進階篇：3.1）注塑件設計

時間 2019-12-07

標籤進階 3.1 注塑設計简体版

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本章目的：設計符合注塑（塑膠）工藝的零件，再也不犯簡單錯誤，沒必要再爲反覆修改模具而煩惱。html

1.基礎閱讀

①進階篇：2）DFMA方法的運用；微信

②須要一臺FDM3d打印機:請查看佈局

基礎篇：8）結構設計裝備必備；性能

2.注射成型（Injection Molding）工藝

注射成型（Injection Molding），簡稱注塑，是一種經過將材料注射到模具中製造零件的製造方法。是塑膠加工工藝的一種。學習

在這個過程當中，塑料被放置到料斗，而後料斗將塑料加熱注入，它是經過一長的腔室與一個往復螺桿推壓。以後，它被軟化成流體狀態。噴嘴位於腔室的末端，流體塑料經過噴嘴強制冷卻，閉合模具。當塑料冷卻和固化時，半成品從壓機中退出。優化

2.3 注塑工藝視頻

先看視頻理解，再去現場確認，這是基本的學習路子。

1）最小桌面注塑機

3.DFM注塑件設計指南

本節就開始介紹設計注塑件須要注意的設計指南。spa

3.1 注塑模具可行性設計

產品設計須要考慮注射模具結構的可行性和提升模具的使用壽命。.net

3.1.1 理解注塑的原理，設計符合注塑工藝的零件

做者反覆思量以後，可能對於新手或行業外的人，這一條反而是最早須要解釋的。若是之前是隻接觸金屬加工工藝的人，就須要特地去理解一下，什麼是注塑了：如上面的2.2小節的圖所示。不能用作機械加工的思路去作塑膠件，也不要去故意挑戰注塑工藝的極限，去搞專門作不出來的零件。翻譯

以下圖所示：設計

也許有些人會認爲這是一種創新，會強行要求供應商製造。但你出得起這種工藝的錢，別人也行，分分鐘會被其餘的對手抄襲，比較得不償失的。

3.1.2卡扣等結構應爲斜銷（或滑塊）預留足夠的退出空間

卡扣等結構是塑膠件經常使用的一種裝配方式,經過模具中的斜銷(或滑塊)側向抽芯結構成型而成。斜銷(或滑塊)在零件脫模時有一個從卡扣中退出的行程,零件的設計須要爲斜銷(或滑塊)的退出提夠足夠的運動空間,不然會出現斜銷(或滑塊)沒法退出或者斜銷(或滑塊)在退出過程當中與零件上其餘特徵(如支柱等)發生干涉的現象,如圖3-71所示。

3.1.3 避免模具出現薄鐵以及強度過低的設計

在塑膠件中,若是兩個特徵距離很是近,那麼在模具上相對應的部位就是一塊薄鐵,如圖3-72所示,這容易形成模具強度低、壽命短,所以須要避免在模具上出現薄鐵以及強度過低的設計。

3.2 零件壁厚

在塑膠件的設計中,零件壁厚是首先要考慮的參數,零件壁厚決定了零件的力學性能、零件的外觀、零件的可注射性以及零件的成本等。能夠說,零件壁厚的選擇和設計決定了零件設計的成功與失敗。

3.2.1 零件壁厚必須適中

因爲塑膠材料的特性和注射工藝的特殊性,塑膠件的壁厚必須在一個合適的範圍內,不能太薄,也不能太厚。
壁厚太薄,零件注射時流動阻力大,塑膠熔料很難充滿整個型腔,不得不經過性能更高的注射設備來得到更高的充填速度和注射壓力。
壁厚太厚,零件冷卻時間增長(據統計,零件壁厚增長1倍,冷卻時間增長4倍),零件成型週期增長,零件生產效率低;同時過厚的壁厚很容易形成零件產生縮水、氣孔、翹曲等質量問題。
不一樣的塑膠材料對塑膠件的合適壁厚有不一樣的要求,甚至不一樣塑膠材料生產商生產的同一種塑膠材料也可能存在不一樣合適壁厚要求。經常使用塑膠材料零件的合適壁厚範圍見表3-7。當塑膠件壁厚值接近表中的合適壁厚值的上下限時,產品設計工程師應當向塑膠材料生產商徵求意見。

3.2.2 儘可能減小零件壁厚

決定塑膠件壁厚的關鍵因素包括:
1)零件的結構強度是否足夠。通常來講,壁厚越厚,零件強度越好。但零件壁厚超過必定範圍時,因爲縮水和睦孔等質量問題的產生,增長零件壁厚反而會下降零件強度。
2)零件成型時可否抵抗脫模力。零件太薄,容易因頂出而變形。
3)可否抵抗裝配時的緊固力。
4)有金屬嵌件時,嵌件周圍強度是否足夠。通常金屬嵌件與周圍塑膠材料收縮不均勻,容易產生應力集中,強度低。
5)零件可否均勻分散所承受的衝擊力。
6)孔的強度是否足夠,孔的強度容易由於熔接痕影響而下降。
7)在知足以上要求的前提下,並且注射成型不會產生質量問題,塑膠件零件
壁厚應儘可能作到最小,由於較厚的零件壁厚不但會增長材料成本、增長零件重量,同時會延長零件成型的週期,從而增長生產成本。圖3-19所示爲某款ABS塑料零件壁厚與冷卻時間的關係。

爲了保證和提升零件強度,產品設計工程師每每傾向於選擇較厚的零件壁厚。

事實上,經過選擇較厚零件壁厚來保證和提升零件強度不是最好的方法。零件強度的提升能夠經過添加增強筋、設計曲線或波浪形的零件剖面等來得到,這不但能夠減小零件的材料浪費,也縮短了零件注射成型的週期。

