塑胶件结构设计手册精简版

1.0 选择材料的考虑因素 任何一件工业产品在设计的早期过程中，一定牵涉考虑选择成形物料。因为在产品生产时、装配时、和完成的时间，物料有着相互影响的关系。除此之外，品质检定水平、市场销售情况和价格的厘定等也是需要考虑之列。所以这是无法使用概括全面的考虑因素而定出一种系统性处理方法来决定所选择的材料和生产过程是为最理想。1.1 不同材料的特性 1. ABS 用途: 玩具、机壳、日常用品 特性: 坚硬、不易碎、可涂胶水，但损坏时可能有利边出现设计上的应用: 多数应用于玩具外壳或不用受力的零件。 2. PP 用途: 玩具、日常用品、包装胶袋、瓶子 特性: 有弹性、韧度强、延伸性大、但不可涂胶水。 设计上的应用: 多数应用于一些因要接受 drop test(跌落测试) 而拆件的地方。 3. PVC 用途: 软喉管、硬喉管、软板、硬板、电线、玩具 特性: 柔软、坚韧而有弹性。 设计上的应用: 多数用于玩具 figure（人物） ，或一些需要避震或吸震的地方。 4. POM 用途: 机械零件、齿轮、摃杆、家电外壳 特性: 耐磨、坚硬但脆弱，损坏时容易有利边出现(Fig. 1.1.6)。 设计上的应用: 多数用于胶齿轮、滑轮、一些需要传动，承受大扭力或应力的地方。5. Nylon （尼龙） 用途: 齿轮、滑轮 特性: 坚韧、吸水、但当水份完全挥发后会变得脆弱。 设计上的应用: 因为精准度比较难控制，所以大多用于一些模数较大的齿轮。 6. Kraton （克拉通）用途: 摩打垫 特性: 柔软，有弹性，韧度高，延伸性强。 设计上的应用: 多数作为摩打垫，吸收摩打震动，减低噪音。Table 1.1.1 一般胶料的特性与用途2.0 壁厚 Wall Thickness 壁厚的大小取决于产品需要承受的外力、是否作为其它零件的支撑、承接柱位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑料材料而定。一般的热塑性塑料的壁厚设计应以 4mm 为限。从经济角度来看，过厚的产品设计不但增加物料成本，延长生产周期(冷却时间) ，增加生产成本。从产品设计角度来看，过厚的产品增加引至产生空穴(气孔) 的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。 最理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改变总是无可避免的。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表面问题。 2.1 不同材料的常用壁厚 1. ABS 一般最先选择的材料，壁厚通常为 1, 1.2, 1.5, 2, 2.5, 3mm，视乎产品的大小和功能而定。 2. PP 因为比较软，而且基于缩水的问题，所以不能太厚，一般为1, 1.2, 1.5mm。 3. PVC 因为多用由于 figure(外形)上和多是实心，所以限制不大。 4. POM 一般为 1, 1.2, 1.5, 2, 2.5, 3mm 视乎产品大小而定。 5. Nylon 因为缩水率比较高，所以平均料厚和筋骨的比例可比较少。 6. Kraton 因为多数用作摩打垫或不外露件，所以限制不大。3.0 加强筋 (Ribs) 加强筋在塑料部件上是不可或缺的功能部份。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，但没有如工字铁般出现倒扣难于成型的形状问题，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑料产品尤其适用。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(Fig. 4.0.1)。 Fig. 3.0.1加强筋一般被放在塑料产品的非接触面，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于一些生产上的考虑，如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致，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，未端部份亦不应突然终止，应该渐次地将高度减低，直至完结，从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题，这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。而且因为缩水的问题，筋骨的厚度不能大过平均壁厚的厚度。