第二章塑料制件设计

第二章塑料制件设计塑料制件设计视塑料成型方法和塑料品种性能不同而有所差异，本章主要讨论塑料制件中产量最大的压制、注射、压铸成型塑件的设计，对压缩空气、真空、中空成型制品的设计及挤出制品的设计将在相应的章节中介绍。设计塑件时必须考虑以下几方面的因素：(1)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。(2)塑料的成型工艺性，如流动性。(4)、塑件在成型后收缩情况及各向收缩率差异。(5)、模具的总体结构，特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度。(6)、模具零件的形状及其制造工艺。以上前四条主要是指塑料性能特点，后两条主要是考虑模具结构特点。(3)、塑料形状应有利于充模流动、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)。塑件设计的主要内容包括塑件的形状、尺寸、精度、表面光洁度、壁厚、斜度、以及塑件上加强筋、支承面、孔、圆角、螺纹、嵌件等的设置。此外塑件美术造型设计是不可忽视的，但不在本文讨论范围之内。第一节塑件的精度和表面粗糙度一、尺寸精度一、影响模塑尺寸精度的因素：1、模具制造的精度；2、塑料收缩率的波动；3、磨损等原因造成模具尺寸不断变化，都会使制件尺寸不稳定；4、模制时工艺条件的变化，飞边厚度的变化以及模制所需脱模斜度都会影响塑料制件的精度；5、活动配合间隙的变化。二、我国模塑件尺寸公差的标准：P5-8有资料认为在引起制品尺寸的误差中，模具制造公差和成型工艺条件波动引起的误差各占1/3。实际上对小尺寸的制品来说，制造公差对制品尺寸影响要大得多，而大尺寸制品，收缩率波动则是影响尺寸精度的主要因素。压塑模结构图二、表面粗糙度和光亮度塑料制品的表面光洁度，除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点外，主要是由模具光洁度决定的。一般模具表面光洁度要比塑料制品高一级。模具使用中由于型腔磨损而降低了表面光洁度，应随时给以抛光复原。透明制品要求型腔和型芯的光洁度相同，而不透明制品则根据使用情况可以不同；此外制件的光亮程度和塑料品种有关。第二节塑件的形状和结构设计一、易于模塑、避免侧抽芯塑件的内外表面形状应设计得易于模塑，即在开模取出塑件时，尽可能不采用复杂的瓣合分型与侧抽芯，为此塑件要尽量地避免旁侧凹陷部分。二、斜度设计塑件沿脱模方向常用的斜度值为1-1.5°，也可小到o.5°。当使用上有特殊要求时，斜度可采用外表面5′，内表面10′-20′。只有塑件高度不大时才允许不设计斜度。塑件上的凸起或加强筋单边应有4-5°的斜度塑件沿脱模方向有几个孔或呈矩形格子状使脱模阻力较大时，宜采用4-5°的斜度。侧壁带有皮革花纹时应有4-6°的脱模斜度。在一般情况下，若斜度不妨碍制品的使用，则可将斜度值取得大一些。有时为了在开模时让塑件留在阴模内或阳模上而有意将该边斜度减小，或将对边斜度放大。有公差要求的尺寸斜度值可在制件的公差范围之内，也可在公差范围之外。三、壁厚设计压制成型深度较大的制品时，不单要求阴阳模均应有足够的斜度，而且希望阳模的斜度大于阴模斜度。1、壁厚对成型工艺的影响2、最小壁厚尺寸应满足的几个要求P133、建议壁厚值P134、塑件壁厚设计示例四、增加刚性减小变形的结构设计1、增设加强筋。