3.2.3 零件壁厚均勻

最理想的零件壁厚分佈是在零件的任一截面上零件厚度均勻一致。不均勻的零件壁厚會引發零件不均勻的冷卻和收縮,從而形成零件表面縮水、內部產生氣孔、件翹曲變形、尺寸精度很難保證等缺陷。
常見塑膠件均勻壁厚設計的範例如圖3-20所示。

若是零件均勻壁厚不可能得到,那麼至少須要保證零件壁厚處與壁薄處有光滑的過渡,避免零件壁厚岀現急劇的變化。急劇變化的零件壁厚影響塑膠熔料的流動,容易在塑膠背面產生應力痕,影響產品外觀;同時易致使應力集中,下降塑膠件的強度,使得零件很難承受載荷或外部衝擊。

四種零件壁厚不均勻處的壁厚設計如圖3-21所示。

最差的壁厚設計見圖3-21a,零件壁厚出現急劇變化;

較好的壁厚設計見圖3-21b和3-21c,壁厚壁薄處均勻過渡,通常來講,過渡區域的長度爲厚度的3倍;

最好的壁厚設計見圖3-21d,不但零件壁厚光滑過渡,並且在零件壁厚處使用了掏空的設計,既能夠保證零件不發生縮水,又能夠保證零件強度。

3.2.4 軟件壁厚分析功能

關於塑膠件的壁厚，能夠用軟件的壁厚分析功能查看，更加直觀清晰。

3.3 避免尖角

塑膠件的內部和外部須要避免產生尖角，尖角會阻礙塑膠熔料的流動，容易產生外觀缺陷；同時在尖角處容易產生應力集中，下降零件強度，使得零件在承受載荷時失效。所以，在塑膠件的尖角處，應當添加圓角，使得零件光滑過渡。

//所以，結構工程師在3d模型上應該儘可能加上圓角。塑膠件開模時用的是3d圖。

3.3.1 避免在零件外部尖角(分模線處例外)

塑膠件外部圓角設計如圖3-22所示。

固然,避免零件外部尖角也不可一律而論。零件分型面處的圓角會形成模具結構複雜,增長模具成本,同時零件上容易出現斷差,影響外觀。在零件分型面處直角的設計較好,如圖3-23所示。

若是在鏈接處增長一段約1.5m的平面,在飛邊和澆口的去除過程當中,飛邊和澆口很容易被去除,如圖5-18所示。（注塑件通常不用這麼注意）

3.3.2 避免在塑膠熔料流動方向上產生尖角

在塑膠件塑膠熔料流動方向上避免產生尖角,如圖3-24所示,圖中箭頭的方向爲塑膠熔料的流動方向。在原始的設計中,尖角易致使零件在注射過程當中產生困氣,局部的高溫形成塑膠分解,在零件表面產生外觀缺陷,同時尖角容易產生內應力;在改進的設計中,經過設計的優化避免尖角的產生,保證塑膠熔料的流動順暢。

3.3.3 避免在壁鏈接處產生尖角（內圓角0.3T<R<0.8T,通常0.5T）

應力集中是塑膠件失效的主要緣由之一,應力集中下降了零件的強度,使得零件很容易在衝擊載荷和疲勞載荷做用下失效。
應力集中大多發生在零件尖角處。塑膠件應當避免尖角的設計,在尖角的地方添加圓角,以減少和避免應力集中的發生。零件尖角容易出如今零件主壁與側壁鏈接處、壁與增強筋鏈接處、壁與支柱鏈接處等。
零件內部圓角與應力集中係數的關係如圖3-25所示。其中T爲零件壁厚,R爲零件內圓角,p爲零件承受的載荷。

由圖3-25可見,當R<0.3T時,應力急劇升高;當R>0.8T時,則基本沒有應力集中現象發生。

通常來講,零件截面鏈接處內部圓角R爲0.5T,外部圓角爲1.5T,既保證了零件的均勻壁厚,又減小了零件鏈接處應力集中,如圖3-26所示。固然,圓角也不可太大,不然容易使得零件局部壁厚太厚,形成縮水。

3.3.4 注塑件圓角也是對模具電極的一種保護

在模具加工中，放電加工是一種經常使用的加工方式，特別是針對複雜曲面。在這種加工方式中，就須要用到電極。

電極的尖角、棱邊等凸起部位，在放電加工中比平坦部位損耗要快。

因此一些有擔當的模具工程師，反而會要求零件設計有圓角，否則本身也會給塑膠模具加上最小的0.2的圓角。

做者和一位模具工程師的關於圓角的聊天狀況以下（目的是爲了確認模型的全部邊是否要打上圓角）；

3.3.5 建模中打圓角的步驟

這只是做者的總結和建議。

塑膠圓角的建模處理並不是一次性就能夠成功的，建議遵照如下要求。

3.3.5.1 建模最後的步驟纔打圓角

可見國標GB26099的規範，圓角建模以下圖：

3.3.5.2 塑膠零件模型全部的邊都打上圓角，通常第一次打圓角建議值爲R0.5

如上述的避免尖角的要求，既然外部尖角、流動方向、鏈接處都但願有圓角，那麼就等於整個塑膠模型都須要圓角。因此做者建議，塑膠模型全部的邊所有打上圓角。分型線的圓角可讓模具工程師後期刪除。

打圓角步驟：通常先用邊圓角打重要的邊，再打不重要的邊，最後用面圓角打剩餘的邊。面圓角少用，由於不容易控制和修改。

圓角能夠用邊圓角分類多打幾回，不要一次性打完全部圓角，這樣也不容易控制和修改。

3.3.5.3 按照-避免尖角--的原則，修改圓角值，達到最優化的要求

固然，一些特殊的，一眼可見的圓角能夠直接打R1等值。

3.4 增強肋的設計

增強筋是塑膠件設計中必不可少的一個特徵，用於提升零件強度、做爲流道輔助塑膠熔料的流動，以及在產品中爲其餘零件提供導向、定位和支撐等功能。增強筋的設計參數包括增強筋的厚度、高度、脫模斜度、根部圓角以及增強筋與增強筋之間的間距等，如圖3-29所示。

