塑胶产品的结构设计工艺性 - 图文

塑料产品结构设计的工艺性

一、 塑料产品开模前须考虑的因素

1﹑制品用在何处(外观要求)﹔怎样使用(力学性能要求)﹖ 2﹑成型塑料的收缩率多少﹖ 3﹑制品是否要同其它零件进行配合(公差要求)﹖ 产 品结构设计 4﹑制品结构脱模角分别是多少﹖ 5﹑浇口位置﹑流线﹑结合线﹑顶出痕要求﹖ 6﹑制品外观面有无特殊要求﹕咬花﹑蚀纹...﹖ 7﹑客户指定制品成型塑料的模塑特性如何﹖ 8﹑预期将模塑多少件制品﹖ 9﹑预期的模塑周期多长﹖ 10﹑需要何种类型的流道系统﹕冷流道(二板or三板)﹑热流道or两都结合 11﹑模腔的布局﹖天地方向的选择﹖ 12﹑制品出模方式的选择﹕手动拿出or自动落下﹔机械顶出﹑液压顶出or气压顶出 确定出模方向﹕首先根据制品Boss﹑Clip﹑cip等结构确定出模方向﹐若无法正常成型和1﹑制品能否从模脱模则考虑设计斜销(顶)﹑内(外)滑块侧面抽芯﹔如果制品有内外螺纹结构﹐还需设计方腔中拉出﹖能否从法一﹕以液压缸驱动齿轮﹑螺杆旋出﹔方法二﹕以齿条借助开模力﹑开模行程驱动齿轮模芯上脱下﹖ ﹑螺杆旋出 2﹑确定分型面 以模具制造加工条件的要求为根据﹐满足制品外形要求来确定模具分型面位置﹐便利简化磨削﹑铣削﹑CNC加工 模具针对制品模穴布局不平衡问题﹐(如一模一穴﹐进料点偏离模具中心一定距离﹔一模两穴3﹑制品模穴布局结﹐大小差别较大两个制品)﹐解决方法一﹕设计模楔做为模腔/模芯的一部分来平衡这些平衡吗﹖ 构力﹔方法二﹕采用倾斜式唧嘴﹔ 设计 4﹑设计合理的浇根据制品大小﹑成型材料的粘度﹑流动性能﹑可能出现的料流结合线﹑模塑周期的长短﹔借用CAE模流分析软件/ PRO/E塑料顾问等工具来确定浇口位置/大小/型式(针点﹑侧口位置﹑浇口形状边状﹑搭接式﹑锥型状?)/数目。浇口的设计决定料流结合线﹐而结合线的汇集将使内以及浇口数目 应力集中﹐这对于制品将是一个致命的破坏因素 针对一些精巧细小的部件采取模仁镶件的方法﹐如成形深而小的孔位﹔模仁成型面在工5﹑镶件和成孔销作过程中容易磨损破坏的结构﹔在分型面下方深处无法加工或难以加工的结构﹔深/厚>5的设计 的筋位 二、 结构设计原则

1. 成型尽量简单

产品的结构决定模具的结构,模具的结构决定成型的周期，成型的周期决定零件的加工成本。制件的设计必须在

满足使用要求和符合塑料本身的特性前提下，尽可能简化结构和模具、节省材料、便于成型。

塑料制品的侧面有侧凸凹或制品内部有倒扣时，模具常采用对开式凹模,侧向抽芯与滑块等抽芯结构,模具结构复杂,增加成本。因此,无特殊需要情况下,塑料制品应尽量避免侧面凸凹或简化模具结构。下表为结构设计之改进示例。

原 型 改 进 型 备 注 改进后侧面不需做滑块,模具简单,脱模容易 改进后避免了内侧倒扣,脱模容易 改进后避免了内侧倒扣,脱模容易 原制品侧壁有孔,成型时需侧向抽芯, 改进后避免了侧向抽芯 原制件内壁拐角处有倒扣，零件出模困难。改进后脱模容易 原制件扣位出模困难，改进后可以用斜顶脱模 2. 壁厚尽量均匀

