塑料制品悬臂卡扣连接件设计方法的研究优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 工程硕士 塑料制品悬臂卡扣连接件设计方法的研究 research on the method of plastic cantilever snap fit joining design 林杨明 林杨明 2009 年年 06 月月 中国图书分类号 tq32 学校代码 10213 国际图书分类号 542 密级 公开 硕士学位论文硕士学位论文 工程硕士 塑料制品悬臂卡扣连接件设计方法的研究 硕 士 研 究 生 林杨明 导师 于刚副教授 副导师 蔡建立 申请学位 工程硕士 学科 机械工程 所在单位 富士康精密组件 深圳 有限公司 答辩日期 2009 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index tq32 u d c 542 dissertation for the master s degree in engineering research on the method of plastic cantilever snap fit joining design candidate lin yangming supervisor associate prof yu gang deputy supervisor cai jianli academic degree applied for master of engineering speciality mechanical engineering affiliation foxconn precision industry shen zhen co ltd date of defence june 2009 degree conferring institution harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 i 摘 要 产品开发设计过程中 已从传统的基于制造的设计 dfm 跨跃到基于组装 的设计 dfa dfa 与 dfm 的最大不同在于 dfm 侧重于考虑单个零件的加工 性能 dfa则是在装配层面上考虑各零件的相互关系 卡扣连接作为一个最基本的装配特征 是连接各个零件的重要方式 卡扣结 构简单 生产便捷 易实现反复拆装 有其不可替代的优越性 因此如何快速设 计合理的卡扣连接来保证装配性能是十分重要的 在卡扣设计时经验法最为普遍 一般运用于成熟产品的设计 在很大程度上 依赖于前期产品的开发经验 而对于产品的创新设计 常用经典分析法及模拟仿 真法 此方法易于实现设计优化 本课题研究重点是塑料悬臂卡扣 结合工作实际 运用塑料注射成型理论 梁理论等 归纳出常用的悬臂卡扣模型的特点 采用经典分析法研究悬臂卡扣各 形状参数的相互关系及其装配力学性能 得出悬臂卡扣的基本计算公式 通过 pro e wildfire 3 0软件的 mechanism模块进行有限元仿真 分析悬臂卡扣基本 模型的应力及应变 探索减少应力的方法 得出悬臂卡扣的修正系数 提出一些 悬臂卡扣优化设计措施 并用 visual c 6 0 软件开发多功能悬臂卡扣计算器来指 导设计 在需要时只要输入卡扣的几何形状参数及材料特性参数 自动得出卡扣 的各关键量 简化卡扣设计过程 增强卡扣的可靠性 缩短产品开发周期 并可 将所得结论在集团公司产品设计中心推广运用 由于分析计算中悬臂卡扣都是简化模型 并以一定的假设为基础 故分析计 算结果并非精确结果 但完全可以满足工程设计需求 关键词 卡扣 几何参数 有限元分析 回归分析 优化设计 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 ii abstract in the product development process the design mode has developed from traditional design for manufacture dfm to design for assembly dfa the purpose of dfm is to guarantee the efficient processing of individual parts and in dfa designer need to think over all relative parts in assembly this is the most difference between dfm and dfa as a basic joining feature snap fit is one of the most important methods to joint different parts for snap fit has many irreplaceable advantages such as simple