产品结构设计准则.docx

产品构造设计准则-壁厚根本设计守则壁厚的大小取决於产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑胶材料而定。一般的热塑性塑料壁厚设计应以4mm 为限。从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料本钱，延长生产周期”冷却时间，增加生产本钱。从产品设计角度来看，过厚的产品增加引致产生空穴”气孔的可能性，大大减弱产品的刚 性及强度。最抱负的壁厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功能上的需求以致壁厚有所转变总是无可避开的。在此情形，由厚胶料的地方过渡到薄胶料的地方应尽可能顺滑。太突然的壁厚过渡转变会导致因冷却速度不同和产生乱流而造成尺寸不稳定和外表问题。对一般热塑性塑料来说，当收缩率”Shrinkage Factor低於 0.01mm/mm 时，产品可容许厚度的转变达 ；但当收缩率高於 0.01mm/mm 时，产品壁厚的转变则不应超过 。对一般热固性塑料来说，太薄的产品厚度往往引致操作时产品过热，形成废件。此外，纤维填充的热固性塑料於过薄的位置往往形成不够填充物的状况发生。不过，一些简洁流淌的热固 性塑料如环氧树脂”Epoxies等，如厚薄均匀，最低的厚度可达0.25mm。此外，承受固化成型的生产方法时，流道、浇口和部件的设计应使塑料由厚胶料的地方流向薄胶料的地方。这样使模腔内有适当的压力以削减在厚胶料的地方消灭缩水及避开模腔不能完全充填的现象。假设塑料的流淌方向是从薄胶料的地方流向厚胶料的地方，则应承受结 构性发泡的生产方法来减低模腔压力。平面准则在大部份热融过程操作，包括挤压和固化成型，均一的壁厚是格外的重要的。厚胶的地 方比旁边薄胶的地方冷却得比较慢，并且在相接的地方外表在浇口凝固後消灭收缩痕。更甚 者引致产生缩水印、热内应力、挠曲部份歪曲、颜色不同或不同透亮度。假设厚胶的地方渐变成薄胶的是无可避开的话，应尽量设计成渐次的转变，并且在不超过壁厚3:1 的比例下。以以以下图可供叁考。转角准则壁厚均一的要诀在转角的地方也同样需要，以免冷却时间不全都。冷却时间长的地方就会有收缩现象，因而发生部件变形和挠曲。此外，锐利的圆角位通常会导致部件有缺陷及应力集中，尖角的位置亦常在电镀过程後引起不期望的物料聚积。集中应力的地方会在受负载或撞击的时候裂开。较大的圆角供给了这种缺点的解决方法，不但减低应力集中的因素，且令流淌的塑料流得更畅顺和成品脱模时更简洁。以以以下图可供叁考之用。转角位的设计准则亦适用於悬梁式扣位。因这种扣紧方式是需要将悬梁臂弯曲嵌入，转角位置的设计图说明假设转角弧位R 太小时会引致其应力集中系数(Stress ConcentrationFactor)过大，因此，产品弯曲时简洁折断，弧位R 太大的话则简洁消灭收缩纹和空洞。因此，圆弧位和壁厚是有确定的比例。一般介乎0.2 至 0.6 之间，抱负数值是在 0.5 左右。壁厚限制不同的塑胶物料有不同的流淌性。胶位过厚的地方会有收缩现象，胶位过薄的地方塑料不易流过。其实大部份厚胶的设计可从使用加强筋及转变横切面外形取缔之。除了可减省物料以 致减省生产本钱外，取缔後的设计更可保存和原来设计相假设的刚性、强度及功用。以以以下图的金 属齿轮如改成使用塑胶物料，更改後的设计理应如图一般。此塑胶齿轮设计相对原来金属的设计不但减省材料，消取因厚薄不均引致的内应力增加及齿冠部份收缩引致整体齿轮变形的状况发生。不同材料的设计要点ABSa) 壁厚壁厚是产品设计最先被考虑，一般用於注塑成型的会在 1.5 mm (0.06 in) 至 4.5 mm (0.18 in)。 壁厚比这范围小的用於塑料流程短和细小部件。