壁厚增加不仅决定了机械性能，还将决定成品的质量。在塑料零件的设计中，很重要的一点是尽量使均匀。同一种零件的不同壁厚可引起零件的不同收缩性，这将导致严重的翘曲和尺寸精度问题。零件中形成的空隙和微孔，将使横截面变窄，内应力升高，有时还存在切口效应，从而大大降低其机械性能。 一块平板的抗挠刚度由材料的弹性模数和横截面的转动惯量所决定。如果盲目增加壁厚以改善塑料制品的刚性，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。所以说，如果不考虑后果就增加厚度，将使材料和生产成本增加，而刚性并未有增加。 对于表面要求非常高的组件如汽车轮盖，尺寸是非常重要的。正确的设计可以减少组件形成表面凹痕，以提高组件的质量。底部的材料积聚在左图所示的圆中。这个圆的大小与的尺寸相关，应该越小越好，这样才能减小或避免凹痕。如果圆太大，可能会形成内部空洞，制品的机械性能将会非常差。 左图是RDX面板改进前和改进后的设计，图b卡钩下方较厚的位置掏胶后，壁免了外表面出现严重的缩水痕 a b 左图是Odyssey 连接器座改模前和改模后的设计，图a中底部掏胶深度不够，前方两个孔的高度比图纸尺寸小了0.5mm.图b中增加了底部掏胶深度和红色部分掏胶，才解决了这个问题。 a b 3. 分型面的选择

为了便于将塑件从密闭的模腔内取出，也为了便于安放嵌件或取出浇注系统，必须将模具分成两个或几个部分。通常将分开模具能取出塑件的面称为分型面。同时，以分型面为界，模具又可被分成两大部分，即动模与定模部分。而其它的面则被称作分离面或分模面，注射模只有一个分型面。分型面合模后间隙一般不超过0.01～0.03mm，否则会形成飞边，故分型面均要进行“平面磨床”的磨削加工。

分型面的形式一般有以下几种：图1中（a）图所示为水平分型面；（b）图所示为斜分型面；（c）图所示为阶梯分型面；（d）图所示则为曲线分型面。因此对于模具设计人员来说，分型面的正确选择对模具制造及操作都有着至关重要的影响。对于斜分型面或曲线分型面,模具上需做辅助插穿位以防前后模相对滑动。

（a）

（b）

（c）

图1 分型面类型

（d）

选择分型面时应遵循如下原则: 1）．留模方式

为了便于塑件脱模，应使塑件在开模时尽可能留在下模。由于塑件的顶出机构通常设置在下模，尤其是自动化生产所用的模具，因此正确选择塑件的留模方式显得更为重要。留模方式选择正确与否会直接影响到产品质量和生产效率。

如图2（a）所示，由于型芯设在定模部分，开模后塑件会收缩而包紧型芯，使塑件留在定模一侧，因而，增加脱模的难度，使模具结构复杂，如果改用图2（b）所示的结构就会比较合理。

（a（b

图2 留模方式

2）．塑件外观

分型面应尽可能选择在不影响塑件外观的部位，而且在分型面处所产生的飞边应容易修整加工。如图3所示，一边不带圆弧球面的塑件，若采用图（a）的结构，将有损塑件表面质量，而采用图（b）的结构就比较合理。

（a

（b

图3 分型面对塑件外观的影响

3）．塑件的同轴度要求

图1-4所示为一副齿轮模具，齿轮的轮缘与台阶部分的外圆有同轴度要求。若将有同轴度要求的部分分别在动模和定模内成型，如图4（a）所示，则会因模具合模不准确而难以保证其同轴度要求；若改用图4（b）所示的结构，使有同轴度要求的部分全部在动模内成型，则可满足同轴度的要求。

4）．塑件上的飞边方向

选择分型面时，根据塑件的使用要求和所用塑料，要考虑飞边在塑件上的部位。如塑件不允许有水平飞边时，可采用如图5（b）所示的结构，有利于脱模，尤其对于流动性较好的尼龙来说，采用这种结构还可以减少飞边的产生。而采用如图5（a）所示的结构则欠妥。

（a（b

图4 有同轴度要求的分型面选择

（a（b

图5 飞边

5）．塑件的脱模斜度

选择分型面时，应考虑减小由于脱模斜度所造成的塑件大小端的尺寸差异。如图6（a）所示塑件，若型腔设在模具的一侧，则因脱模斜度造成塑件的大小尺寸差异较大，当塑件不允许有较大的脱模斜度时，采用此种结构必然使脱模困难。若塑件对外观无严格要求，可将分型面选在塑件中部，如图6（b）所示，它可采用较小的脱模斜度，有利于脱模。

