塑料件结构设计

塑料件结构设计2010年5月壁厚●基本设计原则•一般塑料件的厚度为2～3mm，如我们油烟机大面板壁厚就是2～3mm，热塑性塑料最大设计壁厚为4mm。壁厚的大小取决于：•a产品需要承受的外力；•b是否作为其他零件的支撑；•c承接柱位的数量；•d加强筯的多少；•e选用的塑料材料。•产品过厚从经济角度来看，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，增加导致产生空穴气孔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度，增加产品的缩痕。壁厚•对一般热固性塑料来说，太薄的产品厚度往往导致操作时产品过热，形成废件。此外，纤维填充的热固性塑料于过薄的位置往往形成不够填充物的情况发生。塑料的流动性越好，产品的壁厚就能做得越薄。如聚丙烯、尼龙、ABS等料的流动性较好，聚碳酸酯的流动性较差。•我们设计产品壁厚时一般根据经验值或参考相类似的产品，如不能确定时，可先按较薄的壁厚设计，等产品做出来后如强度不够，修改模具加厚产品壁厚比较方便，也可以添加或增加加强筯或对材料进行增强改性来达到使用要求。平面原则•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。壁厚的地方比旁边壁薄的地方冷却得比较慢，并且在相接的地方表面在浇口凝固后出现收缩痕。更甚者导致产生收缩印、热内应力、挠曲部份歪曲、颜色不同或不同透明度。若壁厚的地方渐变成壁薄的是无可避免的话，应尽量设计成塑料由壁厚的地方流向壁薄的地方，不同平面过度要渐次的改变，并且在不小于壁厚3:1的比例下。下图可供参考。平面原则转角准则•壁厚均一的要诀在转角的地方也同样需要，以免冷却时间不一致。冷却时间长的地方就会有收缩现象，因而发生部件变形和挠曲。此外，尖锐的圆角位通常会导致部件有缺陷及应力集中，尖角的位置也常在电镀过程后引起不希望的物料聚积。集中应力的地方会在受负载或撞击的时候破裂。较大的圆角提供了这种缺点的解决方法，不但减低应力集中的因素，且令流动的塑料流得更畅顺和成品脱模时更容易。下图可供参考之用。转角准则转角准则•转角位的设计准则也适用于悬梁式扣位。因这种扣紧方式是需要将悬梁臂弯曲嵌入，转角位置的设计图说明如果转角弧位R太小时会导致其应力集中系数(StressConcentrationFactor)过大，因此，产品弯曲时容易折断，弧度R太大的话则容易出现收缩纹和空洞。因此，圆弧位和壁厚是有一定的比例。一般介乎0.2至0.6之间，理想数值是在0.5左右。转角准则壁厚设计•不同的塑料有不同的流动性。壁厚过厚的地方会有收缩现象，壁厚过薄的地方塑料不易流过。以下是一些建议的塑料厚度可供参考。•热塑性塑料的壁厚设计参考表：壁厚设计热塑性塑料简称最薄(mm)平均(mm)最厚(mm)聚甲醛POM0.41.63.2ABSABS0.82.33.2聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)PMMA0.62.46.4尼龙PA0.41.63.2聚碳酸酯PC0.12.49.5低密聚乙烯LDPE0.51.66.4高密聚乙烯HDPE0.91.66.4乙烯/乙酸乙烯酯EVA0.51.63.2聚丙烯PP0.62.07.6聚苯醚PPO0.82.09.5聚苯PS0.81.66.4硬聚氯乙烯硬PVC1.02.49.5聚氨酯PU0.612.738壁厚设计•其实大部份壁厚的设计可使用加强筋及改变横切面形状取消它。除了可减省物料以致减省生产成本外，取消后的设计更可保留和原来设计相近的刚性、强度及功用。下图的金属齿轮如改成使用塑料物料，更改后的设计如下图。此塑料齿轮设计相对原来金属的设计不但减省材料，消除因厚薄不均引起的内应力增加及齿冠部份收缩导致整体齿轮变形的情况发生。壁厚设计壁厚设计加强筋•基本设计原则加强筋在塑料部件上是不可或缺的功能部份，它能增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积。加强筋最有效的形状如『工』字铁般，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑料产品尤其适用，但如『工』字铁般形状有倒扣，难于脱模，一般设计成『⊥』字形。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大的作用。加强筋•加强筯的布置加强筋一般被放在塑料产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置也受制于一些生产上的考虑，如塑料流动方向、收缩方向及脱模方向等。