塑料产品结构设计的一般原则及精度

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汽车内外饰（塑料）产品结构设计的一般原则及精度

一、形状和结构的简化

制品的形状和结构的复杂显然增加了模具结构的复杂性，加大了模

具制造的难度，最终将影响产品性能的不稳定性和经济成本。而从工艺

角度考虑，形状和结构设计得越简单，熔体充模也就越容易，质量就越

有保证。


理想的产品简洁化设计应当是：①有利于成型加工；②有利于降低

成本，节约原材料；③有利于体现简洁、美观的审美价值；④符合绿色

设计的原则。

以下是简化设计的一些建议和提示。

（1） 结构简单，形状对称，避免不规则的几何图形；


（2） 避免制件侧孔

和侧壁内表面的凹凸形状设计，制件侧壁孔洞和侧壁内表面的凹凸形状对某些成型工艺来说是困难的，需要在制品成型后进行二次加工。




例如对于注塑件来说，模具结构上就要采用比较复杂的脱模机构才能对制件进行脱模。通常，侧向孔要用侧向的分型和抽芯机构来实现，这无疑会使模具结构变得复杂。为了避免在模具结构设计上增加复杂性，可以对这类制品进行设计上的改进，图 5-16 所示是避免侧向抽芯的设计。



（3） 尺寸设计要考虑成型的可能性，不同的成型工艺对制件的尺寸设计，包括尺寸大小，尺寸变化会有一定的限制。


二、壁厚均一的设计原则

在确定壁厚尺寸时，壁厚均一是一个重要原则。该原则主要是从工艺角度以及由工艺导致的质量方面的问题而提出来的。均匀的壁厚可使制件在成型过程中，熔体流动性均衡，冷却均衡。壁薄部位在冷却收缩上的差异，会产生一定的收缩应力，内应力会导致制件在短期之内或经过一个较长时期之后发生翘曲变形。图5-17 是由壁厚不均匀造成制件翘曲变形的一个例子，图 5-18 是在不均匀壁厚部位设置圆孔，由于收缩不均匀，难以称为正圆。

以下是壁后不均匀时常用的三种处置办法：

（1）厚薄交接处的平稳过渡，当制件厚度不可避免需设计成不一致时，

在厚薄交接处应逐渐过渡，避免突变，厚度比例变化在一合适的范围（一般不超过 3：1）。某些成型工艺可以是例外，例如结构发泡注射成型和气辅注射成型。



壁厚过渡形式如图 5-19 所示，图中（a）为阶梯式过渡，应尽力避免；（b）为锥形过渡，比较好；（c）是圆弧过渡，应是最好的。

（2）将尖角改为圆角处理，两个壁厚相同的壁面成直角的连接，破坏了壁厚均一的原则。如图 5-20 所示，转角处的最大厚度是壁厚的 1.4倍，如果将内角处理成圆角而外角仍是直角，则在转角处的最大厚度（W）可增加到壁厚的 1.6-1.7 倍。正确的设计应是内外角均进行圆角处理，以确保壁厚均匀。圆角处理还可避免应力集中，以及改善塑料成型时熔体的流动性和成型性。



（3）厚壁部位减薄，使厚壁趋于一致，壁厚差异大的制件可通过增设工艺孔、开槽或设置加强筋的方式，使厚壁部位减薄，厚薄趋于一致。图5-21 是通过设计上的改进使塑料件厚薄趋于一致的几个例子。



三、避免应力集中
对制件上有孔洞、切口、拐角等几何不连续部位施加一定的力，在这个部位的断面上将产生远比给予的表观应力大得多的应力，这个现象角应力集中。局部产生的很大应力对于表现应力之比称作应力集中系数。塑料是对缺口和尖角之类比较敏感的材料，在应力作用下，这些部位会逐渐产生微细裂纹，随后逐步扩展到大的裂纹，而裂纹的不断延伸终将导致制件的损坏。因此产品设计中，避免应力集中应是一条基本的准则。