structure manufacturing convenience easy assemble and disassemble many times etc how to quickly design a snap fit to ensure capability of assembly is very important the empirical method which is often used in the mature product designs is widely used in snap fit design for innovative design we often use classical analytical method or simulation method to achieve optimization design in this paper with integrating practical design experience and using theory of plastic injection molding and cantilever beam i will study plastic cantilever snap fit and conclude the characteristic of normal cantilever snap fit model adopting classical analytical method to research all the geometric parameter of cantilever snap fit and their correlations through theoretical analysis to gain the basic equation for cantilever snap fit design through analyzing stress and strain of cantilever snap fit by proe wildfire 3 0 software some optimization design methods are put forward to improve cantilever snap fit design finally a multifunction calculator program is edited by visual c 6 0 software to guide cantilever snap fit design in the design of snap fit with inputting the parameters of the snap fit and material the multifunction calculator will output the key results automatically that we need therefore the design process can be simplified and the cycle of new product development can be shortened this result is generalized in product design center of foxconn and improves the design efficiency because the analysis base on the simplified models and some assumptions the equation couldn t be exactly accurate but the result can completely satisfy the requirement of practical design keywords snap fit geometric parameter regression analysis finite element analysis optimization design 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 iv 目 录 摘要 i abstract ii 目 录 iv 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题的来源及研究目的和意义 1 1 2 国内外文献资料综述 2 1 3 悬臂卡扣连接设计的发展方向 3 1 3 1 悬臂卡扣的衍生发展 3 1 3 2 悬臂卡扣的参数化发展 4 1 3 3 悬臂卡扣设计的外延式发展 4 1 4 本课题研究的内容及意义 4 第 2 章 塑料悬臂卡扣的基本介绍 5 2 1 塑料悬臂卡扣连接的主要特点 5 2 2 塑料悬臂卡扣的组成 5 2 2 1 偏斜元件 6 2 2 2 保持元件 6 2 3 悬臂卡扣的常用几何参数 7 2 