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塑胶设计指标 一 壁厚 在我们设计指南系列中, 首先,Clive Maier着眼与壁厚的重要性,壁厚要尽量薄以利于成型时快速冷却,但是要足够厚保证有效地充模.塑料件的设计与木头和机加工金属中可以做成实体的零件设计不同.模具成型的塑料不适合实体形状.有2个原因.第一,塑胶是热加工,但是塑胶又是热的不良导体,这就意味着厚的部分需要很长时间冷却,这样做不经济.而且引起严重缩水.在冷却过程中,塑胶大量缩小.,在壁厚的地方,或者引起零件表面凹陷形成凹坑.,或者产生一个内部空洞. 无论如何,塑胶材料相对昂贵,只有快速生产技术才能使得模具成型经济.壁厚太厚的部分浪费的材料就如同也浪费金钱一样. 正因为这个原因,在木头和金属中应用很好的实体形状在塑料中必须转换成薄壳..挖去中间的部分,剩下的部分无论形状多复杂,本质上都是由相关地薄曲面组成,这些曲面由曲线,角,拐角,加强筋,offset连接而成。 任何零件必须尽可能保证壁厚一样。这里的壁厚就是所谓的公称壁厚。 但是壁厚应该是多少,很难一概而论.厚度与设计观念和具体运用有关。壁厚必须足够厚，足够坚固，足够廉价. 壁厚要尽量薄以利于成型时快速冷却,要足够厚保证有效地充模.如果材料本来就坚固，壁厚可以薄一些。一般来说，对于增强的材料壁厚为0.75~3mm，对于非填充材料，壁厚为0.5~5mm。 理想的，整个零件壁厚一样---公称壁厚。实际中通常不可能。保证壁厚偏差最小是非常重要的。厚度不均的塑料件将经历不同的冷却率和收缩率，结果零件可能翘曲变形，不能保证精密的公差。厚度不均不可避免的地方变形应该是逐渐地，不是突然地。所以从厚到薄的地方过渡不是用一条直线，而是用斜面或曲线。 壁厚：金箴 l 壁厚尽可能均匀 l 厚和薄地方逐渐过渡 l 壁厚必须适宜于功能和生产 l 壁厚 通常为：增强材料0.75~3mm 非增强材料0.5~5mm 二、拐角 我们设计指南系列第二部分，Clive Maier着眼于如何避免薄壁面连接处的尖角。 设计指南的第一部分讨论了正确和均匀壁厚的重要性。如果将这些观点应用到实际中，塑料件就是由相关的薄面组合而成。这些面的组合方式对注塑件的质量同样很重要。 比如 在盒子的拐角处,两壁总是直角。因为有拔模角，通常角度稍微大于90。。 最简单，最坏的连接壁的方法是内外用尖角连接，这带来2个问题。 第一，在拐角处厚度增加，这违反了均匀壁厚原则。拐角处的最大厚度大约是公称壁厚的1.4倍。（图1）结果凹陷，应力，更长的成型周期。 更为严重的是，尖角处应力集中，不易成型。这对所有材料尤其是塑料材料更是这样。塑料对切口敏感，因为在尖角处易于破裂。拐角处的集中应力产生的微小裂纹通过壁扩散致使整个零件不能成型。内在尖角和槽口是注塑件不能成型最普遍的原因。 解决的办法是用半径平滑拐角。半径是多少？大多数壁接近传统的悬臂结构，因而可以计算壁厚和半径范围内的应力集中系数。结果曲线图显示应力集中系数迅速降低直到壁厚半径比率达到0.6。这给我们一点启发，半径至少是壁厚的一半，最好是壁厚0.6~0.75倍。 如果内部拐角是半径的，外部拐角是尖的，在 拐角处仍然有一个厚点。根据内部半径大小，最大厚度是壁厚的1.6~1.7倍。