典型的壁厚约在2.5mm (0.1 in)左右。一般来说，部件愈大壁厚愈厚，这可增加部件强度和塑料充填。壁厚在3.8mm (0.15 in) 至 6.4mm (0.25 in)范围是可使用构造性发泡。b) 圆角建议的最小圆角半径是胶料厚度的25%，最适当的半径 胶料厚比例在 60%。略微的增加半径就能明显的减低应力。PCa) 壁厚壁厚大部份是由负载要求 内应力 几何外形 外型 塑料流量 可注塑性和经济性来决定。PC 的建议最大壁厚为 9.5mm (0.375 in)。假设要效果好，则壁厚应不过 3.1mm (0.125 in)。在一些需要将壁厚增加使强度加强时，肋骨和一些补强构造可供给一样结果。PC 大部份应用的最小壁厚在 0.75 mm(0.03 in)左右，再薄一些的地方是要取决於部件的几何和大小。短的塑料流程是可以到达 0.3 mm (0.012 in) 壁厚。壁厚由厚的过渡到薄的地方是要尽量使其畅顺。全部状况塑料是从最厚的地方进入模腔内，以避开缩水和内应力。均一的壁厚是要很重要的。不管在平面转角位也是要到达这种要求，可削减成型後的变型问题。LCPa) 壁厚由於液晶共聚物在高剪切状况下有高流淌性，所以壁厚会比其它的塑料薄。最薄可达 0.4mm，一般厚度在 1.5mm 左右。PSa) 壁厚一般的设计胶料的厚度应不超过4mm ，太厚的话会导致延长了生产周期。因需要更长的冷却时间，且塑料收缩时有中空的现象，并减低部件的物理性质。均一的壁厚在设计上是最抱负的，但有需要将厚度转变时，就要将过渡区内的应力集中除去。 如收缩率在 0.01 以下则壁厚的转变可有 的变化。假设收缩率在 0.01 以上则应只有 的转变。b) 圆角在设计上直角是要避开。直角的地方有如一个节点，会引致应力集中使抗撞击强度降低。圆角的半径应为壁厚的 25%至 75%，一般建议在 50%左右。PAa) 壁厚尼龙的塑胶零件设计应承受构造所需要的最小厚度。这种厚度可使材料得到最经济的使用。壁厚尽量能全都以消退成型後变型。假设壁厚由厚过渡至薄胶料则需要承受渐次变薄的方式。b) 圆角建议圆角R 值最少 0.5mm (0.02 in)，此一圆角一般佳可承受，在有可能的范围，尽量使用较大的R 值。因应力集中因素数值由于 R/T 之比例由 0.1 增至 0.6 而削减了 50% ，即由 3 减至 1.5 。而最正确的圆角是为R/T 在 0.6 之间。PSUa) 壁厚常用於大型和长流距的壁厚最小要在2.3mm (0.09in)。细小的部件可以最小要有 0.8 mm (0.03in) 而流距应不行超过 76.2 mm (3 in)PBTa) 壁厚壁厚是产品本钱的一个因素。薄的壁厚要视乎每种塑料特性而定。设计之前宜先了解所 使用塑料的流淌长度限制来打算壁厚。负载要求时常是打算壁厚的，而其它的如内应力，部 件几何外形，不均一化和外形等。典型的壁厚介乎在0.76mm 至 3.2mm (0.03 至 0.125in)。壁厚要求均一，假设有厚薄胶料的地方，以比例3:1 的锥巴渐次由厚的地方过渡至薄的地方。b) 圆角产品构造设计准则-支柱 ( Boss )支柱突出胶料壁厚是用以装配产品、隔开物件及支撑承托其他零件之用。空心的支柱可以用来嵌入件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够强度支持压力而不致於裂开。支柱尽量不要单独使用，应尽量连接至外壁或与加强筋一同使用，目的是加强支柱的强度及使胶料流淌更顺畅。此外，因过高的支柱会导致塑胶部件成型时困气，所以支柱高度一般是不会超过支柱直径的两倍半。加强支柱的强度的方法”尤其是远离外壁的支柱，除了可使用加强筋外，三角加强块”Gusset plate 的使用亦格外常见。一个品质好的螺丝/支柱设计组合是取决於螺丝的机械特性及支柱孔的设计，一般塑胶转角消灭尖角所导致部件的破坏最常见的现象，增加圆角是加强塑胶部件构造的方法之一。