塑料结构件设计规范.doc

第一章 塑料制品的结构设计塑料制品的结构设计又称塑料制品的功能特性设计或塑料制品的工艺性。1.1 塑料制品设计的一般程序和原则1.1.1 塑料制品设计的一般程序1、具体了解塑料制品的功能、环境条件和载荷条件2、选定塑料品种3、制定初步设计方案，绘制制品草图（形状、尺寸、壁厚、加强筋、孔的位置等）4、样品制造、进行模拟实验或实际使用条件的实验5、制品设计、绘制正规制品图纸6、编制文献，涉及塑料制品设计说明书和技术条件等。1.1.2 塑料制品设计的一般原则1、在选料方面需考虑：(1) 塑料的物理机械性能，如强度、刚性、韧性、弹性、吸水性以及相应力的敏感性等；(2) 塑料的成型工艺性，如流动性、结晶速率，对成型温度、压力的敏感性等；(3) 塑料制品在成型后的收缩情况，及各向收缩率的差异。2、在制品形状方面：能满足使用规定，有助于充模、排气、补缩，同时能适应高效冷却硬化（热塑性塑料制品）或快速受热固化（热固性塑料制品）等。3、在模具方面：应考虑它的总体结构，特别是抽芯与脱出制品的复杂限度。同时应充足考虑模具零件的形状及其制造工艺，以便使制品具有较好的经济性。4、在成本方面：要考虑注射制品的利润率、年产量、原料价格、使用寿命和更换期限，尽也许减少成本。1.2 塑料制品的收缩塑料制品在成型过程中存在尺寸变小的收缩现象，收缩的大小用收缩率表达。式中S收缩率； L0室温时的模具尺寸； L室温时的塑料制品尺寸。影响收缩率的重要因素有：(1) 成型压力。型腔内的压力越大，成型后的收缩越小。非结晶型塑料和结晶型塑料的收缩率随内压的增大分别呈直线和曲线形状下降。(2) 注射温度。温度升高，塑料的膨胀系数增大，塑料制品的收缩率增大。但温度升高熔料的密度增大，收缩率反又减小。两者同时作用的结果一般是，收缩率随温度的升高而减小。(3) 模具温度。通常情况是，模具温度越高，收缩率增大的趋势越明显。(4) 成型时间。成型时保压时间一长，补料充足，收缩率便小。与此同时，塑料的冻结取向要加大，制品的内应力亦大，收缩率也就增大。成型的冷却时间一长，塑料的固化便充足，收缩率亦小。(5) 制品壁厚。结晶型塑料(聚甲醛除外)的收缩率随壁厚的增长而增长，而非结晶型塑料中，收缩率的变化又分下面几种情况：ABS和聚碳酸酯等的收缩率不受壁厚的影响；聚乙烯、丙烯腈苯乙烯、丙烯酸类等塑料的收缩率随壁厚的增长而增长；硬质聚氯乙烯的收缩率随壁厚的增长而减小。(6) 进料口尺寸。进料口尺寸大，塑料制品致密，收缩便小。(7) 玻璃纤维等的填充量。收缩率随填充量的增长而减小。表2-1、表2-2、表2-3为常用塑料的成型收缩率。1.3 脱模斜度脱模斜度：为便于脱模，塑料制品壁在出模方向上应具有倾斜角度，其值以度数表达（参见表2-4）。1.3.1 脱模斜度拟定要点(1) 制品精度规定越高，脱模斜度应越小。(2) 尺寸大的制品，应采用较小的脱模斜度。(3) 制品形状复杂不易脱模的，应选用较大的斜度。(4) 制品收缩率大，斜度也应加大。(5) 增强塑料宜选大斜度，具有自润滑剂的塑料可用小斜度。(6) 制品壁厚大，斜度也应大。(7) 斜度的方向。内孔以小端为准，满足图样尺寸规定，斜度向扩大方向取得；外形则以大端为准，满足图样规定，斜度向偏小方向取得。一般情况下脱模斜度。可不受制品公差带的限制，高精度塑料制品的脱模斜度则应当在公差带内。脱模斜度值可按表2-4选取。由表中可以看出，塑料硬脆、刚性大的，脱模斜度规定大。具有以下条件的型芯，可采用较小的脱模斜度：(1) 顶出时制品刚度足够。