4 各种悬臂卡扣模型及特点 8 2 5 本章小结 9 第 3 章 塑料悬臂卡扣设计一般规律 10 3 1 悬臂卡扣内应力分析 10 3 2 涉及悬臂卡扣分析计算的基础 12 3 2 1 对塑料材料的三个假设 12 3 2 2 塑料应力应变曲线 13 3 2 3 估算设计点 13 3 2 4 基于传统悬臂梁计算的假设 15 3 3 悬臂卡扣形状参数的一般规律 15 3 3 1 悬臂卡扣根部厚度 15 3 3 2 悬臂卡扣梁的长度 16 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 v 3 3 3 卡扣插入面角度 16 3 3 4 卡扣保持面深度 16 3 3 5 卡扣保持面角度 16 3 3 6 卡扣保持面处厚度 17 3 3 7 卡扣根部宽度 17 3 3 8 卡扣保持面处宽度 17 3 3 9 塑料卡扣装配间隙的确定 18 3 3 10 本章小结 18 第 4 章 悬臂卡扣特性方程的研究 19 4 1 悬臂卡扣的偏斜力研究 19 4 1 1 恒截面卡扣的偏斜力分析 19 4 1 2 卡扣设计的安全系数 20 4 1 3 卡扣壁面对卡扣性能的影响 20 4 1 4 卡扣锥度的仿真回归分析 22 4 2 悬臂卡扣的保持力研究 29 4 2 1 悬臂卡扣保持面的有效角度 29 4 2 2 悬臂卡扣保持面极限角度 30 4 2 3 悬臂卡扣保持面自锁角度 30 4 2 4 悬臂卡扣的保持力 31 4 3 悬臂卡扣的装配力研究 32 4 3 1 插入面的有效角度 32 4 3 2 悬臂卡扣的装配力 33 4 4 本章小结 34 第 5 章 悬臂卡扣的优化设计 35 5 1 r 角优化仿真回归分析 35 5 1 1 悬臂卡扣应力分析 35 5 1 2 悬臂卡扣的应力集中系数的研究 36 5 2 加强肋优化的仿真回归分析 38 5 2 1 卡扣加强肋设计的一般规律 38 5 2 2 卡扣锥化肋修正系数研究 40 5 3 将钩型卡扣转换成套型卡扣 42 5 4 根部火山口 43 5 5 转向保持元件 44 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 vi 5 6 预压偏斜元件 44 5 7 调整保持面角度 44 5 8 卡扣的限位特征 44 5 9 悬臂卡扣定位 导向 防护 止位及其它优化方式 45 5 10 本章小结 46 第 6 章 悬臂卡扣计算器的开发及验证 47 6 1 悬臂卡扣计算器的开发与应用 47 6 1 1 悬臂卡扣计算器的开发 47 6 1 2 悬臂卡扣计算器的应用 49 6 2 卡扣计算器的验证 49 6 2 1 悬臂卡扣偏斜力的仿真验证 49 6 2 2 悬臂卡扣根部应力集中系数的仿真验证 50 6 3 本章小结 51 结论 52 参考文献 53 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 56 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 56 致谢 57 个人简历 58 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第1章 绪 论 1 1 课题的来源及研究目的和意义 随着塑料工业的发展 塑料制品和零件越来越广泛地被应用于机械工业 电子工业及日常消费品等诸多领域 因塑料制品据有成本低 可回收重复利 用 易实现批量生产 外观造型丰富等优点 在新产品开发中经常选用塑料材 料 这些塑料制品设计的好坏 尤其是塑件之间连接设计的好坏 将直接影响 产品的性能及使用寿命 决定产品的质量 卡扣 snap fit 连接无疑是一种最经济 简单 有效 便捷的塑件连接 方式之一 但目前并没有一个完整系统的教材来指导设计人员完成这方面的工 作 国内外公司最普遍的做法是基于自身产品的特点建立一个资料库 data base 依据长时间的经验来制定设计准则 这对于设计人员 特别是刚从事 设计的人员 是有价值的 卡扣提供了一种不但方便快捷而且经济有效的产品装配方法 因为卡扣的 组合部分在生产成品的时候同时直接成型 装配时无须配合其他如螺丝 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 作为塑料制品的设 计 在塑件的连接方式上 应首先考虑卡扣连接 毫不夸张的讲 塑料卡扣设 计几乎应用在所有的消费类产品中 作为塑料制品的机构设计人员 经常要做 很多塑料卡扣设计 同时卡扣连接也是产品本身最脆弱的地方之一 在很多场 合 塑料卡扣一旦损坏将使整个产品成为废品 因此如何进行可靠 有效 合 理的卡扣设计是非常关键的 这也是长期困扰设计人员的一大难题 缺乏理论 知识的支持 使设计人员的设计能力的提升有了很大的瓶颈 制约着设计人员 潜能的发挥 本文最主要是要利用基础理论及模拟仿真技术对塑料卡扣连接设计做深入 研究剖析 提升设计品质 让设计人员进行灵活多变的产品设计 正因为塑料 