避免应力集中最直接最有效的方法就是在拐角、棱边、凹槽灯轮廓过渡与厚薄交接处采用圆弧过渡。由于对数的壁近似于经典的悬臂梁结构，因此可对不同的壁厚和圆角半径计算出应力集中系数，计算的结构如图 5-22 所示。图中曲线表明，半径 R 与壁厚 T之比，即 R/T 在 0.6 以后，曲线趋于平缓，由此可知，内圆角之半径应至少为壁厚的一半，最好为壁厚的 0.6-0.75。

四、加强刚度的设计
对于可能因外载和自重引起变形、翘曲、蠕变的产品来说，加强产品的刚性是必须考虑到的。有刚性要求的产品，首先从材料方面要有所选择，在材料确认之后，我们可以通过产品的外形和结构设计，使产品的刚性得到加强。

通常可以考虑采用以下几种方式。
（1）几何形状的改变，薄壳状的平板制件，将其表面设计成波纹形、瓦楞形、拱形、球形、抛物面，其刚性比同样重量的平板要高得多，图 5-25 是通常采用的几种设计方案。



上述的结构理论在容器底部的增强设计中也常有巧妙的运用，如图5-26。



图 5-27 是塑料瓶底部的设计，是比较常见的加强底部刚度的设计方法。其中（b）是球形瓶底附加了一个瓶托，为以前可乐瓶采用的设计，现在很少采用而改用（c）。



（2）加强筋的设计和运用，图 5-30 所示的容器沿口部位的设计起到了边缘增强的作用，实质上这种突变的边缘可以看作是加强筋的变异。



用来支撑直立壁的加强筋也被称之为角撑。角撑设计在轴套的侧表面（图 5-32），是提高轴套扭转刚性和弯曲刚性的一种有效方法。



（3）嵌件的加强作用，在制件中设置金属嵌件，可以提高塑料制件局部或整体的强度。这方面的典型例子有汽车方向盘、活动手柄、塑料门窗框、带有金属嵌件的塑料齿轮等。

（4）结构上的设计，在产品设计中，有几种结构具有比较高的刚性/质量比。



① 蜂窝夹层结构，如图 5-36 所示，汽车喇叭罩后面通常就是这种结构，这种结构刚性的设计效果好，其缺点是工艺上比较复杂，成本和价格较高。

② 结构泡沫制件，采用结构泡沫成型工艺成型的制件具有致密表皮层和呈微孔结构的芯部，这种结构具有高的比强度，可应用在受力结构中。

③口字形结构、T 形结构以及工字梁结构，与矩形截面的实心结构比较，这种结构即能节省材料，又不降低刚性。

④圆锥体结构，相对圆柱体结构，这种结构能承受很大的压缩载荷，弯曲稳定性好。



⑤双壁结构，有不少工艺可成型具有双壁结构的制件，这种结构的制件有较高的刚性、冲击韧性和抗弯能力。一种采用吹塑工艺成型的双壁结构的制件如图 5-37 所示。

五、抗变形设计

有两种能引起制件变形的情况需要有针对性的预防设计：一是由制件的内应力引起的翘曲变形，二是由热效应引起的热变形。

（一）由内应力引起的制件变形，这种变形由制件内的内应力所导致。通常不均匀的内应力分布是翘曲变形的主要原因，而内应力的不均匀分布则可能是加工条件（如温度、压力的不均匀分布，收缩率的各向异性等）、材料组成（结晶型材料的百年形倾向较大）、模具结构（特别是浇口设计）和制品形状共同作用的结果。

前述的避免应力集中以及刚性设计的一些措施，也都有助于防止或者降低制件的变形。





① 矩形的薄壁容器的侧壁容易发生内凹变形，为此可将侧壁设计得稍微外凸一些，如图5-38 中（c）所示。深度较浅的盒类制品，为避免翘曲变形，可将其底边设计成倒角形状，如图 5-39（b）。

② 注塑制件中有如图 5-40 所示的凹槽时，由于壁厚与壁薄部位固化速度不同，会使凹槽顶部出现拱起现象，为避免出现这种情况，正确的设计应如图 5-41 所示。



③ 图 5-42 所示的构件，因壁厚不同，壁厚处的塑料完全固化后，会对先行固化的薄壁部位施以拉力，导致制件出现变形。图 5-43所示的两种措施，可以避免出现这种情况，其中（a）采用均匀壁厚的办法；（b）采用增加筋的高度的办法。