(2) 制品与模具钢材表面的摩擦系数较低。(3) 型芯表面的粗糙度值小，抛光方向又与制品的脱模方向致。(4) 制品收缩量小，滑动摩擦力小。1.3.2 制品脱模斜度设计1、箱体与盖类制品（图2-1）当H50mm时，S/H=1/301/50当50H100mm时，S/H1/602、格子板形制品（图2-2）当格子的间距P4mm时，脱模斜度=1/10P。格子C尺寸越大，脱模斜度越大。当格子高度H超过8mm，脱模斜度不能取太大值时，可采用图(b)的形式，使一部分进入动模一侧，从而使脱模斜度满足规定。3、带加强筋类制品（图2-3）A=(1.01.8)T mm；B=(0.50.7)T mm4、底筋类制品（图2-4）A=(1.01.8)T mm；B=(0.50.7)T mm5、凸台类制品（图2-5、表2-5）高凸台制品（H30mm）的脱模斜度：型芯：型腔：型芯的脱模斜度应大于型腔。6、最小脱模斜度（表2-6）脱模斜度影响制品的脱出情况。假如脱模斜度很小，脱模阻力增大，顶出机构就会失去作用。在一般情况下，不能小于最小脱模斜度，以防止制品留模。1.4 制品壁厚拟定合适的制品壁厚是制品设计的重要内容之一。1.4.1 制品壁厚的作用(1) 使制品具有拟定的结构和一定的强度、刚度，以满足制品的使用规定。(2) 成型时具有良好的流动状态（如壁不能过薄）以及充填和冷却效果（如壁不能太厚)(3) 合理的壁厚使制品能顺利地从模具中顶出。(4) 满足嵌件固定及零件装配等强度的规定。(5) 防止制品翘曲变形。1.4.2 制品壁厚的设计基本原则均匀壁厚。即：充模、冷却收缩均匀、形状性好、尺寸精度高、生产率高。(1) 在满足制品结构和使用规定的条件下，尽也许采用较小的壁厚。(2) 制品壁厚的设计，要能承受顶出装置等的冲击和振动。(3) 在制品的连接固紧处、嵌件埋入处、塑料熔体在孔窗的汇合（熔接痕）处，要具有足够的厚度。(4) 保证贮存、搬运过程中强度所需的壁厚。(5) 满足成型时熔体充模所需壁厚，既要避免充料局限性或易烧焦的薄壁，又要避免熔体破裂或易产生凹陷的厚壁。制品上相邻壁厚差的关系(薄壁：厚壁)为：热固性塑料：压制1：3，挤塑1：5热塑性塑料：注塑1：1.5(2)当无法避免不均匀的壁厚时，制品壁厚设计可采用逐步过渡的形式（图2-6，图2-7），或者改制成两个制品然后再装配为一个制品（图2-8）等方法。制品壁厚的设计可参照表2-7表2-11。1.5 加强筋(含凸台、角撑) 1.5.1 加强筋的作用(1) 在不加大制品壁厚的条件下，增强制品的强度和刚性，以节约塑料用量，减轻重量，减少成本。(2) 可克服制品壁厚差带来的应力不均所导致的制品歪扭变形。(3) 便于塑料熔体的流动，在塑料制品本体某些壁部过薄处为熔体的充满提供通道。1.5.2 加强筋的形状及尺寸塑料制品上加强筋和凸台的形式和应用如图2-9，图2-10所示。加强筋尺寸参数如图2-11，图2-12所示。凸台的形状及尺寸参数如图2-13图2-15所示。角撑位于制品边沿，支撑制品壁面，以增长强度及刚度，尺寸参数如图2-16所示。1.5.3 加强筋的设计要点(1) 用高度较低、数量稍多的筋代替高度较高的单一加强筋，避免厚筋底冷却收缩时产生表面凹陷（图2-17、图2-18）。当筋的背面出现凹陷影响美观时，可采用图2-19所示的装饰结构予以遮掩。(2) 筋的布置方向最佳与熔料的充填方向一致（见表2-12中示例）。(3) 筋的根部用圆弧过渡，以避免外力作用时产生应力集中而破坏。但根部圆角半径过大则会出现凹陷。(4) 一般不在筋上安顿任何零件。