卡扣连接在塑料制品设计中有如此崇高的地位 所以对它进行剖析研究是非常 有必要的 对企业来说更是意义重大 因为企业总是想在最短的时间创造最大 的价值 要想在最短的时间内设计出理想的产品 这就要求设计人员不仅要有 丰富的设计经验 还要有相当的理论基础 塑料制品无需像机械零件那样经久 耐用 设计寿命一般只有几年 加上技术发展日新月异 更新换代十分频繁 机械设计是一个传统行业 已经有很成熟的一个体系 以塑料和五金材料 这 里不讨论五金 为主要机构件的电子消费品的机构设计可以说是机械设计的一 个分支 在近三四十年空前兴起 对塑料产品设计的资料不少 但大多都过于 笼统 深入剖析 全面归纳总结塑料卡扣连接设计的专著就不多了 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 1 2 国内外文献资料综述 塑料零件间的连接的方式多种多样 如螺丝连接 1 塑料焊接 2 4 胶粘 剂连接 铰链连接 卡扣连接等 5 6 卡扣是应用最广泛的塑件连接方式 塑料卡扣连接是利用塑料的弹性变形 实现两种零件快装和速拆的一种连 接方法 在当今生活中 塑料卡扣连接随处可见 我们可以看到电子消费品 玩具 背包 家电等塑料制品中卡扣连接得到广泛应用 越来越多的人开始关 注卡扣连接 并对其进行研究 早在八九十年代国外就有一些著名的聚合物厂 商对卡扣连接设计深入研究 其主要成果是一些知名公司经过长期经验的积 累 制定自主研发的卡扣设计手册 比如 德国 bayer 公司的 snap joints and springs in plastics 7 美国 ticona 公司的 snap fits for assembly and disassembly 等都有自己的卡扣设计手册 8 这些大公司的设计手册都 有一个共同的特点 其卡扣相关的设计公式主要都通过理论 主要是运用梁理 论 计算及实验数据验证修正得出的 卡扣的模型是比较规则 而且模型的种 类也很少 随着消费者对产品质量的不断追求 各个公司越来越重视产品的可 靠性设计 对塑料制品而言 塑料卡扣连接的可靠性是机构设计的重要部分 国外越来越多从事产品设计的人员开始对塑料卡扣设计进行深入研究 9 15 美 国著名的机构设计专家罗泰泽尔在 塑料连接技术 一书中就用传统的梁理论 对塑料悬臂卡扣的关键量计算给出了简化公式 16 m j 戈登 小 在 塑料 制品工业设计 中 17 对卡扣设计作了更为详尽的分析 而保罗 r 博登伯杰 bonenberger paul r 在 塑料卡扣连接技术 中已做过较为深入研究 18 其对连接层面及卡扣功能设计分析上已相当透彻 随着计算机技术的发 展 一些新的设计方法也应运而生 尤其是有限元模拟仿真技术 19 21 目前 模拟仿真分析在国内外都非常普及 使得卡扣设计研究有了新的突破 不再受 卡扣形状的限制 国外现在对塑料卡扣连接技术已有一些成果 也有一些的专 著 一些较为典型的卡扣模型设计计算公式可从现有资料中查询 但现有资料 一般都是很简化的模型 考虑的因素并不十分全面 并且很少有公式推导过 程 国内对卡扣连接技术研究更滞后于国外 现有资料 22 24 表明 国内关 于塑料卡扣连接的设计资料大多在一些塑料工业制品设计著作中被简单提及 对塑料卡扣的研究大多停留在工作原理的理论研究 几乎找不到关于卡扣设计 方面的专著 在企业 一般都凭借设计人员自己的经验来进行卡扣连接设计 即使在国内的一些大型知名企业 也很少有人对卡扣连接进行研究剖析 无论 在国内还是国外 对卡扣的研究都不是很全面 如很少考虑到成型 制造因素 及塑料卡扣的应力分布等 本论文就是要用基础理论及模拟仿真技术对塑料卡扣连接 本文主要针对 塑料悬臂卡扣连接 深入研究剖析 希望能在现有资料及自己工作经验的基础 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 上 进一步研究悬臂卡扣的特性 探索影响悬臂卡扣性能的因素 得出其简化 计算公式 最后用 visual c 6 0 将论文研究成果编写成卡扣计算器 供卡扣 设计者参考设计 1 3 悬臂卡扣连接设计的发展方向 1 3 1 悬臂卡扣的衍生发展 随着塑料制品应用越来越广 卡扣形状及作用原理都在不断完善 悬臂卡 扣的模型也层出不穷 按卡扣的功能来分 悬臂卡扣按形状主要可分为以下几 种类型 本论文主要研究钩型与套型悬臂卡扣 1 钩型悬臂卡扣 最常用的普通卡扣之一 其力的作用线与中性层有 偏距 如图 3 1 所示 图 1 1 钩型悬臂卡扣 2 套型悬臂卡扣 最常用的普通卡扣之一 其力的作用线与中性层有 重合 如图 3 2 所示 图 1 2 套型悬臂卡扣 3 异型悬臂卡扣 形状不规则 如图 3 3 所示是最常见的异型卡扣 图 1 3 异型悬臂卡扣 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 1 3 2 悬臂卡扣的参数化发展 悬臂卡扣设计 分析 建模一体化发展 随着运用软件技术的发展 卡扣 连接设计将集成在 3d 应用软件中 