产品结构设计

结构设计概述结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设计过程中花费时间最多的一个工作环节。在产品形成过程中，起着十分重要的作用。如果把设计过程视为一个数据处理过程，那末，以一个零件为例，工作能力设计只为人们提供了极为有限的数据，尽管这少量数据对于设计很重要，而零件的最终几何形状，包括每一个结构的细节和所有尺寸的确定等大量工作均需在结构设计阶段完成。其次，因为零件的构形与其用途以及其它“相邻”零件有关，为了能使各零件之间彼此“适应”，一般一个零件不能抛开其余相关零件而孤立地进行构形。因此，设计者总是需要同时构形较多的相关零件（或部件）。此外，在结构设计中，人们还需更多地考虑如何使产品尽可能做到外形美观、使用性能优良、成本低、加工制造容易、维修简单、方便运输以及对环境无不良影响等等。因此可以说，结构设计具有“全方位”和“多目标”的工作特点。一个零件、部件或产品，为要实现某种技术功能，往往可以采用不同的构形方案，而目前这项工作又大都是凭着设计者的“直觉”进行的，所以结构设计具有灵活多变和工作结果多样性等特点。对于一个产品来说，往往从不同的角度提出许多要求或限制条件，而这些要求或限制条件常常是彼此对立的。例如：高性能与低成本的要求，结构紧凑与避免干涉或足够调整空间的要求，在接触式密封中既要密封可靠又要运动阻力小的要求，以及零件既要加工简单又要装配方便的要求等等。结构设计必须面对这些要求与限制条件，并需根据各种要求与限制条件的重要程度去寻求某种“折衷”，求得对立中的统一。结构设计是机械设计的基本内容之一，也是设计过程中花费时间最多的一个工作环节。在产品形成过程中，起着十分重要的作用。如果把设计过程视为一个数据处理过程，那末，以一个零件为例，工作能力设计只为人们提供了极为有限的数据，尽管这少量数据对于设计很重要，而零件的最终几何形状，包括每一个结构的细节和所有尺寸的确定等大量工作均需在结构设计阶段完成。其次，因为零件的构形与其用途以及其它“相邻”零件有关，为了能使各零件之间彼此“适应”，一般一个零件不能抛开其余相关零件而孤立地进行构形。因此，设计者总是需要同时构形较多的相关零件（或部件）。此外，在结构设计中，人们还需更多地考虑如何使产品尽可能做到外形美观、使用性能优良、成本低、加工制造容易、维修简单、方便运输以及对环境无不良影响等等。因此可以说，结构设计具有“全方位”和“多目标”的工作特点。一个零件、部件或产品，为要实现某种技术功能，往往可以采用不同的构形方案，而目前这项工作又大都是凭着设计者的“直觉”进行的，所以结构设计具有灵活多变和工作结果多样性等特点。对于一个产品来说，往往从不同的角度提出许多要求或限制条件，而这些要求或限制条件常常是彼此对立的。例如：高性能与低成本的要求，结构紧凑与避免干涉或足够调整空间的要求，在接触式密封中既要密封可靠又要运动阻力小的要求，以及零件既要加工简单又要装配方便的要求等等。结构设计必须面对这些要求与限制条件，并需根据各种要求与限制条件的重要程度去寻求某种“折衷”，求得对立中的统一。机构学机构学是研究机械中机构的结构和运动等问题的学科，是机械原理的主要分支。传统的机构学把机构的运动看作只与其几何约束方式有关，而与受力、质量和时间等无关的学科。这样，在十九世纪中叶，机构学就从一般力学中独立出来，并日益发展。机构学研究的是各种常用机构的结构和运动，如连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、差动机构、间歇运动机构、直线运动机构、螺旋机构和方向机构等，以及这些机构的共性问题，在理论上和方法上进行机构分析和机构综合。机构分析包括结构分析和运动分析两部分。前者研究机构的组成并判定其运动可能性和确定性；后者考察机构在运动中位移、速度和加速度的变化规律，从而确定其运动特性。掌握机构分析的方法对于如何合理使用机器、验证机械设计是否完善等是必不可少的，所以机构分析也是机构综合的基础。但是综合有时不存在唯一解，因而机构分析和综合往往是不可逆的。