3.4.1 增強筋的厚度不該該超過塑膠零件厚度的50%~60%

增強筋的厚度太厚，容易形成零件表面縮水和帶來外觀質量問題增強筋的厚度太薄，零件注射困難，並且對零件的強度增長做用有限。爲了防止零件表面縮水(特別是外觀要求較高的零件），經常使用塑膠材料增強筋厚度與壁厚比值不該該超過表3-8所示的數值。對產品內部零件或者外觀要求不高的零件，爲了提升強度，增強筋的厚度能夠大於表中數值甚至接近零件的壁厚，經過調整澆口的位置讓增強筋靠近澆口和調整注射工藝參數可以下降零件表面縮水程度。
對於薄壁塑膠件（零件厚度小於1.5mm)，增強筋的厚度能夠超過表中比值、甚至等於零件壁厚。增強筋厚度越薄，表面縮水程度越小。

3.4.2 增強筋的高度不能超過塑膠零件厚度的3倍

爲了提升零件的強度，增強筋的高度越高越好。但增強筋的高度過高，零件注射閒難，很難充滿，特別是當增強筋增長脫模斜度後，增強筋的頂部尺寸變得很小時。增強筋的高度通常不超過塑膠件壁厚的3倍，即H≤3T。

3.4.3 增強筋根部圓角爲塑膠零件厚度的0.25~0.5倍

如上一節所述,增強筋的根部須要增長圓角避免應力集中以及增長塑膠熔料流動性,圓角的大小通常爲零件壁厚的0.25~0.50倍,即R=0.25T~0.50T。

3.4.4 增強筋的脫模斜度通常爲0.5°~1.5°

爲了保證增強筋能從模具中順利脫出,增強筋須要必定的脫模斜度,通常爲0.5°~1.5°,斜度過小,增強筋脫模困難,脫模時容易變形或刮傷;斜度太大,增強筋的頂部尺寸過小,注射困難,強度低。

3.4.5 增強筋與增強筋之間的距離至少爲塑膠零件厚度的2倍

增強筋與增強筋之間的間距至少爲塑膠件壁厚的2倍,以保證增強筋的充分冷卻,即S≥2T。

3.4.6 增強筋的設計須要遵照均勻壁厚原則

增強筋設計須要遵照均勻壁厚原則。增強筋與增強筋鏈接處、增強筋與零件壁鏈接處添加圓角後,很容易形成零件壁厚局部過厚。

如圖3-30所示,增強筋與增強筋鏈接處增長圓角後會造零件壁厚局部過厚,容易形成零件表面縮水。此時可在局部壁厚處作挖空處理,保持零件均勻壁厚,避免零件表面縮水的發生。

3.4.7 增強筋的頂端增長斜角避免困氣

增強筋頂端應避免直角的設計,在注射過程當中,直角的設計很容易形成頂端困氣,帶來注射困難和產生注射缺陷。如圖3-31所示,能夠在增強筋頂端增長斜角或圓角避免零件困氣問題的產生。

3.4.8 增強筋的方向與塑膠溶料的流向一致

增強筋方向應與塑膠熔料流動方向一致,確保熔料的流動順暢,提髙注射效率,避免產生困氣等注射缺陷,如圖3-32所示。

3.5 支柱的設計

支柱在塑膠件中用於產品中零件之間的導向、定位、支撐和固定等。支柱的設計參數包括支柱的外徑、內徑、厚度、高度、根部圓角和脫模斜度等，如圖3-33所示。

3.5.1 支柱的外徑爲內徑的2倍

3.5.2 支柱的厚度不超過零件厚度的0.6倍

爲避免零件表面縮水和產生氣孔,支柱的厚度不該該超過零件壁厚的0.6倍。

3.5.3 支柱的高度不超過零件厚度的5倍

支柱過高,脫模斜度的存在會使得頂部尺寸小,致使零件注射困難;若是保證頂部尺寸,又會形成支柱底部太厚,形成零件表面縮水和產生氣孔。所以,支柱的高度通常不超過零件壁厚的5倍,即h≤5T。

3.5.4 支柱的根部圓角爲零件壁厚的0.25~0.5倍

如上一節所述,爲了不零件應力集中和使得塑膠熔料的流動順暢,支柱的根部圓角爲零件壁厚的0.25~0.50倍,即R=0.25T~0.50T。

3.5.5 支柱根部厚度爲零件壁厚的0.7倍

爲避免外觀表面縮水缺陷的產生,支柱的根部厚度可設計爲不大於零件壁厚的0.7倍,即t≤0.7T。

3.5.6 支柱的脫模斜度（通常內徑0.25°，外徑0.5°）

通常來講,支柱內徑的脫模斜度爲0.25°,外徑的脫模斜度爲0.50°。但支柱也能夠不用脫模斜度,在模具中使用套筒來脫模,但模具費用稍髙。

3.5.7 保證支柱與零件壁鏈接

避免孤零零的支柱設計,經過增強筋把支柱與零件壁鏈接成一個總體,增長支柱的強度,並使得塑膠熔料的流動更加順暢,如圖3-34所示。

3.5.8 單獨的支柱四周增長增強筋補強

當支柱遠離澆口時,在支柱上很容易產生熔接痕,熔接痕會下降支柱的強度。當支柱是自攻螺釘支柱時,因爲強度不足,支柱經常會在徑向力做用下而發生破裂,對固定金屬嵌件的支柱也是如此。所以,須要在單獨的支柱四周添加增強筋,增長支柱的強度,同時在增強筋與支柱的鏈接處添加必定的圓角。
單獨支柱的增強筋補強設計如圖3-35所示。

