塑料制品的工艺结构设计

塑料制品的工艺结构设计主讲李保生汽车内外饰结构设计与成型工艺（培训提纲）•１概述现代轿车塑料内饰件与外装件的应用•２塑料制品的生产方法•3塑料制品的工艺结构设计•３.１注射成型制品的工艺性•３.２制品设计的基本原则•３.３制品的尺寸和精度•３.４制品的表面质量•３.５制品的形状结构设计（以注射成型为例）•３.６中空吹塑成型制品•３.７热压成型制品•３.８泡沫塑料制品•4塑料制品的联接•５汽车内外饰件的结构设计及成型工艺示例•６汽车内外饰零部件成型工艺的发展注射成型制品的工艺性•注射制品的形状结构、尺寸大小、精度和表面质量要求，与注射成型工艺和模具结构的适应性，称为制品的工艺性。如果制品的形状结构简单、尺寸适中、精度低，表面质量要求不高，则制品成型起来就比较容易，所需的注射工艺条件比较宽松，模具结构比较简单，这时可以认为制品的工艺性比较好；反之，则可以认为制品的工艺性比价差。•制品工艺性的好坏，主要取决于制品设计人员，但对注射成型和模具设计却有很大的影响。很显然，对于一个工艺性较差的制品，除必须严格控制注射工艺条件外，设计模具时也要格外小心，若有疏忽，就会使制品产生各种各样的成型缺陷。因此，每个模具设计人员也必须对制品的设计方法和工艺性具有明确的认识，以便能够在开始设计模具之前对制品的工艺性进行仔细研究和分析。只有这样才能恰当地确定制品所需的模具结构和模具精度。•如何判断制品工艺性的好坏，在很大程度上与生产经验有关。加强对制品工艺性好坏的认识，大部分内容都属于定性的经验总结或说明，若要很好地掌握这方面的知识和技能，还需要不断地在生产中进行观察研究和积累经验。制品设计的基本原则•１在保证制品使用要求（如几何尺寸和精度、物理力学性能等）的前提下，应力求选用价格低廉和成型性能较好的塑料，同时还应力求制品形状、结构简单和壁厚均匀。•２设计制品形状和结构时，应尽量考虑如何使它们容易成型，这样才能使模具结构简单。•３设计出的制品形状应有利于模具分型、排气、补缩和冷却。•４设计制品时还应注意成型时的取向问题，除非特殊要求，应尽量避免制品出现明显的各向异性。否则，除影响制品使用性能外，各个方面的收缩差异很容易导致制品翘曲变形。•５制品成型前后的辅助工作量应尽量少，技术要求应尽量放低，同时在成型以后最好不再进行机械加工。制品的尺寸和精度１制品的尺寸（１）制品的外形尺寸注射制品的外形尺寸大小主要取决于塑料品种的流动性和注射机规格（包括注射量、合模力、成型面积和模具固定板尺寸等）。在一定的设备和工艺条件下，流动性较好的塑料品种可以成型出较大尺寸的制品；反之成型出的制品尺寸就比较小。从节约原材料和能源的角度出发，只要能满足制品的使用要求，一般都应将制品结构设计得尽量紧凑，以便使制品的外形尺寸小巧一些。•（２）制品的壁厚•从原则上讲，制品的壁厚是由使用要求（特别是机械强度要求）决定的，但设计制品时必须注意壁厚对于注射成型生产具有极为重要的影响，它与注射充模时的熔体流动、固化定型时的冷却速度和时间、制品的成型质量、制品的原材料以及生产效率和生产成本都密切相关。因此，改变制品壁厚的大小常常会使制品的工艺性发生很大变化。•一般来讲，在满足使用要求的前提下，制品壁厚应尽量小，这是因为壁厚太大时，不仅会使原材料消耗增大，生产成本提高，更重要的是会延缓制品在模内的冷却速度，使成型周期延长（图３－１）；另外，还容易产生凹陷、缩孔和夹心等成型缺陷。但是，如果壁厚太小，除影响制品强度外，还会使注射充模流动阻力变大，特别对于大尺寸制品，成型将变得非常困难。图3-1制品厚度与成型周期的关系通常热塑性注射制品的最小壁厚可在1～5mm范围内选择（表3-1），但也可以根据外形尺寸和流动比选择（表3-2、表3-3）。选择制品壁厚时还应该注意下面两方面的问题：一方面是力求制品各处壁厚尽量均匀，以免制品出现不均匀收缩等成型缺陷；另一方面则要求制品轮廓过度处必须圆滑，过度处的圆角半径R与周围壁厚t的比值R∕t不要太小，否则将会产生较大的应力集中。