我们可以在外部拐角处增加一个半径。外部半径应该等于内部半径加上壁厚。这样在拐角周围壁厚相同。（图1） 正确地设计拐角对注塑质量、强度、尺寸 有重要地影响。另一个优点是，光滑的曲线拐角有助于减小压力时塑料在型腔的流动，减小前流完结，因而冲模变得很容易。 拐角：金箴 l 从不使用尖角 l 半径至少是壁厚的0.5倍，最好是壁厚的0.6~0.75倍 l 拐角壁厚尽可能均匀 l 外部半径应该等于内部半径加上壁厚 l 不要设想模制品的每个部分半径都相同，总有例外，例如断裂线的地方，半径很难或不可能形成。所以在理解原则的同时还要考虑特例。 三、加强筋 如果你的塑料件制品的公称壁厚不够硬或者不够坚固来抵抗工作情况，就需要加强筋。 之前，我们了解塑料件应该有相应的厚度和拐角半径均匀的壁厚。这两种观点在 加强筋的设计中也很重要。 如果塑料件制品的公称壁厚不够硬或者不够坚固来抵抗工作情况，就需要增加加强筋巩固，而不是增加整个壁厚。设计原则和刚性梁中”i”,”T”部位设计一样，这些部位和实体梁一样坚固，但是重量确轻的多。 在加强筋和主壁连接的地方厚一些。通常在横截面相切处使用大的圆弧，圆弧的大小取决于加强筋的厚度和圆角半径大小（图 1）.为了避免凹陷，厚的地方要尽量小，当然也有个限制。如果加强筋太薄,就需要做的深一些，保证足够的刚度,但是受载时会弯曲，带来的另一个问题是，模具难以加工和填充 。在高注射压力下填充加强筋，容易使加强筋粘在模具上。 圆角半径不能太小，否则不能减小加强筋和主壁连接处的应力集中.理论上，圆角半径不应该小于加强筋厚度的40%。加强筋应该是壁厚的50%~75%。75％适用于低收缩率、不易凹陷的塑料。 一个简单的比较可以看出好的加强筋设计的优点。65％壁厚，40％圆角半径的加强筋，根部厚度仅是壁厚的1.23倍。比较而言，加强筋厚度和壁厚相同，60％半径时，根部厚度增加到壁厚的1.55倍。 加强筋必须能从模具中取出,所以设计在开模方向，或者提供可移动的模具块。为改善注射，加强筋设计成带锥度的，每个边1°的拔模角是理想的，如果加强筋太深，必须减小拔模角，否则加强筋太薄。因为这个原因，总是限制加强筋最大深度是加强筋厚度的5倍. 加强筋：金箴 l 增加加强筋提高刚度，而不是增加壁厚 l 加强筋的厚度应该是壁厚的50~75% l 在加强筋和壁连接处增加圆角提高强度 l 圆角半径应该是加强筋厚度的40~60% l 加强筋的根部厚度不应该大于壁厚的25% l 加强筋深度不应该超过加强筋厚度的5倍. 五 加强筋 加强筋用来增塑料件的刚度。 加强筋在塑料件的设计中非常重要,因为它可以不 增加厚度的情况下增加零件的刚度。在以前的亚洲塑料工业通讯期刊里，我们已经知道了它的功能，了解了横加强筋零件的设计。 有时，我们仅需要一个方向的刚度,比如 手柄之类的长而薄的特征。这时，我们需要增加一些平行的加强筋来提高长度方向的刚度， 这就是所谓的单向加强筋。 首先要考虑的就是这些加强筋不能太紧密。因为加强筋之间的间隙通过模具中 的直立型芯成型而成的，型芯太薄冷却困难，而且可能因为缩水带来注射问题。一般原则，间隙至少是公称壁厚的2倍，最好是3倍或者更多。（图1） 就横加强筋而言，设计原则是刚度与厚度部分的惯性矩成比例，这就提供了。。。。。。。。。 计算曲线使工作变的更容易。