關(guān)于塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料成型注意事項(xiàng)

韓玲

（霍尼韋爾環(huán)境自控產(chǎn)品（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

工程塑料產(chǎn)品大部分是用注射成型方法加工而成的，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須在滿足使用要求、標(biāo)準(zhǔn)和符合塑料本身的特性前提下，盡可能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和模具、節(jié)省材料、便于成型。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到如下因素：

1 產(chǎn)品材料的選取及形狀設(shè)計(jì)

1.1 材料的選取

ABS：高流動(dòng)性，價(jià)格便宜，適用于對(duì)強(qiáng)度要求不太高的部件（不直接受沖擊，不承受可靠性測(cè)試中結(jié)構(gòu)耐久性測(cè)試的部件），如內(nèi)部支撐架（鍵板支架、LCD支架）等。還有就是普遍用在電鍍的部件上（如按鈕、側(cè)鍵、導(dǎo)航鍵、電鍍飾件等）。

PC+ABS：流動(dòng)性好，強(qiáng)度不錯(cuò)，價(jià)格適中，又稱 “合金鋼”。適用于高剛性、高沖擊韌性的部件，如框架、殼體等。

PC：高強(qiáng)度，價(jià)格貴，流動(dòng)性不好。適用于對(duì)強(qiáng)度要求較高的外殼、按鍵、鏡面、傳動(dòng)機(jī)架等。

POM：具有高的剛度和硬度、極佳的耐疲勞性和耐磨性、較小的蠕變性和吸水性、較好的尺寸穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、良好的絕緣性等。常用于滑輪、傳動(dòng)齒輪、渦輪、蝸桿、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)件等。

PA：堅(jiān)韌、吸水，但當(dāng)水分完全揮發(fā)后會(huì)變得脆弱。常用于齒輪、滑輪等。受沖擊較大的關(guān)鍵齒輪，需添加填充物。

PMMA：有極好的透光性，在光的加速老化240小時(shí)后仍可透過(guò)92%的太陽(yáng)光，室外十年仍有89%，紫外線達(dá)78.5%。機(jī)械強(qiáng)度較高，有一定的耐寒性、耐腐蝕、絕緣性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于成型，質(zhì)地較脆，常用于有一定強(qiáng)度的透明構(gòu)件，如鏡片、遙控窗、導(dǎo)光件等。

1.2 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

圖1 常見(jiàn)設(shè)計(jì)圖例Fig.1 Common design drawing

在保證使用要求及符合相關(guān)產(chǎn)品認(rèn)證的前提下，設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于流動(dòng)成型及脫模，盡量避免或者減少抽芯機(jī)構(gòu)，減少缺陷產(chǎn)生的幾率。如采用圖1常見(jiàn)設(shè)計(jì)圖例中（b）的結(jié)構(gòu)，不僅可大大簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，便于成型，且能提高生產(chǎn)效率。

2 產(chǎn)品的壁厚設(shè)計(jì)應(yīng)合理

塑料制件的壁厚取決于塑件的使用要求，太薄會(huì)造成制品的強(qiáng)度和剛度不足，受力后容易產(chǎn)生翹曲變形，成型時(shí)流動(dòng)阻力大，大型復(fù)雜的制品就難以充滿型腔。反之，壁厚過(guò)大，不但浪費(fèi)材料，而且加長(zhǎng)成型周期，降低生產(chǎn)率，還容易產(chǎn)生氣泡、縮孔、翹曲等疵病。因此制件設(shè)計(jì)時(shí)確定產(chǎn)品壁厚應(yīng)注意幾點(diǎn)：①在滿足使用要求的前提下，盡量減小壁厚，避免過(guò)設(shè)計(jì)；②制件的各部位壁厚盡量均勻，以減小內(nèi)應(yīng)力和變形；③承受緊固力部位必須保證壓縮強(qiáng)度；④避免過(guò)厚部位產(chǎn)生縮孔和凹陷；⑤成型頂出時(shí)能承受沖擊力的沖擊。國(guó)外的一些常用塑料的推薦壁厚如表1所示。

表1 常用塑料壁厚推薦Tab.1 Common plastic thickness recommend

3 必須設(shè)置必要的脫模斜度

為確保制件成型時(shí)能順利脫模，設(shè)計(jì)時(shí)必須在脫模方向設(shè)置脫模斜度，其大小與塑料性能、制件的收縮率和幾何形狀有關(guān)，對(duì)于工程塑料的結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，一般應(yīng)在保證順利脫模的前提下，盡量減小脫模斜度。脫模角的大小是沒(méi)有一定的準(zhǔn)則，多數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)和依照產(chǎn)品的深度來(lái)決定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的選擇也在考慮之列。一般來(lái)講，塑料產(chǎn)品的任何一個(gè)側(cè)壁都需要有一定的脫模斜度，以便產(chǎn)品從模具中取出。脫模斜度的大小可在0.2°至數(shù)度間變化，視周?chē)鷹l件而定，一般以0.5°至1°間比較理想。表2為根據(jù)不同材料而推薦的脫模斜度。具體確定脫模斜度時(shí)應(yīng)考慮幾點(diǎn)：①對(duì)于收縮率大的塑料制件應(yīng)選用較大的脫模斜度；②對(duì)于大尺寸制件或尺寸精度要求高的制件應(yīng)采用較小的脫模斜度；③制件壁厚較厚時(shí)，成型收縮增大，因此脫模斜度應(yīng)取大；④對(duì)于增強(qiáng)塑料脫模斜度宜取大；⑤含自潤(rùn)滑劑等易脫模塑料可取小；⑥一般情況下脫模斜度不包括在制件公差范圍內(nèi)。

