塑料制品设计十大技巧介绍.doc

十大设计窍门目录1、 核对表22、 原材料比较63、 节约成本设计104、 浇口的位置125、 基本装配技术176、 材料选择207、 加强肋258、 公差289、 壁厚3110、 焊接技术35一、指导方针设计核对表新产品开发或产品改善的目标是使产品有优良的表现，而同时获得低的生产成本。这里，设计任务主要是指原料的选择，适合加工过程的选择，强度计算和模具设计。只有全盘考虑这些步骤，并有系统化的跟进，才能生产出高质量的、具商业效益的模具。设计部门经常只是探求实用性的解决方案。然而，必须强调的是，塑料的实用性和成本效率不是必然的，设计者必须非常注重开发原料和加工过程的正确解决方案。塑料性质并非永恒不变的塑料的性质受使用环境、加工过程、模具设计和操作条件的影响（如图1所示）。塑料性质由实验室环境下的测试得到。测试图由具有优化参数的高光度模具，在规定压力的标准条件下检测产生的。然而，实际上，塑料不可能恰好在这样的条件下生产，在使用中也不可能正好在同样的压力下。因此，在推出任何塑料设计方案的时候，其精确的要求和界定条件必须仔细地分析和罗列出来，设计核对表在这方面可以提供有用的帮助。样品的生产开发一种产品，从设计阶段到市场准备阶段，有必要准备样品来进行试验和修正。要确保样品的生产方法广泛适用于量产方案。部分注塑成型的样品也要由注塑模具来制造。如果没有模具可以适用，就有必要使用近似的材料或片材，切割加工成为测试样品。但是，总是存在这样那样的问题，原因如下： 无法考察注塑成型部件的焊接线的影响。 与注塑成型部分相比，有时候，机械加工中产生的凹槽会降低构件的强度性质。 由于结晶度高，挤塑棒材和片材的强度和硬度高于注塑部件。 无法考察纤维取向作用的影响。 由挤出材料制成的用于电灯开关的样品，可以承受180000次周期性应力。而同样情况下，注塑部件在80000次之后就出现了疲劳破坏。这种差异是由于在注塑过程中晶体结构的不同所造成的。见图3样品模具目前生产样品的模具，都是通过简单的机械加工或运用低成本材料（如铝或铜为原料）制作而成。然而，需要注意的是，对生产来说非常重要的参数如温度、压力等，不能以这样的模具作代表。另外，它们不同的冷却性质又导致了不同的收缩和热变表现。现在推荐的是使用高硬度钢材制造模具，而模具以单模穴排列设计便可。检测设计随着现代计算机模拟技术的发展，有时候，在早期工艺阶段，就会将设计和加工过程中的潜在弊端鉴别出来，如强度分析和流程分析所进行的那样。然而，这些模拟分析并不可能完全确保最终产品在实际操作下的性能和质量。只有对实际操作条件下的样品检测，才可能提供最可靠的信息。这种检测是获得更高质量和功能的产品不可忽视的必要条件。如果现实的样品检测存在困难，也可以进行模拟条件的检测。然而，这种测试的价值依赖于对操作条件模拟的代表性。以耗时的测试来推断塑料成品在机械应力和热量的影响下的长期性能是不可行，也不经济的。另一方面，在苛刻条件下进行加快老化测试作为长期性能预测也不一定确实可信，应该更为注意。塑料在长期压力测试下，和在短期的快速测试下，其性能也会完全不同。创新意念许多不同的工业应用表明，塑料工业的未来是光明的。如果能巧妙的利用聚合物的原料性能，就会生产出多功能的产品，会比以往的设计有更好的商业和功能价值。现今的设计需要日益复杂的几何学和原料学。塑料能够解决众多不同类型的问题。然而，塑料与应用之间的配合也至关重要。原料（树脂）制造商在这方面有着丰富的经验。必须运用他们的专业知识，将新型设计理念转化为实际的产品。见图4二、原材料比较 塑料不是金属众多的塑料设计仍然沿袭“金属零件”的设计理念。开题伊始，与其他传统原材料相比，设计塑料原材料零件时需注重的要点。各类原材料的基本特性塑料原材料比起其他任何工业原材料，其特性可在很大的范围内变化多端。通过添加填料、增强材料和改性剂，其性质会产生很大的转化。大多数塑料的基本性质与金属有着明显区别。例如，通过直接对比，金属具有更高的。 密度 最高使用温度 刚性/强度 导热性及导电性 而在 机械避震 热伸缩性 断裂伸长率 韧性 方面，工程塑料则具备更大的范围。为了生产出功能性塑件，同时节约成本，有必要用创新设计，使塑料替代金属。在这重新设计零部件的过程中，极有可能达至功能集成、结构简化的效果。