通过计算各种厚度的加强筋的应力和应变得到曲线图。图2显示了加强筋厚度为公称壁厚60％的变形曲线。 例如，假设需要9MM厚的手柄来承受载荷，我们可以增加单向加强筋使厚度减小到3MM。 第一步，选择加强筋数目。在这个例子中4个就足够了。进行2个简单的计算。 W/(NtB)=30/(4╳3)=2.5 tA/tB-9/3=3 在图表中，在右边找到比值是2.5的曲线。沿着这条曲线，在左边找到比值是3的水平线，在相交处做垂直线，交底部比值是3。这就告诉我们： （T-tB）/tB=3, 所以加强筋高度为（T-tB）=3╳3=9 像这种计算曲线也可以用来计算出真实的应力和应变值,为特殊塑料的使用提供设计数据。 有时，我们想加固一面侧壁，而不是模塑件的设计面。可以使用支撑加强筋，而不是加厚侧壁的厚度（图3）。设计原则同样实用。遵循厚度原则仍然很重要，否则在零件的表面形成凹陷。 单向加强筋：金箴 l 单向加强筋应分开放置，间距至少是公称壁厚的2倍，最好3倍或更大 l 遵循加强筋设计基本原则 l 使用计算曲线计算等硬度加强筋高度 l 使用支撑加强筋加固侧壁 七 螺丝柱 在以前的设计指南中，我们看到了螺丝柱的一般设计原则。我们知道了螺丝柱的设计要兼顾凹陷和功能。 螺丝柱最常见的作用是配合螺丝。普用螺丝有2种。自攻螺丝，当安装螺丝时，它能切削部分螺丝柱孔,产生螺纹和切屑。成型螺丝通过冷流产生母线，塑料局部变形而不是被切削，所以没有切屑。一般成型螺丝实用于热塑性塑料，自攻螺丝实用于硬的无弹性塑料如：热固性塑料。由于螺丝设计不同，所以很难给出统一的设计原则，但是可以使用材料的扰度做为依据。 螺丝柱的尺寸应该能承受螺丝压入时的力和螺丝工作时承载的载荷。与螺丝相关的孔的大小是至关重要的，因为它抵抗螺纹的脱开，螺丝的拔出。并且螺丝柱直径必须大地足以能承受螺纹成形过程中产生的圆周应力。 螺丝柱有个特性：螺丝孔有一个导入凹槽（如图），减小螺丝柱开口端应力，有助于防止分裂。凹槽的直径应该比螺丝的外直径稍微大一些，在起动前螺丝可以将螺丝固定在凹槽内。 螺丝类型和塑料种类各种各样，意味着，要注意使用设计指南。表2表明怎样设计螺丝柱、孔、凹槽和螺纹深度。主要系数是螺丝的公称直径。在左手栏查塑料材料,对应地可读出相乘系数。螺丝直径乘于系数可计算出尺寸。 螺丝和螺丝柱的工作性能受许多外表地不利影响。如果螺丝柱注塑时有熔痕，破裂力比预期的小一些。有些也受环境的影响。如果螺丝暴露于高温工作或者是应力破裂环境，它的性能就会降低。 设计类型特别的螺丝，使用厂商的建议。如果对它的应用有怀疑，在完成设计前进行测试。 螺丝柱：金箴 l 针对塑料材料使用正确的螺丝类型 l 在螺丝柱开口端使用导入凹槽 l 孔比螺纹长度深 l 螺丝的种类繁多，询问厂商的设计建议，否则： l 使用设计指南中的系数 l 如果对它的应用有怀疑，进行测试。 第九部分：啮合 塑料件接合有多种方法：如粘贴，焊接等。但是更为理想的接合方式是啮合 在上节设计指南中，我们总结了螺丝柱的设计要领，详细地了解了用成型螺钉连接塑料件。 当然，也有很多其它的方式达到这个目的，例如：便用焊接，胶粘，或其它机械扣件的形式，像铆钉。我们应事先了解这些方式，但我们现在要提供一种更加完美的塑料件连接方式：啮合 啮