3.5.9 支柱的設計須要遵照均勻壁厚原則

避免支柱過於靠近零件壁。當支柱過於靠近零件壁時,容易形成局部壁厚過厚,致使零件表面縮水和產生氣泡。支柱設計應當遵照均勻壁厚原則,如圖3-36所示。

當支柱爲實心支柱時候，依據壁厚均勻原則，能夠將實心支柱變動爲空心支柱，十字支柱，橢圓支柱等。以下圖

3.5.10 螺釘支柱的標準結構

若是支柱結構是用於自攻螺釘固定，那麼這時候的支柱是一個典型的標準特徵設計。

做者建議，塑膠支柱的自攻螺釘預製孔須要按照標準來設計，儘可能不須要獨立「創新」，才能最大可能減小失誤。

以下圖所示：

3.6 孔的設計

3.6.1 孔的深度不能太深(若太深，採用階梯孔成型)

塑膠件的孔、槽以及凹坑是經過模具上的型芯而成型的。型芯是模具上凸起的部分,型芯尺寸影響着模具的壽命和零件的質量等。在零件注射過程當中,太高過長的型芯承受着較高的塑膠熔料衝擊力,很容易引發型芯的位置移動,從而形成孔槽等尺寸偏差大,或者在長期的衝擊力之下,型芯容易發生折斷而下降使用壽命。所以,塑膠件的孔、槽以及凹坑等相關尺寸設計必須保證合適型芯的尺寸,從而保證模具壽命和提升零件質量等。
塑膠件上常見的孔大體能夠分爲不通孔、通孔和階梯孔3種。
當不通孔的直徑小於5mm時,孔的深度不該該超過孔直徑的2倍;當不通孔的直徑大於5mm時,孔的深度不該超過孔直徑的3倍。
通孔比不通孔更容易製造,由於型芯能夠分佈在凸、凹模兩側,通孔的深度能夠適當加大。當通孔的直徑小於5mm時,孔的深度不該該超過孔直徑的4倍;當通孔的直徑大於5mm時,孔的深度不超過孔直徑的6倍。
不通孔和通孔的深度推薦值如圖3-37所示。

若是孔太深,能夠用階梯孔的方法替代成型,如圖3-38所示。

3.6.2 避免盲孔(不通孔)底面太薄

不通孔底部厚度至少應當大於不通孔直徑的0.2倍,如圖3-39a所示。底部太薄,不通孔強度低,同時背面容易產生外觀缺陷。若是底部太薄,則能夠考慮使用圖3-39b所示的方法加強不通孔的強度。

3.6.3 孔與孔的間距及孔與零件邊緣尺寸避免過小

孔與孔之間、孔與零件邊緣之間的距離應至少大於孔徑或零件壁厚的1.5倍以上,即S≥1.5t或1.5d,取兩者的最大值,如圖3-40所示。

3.6.4 零件上的孔儘可能遠離零件受載荷部位

因爲孔去除了零件的材料,下降了零件的強度;同時孔的周圍(特別是有不少孔時)很容易產生熔接痕(見圖3-41),零件的強度被進一步下降。塑膠零件經常由於過多的孔而形成強度下降。所以在零件受載荷部位。應儘可能避免放置太多的孔。

3.6.5 能夠在孔的邊緣增長凸緣增長孔的強度

爲了增長孔的強度和防止孔的變形,能夠在孔的四周增長凸緣(見圖3-42),對須要增長強度的長孔或槽也可使用相似的設計。

3.6.6 避免與零件脫模方向垂直的側孔

爲簡化模具結構,下降模具成本,零件設計須要避免與脫模方向垂直的側孔。孔的設計應儘可能使得模具結構簡單。
與零件脫模方向垂直的側孔在模具上須要使用側向抽芯機構,這會增長模具的複雜程度,形成模具成本的上升。在保證零件功能的前提下,能夠經過設計優化來減小和避免側向抽芯機構的使用。如圖3-43所示的塑膠件,下側的孔須要側向抽芯機構,模具結構複雜;而上側的孔因爲設計優化則能夠直接脫模,不須要側向抽芯機構,模具結構簡單。

3.6.7 長孔的設計避免阻礙塑膠溶料的流動

長孔是指長而窄的孔。長孔的方向應該與塑膠熔料的流動方向一致,避免垂直於流動方向,以避免阻礙塑膠熔料的流動,長孔的設計如圖3-44所示。

3.6.8 風孔的設計

因爲散熱的需求，產品中常須要設計風孔 ;在通常狀況下，風孔爲圓孔時模具型芯爲圓柱形，加工容易，模具成本低。
過多的風孔設計會形成零件強度下降，能夠經過增長前幾節所述的增強筋或凸緣等方法來增長風孔處零件的強度。

3.7.雕刻文字，符號及花紋

3.7.1 塑膠部品中，超過20g以上的部品，必須追加」材質標識」

3.7.2 雕刻區一般要求咬薄薄的花紋HT106，目的：避免在塑膠成型時出現流痕.