④框形结构很容易产生变形，图 5-44 所示的设计是采用加强筋来防止变形的设计措施。



⑤U 形注塑件由于熔体流动过程中热扩散不均，引起直角方向上的收缩，因而会产生如图 5-51（a）所示的翘曲变形。解决这种现象的办法除设加强筋之外也可如（b）所示，在直角部位开一小槽。

（2）抗热变形设计，温度对制件的影响与材料的耐热性直接有关。

当材料确定之后，在产品设计时，应采取各种有效措施，来减少和避免温度对制品使用性能的影响，延长产品的使用寿命。



避免受热部位过热导致变形的几种设计方案如下：

① 使产品中的零部件与热源保持有一段距离。

② 在塑料部件与发热体之间，设置像铝箔之类反射性能好的反射体，可以减少热量的吸收。

③ 可采用对流的设计。在适当部位设计格栅或开设不同形状的散热窗口，也有利于热量的散发。

④ 在用于温度过高的部位时，应采用热导率低的隔热材料进行隔热。


六、注塑件的精度

1、 影响因素

① 材料 注塑模塑的塑料在高温高压的熔融状态下充模流动。

常见的各种熔体温度为 170-300°C。然后被冷却固化，通常脱模温度在 20-100°C。塑料材料有比金属约大 2-10 倍的线膨胀系数。表5.3 列出了常用的注射塑料的成型收缩率。用无机填料填充、用玻璃纤维增强的塑料有较低的成型收缩率。



②模具 对于小尺寸的塑料件，模具的制造误差占塑料公差的1/3。与模具上运动的零件有关的塑件尺寸，其精度较低。模具上浇注系统和冷却系统设计不当，会使成型塑件的收缩不均匀。脱模系统的作用力不当，会使被顶出塑件变形。这些都会影响塑料件的精度。

③塑件结构 塑料件壁厚均匀一致，形体又对称，可使塑件收缩均衡。提高塑料件的刚性，如加强筋的合理设置或采用金属嵌件，能减小塑件翘曲变形，都有利于提高塑件精度。

④工艺 注射周期各阶段的温度、压力和时间会影响塑件的收缩、取向和残余应力，存在对于塑件精度要求的最佳工艺。保证注塑件精度更重要的使工艺参数的稳定性。成型条件波动所造成的误差占塑件公差的 1/3。

⑤使用 塑料材料对时间、温度、湿度和环境条件的敏感性，在注射成型制品长期使用后，会有显现。注塑件的尺寸和形位精度的稳定性差。

2、 模塑塑料件尺寸公差

注塑件的尺寸公差，我国仍在使用的是SJ1372-78 原四机部和WJ1266-81 原五机部标准。这两个标准内容相同，塑料件尺寸精度分为八级。

工程塑料模塑塑料件尺寸公差 GB/T14486-93现已实施。该标准规定了热固性和热塑性工程塑料模塑塑料件的尺寸公差。它适用于注塑、压塑、传递和浇铸成型的工程塑料模塑的塑料件，不适用于挤塑成型、吹塑成型、烧结和泡沫制品。模塑尺寸公差代号为MT。公差等级分为七级。各级公差数值表列于表 5.4。常用材料模塑件的公差等级选用见表 5.5

  此标准只规定公差，基本尺寸的上、下偏差可根据工程的实际需要分配。未注公差尺寸等级见表 5.5。














此标准规定了模塑收缩率 VS,在常温下模塑件与所用模具相应尺寸的差，通模具相应尺寸之比，以百分数表示。



① 不受模具活动部分影响的尺寸a，如图 5.6 所示，它是指在同一动模或定模的零件中成型的尺寸。



② 受模具活动部分影响的尺寸b，如图 5.7 所示，它是指可活动的模具零件共同作用所构成的尺寸。例如壁厚和底厚尺寸；受动模零件、定模零件和滑块共同影响的尺寸。





此标准又规定脱模斜度不包括在公差范围之内。如有特殊要求，应在图纸上标明基本公差尺寸所在的位置。脱模斜度的大小必须在图纸上标出。