(5) 位于制品内壁的凸台不要太靠近内壁，以避免凸台局部熔体充填局限性(图2-20)。加强筋在防止制品变形、增长制品刚性方面的应用如图2-21图2-22所示。加强筋设计注意的问题参见表2-12。1.6 支承面制品的支承面不能是整个底面，而应采用凸边或凸起支脚类结构，如三点支承、边框支承等，如图2-23图2-26所示。1.7 圆 角制品的两相交平面之间尽也许以圆弧过渡，避免因锐角而导致应力集中档弊病（参见图2-27图2-30）。制品圆角的作用有：(1) 分散载荷，增强及充足发挥制品的机械强度。(2) 改善塑料熔体的流动性，便于充满与脱模，消除壁部转折处的凹陷等缺陷。(3) 便于模具的机械加工和热解决，从而提高模具的使用寿命。1.8 孔1.8.1 制品孔的形式及成型方法孔的形式很多，重要可分为圆形孔（图2-31、图2-32）和非圆形孔两大类。根据孔径与孔深度的不同，孔可用下述方法成型：(1) 一般孔、浅孔，模塑成型。(2) 深孔，先模塑出孔的一部分深度，其余孔深用机械加工（如钻孔）获得。(3) 小径深孔（如孔径d1.5mm），机械加工。(4) 小角度倾斜孔、复杂型孔，采用拼合型芯成型，避免用侧抽芯。(5) 薄壁孔、中心距精度高的孔（孔系），采用模具冲孔，以简化塑模结构。1.8.2 孔的模塑成型1、盲孔成型（型芯一端固定，参见图2-33、图2-34）图中，D孔径、L孔深注射、传递模塑 D1.5mm，LDD1.5mm，L(24)D压缩模塑 L(22.5)D2、通孔的成型（图2-35图2-38）3、复杂型孔的成型（图2-39）4、孔的成型尺寸参数（表2-13表2-15）1.8.3 孔的设计要点(1) 孔与孔的中心距应大于孔径（两者中的小孔）的2倍，孔中心至边沿的距离为孔径的3倍。热塑性和热固性塑料制品的孔心距、孔边距还可参见图2-40和表2-16。(2) 孔周边的壁厚要加大，其值比与之相装配件的外径大2040，以避免收缩应力所导致的不良影响。(3) 制品壁上的孔（即孔轴线与开模方向相垂直），为避免侧向抽芯，可用图2-41中的侧壁凹槽代替。但图中的m-n面的加工难度加大。(4) 塑料熔体围绕型芯流动汇合而形成塑料制品孔时，会在孔的边沿熔体汇合处形成熔接痕（图2-42），熔接痕的存在削弱了制品的强度。解决的措施有：1) 孔与孔之间应适当加大距离，以避免熔接痕的重合连接（图2-42）。2) 型孔按盲孔设计，留有1/3壁厚的连皮，以便让熔体从型芯头上越过，使之不出现熔体汇合的熔接痕。最后钻（冲）掉孔的连皮（图2-43）。3) 热塑性塑料和层压酚醛塑料的薄壁孔形件（如散热器窗），可用冲裁模冲压出型孔。(5) 需要钻孔的制品，模塑孔时应做出钻头的定位或导向部分的形状（图2-44和图2-45）。(6) 自攻螺纹孔、沉头螺钉孔的锥面孔，为防止孔表面破裂，锥面始端距表面应不小于0.5mm（图2-46）。表2-17中列出了常见孔的设计注意事项。1.9 侧面凸凹和侧孔1.9.1 制品的侧凸凹制品侧壁上局部的凸出或凹缺部分称为侧凸凹，形式见图2-47。侧凸凹制品成型中的不利点：(1) 模具结构复杂，需采用对开式型腔、伸缩式型芯、侧向抽芯等结构。(2) 模具制造费用加大，制造周期加长。(3) 制品模塑周期加长，生产成本增长。(4) 模具分型面缝隙溢料机会增多，制品的飞边大。1.9.2 侧凸凹的设计与成型方法(1) 制品形状成型准则：各部分都能顺利地、简朴地从塑模中取出来，力求避免带有侧抽芯机构成型的侧凸凹形状。表2-18为制品侧凸凹设计示例。(2) 消除制品侧凸凹的设计（图2-48）。