合就是挤压一个部件越过障碍连接倒配合件上。他们完全依赖于塑料件弹力。一般来讲：一个部件或多或少的硬一些，而另一个部件则柔韧，有弹性。依据设计，连
接可以是永久的或者是可拆卸的。两个零件可以都是塑料，（同类塑料，或者不同塑料），也可以是不同材料，例如：金属轴或者薄的电路板。 啮合有三种主要类型： l 钩啮合，也就是闭止把弹簧，齿轮或者悬臂啮合。 l 圆环或者环形啮合； l 球形啮合： 不常见的啮合是扭矩啮合，可代替钩啮合；卡扣的弹性活动通过在扭转的地方而不是在弯曲的地方放置塑料件实现的。 钩，圆环，和球体形啮合都有共同的基本原则。每一种情况，都是通过一个力（F）使两个零件连结在一起。连接时，受两个部件之间干扰（Y）的抵抗。当力被足够，弹性偏转（D）等于干扰（Y）时，允许零件的连接。啮合的设计是这样的，一但通过干扰点，偏转完全地释放。 以钩啮合为例，偏转是简单钩弯曲。然而，环形或者球形啮合都需要一个弹性径向扩展。就机械而言，环形的和球形的是比较坚固的结构，因此你可以看到，为了使扩展容易，经常使用一些径向沟槽。更有效地，是以环形排列的一组啮合钩。 最初，我们描述啮合是好的地连接方式，也就是说他效率高,装配自由，环保。啮合特性能设计成模塑件的整体部分,而不需要增加周期时间，模具的制造和维护费用增加的也不多。装配不需要使用工具，或能量。也不需要购买和备用其它工具，如螺钉，夹子，或者是粘合剂。再循环使用这个零件时，不需要除去其它材料。 因为这些原因，啮合很有可能成为一种将来塑料件装配更加普及地设计特性。成功或者是失败取决于细节。在以后的设计指南中，我们将陈述正确的设计每一种类形的基本原则。 啮合 ：关键点 l 啮合靠于塑料件的弹性工作 l 三个主要类型是：钩、环形、球形啮合 l 连接是永久的或是可拆除的 l 啮合廉价、效率高、环保 咬配合（啮合）： 另一种啮合形式是圆柱形或者环形。 在这种圆柱形或环形的啮合的内部有一个连续的倒扣，这个倒扣与轴上的凹槽可以啮合。 这种结构常常用于固定塑料件在金属轴上如：旋钮，但有时也会用来固定两个塑料件。同其它形式的啮合一样，连接根据轴的拆卸角可以设计成可以拆卸的，或者永久固定的。 当嵌入或拔出连接时，毂被迫弹性地扩张。这种弹性比悬臂吊钩式配合更硬更坚固。 力量通常是一种优势，但是也会也有一些弊端。插入力很高，这就必须使倒扣相对比较小。 用比较有弹性的材料模塑的毂，工作效果最好，至少必须在模具中倒扣型芯。。。。。 这就意味着硬的填充玻璃或者其它加强类可能不适合这种环形的啮合。 毂的弹性硬度不仅取决于它的厚度而且还有它的长度，至关紧要是倒扣与毂侧端的距离有多近。 环形啮合应该设计倒扣合理的靠近毂侧端，否则弹性的硬度会比预期的大两部或三倍或更多，啮合就会失败。 在轴的端部和毂孔上做拔模角或啮合角，连接装配会得更容易些。角度在20度到30度之间最好。 拆卸角的大小取决于啮合脱离的难易程度。角度越大，越难拆卸。通常拆卸角为40~50度。 如果想永久性连接，可以选取更大的角度。 最大的容许倒扣也可通过下面的方程计算：。。。 在这里：S=设计应力 V=泊淞比 E=弹性模数 K=几何因素 几何因素K也可以用下式来计算。。。。。 表格提供了一些无填充材料泊淞比的近似值。。为了精确设计，你需要从你的材料供货商那里得到更多的数据。 毂的扩张力可以用下面的等式来计算。。。。。 