不同的原材料性能有时在相同的操作条件下，塑料会呈现出与金属完全不同的表现。因此，对浇铸金属经济有效的功能设计，如果仓卒地用于塑料，将会很容易失败。因此需要塑料设计者必须对这些原材料的性质非常熟悉。变形性质与温度和时间的关系当材料的使用温度越接近它的熔点，温度和时间将更直接影响原材料的形变表现。多数塑料在室温或短时间暴露于应力时，会呈现出机械性质的改变。而另一方面，除非金属接近其重结晶温度（300C），否则它的机械性质不会出现大幅度改变。如果使用温度与形变率变化很大，工程热塑性塑料的性质也可以由硬脆向弹性变化。例如，安全气袋张开门，在实际应用（如爆炸性开启）的过程中，其形变表现与慢速组装配件的形变表现质完全不同（如图2）。同样的，卡扣配件也必须随着温度的冷热来选择不同的装配方法。这里，温度的影响远远大于装载速率的影响。Fig. 3影响材料性质的因素塑料的特性不仅仅是纯原材料的性质。在不同操作环境下，塑料组件的基本性质会随着不同的因素而改变（如紫外光辐射，如图3）。如果原材料在不适用的范围内加工，再好的设计也会失败。同样的，制品并不能以加工过程来解决设计弱点。因此只有考虑到所有因素的优化工艺，才能保证塑料零部件的质量。Fig. 4与金属不同，塑料对设计中的失误没有太大的承受力， 在设计塑料零件时，需要采用配合其特性的设计。因此，在设计之前，必须对产品所有的要求和限制条件进行完整和细致的分析。三、节约成本设计 设计者对塑料零部件最终的成本负有大部分的责任。他的决策预先决定了生产、模具制作和组装的成本。后期的修正和优化通常是昂贵和不可行的。原材料性能影响成本充分发挥塑料原材料特性的优势，在许多方面可以节约成本。 多功能一体化设计将几种功能汇集在一个零部件上，可减少零件数量。 运用低成本组装技术卡扣，焊接装置，固定装置，双料注塑技术等。 利用自润滑特性减少对额外和持续润滑油的需要 免却表面处理程序塑料能着色、耐化学品和耐腐蚀、电器及热绝缘等性质。 成核作用同系列的原材料有不同的结晶周期，这是因为成核剂在熔融冷却阶段产生加速结晶效果。 成品设计影响成本除了以上提到的，注意以下各点能够进一步节约成本。 壁厚 优化壁厚分配可以影响原料成本，节省生产时间。 模具双面模具可以减少对开数量。 公差要求过高的公差会增大产品的不合格率和质量管理成本。 原料采用低变形聚合物来减少翘曲变形问题（如在玻纤材料中加入适量矿物），选择快定型或快固化原料可以减少成型周期和冷却时间， 见图1按生产各步骤成本比较当注塑零件从注射机中脱出时，应立即准备装配，不需要任何额外的处理。如果需要进行后处理，总体塑料成本则经常可会相等于金属成本。四、浇口的位置 错误地选择浇口体系的类型，除了会引起加工问题，还会对塑料制品的质量产生一定的影响。因而，设计部门决不能低估浇口位置的重要性。设计者不但要进行塑料制品的设计计算，还必须特别注意模具的浇口设计。他们必须选择正确的浇口体系以及浇点的数目和位置。浇口的类型和位置不同都将对制品的质量产生较大的影响。浇口位置的选择将决定塑料制品以下性质： 填充行为 制品的最终尺寸（公差） 收缩行为，翘曲 机械性能水平 表面质量（外观） 如果设计者选择了错误的浇口，成型加工时几乎不可能从优化加工参数来矫正由此产生的后果。图1制品在不同方向上的性能测定在注射成型过程中，长链的塑料分子、纤维填料和增强材料的取向主要由熔融塑料的流动方向决定，这导致了部件性能对方向的相关性（各向异性）。例如，流动方向上的伸展性能比垂直方向上的伸展性能要好得多（见图1）。含有纤维增强材料的部件所受到的影响比不含纤维增强材料的部件要大得多。纤维的取向也引起部件在水平和垂直方向上的收缩差异，这将异致部件发生翘曲。图2a图2b由于熔合线和空气存集引起部件质量下降当模具中2条或更多的熔流会聚到一起时，就会产生熔合线。例如，在熔体需要流经嵌件，或制品同时在几点进行浇注时，就会出现熔合线（见图2a和2b）。而且，同一制品中不同的壁厚可能导致熔体前方分离，从而产生熔合线。当应从模具中排除的空气被熔体封闭在模具中无法溢出时，就会产生空气存集（出现气泡）。熔合线和空气存集通常被作为表面缺陷的表现。除了会使表面难看外，它们还会明显降低受影响区域的机械性能，特别是冲击强度（见图3和图4）。