(论文)注塑成型的塑料连接件设计

文章编号: 100523360(2004)0420010205 注 塑 成 型 的 塑 料 连 接 件 设 计 李 树1,揣成智1,刘风芝2 (1.天津科技大学,天津300222; 2.太原市物产集团,山西 太原030002) 摘 要: 介绍常用注塑成型连接件的材料选择、 连接原理、 基本类型、 尺寸和形状设计要点及实际使用情况 等。 关键词: 塑料连接件;连接原理;连接类型 中图分类号: TQ320.662;TQ320.74 文献标识码: B 收稿日期: 2004203216 1 前言 注射成型连接件的设计是塑料制品设计中不可缺 少的内容。它和大多数塑料注塑件一样,都是产品的 组成部分,它们既可以互相组装成一个制品,也可以与 其他材料的零部件组装成制品。如果不采用塑料连接 件连接,而采用金属的螺钉、 销钉等连接件会使塑料制 品尺寸变大且结构不合理;用带螺纹的金属嵌件作为 塑料件的连接件,会给制品的成型带来困难,也不能自 动化的生产制品,特别是用注塑成型的方法生产制品, 此缺点更为突出,它使注塑模具的结构更为复杂,产品 的成本也相应提高1。而利用塑料的良好弹性,柔软 性、 优良的抗疲劳等特性可设计出各种实用可靠的连 接件。它们具有结构简单,安装牢固、 装配容易、 加工 方便、 不附加紧固件、 价格便宜等优点,可用于仪表、 仪 器、 家用电器等行业。 通常使用的注塑成型塑料连接件可分为两种结构 形式2:一种为可拆卸连接;另一种为不可拆卸连接。 现主要讨论这两种连接的连接原理、 连接尺寸及制品 的形状设计。 2 可拆卸连接 可拆卸连接是指拆开连接件时,构成连接的所有 零件都不发生破坏。同时要求可拆卸连接的结构在使 用期的工作条件下,在多次拆卸2连接后零件的相应位 置和相关尺寸仍保持一定的精度。利用塑料材料本身 具有的良好弹性、 韧性等特点,可设计出多种实用的可 拆卸连接的塑料件。 2.1 搭接连接 搭接连接是一种允许有较大弹性形变的紧密连接 方式3。全部连接基本上都是在一个制品上模塑出凸 台、 凸耳或倒钩臂,将其插入到另一个模塑制件上相应 的凹口、 倒陷或孔中。它是塑料制品中最廉价、 最方便 的连接方式之一,用于可拆卸连接。下面介绍几种常 用的搭接连接。 2. 1. 1 夹环连接 图1为夹环连接,夹环提供了柔软的没有轴向装 配的连接,它允许连接处多方向自由弯折。用于盖和 底的夹环连接可在塑料件上设计凸起或沟槽来辅助准 确定位。它可以用任何柔性塑料制造,如聚乙烯、 聚丙 烯、 软聚氯乙烯等。 图1 盖和底成一体的夹环连接 2. 1. 2 搭扣连接 图2为搭扣连接,图中有三种不同的搭扣和孔眼 形状。主要用于塑料布和片材的搭接,所有用于注塑 成型的塑料材料都可以采用这种连接方式。 2.2 卡夹连接 卡夹连接是利用塑料的弹性变形,实现两个零件 01 塑 料 科 技 PLASTICS SCI. (b)插头扣; (c)带扣 的快装、 速拆的一种连接方法,用于可拆卸连接的场 合4。采用卡夹弹性连接,还可实现塑料件与其他材 料制件的连接,且装配后无载荷作用,不存在蠕变和振 动导致的松动现象。制做卡夹连接件的材料大多采用 聚碳酸酯、 尼龙、ABS、 聚甲醛等塑料,其成型的方法主 要采用注塑成型。 2. 2. 1 悬臂卡夹连接 最常见的悬臂卡夹连接是利用一个翘曲的悬臂并 使其在配件倒角处卡住,如图3所示。由于悬臂上的 凸起设计了斜坡返回角,容易拆开,倾斜角和悬臂的结 构控制了相应的组装力和拆卸力。 U型悬臂梁也是常用的可拆卸连接方法,如图4 所示。