根据企业需求设定一些常用标准卡扣模 型 在输入相关几何参数和材料特性参数时 能自动输出卡扣的关键量 并允 许用户自定义卡扣几何形状 仿真应用与仿真贮存 1 3 3 悬臂卡扣设计的外延式发展 将悬臂卡扣设计理论用于不同材料 在产品设计时往往不只应用一种材 料 悬臂卡扣设计理论同样适合其他弹性材料 1 4 本课题研究的内容及意义 本文主要通过研究分析探索塑料悬臂卡扣连接设计方法 如何高效可靠地 设计卡扣连接 以下是本课题的主要研究内容 1 总结常用塑料悬臂卡扣的主要型式 分析对比各种悬臂卡扣的特点 及适用场合 2 运用注射成型理论对塑料悬臂卡扣进行内应力分析 提出减小内应 力的措施 3 利用梁理论 注射成型理论分析塑料悬臂卡扣的几何形状参数 研 究到悬臂卡扣各形状参数的相互关系 得出悬臂卡扣的基本计算公式 4 用 proe wildfire 3 0 软件的 mechanism 模块对塑料悬臂卡扣进 行有限元仿真分析 再用回归法得出悬臂卡扣的一些修正系数 5 分析影响塑料悬臂卡扣性能的其它特征 提出优化悬臂卡扣设计的 一些方法 6 用 visual c 6 0 软件编程 开发出多功能塑料悬臂卡扣计算器 提高悬臂卡扣设计的可靠性 省去大量的繁琐计算 提高设计效率 给卡扣连 接设计提供强有力的依据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 第2章 塑料悬臂卡扣的基本介绍 2 1 塑料悬臂卡扣连接的主要特点 卡扣提供了一种不但方便快捷而且经济有效的产品装配方法 因为卡扣在 生产成品的时候同时成型 装配时无须配合其他如螺丝 介子等紧锁配件 只 要需组合的两边互相配合扣上即可 卡扣的设计虽可有多种几何形状 但两个 零件扣合过程中 都是藉着塑胶的弹性 卡扣设计一般都离不开悬梁式 套型 卡扣或异型卡扣都是悬梁式的延伸 所谓悬梁式 是指利用塑胶本身挠曲变形 的特性 经过弹性回复返回原来的形状 卡扣设计是需要计算的 装配后应力 集中的渐变行为 也是要从塑料特性中考虑的 常见的悬臂卡扣是恒等切面 的 若要悬梁变形大些可采用渐变切面 悬臂卡扣装配的弱点是卡扣的两个组 合部份 悬梁和钩形凸缘 经多次重复使用后容易产生变形 甚至出现断裂的 现象 断裂后的卡扣很难修补 因为卡扣与产品同时成型 所以卡扣的损坏亦 即产品的损坏 补救的办法是将卡扣装置设计成多个卡扣同时作用 使整体的 装置不会因为个别卡扣的损坏而不能运作 从而增加其使用寿命 悬臂卡扣的 另一弱点是卡扣相关尺寸的公差要求十分严谨 倒扣位置过多容易形成卡扣损 坏 相反 倒扣位置过少则装配位置难于控制或组合部份出现过松的现象 相 对其它连接方式 塑料卡扣连接有以下特性 1 拆装方便 卡扣连接无需其它工具及配件 2 卡扣装配利用塑料的弹性变形 易实现多次重复拆装 3 卡扣可在模具上加工出来 由注塑机直接注塑成型 节约成本 4 易实现不同材料零件间的装配连接 5 塑料卡扣形状自由 可设计成各种不同形状 6 装配永久性 如果需要 卡扣连接可以设计成永久性装配 7 卡扣装配很容易实现零件间的内连接 8 卡扣装配是一种环保连接 卡扣装配无需其它粘接液 溶剂 润滑 油等化学物品 是一种非常环保的连接方式 9 卡扣连接同时也是一种非常高效的装配方式 因卡扣连接在瞬时即 可完成 很适合自动装配 提高生产力 10 可回收重复利用 卡扣都是用可回收利用的塑料做成 利于节能 减排 减少污染 2 2 塑料悬臂卡扣的组成 塑料悬臂卡扣有两个主要元件组成 一个是装配和拆卸时提供弹性变形的 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 偏斜元件 另一个是与装配功能件接触处且决定保持强度的保持元件 如图 2 1 所示 图 2 1 卡扣主要组成元件 2 2 1 偏斜元件 在悬臂卡扣中 偏斜元件为悬臂梁及其他种类偏斜元件 梁的形状和截面 形式比较自由 可以有多种变化 可以是矩形 扇环形 u 形及 t 形等 如 图 2 2 所示 矩形 扇 环c 形t 形 图 2 2 梁的常见形状和截面 2 2 2 保持元件 悬臂卡扣的保持元件为卡爪或其他类保持元件 保持元件的选择与偏斜元 件 梁 本身无关 保持元件与偏斜元件可任意搭配 图 2 2 为悬臂卡扣常见 的偏斜元件与保持元件 它们之间可以拆分 任意组合 按悬臂卡扣的保持元件的特点 可以把悬臂卡扣的保持元件分为两类 一 类为钩型 另一类为套型 对于钩型类保持元件 当分离力作用在锁紧件上 时 无论钩型保持元件的形状如何 反作用力的作用线都不可能沿梁的对称轴 梁的中性层 总有一个偏移量 d 如图 2 3 a 所示 这样 在受到较大 的分离力作用下 梁注定会弯曲 且弯曲总是发生在悬臂梁最薄弱的方向 如果卡爪和配合件的角度都大于 90 那么保持强度会明显加大 当悬 臂卡扣的末端空框或边状保持元件时 称之为套型保持元件 对于套类保持元 件 因其分离力的反作用力的作用线经过梁对称轴 即中性层 如图 2 3 b 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 