注塑产品结构设计

1、注塑产品结构设计 胡雄伟2008.1.15 1 1、通论、通论 2 2、原型之设计 3 3、产品设计、产品设计 4 4、组装设计 5 5、焊接设计、焊接设计 6 6、浇口设计、浇口设计 7 7、节约成本设计、节约成本设计 1 通 论 v产品设计是利用材料，经设计成为新创的外形或结构，以制成指 定作用或目的的产品。其所须具备之条件为： 1. 在功能上：要能符合使用者的需求。 2. 在使用操作上：要能符合使用者的习惯与身份。 3. 在外型上：要能合乎简单的制造原则并满足使用者的喜好。 4. 材料应用与加工方法上：要合乎经济与合理的原则，并能求得 最适化而降低成本。 即任何一新产品，从构思到生产，对

2、一公司而言，其考量前题为 以下所列各项： 将来性：公司未来发展领域的配合，成长性。 技术性：与该公司现有技术之关系，原料设备获得之难易及技 术上成功的可能性。 领先性：是否可申请或抵触专利及制品是否具独特性。 销售可能性：产品的展望，推出市场之难易，销售网的建立及 有无商品特征等可能性。 经济性：研究经费人员的多寡，开发期间的长短，设备投资额 之获得及获利率的大小。其它如材料之选择、加工方式、模具的 设计、二次加工方式及安全规范、法令等，皆须详加考虑。 v通常塑料新制品产生的方式可分为三种： 1. 再设计(redesign)：就是将现有产品的部分，做 一些改变或修饰，使成为更具价值与流行的新产

3、品。 现今市场上约莫80，属于此类。 2. 组合(combination)：结合两种以上不同功能，发 展而成之新制品。例如PC制成的潜水镜再贴上防雾 膜，而成为价值更高的新产品。此类新产品约占10 。 3. 创新(innovation)：剩下的10即为发明前所未有 之新制品，此类产品由于须花费较长的时间在宣传 及消费者的接受性上，所以通常这方面之设计比例 较低。 塑料产品设计者与其它设计者最大的不同是，前者 必须详加考虑塑料之各种物性，尤其是环境变化对 物性之影响及在长时间负载下对产品之影响。 v通常，塑料之物性数据是在实验室的环境下，依照 美国标准测试方法(ASTM)而测得。而所设计的塑料

4、产品并不会正如测试样品在同样条件下成形或被加 应力。其它如： 肉厚及形状。 所加负载之速率及时间长短。 玻纤之排列方向。 缝合线。 表面缺陷。 成形参数。 以上这些；都会影响到塑料产品之强度及韧性。 设计者亦须考虑到温度，湿度，阳光（紫外线）， 化学药剂等之影响。所以了解其产品的最终目的而 探讨相关的物性是非常重要的。下表2-1为一标准的 设计检查表(design check list)。 2原型之设计 v为了能将实物从设计的阶段到真正的商品化，我 们通常是建一原型而加以测试并修正。最好的方 法是尽可能的将原型与将商品化制造的加工方式 相近。大部份的工程塑料产品是由射出成型所制 出，所以原模必

5、须为一单模穴原型模具所制得。 以下将讨论各种制造原型之方法及其优缺点。 2-1机械加工圆杆或平板、块法 (machining from rod or slab stock) v此法是当所允许的设计时间非常短及只须少量的原型和物体的形 状非常简单的时候，我们可将其经机械加工而得。这样不仅能帮 助发展至固定的设计，亦能做为有限度的测试结果条件；但千万 不能将其做为最后商品化的标准，其原因如下： 其物性如强度，韧性及伸长量可能会小于真正的成形品，因 为机械加工会在原模上留下痕迹。 强度及韧性可能会高于成形品，因为圆杆或平板块具较高的 结晶度。 若是加了玻纤的产品，则玻纤的方向性影响会误导了结果。 成