装配和拆卸的变形顺序可使由于过渡弯曲而造 成的破坏程度降至最低,这种连接也可达到相对大的 弯曲。 2. 2. 2 旋转卡夹连接 图5为旋转卡夹连接,基本特征是 : (1) 两塑料件 彼此啮合 ;(2) 在变得坚韧过程中卡夹产生弹性力 ; (3) 当达到最终装配位置时,两塑料件间无作用力。 图 5(a) 下面的塑料件上有一斜面凸起的导向面, 图3 带有倾斜返回角的悬臂梁 可被快速压入和放出 图4 U形悬臂的拆开(变形)顺序 a -凸起结构; b -卡口结构 图5 旋转卡夹连接 1向下; 2旋转; 3弹簧 使上面相配的塑料件沿箭头方向旋转进入凹槽,构成 连接。图 5(b) 为卡口状灯泡插座式结构,底部的压缩 弹簧用来卡紧部件,装拆方便。 2. 2. 3 插扣连接 插扣连接的形式很多,它是利用机械互锁和两零 件之间的摩擦力使塑料件彼此连接,图6中(a)和(b) 是较典型的插扣连接。 11李 树,等 注塑成型的塑料连接件设计 图6 插扣连接 2. 2. 4 卡夹连接部分和模具的关系 使用卡夹连接非常简单并且降低了组装操作成 本,但它们会使注塑模具结构变得非常复杂。卡夹连 接必须有倒角,因此增加了注塑模具的成本和模具的 复杂性。为了避免这种情况,图7所示从制件的侧壁 向下延伸的悬臂钩面向外,这样容易模塑,用简单的两 板式模具就能生产制品。反之,将自锁梁上的90 钩形 物面向内侧,如图8悬臂上有90 倒角,制品就不能推 出,改成图9形式虽能使制品推出,但模具结构复杂很 多。 图7 悬臂梁钩朝外的结构 图8 不能用简单推出装置顶出制品 3 不可拆卸连接 柔性铰链和压力装配是塑料件装配方法中较特殊 的两种不可拆卸连接。柔性铰链是利用高聚物的取向 和抗弯曲疲劳特性设计的。塑料的压力连接必须考虑 时间、 温度和注塑件上熔合缝的影响。此二种连接一 旦拆卸,会使被连接件破损。 图9 推出悬臂的推杆 1推杆; 2推顶定位板; 3推杆兼回程杆 3.1 柔性铰链连接 两个塑料件以铰链形式连接是一种常见的组件活 动连接方式5。它绕着一个固定的装配轴线转动,既 能阻止非转动方向的位移,又能承受上万次的弯折,有 效地减少了装配零件的数目。 3. 1. 1 材料及成型方法 制作柔性铰链的主要材料是聚丙烯,通过注塑成 型来得到柔性铰链连接。但也可以通过热压、 挤压、 吹 塑等方法来制造。用聚丙烯共聚物制造的柔性铰链, 可弯折上百万次。聚氯乙烯、 聚酰胺、 聚甲醛、 聚乙烯 也可以通过注塑等方法成型柔性铰链。 3. 1. 2 设计 下面以聚丙烯柔性铰链的设计为例,讨论一下设 计要点。 图10为注塑铰链,图10(a)所示的铰链处最佳长 度为115mm ,铰 链 中 心 处 塑 料 厚 度 为0125mm 0138mm ,长度约015mm。当带有铰链的塑件从模具中 取出后,趁热将铰链人工弯折若干次,使铰链处的分子 在外力作用下拉伸定向,以提高铰链的弯折次数,如图 10(b)所示,弯折角为90 180 。 注塑成型的柔性铰链浇口位置对铰链的质量和使 用寿命有很大影响,见图11。一般将浇口位置设在使 熔体垂直于铰链的旋转轴方向上,如图11 (a)所示。 塑料熔体从制品的大侧面流向小侧面,当熔体流过很 薄的铰链时分子会产生流动取向,这样制成的柔性铰 链弯折次数高,使用寿命长。若在平行于旋转轴方向 上开设浇口如图11(b)所示,在铰链处会出现缺料,冷 接缝等流动缺陷。 柔性铰链在转动时应考虑定位,可分别在两个配 21李 树,等 注塑成型的塑料连接件设计 图10 聚丙烯柔性铰链 图11 浇口相对于铰链位置选择 1浇口; 2铰链; 3大侧; 4小侧 合的塑件上设计凸起、 凹槽,弯折时相互对准。 