图3熔合线引起的强度降低图4浇口位置选择不当引起的不利后果因为浇口常留下明显痕迹，因而不能设置在对外观表面要求高的区域。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（图5）。不含增强材料的塑料的熔合线质量明显高于含增强材料塑料的熔合线质量。熔合线区域的质量衰减因子与填料和增强材料的类型和含量有很大关系，加工助剂、阻燃剂等添加剂都对熔合线质量有不利的影响。因而，很难评估这些因子对部件的最终强度的影响有多大。而且，熔合线区域在张力下有高的承载能力并不意味着它的耐冲击能力或耐疲劳能力好。图5由于含有纤维增强材料，熔合线区域的纤维的排列方向与流动方向垂直。这将明显降低部件在这一点的机械性能（见图6）。图6正确的浇口位置复杂的模具不可能没有熔合线。如果不能减少熔合线的数目，就应根据表面质量和机械强度考虑将它们设置在模具不重要的位置。这可以通过改变浇口位置或增大/降低部件的壁厚来实现。基本设计原则： 不要将浇口置于高压力区域 尽量避免或减少熔合线 尽量使熔合线远离高压力区域 对于增强型塑料，浇口位置决定零件的翘曲性能 提供足够的排气口以避免空气存集 五、基本装配技术 最佳装配技术 第一部分一些被所有设计师认可的简单装配技术如卡扣装配、压机装配和螺纹装配等，以其简便、快速地装配组件可大大地节约生产成本。 装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。以下各项归入集成装配工艺。 焊接 固定 粘接 嵌入技术 90度角卡扣 分离装配包括： 小于90度角卡扣 螺扣装配 中心装配 压机装配 卡扣装配设计卡扣装配的最大优势是不需要增加额外装配部件。塑料加工中最通用的卡扣类型有： 倒钩型卡扣 圆柱形卡扣 球座型卡扣 在所有这些卡扣设计中，设计者必须确保配件的几何尺寸，避免应力松弛引起装配部件松动。见图1基本设计原理卡扣装配的设计取决于使用的材料容许的变形。举个例子，由于聚酰胺在干燥状态下比常规状态下能容许的变形更低，有必要加倍注意这种材料的应用，玻璃纤维含量对材料的所允许变形也有很大的影响，因此对倒钩允许的倾斜度也有影响。（见图1）见图2在倒钩型卡扣装配中，尖的倒钩尖端可以减小倒钩变形时的应力（见图2），这种设计能够使应力在整个倒钩弯杆部分均匀分散。倒钩基部的应力集中相对减小。装配压力也有相当程度的减少。 忽略了倒钩底部与构件主体之间连接处的曲率半径应该是足够大的问题，通常导致出现脆弱点。原则上说，应该提供足够大的曲率半径来避免压力集中。经常将圆柱或球孔型卡扣装配系统开槽，使其装配起来更加方便，因此，槽尾不得设计成尖状的边缘。见图3压件装配压件装配可以使塑料组件在最低的成本下进行高强度装配。例如对卡扣装配来说，由于应力松弛，高压装配的拉力强度随着时间的流逝而减少（见图3）。设计计算必须把它考虑进去。另外，必须作使用温度周期变化的试验，以保证设计的可行性。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。 见图4为了避免不合格组件的产生，确保正确的轴套尺寸是关键的一环（见图4）。螺件制造商可在这方面提出不少建议。见图5由于产生的压力会使螺母口张开，原则上应避免塑料装配中使用带有锥形埋头钉的螺丝（见图5）。这种额外的压力带来一种可能的后果，就是螺母的熔接痕处容易开裂。六、材料选择 一般来说，并没有不好的材料，只有在特定的领域使用了错误的材料。因此，设计者必须要彻底了解各种可供选择的材料的性能，并仔细测试这些材料，研究其与各种因素对成型加工制品性能的影响。图1传统的热塑性材料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（见图1）。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（见图2）。图2一般来说，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。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；矿物和玻纤则具较低的增强效果，主要用于减少翘曲。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（见图3）。