6、形品的特性如顶出针痕，浇口痕及不定形的表面结构将不 会出现在原型上。 无法探讨缝合线及接合线之影响。 由于内应力之不同，尺寸稳定性会被误导。 在圆杆或平板，块的中间常有包气现象，以致减少了其强度。 同理在成形品的较厚肉处亦有此现象，而无法做一致的评估。 只有少数的圆杆或平板，块材料可供选择。 2-2 铸模法(die casting tool) v通常我们能够修正射出成形的原型，如果具 有铸模模具的话。利用此铸模模具可减少对 制造原型工具的须要及以低成本提供所须的 前测试。然而，此法也许也无甚助益，因为 原来的模具可能是为金属铸模而设，而非塑 料。所以，外壁及肋将不会最适化；浇口通 常会过大及位

7、置不合；并且无法有效的冷却 塑料产品，造成质量具甚大的相异性。 2-3 原型模具法(protoype tool) v特别是对塑料产品设计而言，利用便宜的铝， 黄铜或是铍铜合金制成原型是个不错的方法。 因为基本的讯息如收缩度，玻纤方向性及浇 口位置皆可得之。但由于此模具只能承受有 限度的射压，所以无法正确的估算出成形周 期(cycle time)，而且模具冷却性被限制，甚 至不存在。可是，在另 一方面而言，其好处为此形式能够有效的提 供样品做最终的目的测试及快速的修正外形 尺寸。 2-4 生产试模法(preproduction tool) v对设计的未来发展及产品的准确性而言，最好的方 法是制造

8、钢铁试模。它可以为单模穴模具或以多模 穴模具为体的单模穴模具。此模穴已经机械加工完 成，只是未做硬化处理，所以仍可做一些修正。其 好处为它具有与生产模具相同之冷却效果，收缩与 翘曲可被探得；还有因为具有适当的顶 出鞘，模具能够如生产线般的循环，于是能够探得 其周期。当然，最重要的是这些样品能够如最终产 品般的做强度，抗冲击，磨耗及其它物性等之测试。 以上各法都是为了能在正式大量商品化前，做最低 成本及最有效的预估分析。当然，我们不能本末倒 置，忘记了最终产品的真正须求。最好是写下一标 准产品所须表，如功能，外观，可容许的公差等， 做个最完美的设计者。 3产品设计 v虽然塑料之产品设计非常复杂，

9、但总有一些基本之 原理方法来减少一些成形上及产品功能上所发生的 问题。以下所探讨的是在设计上所须注意的基本细 节，俾能在未来更复杂的产品设计上有所助益。 3-1 壁厚(wall thickness) 3-2 材料选择 3-3半径(radii) 3-4 倾斜角(draft angle) 3-5 肋及角板(gussets) 3-6 浮凸物(bosses) 3-7 孔洞及铸空(holes & coring) 3-8 螺纹(threads)与嵌入物(inserts) 3-9 尺寸公差(dimensional tolerance) 3-1 壁厚(wall thickness) v在工程塑料零件的设计中，

10、经验表明，有一些设计要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点要经常考虑，因此可将这些要点提炼为简单的设计 指南。指南。 v这些要点之一就是壁厚设计对零件质量有重要影响。这些要点之一就是壁厚设计对零件质量有重要影响。 v改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有显著影响：改变一个零件的壁厚，对以下主要性能将有显著影响： 1、零件重量、零件重量 2、在模塑中可得到的流动长度、在模塑中可得到的流动长度 3、零件的生产周期、零件的生产周期 4、模塑零件的刚性、模塑零件的刚性 5、公差、公差 6、零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙、零件质量，如表面光

11、洁度、翘曲和空隙 v通常产品必须具均匀的壁厚，如果变化不可 避免，则利用转换区的方法来防止突然的遽 变如图2-1，且浇口位于较厚处以防止充填不 满。 流程与壁厚的比率 v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壁厚。 v流程与壁厚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）。 v图1 v图图2 挠曲模量与壁厚的函数关系挠曲模量与壁厚的函数关系 v一块平板的抗挠刚度由材料特有的弹性模 数和该块版

