塑料零件设计概论

塑料零件设计概论培训讲义沈平一、塑料的定义塑料是指以树脂（天然的或用小分子单体人工合成的）为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂，着色剂等添加剂为辅助成分的混合体，在加工过程中能在特定的模型中流动，在模具型腔中冷却定型后，具备一定的物理机械性能，在通常的大气温度下可保持形状不变的非金属材料。二、树脂的定义树脂通常是指受热后有软化或熔融的温度范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲，可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物。塑塑料料的的概概念念塑料的特征：塑料的特征：一、它是高分子有机化合物一、它是高分子有机化合物，与辅助，与辅助添加剂的混合物添加剂的混合物。。二、二、它可以化学或物理方法成形。它可以化学或物理方法成形。三、三、种类繁多，不同单体可分别聚合种类繁多，不同单体可分别聚合成性能不同的塑料材料。成性能不同的塑料材料。四、四、用途广泛，产品呈現多样化。用途广泛，产品呈現多样化。五、五、具有不同的物理化学性具有不同的物理化学性质质。。六、六、可以用不同的方法加工成型。可以用不同的方法加工成型。1）结构单元：聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯（（PMMA-polymethylmethacrylate）：：——CH2—C—CH2——［］│CH3COOCH3│1）结构单元：聚苯乙烯聚苯乙烯（（PS-polystyrene）：：——CH2—CH2——［］│单体的概念二个甲基一个苯环构成一个树脂单体单体苯环1）结构单元：聚氯乙烯聚氯乙烯（（PVC－polyvinylchloride）：：——CH2—CH2——［］Cl│1）结构单元：聚四氟乙烯聚四氟乙烯（（PTFE）：：——CF2—CF2——［］1）结构单元：聚乙烯聚乙烯（（PE－polyethylene）：：——CH2—CH2——［］1）结构单元：聚丙烯聚丙烯（（PP-polypropylene)）：：——CH2—CH2——［］CH3│塑塑料料的的分分类类PF聚甲醛热塑性树脂的分子聚集状态有疏有密，可以把致密的部分称为结晶部分，而把较疏的部分称为非晶部分，大多数的聚合物都会有某种程度的结晶部分，我们把结晶部分的含有率称为结晶度。结晶的概念：图1一般而论：随着塑料结晶度的增高，聚合物强度增加、伸长率下降、体积减小密度增大，熔融温度(熔点)也越高，透明性降低，材料强度的各向异性增加，受冲击易开裂，结晶聚合物会因其结晶化的进行，而产生体积收缩，进而影响其制品的尺寸稳定性。结晶塑料耐化学性能及药品性能，一般都较好。塑料原料一般分为二类：一、热固性塑料︰指的是塑料被加热后，塑料分子链結合成网状型态，直至生成三维体型结构，一但結合成网状或体型聚合体，即使再加热也不会软化，显示出所谓的不可逆变化，是分子团构造发生变化(化学变化)所致，典型的表现形式就是胶木。二、热塑性塑料︰指材料被加热后会软化熔融，可通过一定的工艺方法在特定的模具中冷却后成形，成形后的零件具有确实的使用功能，再加热后又会熔融，即可运用加热及冷却，使其产生可逆变化(粘流态固态：即所谓的物理变化)的非金属材料。热塑性塑料又可再区分为通用塑料、通用工程塑料、高性能工程塑料等三类。我们为什么使用塑料：1.重量轻塑料的比重较小，相对密度分布在0.90—2.2g/cm3之间。这种特性使得塑料可用于要求减轻自重的产品生产中。2.优良的化学稳定性绝大多数的塑料对酸、碱等化学物质都具有良好的抗腐蚀能力。特别是俗称为塑料王的聚四氟乙烯（F4），它的化学稳定性甚至胜过黄金，放在“王水”中煮十几个小时也不会变质。3.优异的电绝缘性能普通塑料都是电的不良导体，其表面电阻、体积电阻很大，用数字表示可达109一1018欧姆甚至更大。