设计新机器时，先要考虑两个问题：首先，为了完成某一工艺或生产要采取什么运动，这属于专业问题；其次是采用什么机构来实产品结构设计准则--入件(Moulded-inInserts)基本设计守则塑胶内的入件通常作为紧固件或支撑部份。此外，当产品在设计上考虑便於返修、易於更换或重复使用等要求时，入件是常用的一种装配方式。但无论是作为功能或装饰用途，入件的使用应尽量减少，因使用入件需要额外的工序配合，增加生产成本。入件通常是金属材料，其中以铜为主。入件的设计必须使其稳固地嵌入塑胶内，避免旋转或拉出。入件的设计亦不应附有尖角或封利的边缘，因为尖角或封利的边缘使塑胶件出现应力集中的情况。入件的成型方式分为同步成型嵌入和成型後嵌入两种:(1)同步成型嵌入同步成型嵌入是在部件成型前将入件放入模具之中，在合模成型时塑料会将入件包围起来同时成型。若要使塑料把入件包合得好，必先预热後才放入模具。这样可减低塑料的内应力和收缩现象。(2)成型後嵌入成型後嵌入是将入件用不同方式打入成型部件之中。所采用的方法有热式和冷式，唯原理都是利用塑胶的热可塑特性。热式是将入件预先在嵌前加热至该塑胶部件融化的温度，然後迅速的将入件压入部件上特别预留的孔中冷却後成型。冷式一般是使用超声波焊接方法把入件压入。用超声波的方法所得到的结果比较一致和美观，而预热压入在工艺上要控制得好才有好的效果。否则出现入件歪斜、位置不正、塑料包含不均匀等现象形成坏品。正常情形下入件是在塑胶成品平面对齐或有些微的在平面之上以减少塑胶内的应力。不同直径的入件塑胶所须之最小壁厚mm(inch)表不同材料的设计要点POMPOM成型时，因塑料和镶入件收缩比率不而有应力产生。渐渐在镶入件的地方发生了龟裂现象而成品破裂，以下方法可改善成品破裂现象。用温度达90℃左右的镶入件放于模腔内成型。模具内温度打90℃左右。镶入件要洁净及避免有尖角或利边。PBT镶入件通常是用以装配方便或维修容易为目的的，但亦有的是特殊用途如金属扣等。为了使镶入件在塑胶成品内减低应力和因不同物料的热膨胀系数所影响，镶入件尽量不要有尖角，防止拔出和转动的凹槽要使用简单的设计，压花的花纹面积不要太大，压花的边要和镶件边位远离，花纹的地方要放于稳藏处。镶入件表面不能有任何不相容的化学药品如润滑油等。在放入模具生产是使用80至110℃的模温来减低成型后的内应力。PBT入件压花的设计产品结构设计准则--洞孔(Hole)在塑胶件上开孔使其和其它部件相接合或增加产品功能上的组合是常用的手法，洞孔的大小及位置应尽量不会对产品的强度构成影响或增加生产的复杂性，以下是在设计洞孔时须要考虑的几个因素。相连洞孔的距离或洞孔与相邻产品直边之间的距离不可少於洞孔的直径，如孔离边位或内壁边之要点图。与此同时，洞孔的壁厚理应尽量大，否则穿孔位置容易产生断裂的情况。要是洞孔内附有螺纹，设计上的要求即变得复杂，因为螺纹的位置容易形成应力集中的地方。从经验所得，要使螺孔边缘的应力集中系数减低至一安全的水平，螺孔边缘与产品边缘的距离必须大於螺孔直径的三倍。孔离边位或内壁边之要点穿孔从装配的角度来看，穿孔的应用远较盲孔为多，而且较盲孔容易生产。从模具设计的角度来看，穿孔的设计在结构上亦较为优胜，因为用来穿孔成型的边钉的两端均可受到支撑。穿孔的做法可以是靠单一边钉两端同时固定在模具上、或两枝边钉相接而各有一端固定在模具上。一般来说，第一种方法被认为是较好的；应用第二种方法时，两条边钉的直径应稍有不同以避免因为两条边钉轴心稍有偏差而引致产品出现倒扣的情况，而且相接的两个端面必须磨平。盲孔盲孔是靠模具上的哥针形成，而哥针的设计只能单边支撑在模具上，因此很容易被溶融的塑料使其弯曲变形，形成盲孔出现椭圆的形状，所以哥针的长度不能过长。一般来说，盲孔的深度只限於直径的两倍。要是盲孔的直径只有或於1.5mm，盲孔的深度更不应大於直径的尺寸。盲孔的设计要点钻孔大部份情况下，额外的钻孔工序应尽量被免，应尽量考虑设计孔穴可单从模具一次成型，减低生产成本。但当需要成型的孔穴是长而窄时”即孔穴的长度比深度为大〔，因更换折断或弯曲的哥针构成的额外成本可能较辅助的後钻孔工序为高，此时，应考虑加上後钻孔工序。