12、的横截面的转动惯量所决定。 v如果未经任何考证就自动增加壁厚以改进 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，改变壁厚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 v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 随壁厚增加而减少。这就 解释了为什么当增加壁厚 则挠曲模量将减低（图4）。 根据标准测试条(3,2 mm 壁厚)所确定的强度值不能 直接用来确定壁厚，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。所以说，如果不

13、 考虑后果就增加壁厚，将 使材料和生产成本增加， 而刚性并未有增加。 是否要增加壁厚是否要增加壁厚/均匀性？均匀性？ v增加壁厚不仅决定了机械性能，还将决定成品的质量。 v在塑料零件的设计中，很重要的一点是尽量使壁厚均匀。同一种 零件的不同壁厚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）。 v不均匀的壁厚会造成严重的翘曲及尺寸控制的问题。如果产品须 要较高的强度，从成本的观点上来看，用肋(ribs)比增加壁厚要 好的多。但如果产品须要好的外观表面时，则因凹陷痕(sink marks)会在表面上产生，故须避免之。若非得用肋不可时：则应 尽量让凹陷痕出现在肋

14、的另一面或较不显眼处。图2-2与2-3为使 壁厚均匀的一些方法，图2-2乃利用肋及浮凸物(boss)，图2-3则 为利用铸空法(cornig)使设计更好。 v为取得均匀的壁厚，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。 v总之，一般的原 则就是能够利用 最少的壁厚，完 成最终产品所须 具备的功能。表 2-2为一般热塑 性树脂制品之厚 度表，表2-3则 为热固性塑料制 品之厚度表。 3-2、材料选择、材料选择 v正确的选择材料正确的选择材料

15、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。 传统的热塑性材料传统的热塑性材料 v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）。 v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。 填料和增强材料填料和增强材料 v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

16、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。 v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。 v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）。 v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。 v

17、在综合考虑安全因素的强度计算中，应注意到这些 损失。 v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）。 湿度的影响湿度的影响 v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）。 其他挑选准则其他挑选准则 v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。

18、 v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。 v一个韧性材料的选择流程见图8. v 3-2、圆角半径(radii) v切莫将产品设计成具尖 锐的边角，因为其刻痕 (notch)状会造成应力集 中，以致减少了产品之 抗冲击力。为了保证设 计在安全的应力范围内， 我们须计算每个边角的 应力集中因子。如图2-4 为悬桁(cantilever)的情形 下，应力集中因子对半 径壁厚之图。 v在塑件结构设计 中应避免在料流应避免在料

19、流 方向的尖角方向的尖角！这 样会产生局部应 力且有注塑缺陷！ 第二种为改良方 案，消除了尖角！ v这也是尖角问题， 第二种为改良方案！ 加了圆角，圆角的好 处是避免集中。提高 塑件的强度，改善塑 件的流动性！圆角半圆角半 径的大小一般外径的大小一般外R取取 2t(壁厚壁厚)，内，内R取取t. 3-3倾斜角(draft angle) 为了使产品能够轻易的从 模具内顶出，外壁必须设 计成具倾斜的斜角，如图 2-6所示。通常每一英寸， 0.5度的倾斜角是达成有 效结果所能容许之最小值。 一般而言每一英寸1度是 标准的做法。 v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

20、在于它能使 脱模容易及 防翘曲（见 图3）。 3-4肋及角板(gussets) v肋及角板能够有效的增 加产品之刚性与强度。 适当的利用肋与角板不 仅能够节省材料，减轻 重量及减短成形周期， 更能消除如厚横切面所 造成的成形问题。设计 肋及角板时，我们有一 些基本之原则必须遵守， 如图2-7与图2-8。 与壁厚比较，如果肋或角板太厚 的话，则可预期的会产生凹陷痕， 包气、翘曲、缝合线（造成内应 力）及较长的成形周期。 肋之形状最好设计成如图2-2所 示，乃因用窄形之肋骨以代替大 而厚之肋骨，可减少塑料之消耗。 并且肋及角板必须被置于能够方 便流动的位置，如此才能够帮助 产品的充填犹如内流道之作