击穿电压大，介质损耗角正切值很小。因此，塑料在电子工业和机械工业上有着广泛的应用。4．热的不良导体、有隔音、减震作用一般讲，塑料的导热性是比较低的，相当于钢的1／75—1／225，其中泡沫塑料的微孔中含有气体，其隔热、隔音、防震性更好。如聚氯乙烯(PVC)的导热系数仅为钢材的1/357,铝材的1/1250。5.机械强度分布广和较高的比强度有的塑料坚硬如石头、钢材、有的柔软如纸张、皮革，从塑料的硬度、抗张强度、延伸率和抗冲击强度等力学性能看，分布范围广，有很大的使用选择余地。因塑料的比重小、强度大，而具有较高的比强度。6.优良的加工工艺性与金属相比塑料具有无与伦比的加工特性，（可注塑，吸塑，吹塑，滚塑，浸塑等加工工艺）特别适合于多工步，形状复杂的零件大批量生产的场合。有效地降低了零件的生产成本。我们有许多理由使用塑料材料：1.在航空航天工业，塑料因比强度高的特性而大有用武之地。2.在仪表电子及低压电器行业，塑料的绝缘性及适合大批量生产的优点得到广泛的应用。3.在家用电器，办公设备，汽车行业塑料着色性好，机械性能优良，重量轻，加工方便成本低，适合大批量生产的优点得到广泛的应用。4.在化工，食品，彩扩行业塑料优良的化学特性应用广泛。5.在轻工玩具，日用品行业由于价廉物美，塑料零件也被大量应用。塑料是绝缘体，塑料材料不耐高温是绝大部分人的常识，但随着科技的发展有些塑料材料已经可以达到导电及防静电的要求，可以用于防电磁辐射和电磁屏蔽及防静电场合。有些塑料材料的长期工作温度已经可以达到250℃以上。特种塑料材料的短时间耐温能力，甚至超过金属（返回式卫星及弹道导弹上的整流罩），可以说塑料已与我们的生活息息相关，塑料无处不在。当然与其它材料相比，塑料也存在着明显的缺点，如易燃烧，刚度不如金属高、耐老化性差、不耐热等，所以需要我们合理的应用。这是Kodak公司生产的一款高速扫描仪，其中塑料零件在其主要零件数量中的比例约为60％左右。传动齿轮滚轮透光柱具有防静电功能的面板冲洗传统胶卷用的塑料吊架塑料注塑机介绍：有加热功能的料斗油马达集成式液压控制板注射料筒安全门合、锁模机构射台机构动模板控制台电器、液压控制柜安全门定模板液压油箱上述机型都是传统的液压驱动的传统注塑机，近年来出现的电动注塑机，由于能耗低，噪音小，精密度高，速度快，效率高而在中小型塑料零件的制造中得到广泛应用。塑料制件的选材的考虑：1.零件的工作环境及使用条件（室内，室外，温度，湿度，紫外线，盐雾，化学试剂或药品，溶剂，导磁，导电、润滑，振动，冲击，跌落条件等等）。2.零件的用途（外观、结构、传动、民用、军用、工业用）3.零件的尺寸（大小）。4.零件的环保要求。5.零件的耐火等级。6.价格成本。7.机械、物理、化学性能（蠕变、硬度、强度、耐温等）。8.材料的工艺性（收缩率、流动性、热敏性、结晶性等）。9.颜色（染色性）。10.供货可靠性。通常可用于注塑的材料有几十大类至少几百个品种，如何能选出自己真正所需的材料呢？可以说没有不好的材料，只有在特定范围内被用错的材料。所以作为塑料结构设计者，必须慎重评估上述10个要素，分析各要素之间的相互影响，并选出其主要矛盾，对重要零件还应该作出试样测试。对没有十分把握的因素，应考虑几个应变方案（例：吊架变形、蜗轮蜗杆的耐磨性），以免一旦出现问题束手无策。一、塑料零件及结构设计原则：塑料零件及塑料结构设计，是建立在机械零件设计及机械结构设计基础之上的。它是考虑了塑料材料的性能（选材），塑料零件的工作条件，加工方法（包括二次加工），后处理要求，（消除应力，静电，表面装饰，稳定尺寸等），环保及安全，尺寸精度及检测要求后运用机械设计的方法完成的。由于塑料零件与结构的昀终性能，不但取决于材料特性，还取决于零件的使用条件（例：增强尼龙轴套与不锈钢轴配合，塑料涡轮蜗杆付的材料组合），成形方法，所以目前没有成熟的设计计算方法，而依靠经验，类比，试验，资料设计。