表2 常用拔模斜度推薦Tab.2 Common draft angle recommend

4 強(qiáng)度和剛度不足可考慮設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋

為滿足制件的使用所需的強(qiáng)度和剛度單用增加壁厚的辦法，往往是不合理的，不僅大幅增加了制件的重量，而且易產(chǎn)生縮孔、凹痕等疵病，在制件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)筋，這樣能滿意地解決這些問(wèn)題，它能提高制件的強(qiáng)度、防止和避免塑料的變形和翹曲。設(shè)置加強(qiáng)筋的方向應(yīng)與料流方向盡量保持一致，以防止充模時(shí)料流受到攪亂，降低制件的韌性或影響制件外觀質(zhì)量。

4.1 制件設(shè)計(jì)成圓角轉(zhuǎn)角的優(yōu)點(diǎn)

在滿足使用要求的前提下制件的所有的轉(zhuǎn)角盡可能設(shè)計(jì)成圓角，或者用圓弧過(guò)渡。圓角具有以下特點(diǎn)：

（1）圓角可避免應(yīng)力集中，提高制件強(qiáng)度。在制件的轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在受力或受沖擊、振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，尤其像常用的工程塑料——聚碳酸酯，如果成型條件不當(dāng)或制件結(jié)構(gòu)不合理，則會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，特別容易產(chǎn)生應(yīng)力開(kāi)裂。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，當(dāng)圓角半徑小于制件壁厚0.3倍/時(shí)應(yīng)力集中急劇增大，當(dāng)大于壁厚0.8倍/時(shí)，應(yīng)力集中明顯變小。

（2）圓角可有利于充模和脫模。對(duì)于一些流動(dòng)性差的塑料或加入填料的塑料，制件設(shè)計(jì)圓角尤為重要，不僅可改善充模性能，而且可提高制品使用性能。

（3）圓角有利于模具制造，提高模具強(qiáng)度。制件上設(shè)計(jì)了圓角，模具的對(duì)應(yīng)部位也呈圓角，這就增加了模具的堅(jiān)固性，模具在淬火或使用時(shí)不致因應(yīng)力集中而開(kāi)裂，因而也增加了模具的強(qiáng)度。

應(yīng)根據(jù)制件的使用要求和塑料材料的特性合理確定制件的尺寸公差。圖2為常見(jiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)比圖。

圖2 常見(jiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)比圖Fig.2 Common design advantages and disadvantages comparison chart

4.2 影響塑料制件尺寸精度的因素

影響塑料制件尺寸精度的因素很多而且十分復(fù)雜，歸納起來(lái)主要有以下幾方面：

（1）塑料原料本身的特性，一般結(jié)晶型和半結(jié)晶型的塑料的收縮率比無(wú)定型的大，范圍也寬，因此制件尺寸精度也就有差異。（2）成型工藝條件如料溫、模溫、注射壓力、保壓壓力、塑化背壓、注射速度、成型周期等都會(huì)影響成型收縮率的大小和波動(dòng)范圍。

（3）模具的結(jié)構(gòu)如分型面選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、排氣、模具的冷卻和加熱等以及模具的剛度等都會(huì)影響制件尺寸精度。

（4）模具在使用過(guò)程中的磨損和模具導(dǎo)向部件的磨損也會(huì)直接影響制件的尺寸精度。因此在制件設(shè)計(jì)中正確合理確定尺寸公差是非常重要的。對(duì)于工程塑料制件、尤其是以塑代鋼的制件，設(shè)計(jì)者往往簡(jiǎn)單地套用機(jī)械零件的尺寸公差，這是很不合理的，許多工業(yè)化國(guó)家都根據(jù)塑料特性制定了塑料制件尺寸公差。我國(guó)也于1993年發(fā)布了GB/T14486－93《工程塑料模塑塑料件尺寸公差》，設(shè)計(jì)者可根據(jù)所用的塑料原料和制件使用要求，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定確定制件的尺寸公差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究重點(diǎn)是塑料產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型注意事項(xiàng)。結(jié)合工作實(shí)際情況，運(yùn)用塑料材料特性、注射成型中拔模等問(wèn)題，總結(jié)出常用的塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用實(shí)際舉例法說(shuō)明各種形狀結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)要注意的地方。也可以通過(guò)Pro/E WILDFIRE 5.0軟件的Mechanism模塊進(jìn)行有結(jié)構(gòu)應(yīng)力等分析，探索減少應(yīng)力的方法，提出一些塑料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。簡(jiǎn)化塑料件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程，增強(qiáng)產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)的可靠性，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。并將所得結(jié)論在集團(tuán)公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)中心推廣運(yùn)用。