假设将应力削减 5% (由 3 减至 1.5) 则圆角与壁厚的比例由 0.1 增加至 0.6。而 0.6 是建议的最抱负表现。产品的料厚尺寸是缺乏以承受大部份紧固件产生的应力。固此，从装配的考虑来看，局部增 加胶料厚度是有需要的。但是，这会引致不良的影响，如形成缩水痕、空穴、或增加内应力。 因此，支柱的导入孔及穿孔”避空孔的位置应与产品外壁保持一段距离。支柱可远离外壁独 立而处或使用加强筋连接外壁，後者不但增加支柱的强度以支撑更大的扭力及弯曲的外力， 更有助胶料填充及削减因困气而消灭烧焦的状况。同样理由，远离外壁的支柱亦应辅以三角 加强块，三角加强块对改善薄壁支柱的胶料流淌特别适用。收缩痕的大小取决於胶料的收缩率、成型工序的叁数把握、模具设计及产品设计。使用 过短的哥针、增加底部弧度尺寸、加厚的支柱壁或外壁尺寸均不利於收缩痕的削减；不幸地， 支柱的强度及抵受外力的力气却随着增加底部弧度尺寸或壁厚尺寸而增加。因此，支柱的设 计必要从这两方面取得平衡。1) 支柱位置 2) 支柱设计不同材料的设计要点ABS一般来说，支柱的外径是内径的两倍已足够。有时这种方式结果支柱壁厚等於或超过胶料厚度而增加物料重量和在外表产生缩水纹及高成型应力。严格的来说支柱的厚度应为胶料厚度的 50-70%。 如因此种设计方式而支柱不能供给足够强度，但已改善了外表缩水。斜骨是可以加强支柱的强度，可由最小的尺寸伸延至支柱高的90%。假设柱位置接近边壁，则 可用一条肋骨将边壁和柱相互连接来支持支柱。PBT支柱通常用於机构上装配，如收螺丝、紧压协作、导入装配等多数情形，支柱外径是内孔径的两倍就足够强壮。支柱设计有如肋骨设计的观念。太厚的切面会产生部件外缩水和内 部真空。支柱的位置在边壁旁时可利用肋骨相连，则内孔径的尺寸可增至最大。PC支柱是大部份用来作装配产品用，有时用作支撑其它物件或隔开物体之用。甚至一些很细小的支柱最终会热溶後作内部零件固定用。一些放於边位的支柱是需耍一些肋骨作为相互依附，以增加支柱强度。PS支柱通常用於打入件，收螺丝，导向针，攻牙或作紧迫协作。可能情形之下避开独立一支支柱而无任何支撑。应加一些肋骨以加强其强度。假设支柱离边壁不远应以肋骨将柱和边相 连在一起。PSU支柱是用作连接两件部件的。其外径应是内孔径的两倍，高度不应超过外径的两倍。产品构造设计准则-扣位 ( Snap Joints )根本设计手则扣位供给了一种不但便利快捷而且经济的产品装配方法，由于扣位的组合部份在生产成品的时候同时成型，装配时无须协作其他如螺丝、介子等紧锁配件，只要需组合的两边扣位相互协作扣上即可。扣位的设计虽可有多种几何外形，但其操作原理大致一样：当两件零件扣上时，其中一件零件的勾形伸出部份被相接零件的凸缘部份推开，直至凸缘部份完结为止；及後，藉着塑胶的弹性，勾形伸出部份即时复位，其後面的凹槽亦即时被相接零件的凸缘部份嵌入，此倒扣位置立时形成相互扣着的状态，请参考扣位的操作原理图。扣位的操作原理如以功能来区分，扣位的设计可分为成永久型和可拆卸型两种。永久型扣位的设计便利装上但不简洁拆下，可拆卸型扣位的设计则装上、拆下均格外便利。其原理是可拆卸型扣位的勾形伸出部份附有适当的导入角及导出角便利扣上及分别的动作，导入角及导出角的大小直接影响扣上及分别时所需的力度，永久型的扣位则只有导入角而没有导出角的设计，所以一经扣上，相接部份即形成自我锁上的状态，不简洁拆下。请叁考永久式及可拆卸式扣位的原理图。永久式及可拆卸式扣位的原理假设以扣位的外形来区分，则大致上可分为环型扣、单边扣、球形扣等等， 球型扣可拆卸式扣位的设计一般是离不开悬梁式的方法，悬梁式的延长就是环型扣或球型扣。所谓悬 梁式，其实是利用塑胶本身的挠曲变形的特性，经过弹性回复返回原来的外形。