所示 没有偏斜力作用 梁不会发生弯曲 悬臂卡扣的保持强度由材料的拉伸 和剪切强度决定 因此套类保持元件具有很高的保持强度 a 钩型保持元件 b 套型保持元件 图 2 3 突型 套型保持元件保持强度特点 2 3 悬臂卡扣的常用几何参数 为了更好地说明卡扣的特性 在设计卡扣之前有必要对卡扣的一些基本参 数及常用术语进行简单介绍 如图 2 4 所示 wb w tb 卡扣中性层 保持面截面 rb tr y 保持面 插入面 wr lb l t 图 2 4 悬臂卡扣的参数及术语 插入面 指卡扣装配时卡扣与配合件接触的导向面 保持面 指卡扣装配后卡扣与配合件的装配接触面 卡扣中性层 指在装配或拆卸过程中卡扣悬梁发生偏斜时 无应力 应 力为零 的材料层 保持面截面 指在保持面根部的截面 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 l 卡扣的总长度 b l 卡扣梁的长度 t 卡扣侧壁厚度 b t 卡扣根部厚度 r t 卡扣保持面处厚度 b w 卡扣根部宽度 r w 卡扣保持面处宽度 w 卡扣加强肋宽度 卡扣插入面角度 卡扣保持面角度 r r 卡扣保持面处 r 角 b r 卡扣根部 r y 保持面深度 通常保持面深度y与卡扣最大偏斜量 相等 2 4 各种悬臂卡扣模型及特点 卡扣的形状繁杂多变 灵活自由 很难一概而论地说明 本文只对最为常 用的悬臂卡扣性能特点作简单的比较介绍 如表 2 1 所示 表 2 1 常用悬臂卡扣性能对比 主要特点 卡扣 形式 卡扣示图 偏斜力 装配力 保持强度 适用范围 应用举例 悬臂 钩型 卡扣 一 般 较 小 较低 最为常用的钩型卡扣形式 广 泛用于各种电子消费品 玩 具 家电等产品 电子消费 品 电脑 玩具 悬臂 套型 卡扣 一 般 较 小 好 最为常见的套型卡扣形式 有 利于节空间 一般用于空间窄 小的设计中 手机盖 电脑 悬臂 侧向 钩型 卡扣 一 般 较 小 好 一种很好的改良钩型卡扣 较 小装配力 却有较好的保持强 度 推荐使用 玩具 悬臂 t 型 卡扣 一 般 较 小 好 一种变异套型卡扣 很好的保 持强度 节省空间 接插件 悬臂 柱型 卡扣 较 大 较 大 一般 一种常见的柱面钩型卡扣 一 般用于柱形零件间的连接 连接器 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 2 5 本章小结 本章是对塑料悬臂卡扣的基本介绍 主要介绍了塑料卡扣的特点 塑料悬 臂卡扣的组成及常用的基本几何参数及术语 对比总结了一些常用塑料悬臂卡 扣的特点 适用场合 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 第3章 塑料悬臂卡扣设计一般规律 3 1 悬臂卡扣内应力分析 塑料内应力是指在塑料熔融加工过程中由于受到大分子链的取向和冷却收 缩等因素的影响而产生的一种内在应力 几乎所有塑料制品都会不同程度地存 在内应力 尤其是塑料注射制品的内应力更为明显 致使塑料注射制品在贮存 和使用过程中产生收缩 变形 翘曲或裂纹 严重影响注塑制品的使用和寿 命 塑件内部的残余应力不仅影响制品的表面形状 力学 光学性能 而且在 很大程度上决定制品的尺寸稳定性 因此找出各成型因素对注塑件内应力影响 的规律性 以便采取有效措施减小制件的内应力 并使其在注塑制品内尽可能 均匀地分布 这对提高塑料制品的质量具有重要意义 最大程度地降低塑料制 品内部的应力 并使残余内应力在塑料制品上尽可能均匀地分布 避免产生应 力集中现象 从而改善塑料制品的力学 热学等性能 因此 本文根据注射成 型的工艺特点 分析悬臂卡扣残余应力的产生原因和影响因素 目前国内外很多学者 工程人员对塑料注塑制品内应力 残余应力 都深 入研究 25 27 主要有以下四种不同原因的内应力 1 温度应力 是制品冷却时温度不均产生的应力 塑料制品的外层首 先冷却凝固收缩 其内层可能还是热熔体 这样芯层就会限制表层的收缩 导 致芯层处于压应力状态 而表层处于拉应力状态 由于凝固的聚合物层导热性 很差 因而在制品厚度方向上产生较大的温度梯度 先凝固的外层熔体要阻止 后凝固的内层熔体的收缩 结果在外层产生压应力 内层产生拉应力 另方 面 因制品壁厚不均匀 冷却速度不一致 从而产生冷却温度不均现象 2 取向应力 是塑料熔体在流动充模和保压补料过程中 大分子链沿 流动方向排列的不稳定构象被冻结而产生的一种内应力 取向应力产生的过程 为 靠近流道壁面的熔体因冷却速度快而造成外层熔体粘度增高 从而使熔体 在型腔中心层流速远高于表层流速 导致熔体内部层与层之间受到剪切应力作 用 产生沿流动方向的取向 用热处理的方法 可降低或消除塑料制品内的取 向应力 塑料制品的取向内应力分布为从制品的表层到内层越来越小 并呈抛 物线变化 注塑工艺参数对取向应力影响很大 28 30 如图 3 1 3 收缩应力 是塑料制品在熔融加工过程中因冷却定型时收缩不均匀 而产生的一种内应力 31 