(3) 采用拼合及活动型芯成型侧凸凹（图2-49）。(4) 弹性制品侧面凸凹的强制脱模（图2-50图2-52）。运用塑料的弹性变形和凸凹深度尺寸不大的特点，强制性地将制品从模中脱出。(5) 侧面凸凹在成形后经组合而得，或采用机械加工方法加工而成。图2-53为模塑后钻出侧孔的一例。1.10 螺纹和齿轮1.10.1 塑料制品螺纹的类型与选用(图254)。(1) 标准螺纹。标准螺纹是制品的模塑螺纹和攻制螺纹常用的结构形式。这类螺纹装拆简便、快速，广泛用于联接与紧固。(2) 方形螺纹。方形螺纹联接强度高，用于管件制品的联接。(3) 梯形螺纹。梯形螺纹联接强度高，成型较方形螺纹容易，用于泵壳等处高强度联接。(4) 锯齿形螺纹。这种螺纹具有方形螺纹的联接效率和V形螺纹的强度，沿轴向有较高的应力。用于单向受力及软质瓶口联接，应用面较窄。(5) 圆弧形螺纹（瓶口螺纹）。由玻璃瓶口螺纹移植而来，螺纹根部不产生应力集中，旋出旋入十分方便。成型时还可采用强制脱出法脱模。(6) V形螺纹（三角形螺纹）。V形螺纹联接强度低，螺纹牙尖部分难于充满成型，小螺距（0.7mm）螺纹不宜模塑。1.10.2 塑料制品螺纹的模塑成型方法这是塑料螺纹成型的重要方法，用于螺纹外径大于3mm、配合长度短（30mm）、精度低的螺纹。方法一：采用螺纹型芯（螺纹型环）成型。需要有旋转退出制品或模具的机构及工具。配合长度大的螺纹及收缩大的制品不宜用。方法二：瓣合模具成型。螺纹轴向也许产生飞边（见图2-55），因而影响旋合性。方法三：整体型芯（型环）成型，成型后强制脱模。用于软质塑料成型（图2-56）。1.10.3 塑料制品螺纹设计要点(1) 为使螺纹牙尖充填饱满、便于脱模以及在使用中有较好的旋合性，模塑螺纹的螺距应0.75mm，螺纹配合长度12mm，超过时宜采用机械加工。(2) 塑料螺纹与金属螺纹，或与异种塑料螺纹相配合时，螺牙会因收缩不均互相干涉，产生附加应力而影响联接性能。解决的办法有：1) 限制螺纹的配合长度，其值小于或等于1.5倍螺纹直径。2) 增大螺纹中径上的配合间隙，其值视螺纹直径而异，一般增大的量为0.10.4mm。(3) 塑料螺纹的第一圈易碰坏或脱扣，应设立螺纹的退刀尺寸（参见图2-57、图2-58和表2-l0）。(4) 为了便于脱模，螺纹的前后端都应有一段无螺纹的圆柱面（图2-59、图2-60），其长度为h1和h2，前端直径d小于螺纹小径，后端直径D大于螺纹的大径。图2-61为此种结构的应用举例。(5) 同一制品上前后两段螺纹的螺距应相等，旋向相同，目的是便于脱模（见图2-62a）。若不相同，其中一段螺纹则应采用组合型芯成型（图2-62b）。(6) 塑料制品瓶口螺纹的结构及尺寸见表2-20表2-23。图2-63和图2-64为软质塑料所用的锯齿形螺纹。1.10.4 塑料齿轮(1) 塑料齿轮用于精度及强度不太高的传动系统，其噪声低，自润滑性好，结构尺寸见表2-24。(2) 结构上应减少或避免尖角，避免截面的剧烈变化，以防止应力集中和冷却收缩不均（图2-65）。(3) 装配时轴与孔间应采用过渡配合，避免过紧的配合（如过盈配合）所产生的装配应力（图2-66）。(4) 塑料的收缩会影响啮合性能，故只宜用于收缩率相同的塑料齿轮的传动。1.11 塑料制品中的嵌件塑料成型过程中所埋入的或成型后压入的螺栓、接线柱等金属或其它材质零件，统称为塑料制品中的嵌件。嵌件可增长制品的功能或对制品进行装饰。嵌件的模塑使操作变繁，周期加长，生产率减少（带有自动装夹嵌件的机械手或自动线不在此列）。