312 压力装配连接 圆柱形压力装配连接是利用被连接塑料件的圆轴 和孔的弹性变形加压装配后保持坚固在一起的特性, 具有成型简单、 能承受一定扭矩的优点而被广泛使用 在塑料件轴与孔的连接中。塑料件的压力装配连接一 般是不可拆的。常用的塑料材料为聚酰胺、ABS、 聚甲 醛等,主要是采用注塑成型的方法来成型。 图12所示为压力装配连接,图中右边为实心轴, 轴径略大于图左边的孔径,通过压力装配达到连接的 目的。这种连接弹性比小,压应力高,因此要求模塑的 塑料件的制造精度高,轴与孔的配合应有严格的公差, 也不能有脱模斜度。为增加其弹性比,降低塑料件的 制造精度,可采用空心轴。由于采用压力装配连接后, 在轴与孔间存在着接触压应力,使它们相互坚固在一 起。实际上压力装配连接是机械零件上的过盈配合在 塑料连接件的应用。 图12 压力装配连接 压力装配连接具有两种失效形式,一种是轴上压 应力超过轴材料的屈服应力,轴将破裂;一种是套孔上 的拉伸应力超过该材料的拉伸屈服极限,则套孔被胀 破。由于塑料压缩强度较高,因此轴损坏的可能性很 小。常见的失效形式是套孔周向应力超过材料拉伸强 度而破裂,即在轴与套孔之间过盈量过大时的装配连 接。而过盈量过小时,使装配连接强度不足,可靠性 差。这个难点可通过改变塑料件连接部分的形状来改 善,如在塑料件轴上开槽,增大抗扭力矩,使塑料材料 蠕变时,材料流入沟槽内,这样可使连接强度变小的趋 势减慢;又如将套孔做成异形,以轴孔在装配时变形来 代替圆孔的均匀扩张变形,这样弹性比减小,应力下 降,制造公差可放宽。 4 塑料连接件常见问题和解决措施 大多数的塑料连接件都是单件设计的,往往由于 设计欠周密以致在使用中常出现下列问题: (1)装配零件不能准确定位; (2)所需装配力太大,费时、 费力、 甚至达不到连接 要求; (3)弹性元件破裂; (4)连接不可靠; (5)有些结构会导致模具制造困难和成本提高。 要克服上述问题,其措施如下: (1)全面考虑和选择塑料连接件类型和形状; (2)正确选择弹性部件的弹性比率; (3)根据所用材料允许的应力和弹性极限来设计 连接部件凸起物的高度; (4)规定倒角和回程角来得到希望的快装力和拆 卸力。 参考文献: 1 申开智.塑料成型模具M.北京:中国轻工业出版社,2002. 31李 树,等 注塑成型的塑料连接件设计 2 唐志玉,徐佩弦.塑料制品设计师指南M.北京:国防工业 出版社,1993. 3 钱志屏.塑料制品设计与制造M.上海:同济大学出版社, 1993. 4 罗伯特A.马洛伊著.赵树高,等译.塑料注塑制件设计M. 北京:化学工业出版社,2000. 5 Paul A. Tres著.任冬云,等译.塑料零件装配设计M.北 京:化学工业出版社,2002. Design of Plastic Fastening Piece by Injection Molding LI Shu1, CHUAI Cheng2zhi1, LIU Feng2zhi2 (1. Tianjin University of Science 2. Taiyuan City Products Group , Taiyuan 030002 ,China) Abstract : It introduced the design of plastic fastening piece by injection moulding ,including