3.7.3 雕刻文字，符號及花紋設計指南

須要依據各個行業、公司要求而定。

3.8 提升塑膠件強度的設計

塑膠件強度永遠是產品設計工程師關心的一個主題。與金屬零件相比,塑膠件強度通常比較低,但經過合理的零件設計,塑膠件強度能夠大幅度提升,從而能夠擴大塑膠件的應用範圍。

3.8.1 經過添加增強肋而不是增長壁厚來提升零件強度

零件設計時能夠經過增長壁厚的方法來提升零件強度,但這每每是不合理的。零件壁厚增長不只會增長塑膠件重量,並且容易使零件產生縮水、氣泡等缺陷,同時增長注射生產時間,下降生產效率。爲提升零件的強度,正確的方法是增長增強筋、而不是增長零件壁厚。増加增強筋既能提髙零件強度,又能夠避免零件發生縮水、氣泡等缺陷以及生產效率較低等問題。固然,增強筋設計時相關尺寸必須遵循增強筋的設計原則,過厚的增強筋厚度也會形成零件縮水、氣泡等缺陷的產生。
兩種增長零件強度2倍的方法如圖3-45所示。其一是增長壁厚,其二是保持壁厚不變、增長增強筋。爲達到零件強度增長2倍的目的,增長零件壁厚的方法須要增長25%的零件體積,而經過增長增強筋的方法僅僅須要增長7%的零件體積。由此能夠看出,增長增強筋是提升零件強度最好的方法。

圖3-46所示爲經過增長增強筋來提升座椅的強度。

//注：增強筋能夠減小零件零件總體的變形，但增強筋只要添加就會給零件帶來表面的收縮，影響外觀。因此真正須要注意零件外觀時，能夠考慮加厚零件而非增強筋。

3.8.2 增強肋的方向要考慮載荷的方向

須要注意的是,增強筋只能增強塑膠件一個方向的強度。增強筋方向須要考慮載荷方向,不然增強筋不能增長零件抵抗載荷的能力,如圖3-47所示。

若是零件承受的載荷是多個方向的載荷或者扭曲載荷,能夠考慮增長X形增強筋或者發散形增強筋來提升零件強度,如圖3-48所示。在平常生活中,塑膠凳子的背面常是經過X形增強筋或者發散形增強筋來提升零件強度的。

3.8.3 多個增強肋的方向比單個較厚或較高的增強肋好

多個增強筋的設計對零件強度的提髙比單個較厚或較高的增強筋效果好,同時避免了零件表面縮水或者增強筋頂端注射不滿等質量問題。所以,當單個增強筋的高度過高或者厚度太厚時,能夠用兩個較小的不高不厚的增強筋來替代,如圖3-49所示。

3.8.4 設計零件加強剖面

經過設計零件加強剖面形狀能夠提升塑膠件的強度,常見的零件加強剖面包括形、鋸齒形和圓弧形,如圖3-50所示。這種方法的缺點是零件不能提供一個平整的平面,在某些狀況下不能使用。

3.8.5 增長側壁和優化側壁剖面形狀來提升零件強度

避免平面型塑膠件設計,平面型的塑膠件強度很是低,能夠經過四周增長側壁來提升零件的強度,如圖3-51所示。

側壁的形狀能夠是單純的直壁,在條件容許時,曲面式側壁或者帶加強剖面式側壁更能提升零件的強度,如圖3-52所示。

圖3-53所示爲曲面式側壁盒體設計的實例。

圖3-54所示爲經過瓦楞形結構來提升盒體強度的實例。

3.8.6 避免零件應力集中

零件應力集中常發生於零件尖角處、零件壁厚劇烈變化處、零件孔、槽及金屬嵌件處。零件應力集中會大幅下降零件的強度，使得零件在衝擊載荷做用下發生失效。零件設計應當避免應力集中的發生。爲防止零件應力集中，零件設計應嚴格遵循上述章節中的設計指南。

3.8.7 合理設置澆口避免零件在熔接痕區域承受載荷

在零件注射過程當中,塑膠熔料在通過孔、槽、支柱及零件尺寸較大處或者採用多個澆口時,塑膠熔料會有兩個及兩個以上的流動方向,當兩個方向的塑膠熔料相遇時,在此區域會產生熔接痕。
零件熔接痕區域是零件強度最低的區域之一,是最容易發生失效的區域之一。所以必須合理設置澆口的位置和數量,以免零件在熔接痕區域承受載荷。如圖3-55所示,在原始的設計中,澆口的位置使得熔接痕恰好處於零件所受載荷處,零件容易在載荷做用下失效;在改進的設計中,調整澆口的位置,使得熔接痕的位置避開零件所受載荷處,零件的可靠性大大加強。

熔接痕的位置能夠經過 Mold Flow等模流分析軟件來預測,產品設計工程師能夠在零件開模時,要求模具供應商提供零件的模流分析報告,從而合理地選擇澆口的位置和數量。

3.8.8 其餘強度加強相關因素

1)玻璃纖維加強塑料經常使用來代替普通塑膠材料來提髙塑膠件強度。須要注意的是,玻璃纖維加強塑膠只在玻璃纖維的方向上提升零件的強度。
2)塑膠件承受壓縮載荷的能力比承受拉伸載荷的能力強。
3)在承受拉伸載荷時,設計一致的零件剖面以均勻分散載荷。
4)避免零件承受圓周載荷。零件(如金屬嵌件處)承受圓周載荷時,很容易發生破裂而失效。
5)在承受衝擊載荷時,保持零件剖面的完整性,避免在衝擊載荷方向上零件剖面出現缺口和應力集中。