1.11.1 嵌件的结构形式1、常见的金属嵌件（图2-67）2、嵌件的形状及结构规定(1) 金属嵌件采用切削或冲压加工而成，因此嵌件形状必须有良好的加工工艺性。图2-68为常用嵌件的标准形式。(2) 具有足够的机械强度（材质、尺寸）。(3) 嵌件与塑料基体间有足够的结合强度，使用中不拔出、不旋转。嵌件表面需有环形沟槽或交叉花纹（参见图2-68）；嵌件不能有尖角，避免应力集中引起的破坏；尽也许采用圆形或对称形状的嵌件，保证收缩均匀。(4) 为便于在模具中安放与定位，嵌件的外伸部分（即安放在模具中的部分）应设计成圆柱形，由于模具加工圆孔最容易（图2-69）。(5) 模塑时应能防止溢料，嵌件应有密封凸台等结构（图2-70）。(6) 便于模塑后嵌件的二次加工，如攻螺纹、端面切削、翻边等。图2-71a即为模塑后再翻边的嵌件结构。(7) 特殊嵌件的结构参见图2-71。3、嵌件材料铜、铝、钢、硬质异种塑件、陶瓷、玻璃等都可作为嵌件材料，其中，黄铜不生锈、耐腐蚀、易加工且价格适中，是嵌件的常用材料。1.11.2 嵌件在塑料制品中的固定(1) 为避免制品底部过薄出现波纹形缩痕而影响外观及强度，应取嵌件底面距制品壁面的最小距离TD/6（图2-72）。(2) 嵌件与制品侧壁的间距不能过小，以保证模具有一定的强度（图2-73）。 (3) 凸台中设立嵌件时，为保证嵌件结合稳定以及塑料基体的强度，嵌件应伸人到凸台的底部（需保证最小底厚），嵌件头部作成圆角（图2-74）。(4) 小型圆柱形嵌件可用中间开槽或表面菱形滚花结构植于塑料基体之中（图2-75），滚花槽深12mm。(5) 板、片状嵌件可用孔窗固定法固定，但薄形嵌件（厚度小于0.5mm）宜用切口或打弯的方法固定（图2-76）。(6) 杆形嵌件可用将头部打扁、冲缺、压弯、劈叉等形式固定（图2-77），也可用将圆杆的中间部分压扁的方法固定（图2-78）。(7) 管形冲压嵌件，可在冲压时加工出膨凸部分，用以增强紧固力（图2-79）。1.11.3 嵌件在模具中的安放与定位1、嵌件的安放、定位规定(1) 不能因设备的运动或振动而松动甚至脱落。(2) 在高压塑料熔体的冲击下不产生位移和变形。(3) 嵌件与模具的配合部分应能防止溢料，避免出现毛刺，影响使用性能。2、轴类嵌件的安放定位（图2-80）3、孔类嵌件的安放定位（图2-81图2-83）4、细长嵌件的安放定位细长嵌件的轴线与料流方向垂直时，易产生弯曲变形，需用销轴等支承，以增长其刚性（图2-84）。注意，附加的支承孔不应影响制件的使用。1.11.4 嵌件周边塑料的裂纹和联接强度1、裂纹产生的因素(1) 塑料收缩的内应力和自然老化（图2-85）。(2) 嵌件的结构和安放位置不合理（图2-86）。2、保证连接强度的必要条件最小壁厚（表2-25）1.11.5 装配式嵌件（制品模塑后再装入嵌件）(1) 饭金加工（装配）法，如铆接（图2-87）、折弯（图2-88）。(2) 用工具将嵌件压入或旋入制品中（图2-89、图2-90）。(3) 热插法。热固性塑料制品出模时，在热态下将嵌件插入，冷却后即牢固地结合在一起（图2-91）。塑料收缩量应在其弹性范围内，否则塑料会裂开。(4) 其它装配方法。粘结：热固性塑料用环氧树脂粘结，热塑性塑料用溶剂类粘结剂粘结。超声波装配：热塑性塑料软化后压人。1.11.6 塑料嵌件（嵌件的外插注射模塑）在金属条料、卷料等已冲压零件的型孔内，模塑出小型塑料零件，使两者成为不可拆卸的组合件。这时，金属冲压件是重要零件，塑料件则是嵌件。常见的塑料嵌件为齿轮、凸轮、短轴等（图2-92）。