钻孔工序应配合使用钻孔夹具加快生产及提高品质，亦可减少因断钻咀或经常番磨钻咀的额外成本及时间；另一做法是在塑胶成品上加上细而浅的定位孔以代替使用钻孔夹具。侧孔侧孔往往增加模具设计上的困难，特别是当侧孔的方向与开模的方向成一直角时，因为侧孔容易形成塑胶产品上的倒扣部份。一般的方法是使用角针”AnglePin〔及活动侧模”SplitMould〔，或使用油压抽哥。留意哥针在胶料填充时会否受压变形或折断，此情况常见於长而直径小的哥针上。因模具的结构较为复杂，模具的制造成本比教高，此外，生产时间亦因模具必须抽走哥针才可脱模而相应增加。其他设计考虑有关孔穴在产品设计上的考虑，尚有下列各点：1.多级”多个不同直径但相连的孔〔的孔可容许的深度比单一直径的孔长；此外，将模具件部份孔位偷空，亦可将孔的深度缩短，下图说明这两种方法的应用。多级孔或将穿孔偷空的应用方法2.侧孔若使用角针、活动侧模或油压抽哥必会使模具的结构复杂及增加成本，此问题可从增加侧孔壁位的角度，或以两级的孔取代原来的侧孔得以消除侧孔引致的倒扣，消除侧孔倒扣的方法图说明这两种方法的应用。消除侧孔倒扣的方法3.洞孔的边缘应预留最少0.4mm的直身位，设计一个完整的倒角或圆角於孔边在经济上或实践上都是不设实际的，可叁考洞孔边缘的设计图。产品结构设计准则--公差(Tolerance)基本设计守则大部份的塑胶产品可以达到高精密配合的尺寸公差，而一些收缩率高及一些软性材料则比较难於控制。因此在产品设计过程时是要考虑到产品的使用环境，塑胶材料，产品形状等来设定公差的严紧度。除着顾客的要求愈来愈高，以往的可以配合起来的观念慢慢的要修正过来。配合、精密和美观是要同时的能在产品上发挥出来。公差的精密度高，产品质素相对提高，但随之而来的是增加了成本和因达到要求而花更多的时间。故此公差的设定可以跟随不同塑料来作一标准，以下是几种由塑料供应商提供的塑料公差设计要点。而设计的容许公差范围是可在美国SPI规格内找得到。不同材料的设计要点LCP液晶共聚物成品容许公差随着设计的复杂程度和壁厚而定。薄壁的部份经常可以在液晶共聚物的产品上可找得到。而且液晶共聚物容许公差可是极小容许公差的50%。LCP液晶高分子设计容许公差的指南PET宝特龙(PET)的设计公差准则POM精密公差的标准叁考表产品结构设计准则--壁厚篇基本设计守则壁厚的大小取决於产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑胶材料而定。一般的热塑性塑料壁厚设计应以4mm为限。从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料成本，延长生产周期”冷却时间〔，增加生产成本。从产品设计角度来看，过厚的产品增加引致产生空穴”气孔〔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。最理想的壁厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。在此情形，由厚胶料的地方过渡到薄胶料的地方应尽可能顺滑。太突然的壁厚过渡转变会导致因冷却速度不同和产生乱流而造成尺寸不稳定和表面问题。对一般热塑性塑料来说，当收缩率”ShrinkageFactor〔低於0.01mm/mm时，产品可容许厚度的改变达；但当收缩率高於0.01mm/mm时，产品壁厚的改变则不应超过。对一般热固性塑料来说，太薄的产品厚度往往引致操作时产品过热，形成废件。此外，纤维填充的热固性塑料於过薄的位置往往形成不够填充物的情况发生。不过，一些容易流动的热固性塑料如环氧树脂”Epoxies〔等，如厚薄均匀，最低的厚度可达0.25mm。此外，采用固化成型的生产方法时，流道、浇口和部件的设计应使塑料由厚胶料的地方流向薄胶料的地方。这样使模腔内有适当的压力以减少在厚胶料的地方出现缩水及避免模腔不能完全充填的现象。若塑料的流动方向是从薄胶料的地方流向厚胶料的地方，则应采用结构性发泡的生产方法来减低