一般的设计方法 : 平均壁厚 0.650.74.0 出模角 Draft Angle 塑料产品在设计上通常会为了能够轻易的使用产品由模具脱离出来而需要在边缘的内侧和外侧各设有一个倾斜（出模角） 。若然产品附有垂直外壁并且与开模方向相同的话，则模具在塑料成形后需要很大的开模力才能打开，而且，在模具开启后，产品脱离模具的过程亦相信十分困难。要是该产品在产品设计的过程上已预留出模角及所有接触产品的模具零件在加工过程当中经过高度抛光的话，脱模就变成轻而易举的事情。因此，出模角的考虑在产品设计的过程是不可或缺的。 因注塑件冷却收缩后多附在凸模上，为使产品壁厚平均及防止产品在开模后附在较热的凹模上，出模角对应于凹模及凸模是应该相等的。不过，在特殊情况下若然要求产品于开模后附在凹模的话，可将相接凹模部份的出模角尽量减少，或刻意在凹模加上适量的倒扣位。 出模角的大小是没有一定的准则，多数是凭经验和依照产品的深度来决定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的选择也在考虑之列。一般来说，高度抛光的外壁可使用 1/8 度或 1/4 度的出模角。深入或附有织纹的产品要求出模角作相应增加，习惯上每 0.025mm 深的织纹,便需要额外 1 度的出模角。此外，当产品需要长而深的肋骨较少的出模角时，顶针的设计须有特别的处理。 1. 出模角的大少是没有一定的淮则，多数是依照产品的深度来决定。2. 一般的出模角为 0.51.0。 3. 在深入或附有织纹的产品上，出模角的要求是视乎织纹的深度而相应增加，一般为 23。 4. 一般的晒纹版上已清楚例出可供作参考之用的要求出模角。(Fig. 4.0.1)4.1 拔模角标准 Draft Standard Wall thicknessRib thicknessHeight of Rib (x)Draft Angle平均料厚 骨厚 加强筋高度 拔模角x5mm 1.01.55x10mm 0.50.81.5mm1.11.2mm 10 x15mm0.5x5mm 1.01.55x10mm 1.01.510 x15mm0.51.015 x20mm0.820 x25mm0.52mm1.41.5mm25 x30mm0.5x5mm 1.01.55x10mm 0.51.010 x15mm0.51.015 x20mm0.520 x25mm0.52.5mm 1.8mm25 x30mm0.5x5mm 1.03mm 2.1mm5x10mm 1.010 x15mm1.015 x20mm1.020 x25mm0.51.025 x30mm0.51.030 x35mm0.50.835 x40mm0.50.8注: 以上数据只供参考及以骨底的平面作中性面做出拔模角，如骨底是一个非平面的形状时，可选骨项的平面为中性面，但为避免加上拔模角后，骨厚超出比例出现缩的问题，所以一般以骨顶为中性面时，出模角大概为 0.50.8不等。此外，如在制造出模角时出现问题，可以用 cut 代替 draft 造出拔模角。再者，可以视乎情况而减少骨厚，作对加上 draft angle 后骨底数的调教。 (Fig. 4.1.2)5.0 支柱(Boss) 支柱突出胶料壁厚是用以装配产品、隔开对象及支撑承托其它零件之用。空心的支柱可以用来嵌入镶件、收紧螺丝等。这些应用均要有足够强度支持压力而不致于破裂。 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动更顺畅。此外，因过高的支柱会导致塑料部件成形时困气，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，加强块的使用亦十分常见。注: 为免在扭上螺丝时出现打滑的情况，支柱的出模角一般会以支柱顶部的平面为中性面，而且角度一般为 0.51.0。如支柱的高度超过15.0mm 的时候，为加强支柱的强度，可在支柱连上些加强筋，作结构加强之用。如支柱需要穿过 PCB（线路板）的时候，同样在支柱连上些加强筋，而且在加强筋的顶部设计成平台形式，此可作承托PCB 之用，而平台的平面与丝筒项的平面必须要有2.0 3.0mm。(Fig. 5.0.4)6.0 支柱套 (Boss holder) 如成品是以支柱收紧螺丝的时侯，在成品的上壳身必须要有支柱套来作定位之用。跟据一般的安全规格标准，螺丝头必须收藏于不能触摸的位置，所以高度必须有 2.5mm 或以上。以及，因为加上支柱套后会有 Shape edge（形状边缘）的关系，所以在每一个支柱套上壳收螺丝的地方，必须加上 R1.0 或以上的 round fillet（圆形圆角） 。为方便生产装配时的导入，所以在每一个支柱套的底部都可以不多不少的加上 Chamfer（倒角）作导入之用。而且因为定位的关系，在支柱套底部必须要有至少 1.0mm 的深度来收藏支柱。