这里：=摩擦系数 摩擦系数可参考设计指南一中的表 金箴 l 硬材料不要使用环形啮合 l 啮合角为20度~30度 l 拆卸角为40~50度 l 倒扣靠近毂的开口端 l 计算倒扣大小，以免计算应力数据过大。 啮合 名副其实，扭转啮合依靠的是扭矩弹性而不是像其它形式依靠的是弯曲。比起悬臂和环形啮合，这种啮合很少见，但是需要当经常或轻易拆卸零件时，它特别有用。 例如,在箱子或容器上安装铰接盖时，扭转啮合是非常高效的方法。 扭转啮合钩模塑成支撑轴的整体,当用力W时，零件安装在轴上（图1）。通常设计一个凹槽或其它一些特征标示安装的正确位置。根据杠杆原理，可以使用很小的力来克服很强的啮合，这取决于钩的尺寸。 比起整个轴，钩部分硬一些，当力作用在倒钩上时，轴在扭矩方向扭曲,这应用了弹性。弹性的硬度取决于轴的厚度和长度。本质上，轴是圆柱的，这对扭转是很有效的形式，当然也可以使用其它形状。扭转啮合可能使制模复杂,这种情况可以使用轴截面是正方形或十字形。 保证轴上的扭转度能卸除扭转啮合倒扣。规划设计，保证当倒扣拆除时，钩能遇到障碍，防止钩破裂。弧度方向钩能通过的最小角是： 这里，Y=钩倒扣 a=钩干长度 一般，圆柱轴扭矩公式是： 这里， P=拆卸倒扣的力 L=轴长度 E=刚性模量 r=轴半径 从这2个方程可以得到; 应用杠杆原理，可以得到力W： 这里 b=开干长度 b比a长，力W就会小些。如果a太小，扭矩角变的很大。 金箴 l 当想轻易拆卸钩时可以使用扭转啮合 l 设计要显示在哪里压 l 设计停止特征，防止转矩过头 l 钩干长度不能太小，否则扭曲角、扭矩太大 l 相对钩干，变大开干长度可以减小力W 压配合 将一个物体如轴，通过压力安装到一个很小的孔里，这种操作叫做压配合。 压配合用于相似的塑料件，不同的塑料件，更为常用的是塑料件和金属之间的配合。典型的例子，一个塑料轮毂以控制旋钮或齿轮的形式压进一个金属轴。相反地，塑料套筒或轴承压进金属孔。 压 配合简单便宜而且快速，但仍然有些问题需要注意。轴和孔之间的干涉程度是非常重要的。如果太小，连接不牢固，太大，很难装配，材料过压。不像啮合，压配合 保持永久应力，零件的弹性变形提供了维持连接的力。当材料受永久应力时，就会发生蠕变。也就是说，随着时间的消逝，压配合产生的力越来越小，尽管没有到严 重的程度。 压配合还有2个缺陷。要考虑轴和孔的公差在2个极端的情况下是否可行。当连接2个不同的材料，温度的增加将改变零件之间的干涉度。记住，升高温度，蠕变更严重。 克服轴和毂压配合蠕变的方法是，在轴的中间设置直的滚花。塑料毂材料冷流入滚花的沟槽，2零件间形成机械干涉。因为滚花增加了连接面积，摩擦效果更好。 设计压配合，我们需要计算零件间正确的干涉数。根据经典的厚壁圆柱理论，得到以下金属轴上塑料毂的直径干涉方程： 这里 S=设计应力 V=泊松比 E=弹性模数 K=几何系数 几何系数K可通过下式计算 压力W可同过下式计算 这里μ=摩擦系数 L=接合表面长度 泊松比和摩擦系数以前的设计指南系列已给出 金箴 l 考虑公差和蠕变的影响 l 考虑不同材料受温度影响 l 如果压配合用于高温，通过测试原型确认设计 l 如果你仍然担心蠕变，滚花金属轴 |
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