加强筋设计的原则和注意事项2、薄壳状的制件可制成球面或拱面3、设计示例五、支承面设计六、圆角设计1、避免应力集中。尖角在受力或受冲击振动时会发生破裂(见圆角与应力集中之间的关系图)2、可使料流平滑绕过，改善充模特性（图例）3、对电镀塑件，尖角会造成镀层厚度增加，凹陷处镀层过薄（P17图例）4、模具圆角会增加模具的坚固性七、孔的设计1、孔与孔之间的距离，孔与制件边缘之间距离的规定孔均应设置在不易削弱塑件强度的地方。在孔之间和孔与边壁之间均应留有足够的距离。孔的直径和孔与边壁最小厚度之间的关系如表2-2-4（P18）所列。孔与孔边缘之间的距离应大于孔径，塑件上固定用孔和其它受力孔的周围可设计一凸边来加强（见下图）。塑件上常见的孔有通孔、盲孔。断面形状有圆孔、矩形孔和形状复杂的阶梯孔等异型孔和螺纹孔等。螺纹孔将在后面讨论。2、成型通孔型芯的安装方法，孔深与孔径的关系孔深与孔径的关系：一端固定时，压制L=2D，注塑L=4~6D，一端固定另一端支撑时孔深L可翻倍盲孔，盲孔只能用一端固定的型芯来成型。因此其深度应浅于通孔。根据经验，注射成型或压铸成型时，孔深应小于4d。压制成型时孔的深度，则应更浅些，平行于压制方向的孔一般不超过2.5d，垂直于压制方向的孔深为2d。直径过小(例如小于1.5毫米)或深度太大(大于以上值)的孔最好用成型后再经机械加工的办法来获得。如能在模塑时在钻孔位置压出定位浅孔，则给后加工带来很大方便。3、成型盲孔型芯的安装方法，孔深与孔径的关系4、有的斜孔或形状复杂的孔可采用拼合的型芯来成型，以避免抽侧型芯。（图例）八、螺纹设计1、螺纹种类及用途P19-202、螺纹成型方法：(1)采用成型杆(阴螺纹)或成型环(阳螺纹)在成型之后从制品上拧下来；(2)阳螺纹采用瓣合模成型，阴螺纹采用可收缩的多瓣型芯成型，这时工效高，但精度较差，还可能带有不易除尽的飞边；(3)要求不高的阴螺纹(如瓶盖螺纹)用软塑料成型时，可强制脱模，而不必从阳模上拧下，这时螺牙断面最好设计得浅—些，且呈圆形或梯形断面。（1）、为了防止螺孔最外圈的螺纹崩裂或变形，应使阴螺纹始端有一台阶孔，孔深0.2一0.8毫米，并且螺纹牙应渐渐凸起。同样制件的阳螺纹其始端也应下降o.2毫米以上，末端不宜延长到与垂直底面相接处，否则易使跪性塑件发生断裂。同样，螺纹的始端和末端均不应突然开始和结束，而应有过渡部分。3、螺纹设计注意事项：（2）、如果模具上螺纹型芯的牙距未加上收缩值，则塑料螺纹的牙距将小于标准值。当塑料螺纹与金属螺纹相配合时，配合长度不宜过长，一般不大于螺纹外径，否则会因螺距不等而相互干涉，造成内应力，使联接强度降低。在同一螺纹型芯(或型环)上有前后两段螺纹时，应使两段螺纹旋转方向相同，螺距相等，否则无法将塑件从螺纹型芯(或型环)上拧下来。当螺距不等或旋转方向不同时，就要采用两段型芯(或型环)组合在一起，成型后分别拧下。九、嵌件设计和自攻螺纹1、嵌件作用及对模具的影响为了增加塑料制件局部的强度、硬度、耐磨性、导磁导电性；或者为了增加塑件的尺寸和形状的稳定性、提高精度；或者为了降低塑料消耗以及满足其它多种要求，塑料制件常采用各种形状、各种材料的嵌件。但是采用嵌件一般会增加塑件的成本，使模具结构复杂，而且向模具中安装嵌件会降低塑件的生产效率，难于实现自动化。2、嵌件的材料与结构：材料：多数嵌件系由各种有色或黑色金属制成，也有用玻璃、木材、或已成型的塑件等非金属材料作嵌件的。结构A：为圆筒形嵌件，有通孔和不通孔的，光孔和螺纹孔的。