7.0 虚位定义在产品生产设计时，给与零件与零件之间虚位是一件不可缺少及非常重要的事情。随着产品的大小，零件形状的不同及功能，给与虚位的数值也应相应改变。8.0 六角孔配圆 Pin 的设计 (紧钉) 在产品设计中，很多时因为功能及安全的问题，在外形上会出现拆件的情况，但亦都因为很多因素，拆件后的组装会出现外形不相配的情况。所以便需要一些做淮数的定位柱来作外形的配合。在外形上的定位一般多数以六角形的孔配紧配圆形的塑料柱，因为紧配的关系，所以六角孔与圆柱之间是不需要虚位和做出模角，而且在六角孔和胶柱项必须加上一些导入角(Fig. 8.0.18.0.2)。很多时，六角孔配图柱会用作为胶水柱的装配之用。所以此时便需要使用 x的尺寸给与六角孔与图柱较多的虚位藏入胶水。D (mm) x (mm) x (mm) y (mm)2.0 2.1 2.2 4.62.5 2.6 2.7 5.13.0 3.1 3.2 5.63.5 3.6 3.8 6.24.5 4.6 4.8 7.29.0 六角 nut 的装配方法 在电池门与壳身的装配方法主要是以机牙螺丝配以藏在壳身的六角丝帽收紧电池门，在壳身内跟据六角丝帽的尺寸，做出一个六角孔的套筒，而且给以单边 0.15mm 虚位，再以热溶或冷打的方法确保丝帽不会跌出此外，亦可以在套筒上加上一个 Nut retainer (丝帽盖)，以涂胶的方式盖放在套筒上。 (Fig. 9.0.19.0.2) Screwa (mm)b (mm)x (mm)y (mm)z (mm)w (mm)M2.0 4.2 6.6 2.2 6.4M2.3 2.5 M2.6 2.8 M3.0 5.6 8.0 3.2 5.4M3.5 3.7 1.52 1.5210.0 扣位 扣位提供了一种不但方便快捷而且经济的产品装配方法，因为扣位的组合部份在生产成品的时候同时成型，装配时无须配合其它如螺丝、介子等紧锁配件，只要需组合的两边扣位互相配合扣上即可。扣位的设计虽可有多种几何形状，但其操作原理大致相同: 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; 及后，借着塑料的弹性，勾形伸出部份实时复位，其后面的凹槽亦即被相接零件凸缘部份嵌入，此倒扣位置立时形成互相扣着的状态。 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。永久型扣位的设计方便装上但不容易拆下，可拆卸型扣位的设计则装上、拆下均十分方便。其原理是可拆卸扣位的勾形伸出部份附有适当的导入角及导出角方便扣上及分离的动作，导入角及导出角的大少直接影响扣上及分离时所需的力度，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，不容易拆下。(Fig. 10.0.1) 10.1 其它常用扣位设计10.1.1永久式三瓣爪10.1.2可拆卸式三瓣爪10.1.3 Figure 公仔扣位设计 (冬菇头) 10.1.4 玩具子弹扣位设计 因为安全问题玩具子弹头的半圆不能少于 R2，而且为防止子弹自动弹出和扣位磨损的问题，所以子弹尾的凹坑必须有 1.0mm 的深度和在扣位的钩上加上一些倒扣位。11.0 超音波焊接技术 (Ultrasonic Welding) 1. 速度快 超音波焊接技术的周期很短，使用标准机器每分钟可处理三十件工作。 2. 效果一致 只要接头设计完善，焊接参数调校正确，便能获得清洁及一致的焊接效果，因为焊接效果不受操作人员的操作情况所影响。 3. 强度高 超音波焊接技术是将塑料熔合起来，因此能产生出无内应力的高强的接合。 4. 不需夹紧 当工件离开机器后便告完成，不需进行焊接后加工。 5. 用途较广 超音波焊接法可用来焊接那些不能用任何其它黏合剂的物料。6. 安全性 由于不需使用化学物品，因此不会产生化学中毒。 7. 若要超音焊接头达致所需要强度及美观程度，那么接头必须设计恰当，以及就要个别应用情况及个别塑料性质来设计。(Fig. 11.0.1) 12.0 LCD 的装配 LCD 的基本配件： Zebar LCD lens （液晶透镜）LCD lens cover （液晶显示器）Zebar Holder 为保证 Zebra 与 PCB 有正常的接触，所以 Zebra 与 PCB 需要有0.5mm Interference（干涉） ，而 holder 与 zebar 之间则以紧配的来防止 zebar 与 LCD 接触不良(Fig. 12.0.2)。因为 LCD lens 长度的公差比较大，所以 LCD lens 围骨与 LCD lens 大约需要有单边 0.5mm 的虚位。而且，围骨需要有一凹坑，作 LCD lens 在生产时的方向较对之用(Fig. 12.0.3