21、用。 否则，常会造成最后产品有烧焦 之痕迹及包气等问题。 注：角板乃是用作于边缘的支 架，以提高强度。 v为了克服壁厚大可能引起的问题，加强筋使用是一种 可减少壁厚并能增加刚性的有效方法。 v一般来说，部件的刚性可用以下方法增强 v增加壁厚； v增大弹性模量（如加大增强纤维的含量）； v设计中考虑加强筋。 v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 的加强筋。由于惯性力矩增大，部件的刚性便会增大。 在优化的加强筋尺寸时，不但要考虑工程设计应当考

22、虑的问题，还应考虑与生产和外观有关的技术问题。 优化的尺寸优化的尺寸 v大的惯性力矩可很容易地通过设置又厚又 高的加强筋来实现。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，如果加强筋 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加 强筋的尺寸（见图1）。 v为确保带加强筋的制品容易顶出，必须设计一 个适当的脱模锥度（见图2）。加强筋的拔模加强筋的拔模 角一般取角一般取0.25-2度度，塑件表面有皮纹或是结构 复杂的应加大拔模角！可达到2度,这是因为形 状复杂的制品脱模阻力大！如拔模角不够大时 会出现拉花现象！ 防止材料堆积防

23、止材料堆积 v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。的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。 减少底部的应力减少底部的应力 v如果给一个有的组件以负载，则的底部可能会产生应 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。但如果圆弧半径太大，也 会增大上文提及的圆的

24、直径，而导致上文已经提及的 问题。 v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）。 塑件加强筋的设计原则： v基本厚度等于基本厚度等于0.5倍壁厚倍壁厚,高度小于等于高度小于等于3倍倍 壁厚壁厚,圆角大于等于圆角大于等于0.250.4的壁厚的壁厚,拔模角拔模角 大于等于大于等于0.5度度,间距大于间距大于2倍的壁厚倍的壁厚 。

25、v加强筋应布置在塑件受力较大之处布置在塑件受力较大之处，以改 善塑件的强度！ v 加强筋应作对称分布应作对称分布，避免塑件局部集中。 v 加强筋应尽可能设计的矮一些尽可能设计的矮一些！ 3-5浮凸物(bosses) v浮凸物之目的是用来 连接组合螺丝钉、导 销、栓或迫紧(force- fits)等作用。设计浮凸 物的最重要原则为避 免其无支撑物，并尽 量让其与外壁或肋相 连如图2-9所示：一般 而言，肋外径须为圆 孔直径的2至2.5倍， 以保证有足够之强度。 v如果肋本身即与外壁间隔相当远，则最好加上角 板如图2-10所示。 图2-11及图2-12为肋靠近外壁及远离外壁时，浮凸物 之设计： v

26、图2-13为浮凸物设 计之范例： v 3-6 孔洞及铸空(holes & coring) v在塑物上开孔洞或切口可使其和其它零件组 合以达成更多之功能及更具吸引力。图2-14 为孔洞的一般类型。 v全穿孔洞比半孔洞易于加工，因为前者之穿孔 销可在两端寻得支撑，而后者由于只有一端获 得支撑，易被熔融之塑流进入模穴时，使穿孔 销偏心而造成误差。所以，一般半穿孔之深度 以不超过穿孔销直径两倍为原则。若要加深半 穿孔洞之深度则可用层次孔洞如图2-15所示。 v由于塑流常会 在穿孔针旁形 成缝合线之故， 我们可以将其 先做成凹痕或 小凹洞，成形 后再以钻孔针 予以钻孔，如 此可防止缝合 线造成之强度 减

27、少亦可降低 模具成本如图 2-16所示。 v于成型大多数之热塑性塑料时，在洞壁和塑物外 壁间之宽度至少要和孔洞之直径相等及孔洞与孔 洞内壁间之厚度至少要和孔洞之直径相等如图2- 17所示。 v若为半孔洞， 则其底部之壁 厚至少须为其 孔洞直径的 1/6，否则模 制后会膨胀如 图2-18所示。 3-7 螺纹(threads)与嵌入物(inserts) v不管是外螺纹或 内螺纹，皆可在 模具内成型，避 免了利用机械加 工之麻烦。设计 内，外螺纹时， 其基本规格设计 须如图2-19所示。 v内螺纹底部未螺纹化的直径必须等于或小于 螺纹的最小直径如图2-19(a)，AB。若是外 螺纹，则其底部未螺纹化

