03.塑料制品设计

塑料制品设计材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室主讲：崔树标HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY塑料制品的设计原则塑料制品在使用期限中应能保证其功能和性能，因此，在对塑料制品失效分析的基础上，还要进行理论设计计算和校核，以及实验测试在保证塑料制品的使用功能和性能的前提下选择材料，同时还必须考虑加工的可行性和材料成本的大小大多数塑件经加热成形后固化定形，因此，必须考虑聚合物的流变过程和形态变化对塑件的影响由于多数塑件是作为各种装置和设备中的组成元件，其设计应统一在整机产品中，在保证整机质量的前提下，尽量降低塑料制品的成本尽可能地将所设计的塑件标准化、系列化塑料制品设计需要考虑的因素主要根据使用要求进行设计考虑塑件的结构工艺性，在满足使用要求的前提下，尽可能做到简化模具结构，且符合成形工艺特点，从而降低成本，提高生产效率，需要考虑以下因素塑料的各项性能特点，如物理机械性能、成形工艺性能在保证使用性能的前提下，结构形状力求简单，且有利于充模、排气、补缩和冷却制品成形前后的辅助工作尽量少，技术要求和尺寸精度尽量放低，成形后最好不需要再进行机械加工模具的总体结构应使模具零件易于制造，特别是抽芯和脱模机构塑件结构设计的主要内容尺寸和精度表面粗糙度形状脱模斜度壁厚加强肋支承面圆角孔螺纹齿轮嵌件铰链标记、符号和文字尺寸和精度塑件的尺寸大小受塑料流动性的影响流动性差的塑料和壁厚较薄的塑件尺寸不能设计得过大塑件尺寸受到注射机的注射量、锁模力和模板尺寸的限制塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品要求尺寸的符合程度模具制造的精度塑料收缩率的波动模具的磨损程度成形时工艺条件的变化成形后的时效变化塑件的飞边等尺寸精度应合理选择，尽可能选用低精度等级塑件尺寸的A类与B类表面粗糙度从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等缺陷塑料制品的表面粗糙度主要取决于模具成形零件的表面粗糙度，一般模具的表面粗糙度要比塑件的低1~2级在生产过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断增大，应随时进行抛光复原透明制件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同非配合面和隐蔽面可取较大的表面粗糙度一般型腔的表面粗糙度要低于型芯塑件的表面粗糙度与塑料的品种有关塑件的形状设计塑件的形状在满足使用要求的前提下，应使其有利于成形尽量不采用侧向抽芯机构，避免侧向凸凹、侧孔改变塑件形状有利于成形的几个例子强制脱模条件塑件的内外侧凸凹形状较浅，并且在脱模温度下有足够的弹性，可以采用强制脱模的方式强制脱模应该满足(A-B)/B≤5%内侧外侧塑件强制脱模塑件强制脱模动画演示脱模斜度塑件在型腔中冷却收缩会使它紧紧包裹在型芯上为了顺利脱模，必须在塑件内外表面沿脱模方向设计足够的斜度，称为脱模斜度脱模斜度与塑料的收缩率、塑件的尺寸、结构、壁厚及成形工艺条件都有一定的关系，一般取0.5~1.5º脱模斜度的设计原则塑料的收缩率大、壁较厚、脱模斜度应取偏大值塑件结构比较复杂，脱模阻力就比较大，应选用较大的脱模斜度当塑件高度不大，可以不设脱模斜度对于长型芯或深型腔塑件，斜度取偏小值。但通常为了便于脱模，在满足制件的使用和尺寸公差要求的前提下，可将斜度取大些热固性塑料的收缩率一般较热塑性塑料的小一些，脱模斜度也相应取小一些一般情况下，脱模斜度不包括在塑件的公差范围内取斜度的方向取斜度的方向一般内孔以小端为基准，斜度由扩大方向取得，外形以大端为基准，斜度由缩小方向取得塑件的壁厚设计塑件壁厚的设计与塑料的性能、塑件结构、成形条件、塑件的质量及其使用要求都有密切的联系壁厚过小，会造成充填阻力大，对于大型、复杂制件将难于成形壁厚过大，不仅浪费原料、还会延长冷却时间，降低生产效率，容易产生表面凹陷、内部缩孔等缺陷塑件壁厚的最小尺寸应满足以下要求具有足够的刚度和强度脱模时能经受脱模机构的冲击装配时能承受紧固力在满足使用要求的前提下，制件壁厚尽量取小塑件的壁厚设计同一塑件的壁厚应尽量均匀一致，否则会因为冷却和固化速度不均而产生附加应力，引起翘曲变形，壁厚的变化一般不应超过1:3壁厚不均匀的改善加强肋及其他增强防变形结构通过增加塑件厚度的方法来提高其刚度和强度是不合理，也是不经济的通常在塑件的相应位置设置加强肋加强肋的典型结构如图所示不宜过厚，b≤t不应过高，h≤3t足够的斜度，α=2~5º圆弧过渡，R≥0.25t中心距应大于3t大面积制品上的加强肋加强肋不应设置在大面积制品的中央部位。