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。图4为了论证这些影响，从注射成型片的横向和纵向截取了10个测试条，并在同一个拉力测试仪上对它们的机械性能进行了比较（见图4）。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。在一些热塑性塑料中加入了一系列增强材料、填料和改性剂来改变它们的性质。在中，由这些添加剂产生的性能变化必须认真地从手册或数据库(如Campus)中查阅，更好的是听取原材料制造厂家的专家的技术建议（见图5）。图6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6和图7）。图7其他挑选准则一些要求与加工注意事项和装配有关。研究将几种不同功能集中于一个部件也很重要，这可以节约昂贵的装配费用。这个准则对计算生产成本非常有益。在价格计算中可以看出，不但应考虑原材料的价格，还应注意，有高性能(刚性，韧性)的材料可以使壁厚更薄，从而缩短生产周期。因此，列出所有的标准，并对它们进行系统性评估是很重要的。 一个韧性材料的选择流程见图8.图8七、加强肋 理想的设计为了克服壁厚大可能引起的问题，使用是一种可减少壁厚并能增加刚性的有效方法。 一般来说，部件的刚性可用以下方法增强 增加壁厚； 增大弹性模量（如加大增强纤维的含量）； 设计中考虑。 如果设计用的材料不能满足所需刚性，则应选择具有更大弹性模量的材料。简单的方法是增加塑料中增强纤维的含量。但是，在特定壁厚下，这种方法仅能使刚性呈线性增长。更有效的方法是使用经过优化设计的。由于惯性力矩增大，部件的刚性便会增大。在优化的尺寸时，不但要考虑工程设计应当考虑的问题，还应考虑与生产和外观有关的技术问题。优化的尺寸大的惯性力矩可很容易地通过设置又厚又高的来实现。但是对热塑性工程塑料，这种方法常会产生制品表面凹痕、内部空洞和翘曲等问题。而且，如果的高度过高，在负荷下结构将有可能膨胀。出于这种考虑，必须在合理比例内保持的尺寸（见图1）。图1为确保带的制品容易顶出，必须设计一个适当的脱模锥度（见图2）。图2防止材料堆积对于表面要求非常高的组件，如汽车轮盖的尺寸是非常重要的。正确的设计可以减少组件形成表面凹痕的可能，以提高组件的质量。底部的材料积聚在图1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。减少底部的应力如果给一个有负载的组件，则底部可能会产生应力。在这一部位如果没有圆弧，可能会产生非常高的应力集中（见图3），通常会导致组件的断裂和报废。补救措施是建立一个半径足够大的圆弧（图1），使肋底部建立更好的应力分布。图3但如果圆弧半径太大，也会增大上文提及的圆的直径，而导致上文已经提及的问题。图4在塑料设计中，十字结构是最好的，因为它能应付许多不同的负荷排列变化（图4）。正确设计的可承受预期应力的十字结构，可以确保在整个制品上的应力均匀分布。在的十字交叉处形成的节点（图5）代表材料的积聚，但可以将节点中心挖空,以防止产生问题。还必须注意，不要在交叉处和组件的边相交的地方形成材料积聚（图6）。图5八、公差 隐含的成本要素注射成型制品不可能具有机械加工制品一样的。虽然大多数人都意识到这一点，但还是常常被指定到无法达到的，或使具成本效益的生产变得不可能。 A注射成型一般分为3种质量等级，即一般用途的注射成型、技术注射成型和高精度注射成型。DIN16901标准指出，它们是根据在容许范围内（范围1和2 ）注射成型制品的和尺寸来划分的。 一般用途的注射成型要求低水平的质量控制，其特点是低的退货率和快的生产周期。 技术注射成型会比较昂贵，因为它对模具和生产过程有更高的要求，要求频繁的质量检查，因而增加了退货率。 第三种，即高精度的注射成型，要求精确的模具、最佳的生产条件和100连续的生产监控。这将影响生产周期，增加单位生产成本和质量控制成本。 设计者在决定注射模具制品的成本方面起了关键作用，他们必须确定商业上可行的，选定的虽然不必尽可能的严格，但必须足够严格。商业上可接受的产品一般是，产品与标准尺寸的偏差不高于0.25-0.3%，但这还需要与应用时的具体要求相结合来判断（图1）。 