塑料制品冷却内应力的分布为从制品的表层到内层 越来越大 并也呈抛物线变化 注塑过程中 塑料分子本身的平衡状态受到破 坏 并产生不平衡体积时的应力 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 11 图 3 1 注塑参数对取向应力的影响 4 脱模应力 脱模时制品变形产生的应力 主要是模具加工精度较差 和设计不合理造成 如脱模斜度不够 顶针数量不够或顶出不平衡等 对于塑料悬臂卡扣 根据塑料注射成型理论分析 钩型卡扣主要有三个应 力集中的地方 即卡扣根部应力 保持面应力 插入面应力 如图 3 2 a 所 示 通常 与卡扣根部相接的基本壁厚与卡扣壁厚不均匀 且与卡扣表面并不 是圆弧过渡 存在壁厚突变 同样卡扣保持面及插入面处存在曲面突变和壁厚 不均 因此这些地方是应力比较集中的地带 在设计卡扣时要根据具体问题做 一些改良设计 从而提高卡扣的性能 套型卡扣一般没有插入面 应力主要集 中在卡扣根部和保持面处 如图 3 2 b 所示 套型卡扣壁厚比较均匀 只有卡 扣根部有壁厚突变 应力集中在曲面形状变化处 所以套型卡扣的内应力要小 于突型卡扣 尤其是在保持面处 卡扣根部应力 保持面应力插入面应力 卡扣根部应力 保持面应力 a 钩型卡扣内应力 b 套型卡扣内应力 图 3 2 钩型卡扣和套型卡扣的内应力 正因为内应力对塑料制品的性能有很大影响 所以必须采取有效措施减小 塑料制品的内应力 影响塑料制品内应力的因素众多 32 34 其主要影响因素 见表 3 1 在注射成型之后及时对塑件进行热处理是降低或消除其内应力 使 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 12 其内部结构加速达到稳定状态的一个有效措施 热处理的方法是 在加热介质 中先将温度从室温升到一定温度 这个温度常称为热处理温度或退火温度 退火温度一般都在制品的使用温度以上 10 20 至热变形温度以下 10 20 之间进行选择和控制 保温时间与塑料品种和制品厚度有关 使制件在此温度 下保持一定的时间 然后缓慢地冷却到室温 影响热处理效果最重要的工艺因 素是热处理温度和热处理时间 在理论上热处理温度越高 热处理时间越长 制件的内应力就能在更大程度上被消除 其内部结构就越趋于稳定 内应力通 常是造成塑料制品变形的主要原因 为了消除内应力对变形的影响 可以用反 变形法 即在制品没有完全冷却时 用夹具沿制品变形相反的方向将其固定 冷却后制品恢复到所需的尺寸的方法 表 3 1 影响注塑件内应力的主要因素 影响因素 影响结果 分子链的刚性 分子链的刚性越大 应力越大 分子链的极性 分子链的极性越大 应力越大 材料本身 取代基团的位阻效应 取代基团的体积越大 应力越大 浇口尺寸 浇口越大 应力越大 浇口位置 浇口设计在最大壁厚处 可以减小应力 流道设计 流道越是粗而短 应力越小 模 具 设 计 冷却系统 冷却系统分布合理 制品冷却均匀 可以减小应力 熔体温度 熔体温度越高 应力越大 保压时间 保压时间越短 应力越小 保压压力 保压压力越小 应力越小 模具温度 模具温度越高 应力越小 注射压力 注射压力越大 应力越大 注射速度 注射速度越大 应力越大 注射时间 注射时间越长 应力越大 成型条件 冷却时间 冷却时间越长 应力越小 圆角设计 制品各表面尽量用圆弧过度 有利于减小应力 制品 设计 制品壁厚 制品壁厚均匀或增加壁厚 可以减小应力 3 2 涉及悬臂卡扣分析计算的基础 3 2 1 对塑料材料的三个假设 悬臂卡扣的分析计算必须基于与材料相关的三个假设 即线性弹性 均 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 13 质 各向同性 尽管塑料不能完全满足这些假设 然而 这可以让我们用传统 的结构分析方法对卡扣进行简单的分析计算 简化卡扣模型 并且能解决实际 工程问题 1 塑料是线性弹性体 材料应力 应变曲线在分析范围内是线性的 2 塑料是均质的 材料的组成在整个零件上都是一致的 具有相同的 物理性质 3 塑料是各向同性的 材料中任意一点的物理性质都是相同的 与零 件所处的方向无关 3 2 2 塑料应力应变曲线 悬臂卡扣分析计算所需的最重要的数据就是材料的应力 应变关系 体现 这一关系的最好方法就是应力 应变曲线 图 3 3 所示为典型应力 应变曲线 图 3 3 典型应力 应变曲线 比例极限 a 曲线斜率开始改变 线性结束点 屈服点 b 应变出现增量 应力无增量 曲线斜率为零 极限强度 c 材料所能承受的最大应力 弹性极限 d 在此区域内 去掉负载后 仍可返回到零应变 正割模量 e 指应力与应变的比值 3 2 3 估算设计点 1 最大许用应力的确定 受长期载荷时 产品的最大许用应力 对塑性材料 设屈服点或屈服应变 的 20 处应变为最大许用应变 对脆性材料 设断裂点的 20 处的应变为最 大许用应变 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 