当中央部位必须设置加强肋时，应在其所对应的外表面上加设楞沟，以便遮掩可能产生的流纹和凹坑带楞沟的制品1–楞沟2–流纹多个加强肋如图所示加强肋的设计，哪一个更合理？若制品中需设置许多加强肋，其分布排列应相互错开，以避免收缩不均引起破裂支承面的设计支承面是用于放置物体的平面，要求物体放置后平稳图a所示的塑件以整个底面作为支承面是不合理的，因为塑件稍有翘曲变形就会使底面不平通常采用凸出的边框或者底脚支承，如图b、c所示当塑件底部有加强肋时，应使其与支承面至少相差0.5mm的高度，如图d所示圆角的设计尖角处易于产生局部应力集中，在受力时会发生开裂在转角处应尽可能采用圆弧过渡圆角半径和应力集中系数的关系理想的内圆角半径应为壁厚的1/3以上，通常内圆角半径应是壁厚的一半，外圆角半径可为壁厚的1.5倍，一般来说，圆角半径不应小于0.5mm孔的设计塑件上常见的孔有通孔和盲孔两类孔的断面形状有圆形、矩形、螺纹孔及特殊形状的孔孔的位置应设置在不易削弱塑件强度的地方孔与孔的边缘或孔边缘与制件外壁的距离应不小于孔径塑件上固定用孔和其他受力孔的周围可设计一凸台来加强通孔的设计通孔的成型方法盲孔的设计盲孔只能用一端固定的单支点型芯来成形，因此其深度应浅于通孔一般情况下，对于直径小于1.5mm的孔或者深度较大的盲孔，如何成形？最好采用成形后再机加工特殊孔的设计对于斜孔或形状复杂的特殊孔，可以采用相应的拼合型芯来成形，以避免侧向抽芯在塑件设计时，应尽量避免形状过于复杂的孔，这会造成模具制造的困难及其成本的提高侧孔和侧凹的改进改进侧孔和侧凹的设计，使模具结构简化，以适合于模具的自动化生产螺纹的设计塑料螺纹的强度仅为金属螺纹的1/10~1/5，所以，塑件上螺纹应选用螺牙尺寸较大者，螺纹直径小时不宜采用细牙螺纹，否则会影响其使用强度螺纹的精度也不能要求太高，一般低于3级在成形过程中，由于螺距容易变化，因此一般塑料螺纹的螺距不应小于0.7mm，注射成形螺纹直径不得小于2mm塑件螺纹与金属螺纹的配合长度不能太长，一般不大于螺纹直径的1.5倍，否则会降低其可旋入性为增加塑件螺纹的强度，应使其始末端留出一定距离在同一螺纹型芯或型环上有前后两段螺纹时，应使两段螺纹的旋向相同，螺距相等，以简化脱模齿轮的设计塑料齿轮具有重量轻、弹性模量小、传动噪声等优点尺寸要求：轮缘宽度t至少为全齿高h的3倍；腹板厚度H1应等于或小于齿宽厚度H；轮毂厚度H2应大于或等于齿宽厚度H，并相当于轴孔直径D；轮毂外径D1最小应为轴孔直径D的1.5~3倍嵌件的用途及形式注射成形时，镶嵌在塑件内部的金属或非金属件称为嵌件目的是为了提高塑件的局部强度，满足某些特殊要求，以及保证塑件的精度、尺寸形状的稳定性等塑件成本增加，模具结构更复杂，注射时间延长、难于实现自动化常见的嵌件形式嵌件的设计嵌件与塑件应牢固连接，防止在受力时在塑件内转动或轴向移动常用固定方式有：菱形滚花、环状沟槽、管边缘翻边、切口、孔眼、局部折弯等嵌件的设计嵌件应在模具内有可靠定位和配合，防止成形时高压高速料流的冲击，防止塑料挤入嵌件上预留的孔或螺纹中嵌件与模具内安装孔的配合为H8/f8嵌件的设计防止细长或片状嵌件的变形，在不影响塑件使用下，在模具上设置支柱嵌件周围应有足够的塑料层厚度，并设法减少嵌件周围产生的应力铰链的设计利用塑料分子高度取向的特性，可将带盖容器的盖子和容器通过铰链结构直接成形为一个整体设计要点如下铰链部分厚度应减薄，一般为0.2~0.4mm，且厚度均匀一致铰链部分的长度不宜过长，否则影响闭合效果成形时熔体流向必须垂直于铰链轴向方向，便于分子取向标记、符号和文字分为凸形和凹形两种，凸形对应的模具易于加工，还是凹形对应的模具易于加工？一般采用镶块来成形文字符号上需涂色时，如何设计？文字符号上需涂色时，可将凸起的标志设在凹坑内，这样既便避免碰环凸起的标志思考题影响塑件尺寸精度的主要因素有哪些？什么是塑件的脱模斜度？脱模斜度的设计应遵循哪些原则？塑件壁厚设计时需要注意哪些问题？为什么应尽量使塑件的壁厚均匀？绘出有台阶的通孔成形时的三种形式的结构简图。何谓嵌件？嵌件设计准则有哪些？塑料螺纹设计时需要注意哪些问题？致谢