工业产品设计之塑料制品设计

工业设计之塑料选材一、工业产品塑料选材的一般程序塑料也像金属一样，种类繁多，虽然已工业化的主要类别只有五十多种，但每类又有许多品级。如尼龙塑料则包括尼龙3、尼龙4、尼龙6、尼龙46、尼龙66、尼龙7、尼龙8、尼龙9、尼龙610、尼龙1010、尼龙11、尼龙12、尼龙13、尼龙612，尼龙9T，尼龙13，MC尼龙，尼龙MXD6尼龙等品种。每一品种还可以通过改性，例如加入填料或增强材料和其它辅助材料，或通过共混制成合金；或通过加工工艺如定向拉伸、结晶、发泡等来获得新的性能，以满足使用要求。塑料的品种既然是如此繁多，它们的性能又具可变性，因此，塑料应用的选材常常要从塑料中许多性能的综合平衡来考虑(包括工艺与成本)，而且某些性能数据如磨损性、冲击性尚不能完全预测其使用性，有时又缺乏准确可靠的设计公式，因此，大多数塑料的选材过程是比较复杂的。为了能选择出性能和加工工艺均符合使用要求的、又尽量能恰如其分地量材使用的品种就要求采用系统、综合的分析方法来选材。一个完整的设计过程，应从构思、草图开始。选材在设计过程中是个关键步骤，对于指定部件的选材，最主要的是考虑部件的功能和决定部件功能的有关材料性能，同时还要考虑诸如部件的特点和禁忌、使用时的外界条件、临界条件、使用寿命和使用方式、维修方法、制品尺寸和尺寸精度、成型加工工艺、生产数量、生产速度、成本、原料来源和经济效益等等。这些因素包括两方面，一方面是使用环境介质和环境条件，如构件承受的负荷和自重，冲击和振动等机械作用的影响；接触的气体、液体、固体及化学药品；曝露的大气环境(气温、湿度、降雨、阳光、冰雪以及有害气体等)的影响；贮存环境条件和长期贮存的的影响；此外，除静态破坏影响外，还要考虑摩擦升温、蠕变、成型收缩等引起的变形、应力松弛以及反复应变而引起的疲劳，高应变率引起的力学性能变化等等。另一方面是搬运、勤务处理或操作时，制品可能遭到外力作用，甚至是意外的外力作用的影响。充分考虑这些因素才能明确所要求的综合性能。了解生产数量是为了从经济上考虑恰当的成型加工方法。比如所需数量是几个至几十个，就不必要制造模具，可直接用板材或棒材加工；需要数量是几百个左右时，可酌情采用简易模具或树脂-金属模、低熔点合金模等；当需要量更多时则应采用正规的模具成型。比如，设计的部件要急于使用，则考虑材料货源是主要的；如要设计宇航零件，则性能因素是最重要的；如设计通用产品，则应综合考虑性能和成本。下面列举一个典型的选材程序：(1)零部件的构思：进行初步的功能设计，即部件的形状及其功能元件的形状，并考虑选择基本加工方法。(2)选材：根据在应力下与使用性能相关的塑料的工程性能和加工性来筛选候选材料，这些应力是部件工作时施加在制品上的。(3)初步分析设计：利用工程设计性能计算壁厚和零件的其它尺寸。并根据塑料的特点进行制品设计和模具设计。(4)试制样品：在部件实际使用条件下或模拟零部件的使用条件下进行考验、考核。(5)重新设计和重新试验：当发现性能不能满足使用要求时，要重新筛选材料或重新设计并试验。(6)根据试制样品的试验情况和加工零部件的成本，确定最终设计和选材。(7)确定材料的技术规格和检验方法。有时上列步骤可以缩短，尤其是在零部件要求简单，或新零件与旧零件的差别很小的时候。然而，有时选材步骤更为复杂，特别是在开发新应用时，或在塑料所承受的应力很复杂的情况下，系统、综合的分析法不仅是可靠的成功办法，而且是节省开发费用的途径。《中国工程塑料网》2002年05月21日二、塑料一般选材工业设计之塑料选材设计者绘出零件图后，要对零部件列出使用条件和重要选材因素、然后合理地选材。括以下三个步骤：(1)跟据应用目的，列出部件的全部功能要求(并不是材料的性能)，并尽可能定量化。例如：①在额定的连续载荷下允许的最大变形量；②使用和运输过程中所受的应力种类和大小；是否长期受力，是动态或是静态应力；③最高工作温度；④在工作温度下允许的尺寸变化；⑤零部件允许的尺寸公差；⑥零部件的使用性能要求；⑦部件是否要求着色、粘接、电镀等；⑧要求贮存期多长，是否在户外使用；⑨有无耐燃性要求，等等。