•加强筯的形状加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。要是加强筋没有接上产品外壁的话，末端部份也不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。加强筋加强筋•加强筋最常用的形状及尺寸如下图一般。加强筋•加强筋底部的宽度须比相连外壁的厚度为小，一般底部的宽度为壁厚的0.6～0.75倍，过厚的加强筋设计容易产生收缩纹、空穴、变形挠曲及夹水纹等问题，也会加长生产周期，增加生产成本。•加强筋高度一般为产品壁厚的3们以内，加强筋的高度是受制于熔胶的流动速度及脱模顶出的特性(收缩率、摩擦系数及稳定性)，较高的加强筋要求塑料有较低的熔胶黏度、较低的摩擦系数、较高的收缩率。•加强筋的两边必须加上出模角以减低脱模顶出时的摩擦力，出模角最少为0.5°，增加加强筋的出模角一般有助产品顶出，不过，当出模角不断增加而底部的阔度维持不变时，产品的刚性、强度达不到设计要求，在顶出的方向打磨光洁也有助产品容易顶出；加强筋•底部连接产品的位置必须加上圆角以消除应力集过分中的现象，圆角的设计也给与流道渐变的形状使模腔充填更为流畅，底部圆角为壁厚的1/4；•当使用多条加强筋时，加强筋之间的距离必须较相接外壁的厚度大，一般两条加强筯之间的间距大于壁厚的3倍。•加强筯的数量使用大量短而窄的加强筋比使用数个深而阔的加强筋好。模具生产时加强筋的阔度(也有可能深度)和数量应尽量留有余地，当试模时发觉产品的刚性及强度有所不足时可适当地增加，因为在模具上去除钢料比使用烧焊或加上插嵌件等增加钢料的方法来得简单及便宜。出模角•基本设计原则塑料产品在设计上通常会为了能够轻易的使产品由模具脱离出来而需要在边缘的内侧和外侧各设有一个倾斜的出模角。否则如果产品垂直外壁并且与开模方向相同的话，模具在塑料成型后需要很大的开模力才能打开，而且，在模具开启后，产品脱离模具的过程也相信十分困难。另外如果强行脱模的话，会在产品上留下顶拔痕。如果该产品在设计的过程中已预留出模角及所有接触产品的模具零件在加工过程当中经过高度抛光的话，脱模就变成轻而易举的事情。因此，出模角的考虑在产品设计的过程是不可或缺的。出模角•因注塑件冷却收缩后多附在凸模上，为了使产品壁厚平均及防止产品在开模后附在较热的凹模上，出模角对应于凹模及凸模是应该相等的。不过，在特殊情况下若然要求产品于开模后附在凹模的话，可将相接凹模部份的出模角尽量减少，或刻意在凹模加上适量的倒扣位。出模角•出模角的大小出模角的大小是没有一定的准则，多数是凭经验和依照产品的深度来决定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的选择也在考虑之列。一般来说，高度抛光的外壁可使用1/8度或1/4度的出模角。深入或附有织纹的产品要求出模角作相应的增加，习惯上每0.025mm深的织纹，便需要额外1度的出模角。出模角度与单边间隙和边位深度之关系表，列出出模角度与单边间隙的关系，可作为参考之用。此外，当产品需要长而深的肋骨及较小的出模角时，顶针的设计须有特别的处理，见对深而长加强筋的顶针设计图。出模角•出模角度与单边间隙和边位深度之关系表出模角对深而长加强筋的顶针设计支柱•基本设计原则支柱是用以装配产品、隔开物件及支撑承托其他零件之用。空心的支柱可以用来嵌入件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够强度支持压力而不至于破裂。支柱尽量不要单独使用，应尽量连接至外壁或与加强筋一同使用，目的是加强支柱的强度及使塑料流动更顺畅。支柱支柱•支柱形状支柱的高度：过高的支柱会导致塑料部件成型困难，所以支柱高度一般是不会超过壁厚的3倍。加强支柱的强度的方法尤其是远离外壁的支柱，除了可使用加强筋外，三角加强块的使用也十分常见。支柱的直径：一般支柱的壁厚小于产品的壁厚，支柱的外径是内径的2倍以上。从装配的考虑来看，局部增加支柱厚度是有需要的。但是，这会导致不良的影响，如形成收缩痕、空穴、或增加内应力。因此，利用支柱壁支撑支柱使与产品外壁保持一段距离或使用加强筋连接外壁，后者不但增加支柱的强度以支撑更大的扭力及弯曲的外力，更有助塑料填充及减少因气而出现烧焦的情况。同样理由，远离外壁的支柱也应辅以三角加强块，三角加强块对改善薄壁支柱的塑料流动特别适用。支柱•支柱设计支柱的基本设计要点a)支柱靠近外壁时b)支柱远离外壁时支柱•一种可防止缩痕的支柱设计支柱