（a（b

图6 分型面对脱模斜度的影响

6）．分型面的排气功能

分型面的排气功能可以把型腔内部的部分高温气体排出型腔外，保证产品表面没有气孔产生，有利于改善产品的外观质量。

一般在分型面凹模一侧开设一条深0.025～0.1mm、宽1.5～6mm的排气槽，亦可以利用顶杆、型腔、型芯镶块、烧结金属块排气。

4.浇口数量和位置分布合理

改 进 前 改 进 后 备 注 1）浇口的位置要有利于熔体的流动和补缩，从壁厚较大的位置入胶 2）浇口位置决定零件的翘曲性能，采用对称的浇口可以防止翘曲 3）防止浇口处熔体破裂产生喷射或蠕动现象，而在充填过程中产生波纹状痕迹。防止办法：加大浇口尺寸或采用冲击型浇口 非冲击型浇口 冲击型浇口 4）防止熔体直接冲击细长型芯或嵌件 5）浇口的数量和位置分布应尽可能减少熔接痕和增加熔接强度。如果实在无法避免，应使它们不处于功能区、负载区、尽量不要在外观面出现, 可利用浇口大小，形状， 数目或于浇口附近挡料来改变熔合线的位置。 含有纤维增强材料的胶件，由于熔合 线区域的纤维的排列方向与流动方向垂直，将明显降低这一点的机械性能 6）浇口的位置应该有利于包风的排除，否则会造成短射﹑烧焦﹑或在浇口处产生高的压力 7) 浇口的位置应考虑定向作用对产品性能的影响。长链分子、纤维填料和增强材料的塑件产生的各向异性比普通材料的塑件要大得多 8）在任何一浇口区域都会产生高压力（剪切），将明显降低塑料树脂的性能。不要将浇口置于高负载区域 5.预留拔模角度

为确保制件成型时能顺利脱模和配合精度，设计时必须在脱模方向设置脱模斜度，特别是外观面、有功能或配合要求的表面，在3D设计时就一定要加上拔模斜度。设计者应切记，脱模斜度的重要性在于它能使脱模容易及防翘曲。 1） 在不妨碍外观及形状情形下， 范围越大越佳 2） 适当的脱模角度约为1/10 到 1/30 （1 ~2°） 3） 实用之最小值为1/120 (约0.5°) 4） 表面有咬花处理， 以咬花的粗细决定脱模斜度，常规经验是每0.001”深度纹需要1.5度的拔模角。

MOLD-TECH 咬花制作参考资料

脱模斜度 咬花深度 （英寸） 1.0 .0004 1.5 .001 2.5 .0015 3 .002 4.5 .003 6.5 .0045 4.5 .003 4.5 .003 3 .002 5.5 .0035 9 .006 4 .0025 3 .002 4 .0025 4 .0025 4 .00275 6 .004 咬花 MT-11000 MT-11010 MT-11020 MT-11030 MT-11040 MT-11050 MT-11060 MT-11070 MT-11080 MT-11090 MT-11100 MT-11110 MT-11120 MT-11130 MT-11140 MT-11150 MT-11160

三、材料选择

已经工业化的塑料主要类别有五十多种，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。

在注射成型中最常用的是热塑性塑料。它又可分为无定型塑料和半结晶性塑料。这两类材料在分子结构和受结晶化影响的性能上有明显不同。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。

结晶性聚合物内部大部分分子排列很规则，如：PE PP POM Nylon等。模塑条件及后处理对聚合物的结晶度有很大影响。结晶性聚合物的典型特点：

a.熔融需要的热量较高，源于其结构的规则化，因此，每磅料所需的热量比无定型聚合物高。

b.收缩率大，因为结晶体的规则结构使其占据较少的空间，明显的体积减小表现在发生变化的开端及结晶度，数量的变化上。

c.易发生翘曲，由于其易受模塑条件影响的特点 d.明显的结晶熔融点(Tm)

e.无明显的玻璃态转变点(Tg)

f.结晶体导热性几乎是非晶体的两倍，所以啤件内部热量的传导结晶体聚合物较无定型聚合物容易得多。

无定形聚合物分子排列与结晶体相比不规则，分子链也随机排列，如：ABS PS PVC PMMA PC 及K料等等。无定型聚合物的典型特点： a.熔融需要的潜热较低 b.收缩率小 c.发生翘曲少

d.无明显的结晶熔融点(Tm) e.明显的玻璃态转变点（Tg） f.导热率低

图1

填料和增强材料

热塑性塑料备有未增强、玻璃纤维增强、矿物及玻璃体填充等种类产品。玻璃纤维主要用于增加强度、坚固度和提高应用温度；矿物和玻璃体则具较低的增强效果，主要用于减少翘曲。