(2)根据部件的功能要求，考虑使用性能数值(工程性能)和设计数据，提出目标材料(部件材料)的性能数值，并通过这些性能要求来选定材料，即使这些性能估计是粗略的，也会大大方便候选材料的筛选，为最终材料的选定提供有益的依据。选择恰当材料性能是很关键而又复杂的，因为零部件的某一功能常常包含几种性能，例如在尺寸稳定性的要求中除尺寸精度外，还要考虑线胀系数、模塑收缩率、吸水性、蠕变性等等。零件的强度和刚度，除了从材料性能上考虑以外，还要从制品结构设计上(如厚度和加强筋等)加以考虑。材料的成型工艺性、耐久性、经济性等也都是选材时应考虑的因素。有时候，某些使用要求不一定能明确对材料性能的定量要求，如电镀性往往要通过实际试验或已有的经验来筛选。又如塑料炮弹弹带，要求材料经受高速冲击、压缩、扭拧、剪切等复杂的外力作用和高速高温高压气流的影响，很难直接提出材料的定量性能要求，因此，除了通过力学计算外，还可通过模拟试验和探索试验来推算受力情况，提出粗略的性能要求。(3)最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。选择塑料时应注意下面几个问题：①必须对选用塑料的性能有较全面的了解，然后根据使用条件去考虑配方、工艺和制品设计等。②塑料一般导热性低，选用和设计时要充分注意。③塑料的线胀系数一般比金属大，有的易吸水，因此尺寸变化较大，选用和设计时要考虑恰当的配合间隙和公差范围。④有的塑料有应力开裂的倾向，选用和设计时要尽量减少应力，制品设计要避免应力集中，或作适当的后处理，并要严格控制加工工艺。⑤有的塑料有蠕变和后收缩或变形的倾向，选用和设计时应充分注意。⑥各种塑料有-一定的使用强度范围和允许接触的介质以及能承受的压力和速度极限，选用和设计时应该考虑。《中国工程塑料网》2002年05月21日三、塑料选材的途径工业设计之塑料选材着手选材，可以先进行初选，然后综合评价后进行试验。初选可通过两个途径，一是根据制品用途选材；二是根据制品要求性能选材（利用材料性能表和性能等级分类等）；同时还要考虑经济成本和安全卫生等因素。下面就以一些已工业化的塑料为对象，列举几种简易的选材方法。1、根据用途选材用途主要是指制品应用域的归类，此外还包括制品的使用环境、受力类型和作用方式、使用对象等等要素。(1)使用环境所谓使用环境是指材料或制品使用时经受周围环境的温度、湿度、介质等，特别是温度和湿度的条件。根据用途的不同，温度条件可由南北极的低温到赤道或沙漠地区的炎热气温，或者是宇航环境的高低温，甚至在火灾时的高温等；湿度条件从在水中长期或间歇浸泡与露天雨淋到冬天的干燥状态(30％RH)；有的制品是在特殊气体中使用或者用于接触化学液体或溶液的场合；此外，自然曝露状态下除了风、雨、雾等影响外还受太阳光的曝晒等等。因此，必须考虑待用塑料对使用环境的适应能力。(2)制品的受力类型和作用方式根据制品的受力类型和受力状态及其对材料产生的应变来筛选能满足使用要求的材料是很必要的。也就是说，要考虑上述各种环境下的外力作用是拉伸、压缩、弯曲、扭曲、剪切、冲击或摩擦，或是几种力的组合作用。此外，还要考虑外力的作用方式是快速的(短暂)或是恒应力或恒应变的，是反复应力还是渐增应力等等。用于冲击负荷场合的制品，应选择冲击强度高的；用于恒定应力的场合而且必须防止变形时，应选择蠕变小的材料；用于反应力作用的场合应选择疲劳强度比较高的材料；(3)使用对象使用对象是指使用塑料制品的国别、地区、民族和具体使用者的范围。例如。国家不同，其标准规格也不同。如美国的电气部件用的塑料，为保证其对热和电气的安全性，要求必须符合UL规格。另外，对色彩和图案及形状的要求也会因国家、民族的习惯和爱好而不同，应选择合适的色彩和形状。使用者不同，如儿童、老年、妇女用品也各有不同的要求在工业上使用也要考虑使用对象，而选择不同的材料。