扣位的设计 是需要计算出来，如装配时之受力，和装配後应力集中的渐变行为，是要从塑料特性中考虑。常用的悬梁扣位是恒等切面的，假设要悬梁变形大些可承受渐变切面，单边厚度可渐减至原来 的一半。其变形量可比恒等切面的多百分之六十以上。不同切面形式的悬梁扣位及其变形量之比较扣位装置的弱点是扣位的两个组合部份：勾形伸出部份及凸缘部份经屡次重覆使用後简洁产生变形，甚至消灭断裂的现象，断裂後的扣位很难修补，这状况较常消灭於脆性或掺入纤维的塑胶材料上。由于扣位与产品同时成型，所以扣位的损坏亦即产品的损坏。补救的方法是将扣位装置设计成多个扣位同时共用，使整体的装置不会由于个别扣位的损坏而不能运作，从而增加其使用寿命。扣位装置的另一弱点是扣位相关尺寸的公差要求格外严谨，倒扣 位置过多简洁形成扣位损坏；相反，倒扣位置过少则装配位置难於把握或组合部份消灭过松的现象。不同材料的设计要点PA免时，特别的造模零件是可以达致以上效果。另一种可得到倒扣效果的设计是考虑塑胶物料的特性。利用塑胶松软的变型，将倒扣的地方强顶出模具，但通常要留意不会把倒扣的地方括伤。以下是扣位的计算方式。尼龙的百份比在5% 左右。脱模角大一点和倒扣的地方离底部高时是可有 10%。PBT扣位有分内扣和外扣，外扣的可利用分模面做成，内扣的可用变形方式或对碰方式出模。内扣的可利用算式计算扣位百份率，一般在6%左右，玻璃充填的约在 1%左右。PBT 外扣位设计方式PBT 用对碰方式的内扣方式PBT 内扣位设计的算法POM扣位必需为弧形或转角弧度要大，便利塑胶成品简洁滑过模具外表。并且削减脱落时应力集中的现象。内置扣位通常比外置扣位难脱模，因塑胶收缩时将模蕊抓紧，外置式的就刚好相反而易於脱模。较高的模具温度使成品较热，易於弯曲变形而易於顶出模具，POM 的扣位百份率可以比较大，可有 5%。POM 扣位的计算方式PS根本上扣位的设计是不鼓舞，但由於设计上的需要，则模具上使用凸轮、模蕊推出或其它装置以达成设计要求。产品构造设计准则-加强筋篇根本设计守则加强筋在塑胶部件上是不行或缺的功能部份。加强筋有效地如工字铁般增加产品的 刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，但没有如工字铁般消灭倒扣难於成型的外形 问题，对一些常常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适用。此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的支节部份很大的作用。加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制於一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度全都，两端相接产品的外壁，或只占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。要是加强筋没有接上产品外壁的话，末端部份亦不应突然终止，应当渐次地将高度减低，直至完结，从而削减消灭困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题常常发生在排气缺乏或封闭的位置上。加强筋一般的设计加强筋最简洁的外形是一条长方形的柱体附在产品的外表上，不过为了满足一些生产上或构造上的考虑，加强筋的外形及尺寸必要转变成如以下的图一般。缺图长方形的加强筋必需转变外形使生产更简洁加强筋的两边必需加上出模角以减低脱模顶出时的摩擦力，底部相接产品的位置必需加上圆角以消退应力集过份中的现象，圆角的 设计亦给与流道渐变的外形使模腔充填更为流畅。此外，底部的宽度须较相连外壁的厚度为 小，产品厚度与加强筋尺寸的关系图a 说明这个要求。