3.9 提升塑膠件外觀質量的設計

在市場競爭日益激烈的今天,產品外觀成爲吸引消費者購買產品的重要因素之。因爲塑膠材料自己以及注射工藝的特性,塑膠件很容易產生縮水、氣泡、熔接痕、困氣、噴流等外觀缺陷,嚴重影響零件的外觀質量。塑膠件發生外觀質量冋題主要源於零件設計的問題、模具設計的問題以及零件注射過程當中注射工藝參數不正確的問題。對產品設計工程師來講,首先須要從零件設計入手解決零件外觀質量問題,特別是當零件是產品外觀零件時更應如此,產品內部零件的外觀要求則能夠適當放寬。
從零件設計的角度上,除了零件設計須要知足上述章節的設計指南外,還能夠從如下幾個方面來提升塑膠件外觀質量。
注:文章把模具設計中澆口的選擇和佈局、模具通風和模具頂出結構等歸結於零件設計,並非說產品設計工程師須要親自進行模具設計,而是由於產品設計工程師必須瞭解模具結構對零件外觀質量(或者零件強度)的影響,並檢査零件模具結構是否對產品的外觀(或者零件強度)產生負面的做用,若是有則要求改進模具的設計,由於模具工程師每每並不知道零件的外觀(或者零件強度)的要求。例如,他們可能錯誤地設計和佈局澆口,以致於在產品重要外觀面出現熔接痕,此時產品設計工程師就須要指出模具設計的錯誤並要求改正。

3.9.1 選擇合適的塑膠材料

塑膠材料的選取對產品的外觀起着重要的做用,不一樣的塑膠材料有着不一樣的外觀質量表現。例如,相對於非玻璃纖維加強的材料,玻璃纖維加強的材料注射成型後通常外觀質量比較低,並且容易翹曲。

3.9.2 避免零件外觀表面縮水

零件表面縮水是塑膠件最容易發生的外觀缺陷之一。縮水通常發生在零件壁厚較厚處所對應的零件外表面,例如增強筋、支柱與壁的鏈接處所對應的零件外表面,如圖3-56所示。

3.9.2.1 經過設計掩蓋縮水

在容許的狀況下,能夠經過U形槽、零件表面斷差的設計以及表面咬花等方式來掩蓋塑膠件表面縮水,如圖3-57所示。

3.9.2.2 「火山口」設計

支柱壁厚處或增強筋壁厚處局部去除材料(我國臺灣地區稱之爲「火山口」),能夠大幅下降零件外觀縮水的可能性,如圖3-58所示。固然,「火山口」設計會在必定程度上下降支柱或增強筋的強度。

3.9.2.3 合理設置澆口位置

零件離澆口越遠處,越容易產生表面縮水。對於零件重要外觀表面對錶面縮水要求高的區域,能夠合理設計澆口的位置使其靠近該區域,減少零件表面縮水的可能性。同時,澆口的位置應使得塑膠熔料從壁厚處流向壁薄處,如圖3-59所示。若是塑膠熔料從壁薄處流向壁厚處,壁薄處首先冷卻凝固,壁厚處表面很容易產生縮水,內部則容易產生氣泡。

3.9.3 預測零件變形，設計減小變形

零件變形不但會形成零件尺寸精度差,容易產生裝配問題和影響零件功能的實現,同時也會影響零件的外觀。零件發生變形的緣由不少,主要包括4個方面:零件在塑膠熔料流向方向上和橫截面方向上不一樣的收縮比、零件不均勻的冷卻、零件壁厚不均勻,以及零件幾何形狀不對稱等。
1）零件在塑膠熔料流向方向上和橫截面方向上不一樣的收縮比。
零件在塑膠熔料流向方向上和橫截面方向上不一樣的收縮比形成了零件的變形,如圖3-60所示。
非玻璃纖維加強材料在塑膠熔料流動方向上收縮率比橫截面方向上大,形成塑膠在塑膠熔料流動方向上收縮大,在橫截面上收縮小,零件發生變形;
而玻璃纖維加強材料則恰好相反,在塑膠熔料流動方向上收縮率比橫截面方向上小,形成塑膠在塑膠熔料流動方向上收縮小,在橫截面上收縮大,零件發生變形。

2）零件不均勻地冷卻。
零件在壁厚方向上不均勻地冷卻會形成零件變形。不均勻地冷卻一方面多是由於注射模具水路設計不均衡形成的,另外一方面多是零件自己外側的散熱面積大於內側的散熱面積,外側散熱較慢、冷卻較慢,而內側散熱較快、冷卻較快(見圖3-61),零件變形的方向老是朝着較熱的零件面。

3）零件不均勻的壁厚形成變形。
塑膠件收縮率隨着零件壁厚的增長而增長,不均勻壁厚形成的收縮差別是熱塑性塑膠件發生變形的主要緣由之一。具體地說,塑膠件剖面壁厚的變化一般會引發冷卻速率差別與結晶度差別,結果形成零件收縮差別與零件變形,如圖3-62所示。

4）零件不對稱的幾何形狀形成零件變形。
零件不對稱的幾何形狀會致使冷卻不均勻和收縮差別,形成零件變形,如圖3-63所示。

5）預測零件變形趨勢,經過設計減少零件變形。
前面講述了零件變形的緣由和方式,但這不是重點,產品設計的重點是預測零件的變形趨勢並經過零件設計優化減小甚至避免零件變形的發生,如圖3-6四、圖3-65所示。

3.9.4 外觀零件之間設計美工溝

兩個外觀塑膠件之間配合時,由於零件製造偏差和裝配偏差的存在,兩個零件之間的間隙和斷差(指一個零件的表面高於另一個零件的表面)老是會存在的這會影響產品的外觀,如圖3-66a所示。

經過美工溝的設計能夠掩蓋兩個外觀塑膠件之間的間隙,從而提升產品的外觀質量。經常使用的美工溝的設計有兩種,如圖3-66b和3-66c所示。

美工溝的大小根據產品的尺寸而定,如電腦主機面板美工溝的大小爲0.5mm×0.5mm。在兩種美工溝設計中,第二種方法優於第一種。第一種美工溝的設計由於間隙的存在使得消費者有可能看到產品內部零件,同時沒有防塵的做用。當兩個外觀塑膠件之間的關係是先後或上下關係時,例如手機的上下蓋,此時斷差成爲影響零件外觀的一個因素。若是後面/下面的零件高於前面/上面的零件時,產品就會變得很是難看,所以在這種狀況下美工溝設計時應當設計後面/下面的零件低於前面/上面的零件。