图2

玻璃纤维会影响到成型加工，尤其会对部件产生收缩和翘曲性。所以，玻璃纤维增强材料不能被未增强热塑性塑料或低含量增强材料来替代，而不会有尺寸改变。

玻璃纤维的取向由流动方向决定，这将引起部件机械强度的变化。对添加了30％玻璃纤维增强的热塑性聚酯树脂，其横向的拉伸强度比纵向（流动方向）低了32％，挠曲模量和冲击强度分别减少了43％和53％。 在综合考虑安全因素的强度计算中，应注意到这些损失(见图3)。

图3 湿度的影响

一些热塑性材料，特别是PA6和PA66，吸湿性很强。这可能会对它们 的机械性能和尺寸稳定性产生较大的影响。在进行时，应特别注意这种性能（见图4，5）。

图4 图5

生产和使用

因为热塑性塑料受使用条件的影响，因而决定它只需要生产还是同时需要使用非常重要。例如，热塑性塑料的热膨胀性可能比金属的高10倍（图6），一些塑料（如尼龙）的吸水性对制品使用的可靠性产生非常重要的影响。

图6

典型用法的塑料选用

表1. 塑料材料作一般结构件的选用 材料名称 性能特点 HIPS ABS PC PET PBT POM Nylon PPS 硬度高,价格便宜,但脆性大 刚性好,韧性好,综合性能好 卓越的冲击强度,耐蠕变性,并有较高的耐热性,耐寒性,透明性好 尺寸稳定性好,具有韧性好,强度大,热变形温度高等特点 机械性能优良,强度大,耐高温 强度高,耐磨性好,自润滑性好,但成型收缩率大 良好的耐磨性,自润滑性好,吸水性大,尺寸稳定性差 优良的耐热性,电绝缘性,耐化学腐蚀性及和各种无机填料的良好亲和性 应用部件 按钮,支承座,电器外壳等 电器外壳及内部结构件 电子零件,仪表零件,小型电器外壳,透明部件 联接件,开关壳,灯头,插座等 灯头,水喉内胆等 电子,电讯及精密仪器零件,齿轮等 水阀部件,齿轮 开关插座

表2. 塑料材料作传动件的应用 材料名称 性能特点 Nylon FRNYLON POM FRPOM PF FRPET 超高分子量聚乙烯 PU 耐磨性好,自润滑性好,但使用温度范围窄,尺寸精度不高 强度高,使用温度高过一般尼龙 摩擦系数低,吸水性好,良好的抗疲劳性和尺寸稳定性 强度,刚度,耐冲击强度和抗蠕变性等都很好,长期使用尺寸稳定,耐磨性好 高抗冲,耐蠕变,尺寸稳定,耐热性好 良好的尺寸稳定性和耐热性 耐磨性好,磨擦系数小 高弹性,强韧性 应用部件 中等或较低负荷,中等温度(80℃)以下 高负荷,高温下 中等或较低负荷下不允许采用润滑油的场合 较高负荷,高温下 高负荷,高温下 高温水或蒸汽下,高精度 精密仪器,仪表 精密仪器,仪表

表3. 塑料材料用作透明零件的运用 材料名称 性能特点 PC PMMA AS(SAN) GPPS TPX(聚4-甲基戍烯-1) ADC(烯丙基二甘醇碳酸酯) 透明尼龙Trogamid-t 透明尼龙PAGP-9/6 使用温度宽,尺寸稳定,耐冲击好,但易产生应力开裂 透光率最好,尺寸稳定性好,耐候性优良,但吸湿性高,韧性低,耐热性一般,硬度稍差 比PS热变形温度高,力学性能也得到提高,但仍未消除老化发黄现象 吸湿性低,尺寸稳定性好,价格低廉,但透光率低于丙烯酸类塑料,耐候性,耐老化性差 是最轻的塑料,折射率低,耐化学性和耐热性优良 应用部件 高精度的光学组件 中低精度的光学组件 透明外壳及光学组件 透明外壳及光学组件 具有耐腐或耐热要求的特殊透镜或透明组件 透明塑料中硬度最高,具有良好的耐冲击性和耐化学性(美国牌号为CR39) 镜片及其它光学组件 透明性,耐热性及耐刮伤性好 透光性好,雾度极低,综合性能优良 透明组件 透明组件