表3-1注射制品的最小壁厚范围表3-2制品的最佳壁厚表3-3制品壁厚与流动比•（３）制品尺寸收缩•塑料制品的收缩特性，制品的形状结构对于尺寸收缩具有影响，主要有以下几个方面。•ａ如果制品的壁厚不均匀，则制品各处对注射成型的工艺条件适应性不同，所以各处的尺寸收缩将会存在差异，最终会导致制品尺寸出现较大的偏差。•ｂ如果制品带有金属嵌件，由于嵌件的影响，其尺寸收缩要比无嵌件制品来得小一些。在带有多个嵌件的制品中，若嵌件分布不均匀，将会使尺寸收缩也不均匀，最终导致制品出现较大的尺寸偏差。•ｃ如果制品的形状结构比较复杂，则结构简单处与复杂处的尺寸收缩将会不同，因此也容易引起制品尺寸出现较大的偏差。•2制品尺寸精度•制品的尺寸精度直接影响模具结构的设计和模具的制造精度。一般来讲，为了降低模具的加工难度和模具制造的成本，在满足制品使用要求的前提下尽量把制品的尺寸精度设计得低一些。由于塑料与金属的性能差异很大，所以塑料制品不能按金属零件的公差等级确定精度；注塑件的尺寸公差，目前国内仍在使用SJ1372-78原四机部和WJ1266-81原五机部制定的塑料制品尺寸公差标准（表3-4）来设计制品精度，按此标准规定，制品精度分为八个等级，其中1、2两级属于精密技术级，只在特殊要求下使用。•需要注意，对于表3-4中公差值的方向可做如下处理：当基本尺寸为包容尺寸时，公差值可用做下偏差，其前冠以“+”号；当基本尺寸为被包容尺寸时，公差值可用作下偏差，其前冠以“-”号；当基本尺寸为中心距尺寸时，公差值取半用做上下对称偏差，其前冠以“±”号。对于制品图上未注公差的自由尺寸，如有必要可采取标准中第8级精度处理。为了适应塑料成型工业的技术发展，制品公差的选择也可参考一些国际标准，如美国塑料工业协会（SPI）、英国塑料协会（BPF）的塑料制品尺寸公差标准以及德国标准DIN1649和DIN7710Blatt2.这些国际标准中，DIN7710Blatt2最为完整，它的特点是将制品的尺寸公差、塑料品种及模具结构三者联系在一起进行规定。表3-4塑料制品的尺寸公差•塑料制品的精度设计还与塑料品种有关，根据各种塑料收缩率的变化不同，原四机部标准又将各种塑料的公差等级分为高精度、一般精度和低精度三种。•另外，工程塑料模塑塑料件尺寸公差GB/T14486-93现已实施。该标准规定了热固性和热塑性工程塑料模塑塑料件尺寸公差。它适用于注塑、压塑、传递和浇注成型的工程塑料模塑的塑料件，不适用于挤塑成型。制品的表面质量•制品的表面质量包括表面粗糙度和表观缺陷状况等。其中表观缺陷状况又包括很多内容，所以通常也单独称为表观质量。如果不考虑制品的表观缺陷状况，则制品的表面质量主要由表面粗糙度决定。一般来讲，塑料原材料的质量、工人操作技术水平以及模腔表壁的表面粗糙度等因素，均对制品的表面粗糙度有影响，其中模腔表壁的表面粗糙度影响最大。•通常制品要求的表面粗糙度数值越小，模腔表壁越要光滑，加工模具时的研磨抛光工作要求也越高，模具制造的难度也就越大。因此，制品的表面粗糙度要视具体情况而定，平常除了考虑使用要求外，更多地还要考虑美观情况（例如日用等）。目前注射制品的表面粗糙度通常为Ra0.02～Ra1.25（▽12～▽7），模腔表壁的表面粗糙度应为制品的1∕2，即Ra0.01～Ra0.63(▽13～▽8)。对于不同的表观缺陷，设计模具时应注意的事项可见表3-5。表3-5制品表观缺陷与设计模具时应注意的事项制品的形状结构•1脱模斜度•由于注射制品在冷却过程中产生收缩，因此它在脱模前会紧紧地包住凸模（型芯）或模腔中其他凸起部分。为了便于脱模，防止因脱模力过大拉伤制品表面，与脱模方向平行的制品内外表面应具有一定的脱模斜度，如图3-2所示。图3-2常用制品脱模斜度•脱模斜度大小与制品形状、壁厚及收缩率有关。斜度过小，不仅会使脱模困难，而且在脱模过程中易使制品表面损失和破裂；斜度过大时，虽然脱模方便，但往往会影响制品尺寸精度，并浪费原材料。