3.9.5 避免外觀零件表面出現熔接痕

熔接痕也是常見的塑膠件表面外觀缺陷,須要避免。具體方法以下:
1)塑膠件表面咬花能夠部分掩蓋熔接痕,但並不能徹底掩蓋熔接痕。
2)噴漆能夠掩蓋熔接痕。
3)合理設置澆口的位置和數量,避免在零件重要外觀表面產生熔接痕。
4)保證模具通風順暢。

3.9.6 合理選擇分模線避免零件重要外觀面出現斷差或者毛邊

模具凸、凹模交匯處、型芯與型芯交匯處、型芯與凸、凹模交匯處等很容易出現斷差或飛邊。所以,產品設計工程師應當仔細檢查模具結構中的分型面位置,避免在零件重要外觀面出現斷差或飛邊,影響零件外觀質量。

3.9.7 頂針避免設計在零件重要外觀面

另外,應避免把頂出結構放置於零件的重要外觀面處,這也會產生飛邊。對於透明塑膠件更應當特別注意。

3.10 下降塑膠件成本的設計

3.10.1 設計多功能的零件

注射模具一般比較昂貴,設計多功能的塑膠件,可以分擔模具成本,從而下降零件開發成本;同時,因爲塑膠件能夠具備複雜形狀和內部結構,一個塑膠件每每能夠替代兩個甚至多個傳統工藝方法加工的零件,而多個塑膠件在有些時候也能夠合併成一個塑膠件以節省成本。
例如,在電子電器產品中,合理的電纜線走向和固定對產品的散熱和電磁干擾等相當重要。電纜線固定通常經過專用的束線帶或線夾來完成,而在塑膠件中增長一些簡單的特徵便可實現電纜線的固定,如圖3-67所示,從而減小束線帶或線夾的使用。

3.10.2 下降零件材料成本

塑膠材料是石油工業的產品之一。隨着石油資源儲備的不斷減小,塑膠材料的價格也在不斷上漲。在前幾年石油價格飆升的時候,塑膠材料價格的飆升甚至形成中國家電企業不得不提升家電產品的價格。
所以,在保證產品功能等的要求下,零件設計應儘量使用較少的材料。較少的材料可以下降零件成本,同時避免零件注射時增長注射時間,從而增長注射成本。在減小零件材料的使用時,須要注意:
1)經過增長增強筋而不是增長壁厚的方法來提升零件的強度。
2)零件較厚的部分去除材料。

3.10.3 簡化零件設計，下降模具成本

在面向裝配的設計（DFA）章節中討論過KISS原則,KISS原則也適用於單個零件的設計,塑膠件的設計也是越簡單越好。複雜的塑膠件形狀和結構不但會增長模具結構的複雜性,增長模具的成本,同時會影響零件的質量和性能。
塑膠件應儘量地設計成多功能的零件,但多功能的零件並不意味着複雜的零件。若是塑膠件多功能的設計反而形成了產品總體成本的上升,這偏偏違反了塑膠件多功能的目的,由於塑膠件多功能的目的之一就是下降產品成本。

3.10.4 避免零件嚴格的公差

能夠看出,塑膠件尺寸公差越嚴格,對模具精度、模具穴數、注射成型工藝、檢驗等要求就更高,塑膠件成本就越高。產品設計工程師應當意識到嚴格的塑膠件尺寸公差對塑膠件零件成本和模具成本的巨大影響。所以,在產品設計時,在保證零件功能等前提下,經過優化的產品設計,儘可能避免使用嚴格的塑膠件尺寸公差。
除了在公差分析紅章節中提到的一些公用措施外,對於塑膠件,還有一些措施包括:
①在尺寸精度要求較高的應用場合,選擇收縮率低的塑料。
②模具型腔與嵌件、斜銷和滑塊等配合處存在着額外的對齊偏差,避免在該區域提出嚴格的公差要求。
③預測塑膠件翹曲變形區域,避免在該區域提出嚴格的公差要求;一般可經過增長增強筋等方式來下降翹曲變形。

3.10.5 零件設計避免倒扣

倒扣是指零件沒法正常脫模的特徵,例如位於模具開模方向上側的開口和側面的凸臺等。在模具中,倒扣是經過側向分型與抽芯機構來實現的,而側向分型與抽芯機構是模具中比較複雜的結構之一,同時也是增長模具成本的個重要因素。經常使用的側向分型與抽芯機構包括斜銷和滑塊。
爲下降模具成本,零件設計避免倒扣是一個重要的手段。
(1)有些外側倒扣能夠經過從新設計分型面來避免
如圖3-68所示,從新設計分型面可避免零件外側倒扣而不能順利脫模。

(2)從新設計零件特徵避免零件倒扣
不少零件倒扣特徵能夠經過特徵的優化設計而去除,從而避免使用側向抽芯機構,下降零件模具成本,如圖3-69所示

如圖3-70所示,原始的設計中,零件存在倒扣,須要經過斜銷或滑塊等側向抽芯結構來脫模;經過零件特徵的從新設計,能夠避免使用側向抽芯機構,在改進的設計中提供了四種方法,見圖3-70b、c、d和e。

3.10.6 下降模具修改爲本

當一副塑膠件注射模具製造完成後,再進行模具修改的成本很是高,不正確的塑膠件設計每每會增長模具修改次數,提升模具成本,從而增長零件和產品的成本。所以,塑膠件的設計須要儘可能減小甚至避免模具的修改。