表4. 塑料材料作电气绝缘零件的运用 材料名称 性能特点 Nylon FRNylon PC PPO PF F4 PI Epoxies 具有优良的电性能,热性能,机械性能,但易吸水,电性能随吸水量而变化 机械强度高,绝缘电阻大,耐电压性好 特耐热,有较高的强度和刚性,但内应力较大 在宽广的频率和温度范围内电性能稳定,耐热性能好,但内应力大 在湿空气中,在高低温下均能保持良好的介电性能 耐高温,耐腐蚀,体积电阻大,能在高频下使用,但成型加工性差 高介电强度,低介电常数和介电损耗,耐高低频辐射,耐臭氧 高介电强度 应用部件 插座,电器开关,配件等 灯头,插座,耐候性产品,高冲击产品 灯头,电子配件,各种电器制品 开关插座,灯头,机壳,电子设备零件,高频印刷线路板 电气绝缘材料 高频电缆,电容器,电机槽,高频电子仪器的绝缘体 高频电子仪器的绝缘体,电容器等 电路板,绝缘材料

表5. 塑料材料用作耐腐蚀零件的运用 材料名称 性能特点 PF F4 PPS NYLON 耐有机溶剂,但不能强酸 高温下耐腐蚀性能特别好,可在-195至+250℃范围内使用,但在高温下的刚性较差,冷流性大,成型困难 高温下耐腐蚀性能较好,在175℃以下找不到溶剂,但能被氧化性酸脆化和三氯乙烯,氯笨引发产生应力开裂 有较好的耐碱性及耐油性,但不耐酸 应用部件 输油管 法兰面.隔膜,设备衬里 设备衬里,隔膜 水箱外壳

四、基本装配技术

1. 螺纹装配

螺纹装配由分离型、组合型螺杆或整体螺杆嵌件的运用组成。 材料的挠曲模量给螺件的合理装配提供了指导。 例如， 带螺纹的螺丝的弯曲模量可以达到2800Mpa。如果需要使用公制的螺丝，或者螺纹装配需要多次来完成，这就需要采用金属的细纹嵌件。

2. 超声波焊接设计

超声波焊接是一种热塑性塑料制品的熔接技术，不需加溶剂，粘接剂或其它辅助品，其优点是增加多倍生产率，降低成本，提高产品质量。

超声波塑料焊接原理:由发生器产生20KHZ，（或15KHZ）的高压，高频信号，通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工作表面及内在分子间的磨擦而使传导到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件焊接口迅速溶化，继而填充于接口间的空隙，振动停止后维持在工件上的短暂压力使两焊件以分子链接方式凝固为一体。一般焊接时间小于１秒钟，所得到的焊接强度可与本体相媲美。 常用的工艺有超声波焊接，铆焊，埋植，成型，点焊，切割封口等。

超声波塑料焊接的兼容性和适应性：下表中黑方块的表示两种塑料的兼容性好，容易进行；圆圈表示在某些情况下兼容，焊接性能尚可；空格表示两种塑料兼容性很差，不易焊接。

丁 二 纤维素氟 烯-苯 乙 烯 ABS/ 聚热塑性塑料 丙烯亚苯基-氧化物聚酰胺-聚 （托酸 热 聚 塑 聚 甲 聚 聚 性 乙 基 苯 丙 聚 烯 戊 硫 烯 酯 烯 聚 聚 SAN-NAS-ASA A 碳 酸酯 聚 丙 酸系超声波焊接的 B 合金 甲 烯 多元兼容性示例图表 S （赛 柯醛 腈 共聚(CA, 聚 尼 为主的酰亚胺碳 CAB, 合 龙 树脂CAP) 物 （诺里尔） 苯 聚 氯 乙 砜 乙 烯 乐800） ABS ■ ■ 物 ■ ○ 郎） 酯 烯 熔接特性 ○ ○ 良好 好 ABS/PC合金 （赛柯乐800） ■ ■ ○ ■ 聚甲醛POM 丙烯腈 ■ ○ ○ ■ ■ ■ ■ ■ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 摩擦系数低，一般 ■ ○ ○ ■ 丙烯酸系多元共聚物 丁二烯-苯乙烯 纤维素(CA,CAB,CAP) 氟聚合物 尼龙PA 熔点高，较难 亚苯基-氧化物为主的树脂（诺里尔） 聚酰胺-酰亚胺（托郎） 聚碳酸酯PC 热塑性聚酯 聚乙烯PE 聚甲基戊烯 聚苯硫 ■ ○ ○ ■ ■ ○ ■ ■ ■ ■ ○ ■ ○ ■ ○ 熔点高，一般 弹性系数低，聚丙烯PP ■ 衰减振动，较难 聚苯乙烯PS 聚砜 ○ ○ ■ ○ ■ ○ ■ ○ 材质柔软，衰减振动，较难 聚氯乙烯PVC ○ SAN-NAS-ASA ○ ■ ○ ■ ○ ○

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