通常，制品的脱模斜度约为0.1°～1.5°（热塑性塑料的注塑射件脱模斜度最小为30′），外表面斜度可比内表面斜度小些，制品深度较大时应该选较小值，反之可选较大值。图3-3注塑件的脱模斜度•对有脱模斜度的表面，应该明确尺寸基准，如图3-3上的d和D所示。对于孔类的内形尺寸d，应保证其小端尺寸达到公差要求；对于轴类的外形尺寸D，应保证大端尺寸符合公差要求；这样才能保证装配时的互换性。•此外，制品上带有雕刻花纹或标记符号时，表面需有3°～5°的脱模斜度，也应该带有脱模斜度模具上的蚀刻深度每增加0.02mm，脱模斜度必须相应增加1。壳类塑件上有成排的网格式孔板时，要取4°～8°以上型孔斜度。•表3-6、表3-7列出了一些塑料制品的脱模斜度，可供设计时参考。表3-6塑料制品常用的脱模斜度表3-7各种塑料制品推荐的脱模斜度•２圆角•制品上各处的轮廓过渡处，一般都必须用圆角连接，不能设计成尖角，以免引起应力集中和降低制品强度，如图3-4所示。图3-4制品上的圆角•圆角半径的大小将直接影响制品的应力集中程度（用应力集中系数表示）。图3-5示出了制品壁厚过渡处的径厚比（圆角半径与周围壁厚的比值）R/t与应力集中系数的关系。分析该图可知，径厚比大于0.6左右以后，应力集中系数较小，；并且变化平缓。因此，制品壁厚过渡处的径厚比选择在0.6左右比较合适。这样既不会产生过大的应力集中，也不会造成过多的材料浪费。如果考虑某些制品结构的特殊要求，径厚比也可在0.25～0.6之间选择。图3-5经厚比对应力集中的影响•3加强筋•在制品上设计加强筋（图3-6b、d）的主要目的，是为了在不增加制品壁厚的条件下，提高制品的强度和刚度，以及防止制品翘曲变形。恰当地选择加强筋的位置还能改善塑料熔体的流动性，避免气泡、缩孔和凹陷等成型缺陷。图3-6制品上的加强筋•加强筋的形状尺寸见图3-7所示，其高度h≤3t,脱模斜度α＝2º～5º，筋的顶部应为圆角，筋的底部也必须用圆角R向周围壁部过渡。R不应小于0.25t，筋的宽度b不应大于制品壁厚，否则制品的壁面将会产生凹陷（图3-7b）。通常b可取制品壁厚的0.5左右，最大不要超过壁厚的70%～80%。另外还要注意，加强筋的高度不宜过大，否则，容易在较大的弯矩或冲击负荷作用下受力破坏。为了避免高度较大的筋发生破坏，只要不降低制品的强度和刚度，以及在制品形状允许的情况下，可多设一些高度较小的筋来代替高度较大的筋。图3-7加强筋的尺寸a正确设计b不正确设计•设计加强筋的位置事应注意下面事项：•(1)加强筋的方向应尽量和注射充模时的熔体流动方向保持一致，以免熔体流动受到筋的干扰出现成型缺陷或降低制品的强度和刚度。•(2)如果一个制品上需要设置许多加强肋，除应注意加强肋之间的中心距必须大于制品壁厚的两倍以上之外，还要使各条筋的排列互相错开，以防止因收缩不均匀引起制品的破裂。此外，各条加强筋的厚度应尽量相同或接近，这样可以防止因熔体流动局部集中而引起的缩孔和气泡。例如，图3-8a中的加强筋因排列不合理，在筋厚集中的地方容易出现缩孔和气泡，为此，可改用图3-8b所示的布排形式。图3-8加强筋的布排a不正确b正确•(3)对于大型制品，应避免把加强筋设置在大块平面部位的中央，否则，平面部位容易因熔体流动集中而产生流纹或凹陷。图3-9大型制品上的加强筋a普通制品b带楞沟的制品1-楞沟2-流纹•4支承面和凹台•(1)设计塑料制品的支承面时，应充分保证其稳定性，为此需要注意如下事项：•对于面积较大的注射制品，稍许翘曲或变形就会使底面变得不平。退一步讲，•即使是制品具有平整的底面，它也不可能与安放平面完全接触。因此，设计制品的支撑面时，一般都要避免用整个底面做支撑面。经常采用的方法是用凸出的底脚（三点或四点）或凸边做为支撑面，如图3-10所示。图3-10用凸出的底脚或凸边做为支撑面a不正确b凸边支承c底部支撑(1)当制品支撑面附近有加强筋时，筋的顶部应比支撑面向内矮进0.5mm以上，如图3-11所示。如图3-