带螺纹孔的嵌件是最常见的，它用于经常拆卸或受力较大的场合或导电部位的螺纹连接。结构B：为突出圆柱形嵌件：有光杆、丝杆、阶梯杆和针状的。结构C：为片状嵌件常用作塑件内的导体、焊片等。D、为细杆状贯穿嵌件，汽车方向盘即为特殊例子嵌件与塑料的连接方法3、4、嵌件在模具中的定位和固定方法无论杆形或环形嵌件，其高度都不宜超过其定位部分直径的两倍。塑料流的压力不但会使嵌件位移，有时还会使嵌件变形。处理金属嵌件冷却时收缩率比塑料收缩率小引起塑件开裂现象的方法：使嵌件周围的塑料层有足够的厚度，嵌件本身不应有尖角，以减小应力集中。建议壁厚值见P235、模制后再压入嵌件的方法塑件上由于有各种的连接螺纹是大量采用嵌件的重要原因，目前对塑件上装拆次数不多的螺纹大量采用自攻螺钉，用光孔代替了内螺纹嵌件。6、自攻螺纹用光孔代替内螺纹嵌件，可以提高模塑效率。自攻螺纹有两类：⑴切割螺纹螺钉：用于硬度和刚性大的塑料如PS、ABS等，特别用于承受荷载小、振动小的地方。⑵旋压螺纹螺钉：用于弹性较好的塑料，如尼龙、PE、PP、泡沫ABS等，适用于装卸次数较多时，在反复使用中螺纹的固定力损失较小。十、标记、符号、文字塑料制件上的文字或符号可以作成三种不同的形式。一种是塑件上的凸字，它在制模时比较方便，可用机械或手工将字迹处的金属挖刻到一定深度即可，但塑件上的凸字容易碰坏(如图a所示)。第二种为凹字，在制模时必须将字迹周围的金属切屑掉，这是很不经济的，且字迹周围的平面难以抛光。现在多采用电铸，冷挤压或电火花等新工艺来成型。制品上的凹字可以填上各种颜色的油漆，使字迹更为鲜明(如图b所示)。第三种办法是在有文字的地方在模具上镶上刻有字迹的镶块，通常为了避免镶嵌的痕迹而将镶块周围的结合线作边框(如图c所示)，凹坑里的凸字无论在制品抛光或制品使用时，都不易因碰撞而损坏。第三节塑件结构件的力学设计一、短期负载下的力学计算：仿照金属件的设计方法二、长期负载下的力学计算：1、拉伸状况下：Ea:表观模数，为应力与应变之比按照应力应变等时蠕变曲线设计时需先确定不同塑料允许的安全最大变形值[ε]（表-3-1），然后根据使用期限查得该条件下许用应力σ蠕，再求出拉杆的厚度尺寸蠕bFa]E[蠕2、弯曲状态下：由于应力松弛，梁的抗弯能力将降低，对于受长期静荷载的梁来说应按蠕变进行设计，当作较粗略的计算时，可用梁表面的最大应力和使用时间查得表观蠕变模量来设计梁截面厚度，这样偏于安全。设计步骤如下：A、按刚度计算梁的挠度fEJFlf38453123WHJ31)][325(fEWFLH用试差法求解：查初始模量Ea计算H，再算σmax，再由σmax查Ea，比较两个Ea，再由后一个Ea计算H，再算σmax，逐次逼近，直到σmax与前面的相近即可。B、按强度计算梁的危险截面上的最大弯曲应力3max43WHFl受弯曲载荷的平板梁，特别是当它处于长期静负载作用时，采用实芯板结构是不恰当的，若采用夹芯板结构或带筋的格子板结构可以明显减少材料。三、夹芯板结构的使用芯层：轻质的蜂窝状填料，用浸树脂的纸或植物做成。壳层：常用碳纤、玻纤增强的热固性树脂板，通过粘接层粘接在芯层的上下两表面。用途：飞机的机翼、机尾等要求强度高质量轻的地方。对于长期受交变动态载荷的构件如塑料齿轮、连杆、凸轮等则应根据塑料的疲劳强度进行构件设计。不同塑料的各项性能指标各有所长。第四节塑料件的计算机辅助设计1、整体结构与几何造型设计2、设计信息库的编制和调用3、塑件分析计算及优化4、总装图和零件图的绘制