塑料部件设计是在整机内部结构设计，和布局基本确定后，进行工业造型基础上进行的结构设计，首先看有无相似的产品借鉴，再对产品及零件进行详尽的功能分解，确定零件的壁厚、脱模斜度、零件间的过渡处理、连接处理、零件的强度处理等主要结构问题。1.相似借鉴在设计前，首先应查找公司和同行类似的产品，调查原有的产品发生过那些问题，有那些不足，参考现有的成熟结构，可以有效避免有问题的结构形式。2.确定零件间的过渡、连接、间隙处理从造型图和效果图理解造型风格，配合产品的功能分解，确定零件拆分的数目（不同的表面状态要么分为不同的零件，要么在不同的表面之间须有过渡处理），确定零件表面间的过渡处理，决定零件之间的连接方式，零件之间的配合间隙。冲卷机外形设计冲卷机废液收集桶冲卷吊架设计尼龙1010为材料的蜗杆聚甲醛为材料的斜齿轮离合器聚甲醛为材料的离合器零件锥齿轮与活动啮合板锥齿轮啮合板聚甲醛为原料的链齿组合轮PVC为原料的化学药液过滤器ABS为原料的光学组件外壳注塑零件设计考虑因素：一．塑件设计的基本內容1.立体空间內容（外形）：几何结构﹐尺寸及精度。2.塑件表面內容：颜色、标記﹑符号﹑文字﹑表面图案﹑图形﹑粗糙度等外观要求。3.靜态﹑动态性能﹐机械﹑物理﹑化学等性能。4.环境﹑人机工程、包装。5.塑料材料的选择。6.成本﹑价格。7.成型模具及成型方法实現的可行性﹐经济性等。二、制件的形状应尽量简单、便于成型。工程塑料制品大部分是用注射工程塑料制品大部分是用注射成型方法加工而成的，制件的设计成型方法加工而成的，制件的设计必须在满足使用要求和符合塑料本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、身的特性前提下，尽可能简化结构、节省材料、便于成型，便于脱模，节省材料、便于成型，便于脱模，尽量避免或减少抽芯机构，不仅可尽量避免或减少抽芯机构，不仅可大大简化模具结构，且能提高生产大大简化模具结构，且能提高生产效率。效率。三、制件的壁厚确定应合理。塑料制件的壁厚取决于塑件的使用要求，太薄会造成制品的强度和刚度不足，受力后容易产生翘曲变形，成型时流动阻力大，大型复杂的制品就难以充满型腔。各种塑料均有一定的壁厚范围，一般0.5～4mm，（大型塑料件壁厚控制≤8mm）一般壁厚超过4mm时，将引起冷却时间过长，产生缩印等问题，应考虑改变产品结构。壁厚过大，不但浪费材料，而且加长成型周期，降低生产率，还容易产生气泡、缩孔、翘曲等缺陷。因此制件设计时确定制件壁厚应注意以下几点：1.在满足使用要求的前提下，尽量减小壁厚。2.制件的各部位壁厚尽量均匀，以减小内应力和变形,壁厚不均会引起表面缩印。引起气孔和熔接痕。3.承受紧固力部位必须保证压缩强度。4.避免过厚部位产生缩孔和凹陷。5.成型顶出时能承受冲击力的冲击。6.难以避免的壁厚差异部位应考虑必要的过渡设计。PSUPSU塑胶件零件的壁厚选择缩印缩印2中，图2三个凹坑严重的破坏了壁厚均匀的原则，从而造成了零件反面拱起及坑边位置出现由于收缩不均形成的应力痕。123321四、必须设置必要的脱模斜度为确保制件成型时能顺利脱模，设计时必须在脱模方向设置脱模斜度，其大小与塑料性能、制件的收缩率和几何形状有关，对于工程塑料的结构件来说，一般应在保证顺利脱模的前提下，尽量减小脱模斜度。下表为根据不同材料而推荐的脱模斜度：材料脱模斜度PA、POM、ABS40-10°30’PC、PSU50’-2°PE、PP30’-1°热固性塑料20'-1°具体确定脱模斜度时应考虑以下几点：1．对于收缩率大的塑料制件应选用较大的脱模斜度。2．对于大尺寸制件或尺寸精度要求高的制件应采用较小的脱模斜度。3．制件壁厚较厚时，成型收缩增大，因此脱模斜度应取大。4．对于增强塑料脱模斜度宜取大。5．含自润滑剂等易脱模塑料可取小。6．一般情况下脱模斜度不包括在制件公差范围内。（对塑料制件而言，轴的外径或零件外形尺寸在存在脱模斜度的条件下，其尺寸以大端尺寸为准。孔及空腔尺寸则以小端为准。不允许有脱模斜度时或零件尺寸要求较高时，应考虑二次加工）。序号影响脱模斜度的主要方面1塑胶材