28、的直径必须等于或 大于螺纹的最大值径如图2-19(b)，BA。 成型螺纹必须避免具有如羽毛般的边，以免 造成应力集中，使该区域强度变弱如图2-20。 v用于塑料品的金属嵌入物，通常用以承担产品被磨 损、撕裂的力量或用以与电气相连及装饰用。嵌入 物之类型有两种，一种为成型前模内插入物，另一 种为成型后插入物。前者具中等或极粗的刻痕以提 供足够的力量防止滑动，后者可螺纹化或是藉由热， 超音波的方法来装置。 通常模制嵌入物时，我们须考虑以下几个因素： 插入物须能提供所需要的机械强度。 在所有的塑料中，塑模的嵌入物须不具挠性。 固定的壁厚必须围绕嵌入物之四周，以防止塑料 冷却时发生裂化。 当插入物嵌入

29、塑物中后，可能须要再修饰，二次 加工等耗费金钱的步骤。 嵌入物必须与塑模打开或关闭的移动方向平行。因 为直角或斜角之插入物在模制时是非常困难且费成 本的如图2-21所示。 v不管是阴或阳之嵌入物，皆须要有一肩座，以防 止塑料化合物流入螺纹中如图2-22所示，(a)不 具肩座嵌入物，须避免之。(b)为单一封合肩座。 (c)双封合肩座，此种最理想，但成本较高。 v犹如孔洞设计的位置一样，插入物的位置设 计方法与其大同小异。设计插入物时除考虑 机械应力外，由于嵌入物本身之高热膨胀系 数，造成塑物之热应力亦须考虑。所以当塑 物冷却时，塑料会比金属收缩的还多，造成 应力集中以致尔后插入物周遭龟裂。预防的

30、 方法是，提供足够之塑料于插入物的四周或 是增加嵌入物与外壁之距离。表2-4为一些常 用的塑料于嵌入物四周所须之最小厚度以避 免龟裂。 v v自攻螺丝柱子的设计,柱子的直径等于3倍底 孔的直径 14 3-8 尺寸公差(dimensional tolerance) v大部分的塑料成形品皆能维持相当紧密之尺寸公差，除了高 收缩性的材料之外如PE，PP，Nylon，POM，EVA及软质 PVC，其收缩率达到2至3，而一般热塑性制品的商业许 可公差为0.5。所以对于这些高收缩性材料必须指定较 大之容许公差方行，因为其尺寸公差很难藉模具设计予以补 救。 产品设计者在选定尺寸公差时要考虑使用之塑料材料、产

31、品 形状及将来之使用条件等。随著公差的严格要求，其制造加 工精度与模具价格亦相对提高，所以产品设计者于图面上记 入公差时，要审慎的设定适用于此公差的使用条件。因此， 产品设计者所设定之总公差应该包含了使用条件和环 境条件下的尺寸变化。 塑料成形品除了尺寸公差以外，对于一些精密成形更须考虑 形状公差，因为浇口的种类和位置或是模具温度调节系统之 决定，皆须根据这些资料来设计之。 v隐含的成本要素隐含的成本要素 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公差，或使还是常

32、常被指定到无法达到的公差，或使 具成本效益的生产变得不可能。具成本效益的生产变得不可能。 公差的成本含意公差的成本含意 v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，它们是根据在公差容许范围 内（范围1和2 ）注射成型制品的和尺寸来划分的。 v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。 v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。 v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

33、，增加单位生产成本和质量控制成本。 v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， 选定的公差虽然不必尽可能 的严格，但必须足够严格。 v商业上可接受的产品一般公 差是，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）。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。 影响的因素影响的因素 v为了不对塑 料部件制定 过分严格的 公差范围， 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）。 v一个与公差相关的问题是，当成型品是由不同材