图1热塑性塑料一般具有高的延展性和弹性，不需要象具有高刚性、低延展性和低弹性的金属一样指定严格的范围。影响的因素为了不对塑料部件制定过分严格的范围，必须要注意一些影响注射成型制品尺寸准确性的因素（图2）。图2模具制造的必须相对严格地遵守。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（见图3）。图3一个与相关的问题是，当成型品是由不同材料或不同壁厚制成。模后收缩值与方向和厚度相关。玻璃增强材料的这一性质更明显。玻璃纤维的取向性可在水平方向和垂直方向产生具有显著性差异的收缩，从而导致尺寸不准确。塑料制品的几何形状对收缩也有影响，进而影响到（图4）。如果复杂的成型加工对的要求非常严格，必须要获得模具原型有关收缩值和翘曲行为的准确数据。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5），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5使用半结晶性塑料时，必须考虑模后收缩。这种现象主要受注射成型的加工条件影响，可导致制品在脱模后发生尺寸变化。脱模后不必马上进行质量控制。DIN16901标准指出，需要在标准气候条件（23，50相对湿度）下储存16h后或在适当的预处理后才可进行质量控制。建议DIN16901中指定的可作为塑料制品成本有效生产的下限，现代化的注射成型机器的技术使我们可以获得比该标准中指定的数值更精确的。对高精度的注射成型，因为DIN16901已不再适用，各个工业部门已经制定出了各自的表，。在任何时候，如果需要确定精确的，一定要与注塑厂或材料供应商协商，以确定所需是否在技术上可行、商业上适用（图6）。 图6九、壁厚 在工程塑料零件的设计中，经验表明，有一些设计要点要经常考虑，因此可将这些要点提炼为简单的设计指南。这些要点之一就是的设计。对零件质量有重要影响。对特殊零件标准的影响改变一个零件的，对以下主要性能将有显著影响： 零件重量 在模塑中可得到的流动长度 零件的生产周期 模塑零件的刚性 公差 零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙 流程与的比率在设计的最初阶段，有必要考虑一下所用材料是否可以得到所要求。流程与的比率对注塑工艺中模腔填充有很大影响。如果在注塑工艺中，要得到流程长、而薄，则聚合物应具有相当的低熔融粘度（易于流动熔解）是非常必要的。为了深入了解聚合物熔化时的流动性能，可以使用一种特殊的模具来测定流程（图1、图2）。 挠曲模量与的函数关系一块平板的抗挠刚度由材料特有的弹性模数和该块版的横截面的转动惯量所决定。如果未经任何考证就自动增加以改进塑料制品的刚性，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。图3对于玻纤增强塑料，有一个可精确区分出制品刚度的边界区，这个边界区将随而减少。这就解释了为什么当增加则挠曲模量将减低（图4）。根据标准测试条(3,2 mm)所确定的强度值不能直接用来确定，否则将产生偏差，为估计出制品的性能，有必要使用安全系数。图4所以说，如果不考虑后果就增加，将使材料和生产成本增加，而刚性并未有增加。图5是否要增加？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。同一种零件的不同可引起零件的不同收缩性，根据零件刚性不同，这将导致严重的翘曲和尺寸精度问题（图6）。为取得均匀的，模制品的厚壁部分应设置模心（图5）。此举可防止形成空隙，并减少内部压力，从而使扭曲变形减至最小。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。图6十、焊接技术 最佳装配技术-第二部分除了在本系列第7部分中所描述的装配技术外，塑料零件连接中还可以使用许多其他不同的焊接方法。为确保低成本、有效功能设计，在设计的早期阶段，十分有必要选择一种适宜的焊接方法，并对所需连接几何形状给予充分考虑。对不用其他装配零件而永久性联结的塑料零件的装配可采用焊接方法。焊接方法的选择依据以下几种标准：根据模塑零件的几何形状，所使用的原料, 成本、总生