差） 、收縮行為，翹曲 、機械性能水平 、表面質(zhì)量（外觀） v如果設(shè)計者選擇了錯誤的澆口，成型加工時幾乎不可能從優(yōu)化加工參數(shù)來矯正由此產(chǎn)生的后果。制品在不同方向上的性能測定制品在不同方向上的性能測定v在注射成型過程中，長鏈的塑料分子、纖維填料和增強材料的取向主要由熔融塑料的流動方向決定，這導致了部件性能對方向的相關(guān)性（各向異性）。例如，流動方向上的伸展性能比垂直方向上的伸展性能要好得多（見圖1）。含有纖

45、維增強材料的部件所受到的影響比不含纖維增強材料的部件要大得多。纖維的取向也引起部件在水平和垂直方向上的收縮差異，這將異致部件發(fā)生翹曲。由于熔合線和空氣存集引起部件質(zhì)量下降由于熔合線和空氣存集引起部件質(zhì)量下降 v當模具中2條或更多的熔流會聚到一起時，就會產(chǎn)生熔合線。例如，在熔體需要流經(jīng)嵌件，或制品同時在幾點進行澆注時，就會出現(xiàn)熔合線（見圖2a和2b）。而且，同一制品中不同的壁厚可能導致熔體前方分離，從而產(chǎn)生熔合線。當應(yīng)從模具中排除的空氣被熔體封閉在模具中無法溢出時，就會產(chǎn)生空氣存集（出現(xiàn)氣泡）。熔合線和空氣存集通常被作為表面缺陷的表現(xiàn)。除了會使表面難看外，它們還會明顯降低受影響區(qū)域的機械性能，特

46、別是沖擊強度（見圖3和圖4）。v圖圖3熔合線引起的熔合線引起的強度降低強度降低澆口位置選擇不當引起的不利后果澆口位置選擇不當引起的不利后果 v因為澆口常留下明顯痕跡，因而不能設(shè)置在對外觀表面要求高的區(qū)域。在任何一澆口區(qū)域都會產(chǎn)生高壓力（剪切），將明顯降低塑料樹脂的性能（圖5）。不含增強材料的塑料的熔合線質(zhì)量明顯高于含增強材料塑料的熔合線質(zhì)量。熔合線區(qū)域的質(zhì)量衰減因子與填料和增強材料的類型和含量有很大關(guān)系，加工助劑、阻燃劑等添加劑都對熔合線質(zhì)量有不利的影響。因而，很難評估這些因子對部件的最終強度的影響有多大。而且，熔合線區(qū)域在張力下有高的承載能力并不意味著它的耐沖擊能力或耐疲勞能力好。v由于含有

47、纖維增強材料，熔合線區(qū)域的纖維的排列方向與流動方向垂直。這將明顯降低部件在這一點的機械性能（見圖6）。正確的澆口位置正確的澆口位置v復(fù)雜的模具不可能沒有熔合線。如果不能減少熔合線的數(shù)目，就應(yīng)根據(jù)表面質(zhì)量和機械強度考慮將它們設(shè)置在模具不重要的位置。這可以通過改變澆口位置或增大/降低部件的壁厚來實現(xiàn)。澆口設(shè)計基本設(shè)計原則：澆口設(shè)計基本設(shè)計原則： v不要將澆口置于高壓力區(qū)域 v盡量避免或減少熔合線 v盡量使熔合線遠離高壓力區(qū)域 v對于增強型塑料，澆口位置決定零件的翹曲性能 v提供足夠的排氣口以避免空氣存集 7、節(jié)約成本設(shè)計、節(jié)約成本設(shè)計 v價格是一個設(shè)計要素價格是一個設(shè)計要素設(shè)計者對塑料零部件最終的

48、成本負有大部分的責任。他的決策預(yù)先決定了生產(chǎn)、模具制作和組裝的成本。后期的修正和優(yōu)化通常是昂貴和不可行的。原材料性能影響成本原材料性能影響成本充分發(fā)揮塑料原材料特性的優(yōu)勢，在許多方面可以節(jié)約成本。 v多功能一體化設(shè)計多功能一體化設(shè)計將幾種功能匯集在一個零部件上，可減少零件數(shù)量。v運用低成本組裝技術(shù)運用低成本組裝技術(shù)卡扣，焊接裝置，固定裝置，雙料注塑技術(shù)等。 v利用自潤滑特性利用自潤滑特性減少對額外和持續(xù)潤滑油的需要 v免卻表面處理程序免卻表面處理程序塑料能著色、耐化學品和耐腐蝕、電器及熱絕緣等性質(zhì)。 v結(jié)核作用結(jié)核作用同系列的原材料有不同的結(jié)晶周期，這是因為結(jié)核劑在熔融冷卻階段產(chǎn)生加速結(jié)晶效果

49、。 成品設(shè)計影響成本v除了以上提到的，注意以下各點能夠進一步節(jié)約成本。 v壁厚壁厚 優(yōu)化壁厚分配可以影響原料成本，節(jié)省生產(chǎn)時間。 模具模具雙面模具可以減少對開數(shù)量。 公差公差要求過高的公差會增大產(chǎn)品的不合格率和質(zhì)量管理成本。 原料原料采用低變形聚合物來減少翹曲變形問題（如在玻纖材料中加入適量礦物），選擇快定型或快固化原料可以減少成型周期和冷卻時間， 按生產(chǎn)各步驟成本比較按生產(chǎn)各步驟成本比較v當注塑零件從注射機中脫出時，應(yīng)立即準備裝配，不需要任何額外的處理。如果需要進行后處理，總體塑料成本則經(jīng)?？蓵嗟扔诮饘俪杀?。設(shè)計決定生產(chǎn)成本設(shè)計決定生產(chǎn)成本v壁厚的增加并不總能增大強度，卻意味著生產(chǎn)和原料成本的增加。v半結(jié)晶性熱塑性塑料在 固化時容積會有很大收縮。在保壓