3.10.6 .1 零件的可注射性設計

塑膠件設計的時候應當充分考慮零件的可注射性。零件可注射性好,零件注射成型後質量高,模具修改次數就少,模具修改費低。若是塑膠件設計不考慮零件的可注射性,零件可注射性差,零件注射成型後質量低,模具修改次數多,模具修改費用就高。所以,塑膠件設計必須遵循本章所涉及的塑膠件設計指南。

3.10.6.2 減小產品設計修改次數

固然,模具修改還多是由於塑膠件在整個產品中不能實現其應有的功能,所以在模具開發以前,產品設計工程師須要經過CAE分析和運動仿真、樣品製做等手段來完善和優化零件的設計,確保零件設計萬無一失後,再進行模具的設計和開發,從而減小模具製造完成後的產品設計修改。

3.10.6.3 避免添加材料的模具修改

模具去除材料比較容易,修改費用低;模具添加材料比較複雜,修改費用高。所以,塑膠件的設計修改最好是使得模具去除材料而不是添加材料,那麼塑膠件的設計修改就應當是添加材料,而不是去除材料。在零件設計時,若是對零件的設計沒有把握,則能夠對零件尺寸保留必定的餘量,而後經過去除材料來驗證零件的設計。

3.10.7 使用卡勾代替螺絲等固定結構

塑膠件的固定方式包括卡扣、螺釘、熱熔和超聲波焊接等,卡扣可以快速裝配和快速拆卸,同時卡扣的成本最低,在知足產品裝配以及功能的前提下,使用卡扣可以下降零件的成本。

3.10.8 合理選擇模具穴數和冷/熱流道系統

模具穴數影響塑膠零件的加工效率。模具穴數越多,模具越複雜,但塑膠件的加工效率越高,加工成本就越低,同時單個零件分攤的流道材料越低。在預期的塑膠件產能要求狀況下,經過計算塑膠件成本(材料成本、模具成本分攤和加工成本),可合理選取模具穴數。
另外,合理選擇流道系統也有助於下降塑膠件成本。傳統的冷流道系統存在着流道材料耗損的缺點,特別是對於昂貴的塑膠材料。而熱流道系統則基本不存在流道材料耗損,並且因爲沒有流道系統,塑件的冷卻時間和模具的開模行程均可縮短,從而能夠縮短成型週期,另外無須修剪澆口及回收加工澆道等工序,有利於生產自動化;但其缺點是價格較傳統的冷流道模具貴。

3.10.9 其餘

1）零件外觀裝飾特徵及零件上的文字和符號宜向外凸出,模具加工時爲下凹,加工容易。

2）設計零件和模具使得澆口可以自動切除,或者把澆口隱藏在產品內部,避免對澆口的二次加工。

3）把分型面隱藏在產品內部,避免對分型面的二次切除加工。

3.11 脫模斜度

塑膠材料從熔融狀態轉變爲固體狀態將產生必定量的尺寸收縮，零件所以而圍繞凸模和型芯產生收縮而包緊。爲了便於塑膠件從模具中順利脫模，防止脫模時劃傷零件表面，與脫模方向平行的零件表面通常應具合理的脫模斜度，如圖3-27所示。

決定脫模斜度的因素以下：

1）零件若無特殊需求，脫模斜度通常取1°~2°;

3d建模時，除非是有重要的設計要求，零件通常不會去特別繪製脫模斜度。但模具設計後開模前，模具審覈時須要注意零件內外的脫模斜度是否合理。

2）對於收縮率大的塑膠件應選用較大的脫模斜度。

3）尺寸精度要求高的零件特徵處應選用較小的脫模斜度。

4）凸模側脫模斜度通常小於凹模側脫模斜度,以利於零件脫模。

5）塑膠件壁厚較厚時,成型收縮增大,所以脫模斜度應取較大值。

6）咬花面和複雜面脫模斜度應取較大值,咬花的大小決定脫模斜度的大小。

7）對於玻璃纖維加強塑料,脫模斜度宜取較大值。

8）脫模斜度的大小與方向不能影響產品的功能實現。
例如,兩個零件具備運動關係時,須要考慮配合處的脫模斜度大小和方向,不然會影響產品功能實現。某電器產品上按鈕與面板的結構剖面圖如圖3-28所示,按鈕的功能是觸發電器開關。

產品設計要求按鈕在運動過程當中不會被面板卡住,不然按鈕不能觸發開關,以致於不能正確行使功能,同時要求按鈕在運動過程當中不會左右搖晃,手感好。這就要求按鈕的運動路線是垂直的直線運動,按鈕與面板的配合面處必須保證上下間隙致。在原始的設計中,由於面板脫模斜度方向的錯誤,按鈕與面板配合面處上側間隙大、下側間隙小,按鈕在運動方向上始終只是依靠很小的一個平面與面板接觸導向,因而按鈕在按動過程當中會搖搖晃晃,嚴重時會使得按鈕卡在面板中形成按鈕不能觸發開關;在改進的設計中,面板脫模斜度方向修改,按鈕與面板配合面處上側和下側間隙始終一致,按鈕的運動路線是垂直的直線運動,按鈕手感好,也不會發生按鈕被面板卡住而失效的情況。

9）零件某些平面由於功能須要能夠不設置脫模斜度,但模具則需設計側抽芯結構,模具結構複雜,成本高。

10）在零件功能和外觀等容許狀況下,零件脫模斜度應儘量大。
較小的脫模斜度會增長零件在頂出過程當中表面劃傷及損壞的可能性;同時,較小的脫模斜度要求模具表面拋光處理或複雜的模具頂出機構,增長模具成本。

//小零件的脫模斜度通常爲內0.5°，外1°。大零件的脫模斜度通常爲內1°，外2°。除了這一條，其他的關於脫模斜度的問題基本上都是模具工程師的事情，結構設計師在討模時關注便可。