34、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。 v塑料制品的几何形状对收缩也有影响，进而影响 到公差（图4）。如果复杂的成型加工对公差的 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。 生产和使用生产和使用 v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。 v使用半结晶性塑料时，必须考虑模后收缩。这

35、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。 v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。 公差建议公差建议 vDIN16901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。 v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，。 v在任何时候，如果需要确定精确的公差，一定要与 注塑厂或材料供应商协商，以确定所需公差是否在 技术上可行、商业上适用（图6）

36、。 4、组装设计(Assembly design) v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。 v由于塑料材料之多变化性，遂使得组装塑料零件的方 法五花八门，一般大概可分为机械组装，溶剂组装， 黏著剂组装及焊接组装等四种。表2-5为一般常用材料 其各种组装法好坏之比较。 v装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。 v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 。 v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 4-1卡扣装配设计 v卡扣装配的最大优势是不需要增

37、加额外装配 部件。 v塑料加工中最通用的卡扣类型有： 1、倒钩型卡扣 2、圆柱形卡扣 3、球座型卡扣 v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。 v基本设计原理基本设计原理 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，因此对倒钩的所允许变形也有很大的影响，因

38、此对倒钩 允许的倾斜度也有影响。（见图允许的倾斜度也有影响。（见图1） v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。 v忽略了倒钩底部与构件主体之间连接处的曲 率半径应该足够大的问题，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。 4-2压件装配压件装配 v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

39、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。 4-3螺纹装配螺纹装配 v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。 v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。 v由于产生的压力会使螺母口 张开，原则上应避免塑料装 配

40、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。 5、焊接技术、焊接技术 v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。 v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 生产周期的综合因素，装配部位所要求的机械性能和 外观质量。 不同焊接方法不同焊接方法 v大规模生产中

41、，有许多不同的廉价的焊接方法。最常用的塑料 工程零件的焊接方法有（图1）： v高温工具焊接 v旋转焊接 v振动焊接 v超声焊接 v其他方法有： v高频焊接 v感应焊接 v热气焊接 v还有一些新的方法正在开发中（例如激光焊接），但尚未在工 业中获得广泛使用。 v在所有方法中，都要使用加热（使塑料表面融化再粘接）和加 压。通常通过接触或辐射发热、内部或外部摩擦发热，或用电 加热等方式提供热量。 5-1选择合适方法选择合适方法 v为得到高质量、重复性好的焊接质量，需 要选择一种合适的焊接方法，以使焊接参 数最优化，并确保需要焊接的零件设计正 确，与所选用的焊接方法相匹配。焊机制 造商不仅要提供标准设

42、备，还要提供适合 各种各样焊接任务的特殊焊接设备。在决 定选用某种焊接方法前，与设备制造商或 树脂供应商进行商议探讨是十分明智的选 择。 不同的焊接特点不同的焊接特点 v从理论上讲，所有热塑性塑料都是可以焊接的。但是 有时塑料的焊接性能相当不同。非晶态聚合物和半结 晶聚合物不能焊接在一起。由于水气会影响焊接质量， 所以尼龙等吸水性塑料焊接前需要预先干燥。为使焊 接质量最好，尼龙零件最好注塑后立即焊接，或焊接 前将之放在干燥环境中。玻璃纤维和稳定剂等树脂添 加剂同样会影响焊接质量。选择适宜的工艺参数和零 件设计，未增强塑料的焊接装配件的强度可以和其原 料相媲美。对于玻璃纤维增强塑料而言，在焊接区

43、域 上，由于纤维分离和再取向使得强度减弱，这一点在 设计中必须予以考虑。 正确的焊接设计正确的焊接设计 v高质量焊接的基 本保证在于焊接 剖面的正确设计。 在图2和图3中所 示剖面图中显示 了正确的基本设 计。如果对焊接 区域外观有特殊 审美要求，则需 要考虑特殊几何 形状。 v此图给出通过凹槽以吸收多余材料，从而避免飞边 （图4）。薄壁零件设计时需要在零件双方之间加入 一个导槽，这样，当使用一定的焊接压力时，零件 壁不会移动而偏离预定位置。 超声焊接的特点超声焊接的特点 v半结晶聚合物熔点变化剧烈，当加热时，聚合物 瞬间从固相转变成液相。因此，对半结晶塑料的 超声焊接中，最好使用剪切焊接（图