图中加强筋尺寸的设计虽然已按合理的比例，但当从加强筋底部与外壁相连的位置作一圆圈R1 时，图中可见此部份相对外壁的厚度增加大约 50%，因此，此部份消灭缩水纹的时机相当大。假设将加强筋底部的宽度相对产品厚度削减一半(产品厚度与加强筋尺寸的关系图b)，相对位置厚度的增幅即减至大 约 20%，缩水纹消灭的时机亦大为削减。由此引伸出访用两条或多条矮的加强筋比使用单一条高的加强筋较为优胜，但当使用多条加强筋时，加强筋之间的距离必需较相接外壁的厚度大。加强筋的外形一般是细而长，加强筋一般的设计图说明设计加强筋的根本原则。留意 过厚的加强筋设计简洁产生缩水纹、空穴、变形挠曲及夹水纹等问题，亦会加长生产周期， 增加生产本钱。产品厚度与加强筋尺寸的关系除了以上的要求，加强筋的设计亦与使用的塑胶材料有关。从生产的角度看，材料的 物理特性如熔胶的黏度和缩水率对加强筋设计的影响格外大。此外，塑料的蠕动(creep)特 性从构造方面来看亦是一个重要的考虑因数。例如，从生产的角度看，加强筋的高度是受制 於熔胶的流淌及脱模顶出的特性(缩水率、摩擦系数及稳定性)，较深的加强筋要求胶料有较 低的熔胶黏度、较低的摩擦系数、较高的缩水率。另外，增加长的加强筋的出模角一般有助 产品顶出，不过，当出模角不断增加而底部的阔度维持不变时，产品的刚性、强度，与及可顶出的面积即随着削减。顶出面积削减的问题可从在产品加强筋部份加上数个顶出凸块或使 用较贵的扁顶针得以解决，同时在顶出的方向打磨光滑亦有助产品简洁顶出。从构造方面考 虑，较深的加强筋可增加产品的刚性及强度而无须大幅增加重量，但与此同时，产品的最高 和最低点的屈曲应力(bending stress)随着增加，产品设计员须计算并确定此部份的屈曲应力不会超出可承受的范围。从生产的角度考虑，使用大量短而窄的加强筋比较使用数个深而阔的加强筋优胜。模具生产时(尤其是首办模具)：加强筋的阔度(也有可能深度)和数量应尽量留有馀额，当试模时 觉察产品的刚性及强度有所缺乏时可适当地增加，由于在模具上去除钢料比使用烧焊或加上插入件等增加钢料的方法来得简洁及廉价。加强筋增加塑胶件强度的方法以下是加强筋被置於塑胶部件边缘的地方可以帮助塑料流入边缘的空间。置於塑胶部件边缘地方的加强筋不同材料的设计要点ABS削减在主要的部件外表上消灭缩水情形，肋骨的厚度应不行是相交的胶料厚度的50% 以上，在一些非打算性的外表肋骨厚度可最多到70% 。在薄胶料构造性发泡塑胶部件，肋骨可达相交面料厚的 80%。 厚胶料肋骨可达 100%。肋骨的高度不应高於胶料厚的三倍。当超过两条肋骨的时侯，肋骨之间的距离应不小於胶料厚度的两倍。肋骨的出模角应介乎单边至以便於脱模简洁。ABS 加强筋的设计要点PA单独的肋骨高度不应是肋骨底部厚度的三倍或以上。在任何一条肋骨的後面，都应当设置一些小肋骨或凹槽，因肋骨在冷却时会在反面造成凹痕，用那些肋骨和凹槽可以作装饰用途而消退缩水的缺陷。PBT厚的肋骨尽量避开以免产生气泡，缩水纹和应力集中。方式的考虑是会限制了肋骨尺寸。在壁厚於 3.2mm (1/8 in) 以下肋骨厚度不应超过壁厚的 60%。在壁厚超过 3.2mm 的肋骨不应超过 40%。肋骨高度应不超过骨厚的 3 倍。肋骨与胶壁两边的地方以一个0.5mm(0.02 in) 的 R 来相连接，使塑料流淌畅顺和减低内应力。PC一般的肋骨厚度是取决於塑料流程和壁厚。假设很多肋骨应用於补强作用，薄的肋骨是比厚的要好。PC 肋骨的设计可叁考以以以下图PS 的肋骨设计要点。PS肋骨的厚度不应超过其相接壁厚的50%。阅历告知我们违反以上的指引在外表上会出 现光泽不一现象。PS 置於中位的肋骨设计要点 PS 置於边位的肋骨设计要点PSU肋骨是可以增加了产品的撞击强度和利用最经济的本钱达致有效的结果。不良的设计是会使外表有收缩痕和非期望的撞击强度。