(4)按用途进行分类。按用途分类的方法有多种，有的按应用领域分类。如汽车运输工业用的，家用电气设备用的，机械工业用的，建筑材料用的，宇航和航空用的……等等；有的，按应用功能分类。如结构材料(外壳、容器等)，低摩擦擦材料(轴承、滑杆、阀衬等)，受力机械零件材料。耐热、耐腐蚀材料(化工设备、耐热设备和火箭导弹用材料)，电绝缘材料(电气结构制品)、透光材料……。表中列出一些机械部件采用工程盟栀料的情况。当有几种材料同属一类用途时，应根据其使用特点和材料性能进一步比较和筛选。最好选择2-3种进行试验比较。比如说外壳这类用途就包括动态外壳，静态外壳，绝缘外壳等，因此要求使用不同特性的塑料。动态外壳是经常受到剧烈震动或轻微撞击的容器，要求材料除有刚性和尺寸稳定性外，还要有较好的冲击强度。在室内应用时可采用ABS塑料，在户外使用的应考虑耐老化性能好的材料。如AAS(丙烯睛-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物)或MAAS，或用酚醛、环氧或聚的玻璃钢等。静态外壳是用在不活动或少活动的部位，如仪表壳、收音机和电视机外壳等。要求形状和尺寸稳定、美观，一般可采用高冲击强度聚苯乙烯、ABS、聚丙烯等；如要求透明则可采用乙酸丁酸纤维素、聚甲基丙烯酸酯或聚碳酸酯。至于绝缘外壳，除要求绝缘外，有的还要求有高的机械强度和冲击强度，如电动机罩、电动机械外壳等，则可采用玻璃纤维增强聚碳酸酯，玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBTP)或热固性树脂的玻璃钢等。《中国工程塑料网》2002年05月21日按塑料应用范围选材(1)制造容器、外壳、盖、导管的塑料。工业设计之塑料选材这类制品一般不要求承载很大负荷，但要求有良好甚至优良的冲击强度和硬度、良好的或适中的拉伸强度和尺寸稳定性，以及良好的外观和耐环境性，并要求材料的价格适中。对另有特殊性能要求的应专门考虑。如果采用金属制造时，一般是采用钢板、型钢、铸铝或冲切铝、轻合金或压铸金属。这些材料强度较高，刚硬度也好。但是，当遇到下列情况和要求时，采用塑料更为合适。a．必须防止共振而且要求传声小；b．要求有一定的弹性变形以防止由于偶然碰撞而引起的凹痕；c．制品形状复杂，用金属加工工艺生产有困难；d．制品不希望后加工；e.要求制品整体电绝缘(或部分绝缘)和绝热，或整体着色或要求透明、半透明;f.要求耐腐蚀和耐湿气，不生锈;考虑以上的特点、比较适宜的材料见表(待补充)所示。有时，一种材料不能满足要求，往往需要塑料和其它材料复合，例如需要控制蠕变或挠曲变形或特别耐磨耗时，可把带螺纹的金属嵌件嵌入塑料件中，如果要求结构壳体能经受碰撞和粗用时，可考虑采用金属和塑料的复合板或在金属表面上复合塑料。(2)低摩擦应用方面的塑料这类应用要求的材料需具有低的摩擦系数甚至无润滑时摩擦系数也低，耐磨蚀性好，并具有适中至良好的形稳性、耐热性和耐腐蚀性。以往采用铜锑锡合金、青铜、铸铁、预润滑的木材、石墨等。但是，当遇到下列情况和要求时，采用塑料更为合适。a．有腐蚀或磨耗；b．加工时，润滑剂会污染产品；c．组件必须在高于或低于普通润滑剂的适用温度下工作；d．要求无保养操作；e．用塑料可避免复杂的润滑体系；f．迫切要求减重时；g.要求电绝缘；h.要求减弱声响、噪音；I.要求尽量减少擦伤和刻痕；j．体系高负荷、低速运行会挤出普通润滑剂;k.滑粘性不适宜时。根据上述要求，作为轴承减摩零件的合适塑料见表(待补充)所示。但是，当工作温度长期超过260℃或有很大的径向负荷、止推负荷时，或是需要连续高速运转，以及长期时间内要求轴的偏斜极小或要求轴的磨损先于轴承的磨损时，应考虑用其它材料。有时(尤其是遇到下列情况)可考虑用塑料和其它材料组合，如：a．需要尽快散发热量，b．要求蠕变极小；c.仅用塑料不能承受太高负荷，等等。(3)用作重应力机械零件的材料(如齿轮、凸轮、齿条、联轴节、辊子等)