外插注射模塑模具为三板式或点浇口的热流道模（图2-93）。1.12 塑料制品的凸凹纹（滚花）凸凹纹的作用：(1) 增大接触面积，防止使用中的滑动。(2) 装饰或掩盖制品的某些部位。(3) 增长装配时的结合牢固性。凸凹纹的设计要点：(1) 凸凹纹的条纹方向应与脱模方向一致，便于脱模（图2-94a、b）。(2) 条纹的间距应尽也许大些，便于模具制造及制品脱模，一般为3mm，最小不小于1.5mm，参见图2-94c中的S值。凸凹纹的宽度（图中的R1）不应小于0.30.5mm，高度(h)不应超过其宽度（h3/4R1）。(3) 凸凹纹截面形状多为半圆形，少数采用平顶的梯形（图2-95）。(4) 为了不削弱模具分型面的强度，以及便于修整制品飞边，设计凸凹纹时需要留出图2-96所示的0.8mm宽的平直部分。 (5) 表2-26和表2-27是凸凹纹各部设计的推荐尺寸，供参考。1.13 标记、符号塑料制品上的文字或符号的表现形式有：(1) 制品上为凸字（模具上为凹字）。便于用机械加工的方法加工模具，制模方便。但制品的凸字易碰坏（图2-97a）。(2) 制品上为凹字（模具上为凸字）。采用电火花、电铸、冷挤压等方法加工模具，制模费事。但制品上的凹字不易碰坏，还可在凹字内涂色（图2-97b）。(3) 文字、符号处单独做成镶块，便于更换（图2-97c）。文字、符号的尺寸参数见表2-28。透明制品上有凹入的文字时，塑料熔体流经模具上相应的凸出文字后会产生影响制品外观的熔接痕（图2-98）。消除措施是控制文字的深度，即字深：制品壁厚1：31.14 制品的尺寸精度1.14.1 尺寸精度的组成及影响因素制品尺寸误差构成：s十z十c十a式中制品总的成型误差；s塑料收缩率波动所引起的制品误差；z模具成型零件制造精度所引起的制品误差；c模具磨损后所引起的制品误差；a模具安装、配合间隙所引起的制品误差。一般有s1/3，z1/3，c1/6。影响制品尺寸精度的因素很多，彼此间又形成交叉影响：(1) 成型材料。影响制品尺寸精度的材料方面的因素有收缩率波动值，原料水分及挥发物含量，原料的配制工艺，原料的生产批号，分子量分布，结晶形态，保存方法和时间。(2) 成型条件。见图2-99影响制品尺寸精度的成型条件有：料筒温度、模具温度，注射量、注射速度，注射压力，保压时间、冷却时间，成型方式（注射、压制）。(3) 制品的形状和尺寸。形状复杂则收缩不均；壁厚变化大则收缩不均；大尺寸制品收缩总量大；斜度大则精度低。(4) 模具结构。图2-100中由模具直接决定的尺寸Dl、D3，其误差受模具制造精度、模具磨损量的支配；图2-101中模具间接决定的尺寸Hl、H2、Tl、T2，误差除受模具制造精度、磨损量的影响外，还受模具安装精度、设备状态的影响（见表2-29）。此外进料口尺寸大，收缩小；与料流方向平行的尺寸收缩大，与料流方向垂直的尺寸收缩小；分型面决定毛边的位置和方向，影响垂直于分型面的尺寸精度。模具装配，如型芯、顶杆的固定方法，模具的拼合，模具的加工等直接影响制品尺寸精度。模具的磨损，如型腔、型芯的磨损直接影响制品的精度。(5) 制造误差。模具制造误差将直接反映在制品上。(6) 成型后的条件。重要是指测量误差和存放误差。测量误差重要是由测量工具、测量方法、测量时间等因素导致的；存放方式不妥致使制品弯曲、扭曲，存放温度、湿度不妥使制品发生形状及尺寸变化。1.14.2 塑料制品尺寸公差塑料制品尺寸公差目前国际上尚无统一标准，我国也未制订出国家标准。现就常用的几种尺寸公差标准介绍如下。我国部分行业塑料制品尺寸公差标准，（见表2-30表2-32）。