44、5）。由于非 晶态塑料有一个软化范围，所以非晶态塑料的焊 接设计相对次要些。图6给出近声场和远声场焊接 方法的示意图。靠着接触点之间距离的不同，超 声波将摆动传至工件内，并使接触面间粘合连接 起来。总的说来，近声场焊接对所有塑料都会有 很好的效果。对于低弹模数塑料的焊接最好采用 近声场焊接方法。 5-2黏著剂接著(adhesive bonding) v黏著剂是用来黏贴接合物表面的一种物质，依接著性质不同之树 脂，塑料金属，木材等时，各有适当之接著剂如下： 1.橡胶系接著剂 常用于接著极性低之塑料、金属、橡胶、木材等。最适于接著苯 乙烯系树脂。 2. 环气系接著剂 主要用于接著各种热硬化性树脂或

45、接著塑料金属，玻璃、木材 等。环氧系接著剂在性质上适于黏合硬质而厚肉之材料，一般分 为主剂与硬化剂两液型，两剂混合后，由于在常温接著时之硬化 时间颇长，故通常于60100加热数小时，以缩短硬化时间， 增大接著力。环氧树脂的黏接层强 度与其厚度无关，故除了作接著剂外，亦可作为气泡填充物用。 3. 其它型之接著剂 除了上述之外，另有乙烯基系，聚酯系，酯系及异氰酸盐系等。 另外如PE，PP，PTFE等树脂，由于化学安定性优，不容易直接 接著，可用溶剂清拭后，以硫酸或重铬酸盐溶液作预备处理，再 用橡胶系接著剂或环氧系接著剂等接著，但其接著力仍非很令人 满意。 6、浇口的位置、浇口的位置 v正确的浇口位

46、置正确的浇口位置 v错误地选择浇口体系的类型和，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。 v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。 v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） v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。 制品在不同方向上的性能测定制品在不同方向上的性能

47、测定 v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。 由于熔合线和空气存集引起部件质量下降由于熔合线和空气存集引起部件质量下降 v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

48、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）。 v图图3 熔合线引起的熔合线引起的 强度降低强度降低 浇口位置选择不当引起的不利后果浇口位置选择不当引起的不利后果 v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

49、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。 v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）。 正确的浇口位置正确的浇口位置 v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。 浇口

50、设计基本设计原则：浇口设计基本设计原则： v不要将浇口置于高压力区域 v尽量避免或减少熔合线 v尽量使熔合线远离高压力区域 v对于增强型塑料，浇口位置决定零件的翘曲 性能 v提供足够的排气口以避免空气存集 7、节约成本设计、节约成本设计 v价格是一个设计要素价格是一个设计要素 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。 v多功能一体化设计多功能一体化设计 将几种功能汇集在一个零部件上，可减少零件数量。 v运

51、用低成本组装技术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。 v利用自润滑特性利用自润滑特性 减少对额外和持续润滑油的需要 v免却表面处理程序免却表面处理程序 塑料能着色、耐化学品和耐腐蚀、电器及热绝缘等 性质。 v结核作用结核作用 同系列的原材料有不同的结晶周期，这是因为结核 剂在熔融冷却阶段产生加速结晶效果。 成品设计影响成本 v除了以上提到的，注意以下各点能够进一步节约成本。 v壁厚壁厚 优化壁厚分配可以影响原料成本，节省生产时间。 模具模具 双面模具可以减少对开数量。 公差公差 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， 按生产各步骤成本比较按生产各步骤成本比较 v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。 设计决定生产成本设计决定生产成本 v壁厚的增加并不总能增大强度，却意味着 生产和原料成本的增加。 v半结晶性热塑性塑料在 固化时容积