14 受瞬间载荷时 产品的最大许用应力 对塑性材料可选屈服点或屈服应变 的 70 处应变为最大许用应变 对脆性材料 设断裂点的 70 处的应变为最 大许用应变 表 3 2 例出了一些常用材料的最大许用应变及其分析计算所需的特性参数 杨氏模量 泊松比 这些数值可用于估算初始性能 但不能用于最终分 析 因每种相同塑胶材料 不同厂商的材料特性并不完全一样 更详细的材料 性能参数可从供应直接获得 表 3 2 推荐的许用应力 杨氏模量 泊松比 材料 最大许用应变 杨氏模量 e mpa 泊松比 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯 abs 5 2400 0 35 丙烯腈 丁二烯 丙烯酸 asa 1 9 聚对苯二甲酸丁二酯 pbt 8 8 1600 2000 聚酰胺 abs 3 4 聚丙烯 pp 6 1100 1300 聚苯硫醚 pps 1 pc 0 gf 1 2200 0 38 pc 10 gf 2 2800 0 38 pc 30 gf 1 8 4700 0 38 pc 4 2100 2500 pc abs 3 abs gf 1 2 低密度聚乙烯 240 0 35 pom 2 0 2580 聚苯乙烯 2 5 3400 0 33 聚甲基丙烯酸甲脂 1 5 3700 0 33 玻纤增强 pa 4 6 1200 2000 0 33 2 摩擦系数 悬臂卡扣材料的摩擦系数 直接影响到卡扣的装配性能和保持强度 塑胶材料的摩擦系数一般在 0 2 0 7 之间 在设计时 低摩擦系数材料可取 0 2 高摩擦系数可取 0 4 如果要准确的磨擦系数时 可以请供应商提供材料 性能参数 因相同材料之间的摩擦系数会高于不同材料间的摩擦系数 这可以 通转换因子 c 来修正 表 3 3 为一些常见塑料摩擦系数及同材料转换因 子 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 15 表 3 3 一般塑料材料的摩擦系数 材料 摩擦系数 同材料时的 转换因子 c 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯 abs 0 50 0 60 1 2 聚碳酸酯 pc 0 35 0 40 1 2 聚甲基丙烯酸甲酯 pmma 0 50 0 60 1 2 丙烯腈 丁二烯 丙烯酸 asa 0 50 0 65 1 2 聚丙烯 pp 0 25 0 30 1 5 聚苯乙烯 ps 0 40 0 50 1 2 聚氯乙烯 pvc 0 55 0 60 1 0 苯乙烯 顺丁烯二酸酐共聚物 san 0 45 0 55 1 2 聚酰胺 pa 0 30 0 40 1 5 聚对苯二甲酸丁二酯 pbt 0 35 0 40 1 2 聚甲醛 pom 0 2 0 35 1 5 聚乙烯 pe 软质 0 55 0 60 1 2 聚乙烯 pe 硬质 0 2 0 25 2 0 3 2 4 基于传统悬臂梁计算的假设 1 在分析范围内 悬臂卡扣是均质的 且在拉伸和压缩作用下具有相 同的弹性模量 2 梁是直的或在弯曲平面内有曲率 且曲率半径至少是梁厚度的 10 倍 3 梁至少对称于一纵向平面 4 梁的宽度适当 5 最大应力不超过应力极限 6 所施加载荷不是冲击载荷 3 3 悬臂卡扣形状参数的一般规律 3 3 1 悬臂卡扣根部厚度 最常见的悬臂卡扣是成 90 伸出和在平面内的 如图 3 5 所示 如果梁 是从壁面突出来的 如图 3 4 a 所示 那么梁根部的理想厚度 b t 为壁厚度 的 40 60 如果梁是壁面的延伸 如图 3 4 b 所示 那么 b t应等于壁的厚 度 要是梁的厚度必须小于壁厚的话 梁的厚度应该从壁面到所需厚度的部位 沿梁的长度方向逐渐变化 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 16 a 梁与壁面垂直 应为壁厚的 40 60 b 梁由壁面伸出 应等于边缘壁厚 图 3 4 梁根部厚度 3 3 2 悬臂卡扣梁的长度 梁的长度指偏斜元件的长度 lb 根据梁理论 lb至少要等于 5 倍的壁厚 即 5tb 长度小于 5 倍壁厚 如果还能用梁理论来分析计算 结果就会失 真 一个较好的措施就是模拟仿真法 用有限元软件分析求解 首选的梁长度 为 10 倍的壁厚 10tb 梁太长就应多考虑悬臂卡扣的翘曲和充模问题 3 3 3 卡扣插入面角度 插入面角度 会影响装配力 角度越陡 装配力越大 插入面角度应尽 可能小 以减小装配力 合理的装配角度在 25 35 之间 大于等于 45 的角度会使装配困难 插入面在装配过程中起导向作用 其端部尺寸 x 应设 计成小于卡扣梁的厚度 b t 以达到较好的导向效果 如图 3 5 所示 x tb 图 3 5 插入面角度 3 3 4 卡扣保持面深度 保持面深度 y 决定了接合和分离时梁偏斜的程度 保持面深度随着梁长 度 b l 与厚度 b t 比值不同做相应调整 当 bb l t小于 5 1 时 保持面深度应小 于梁厚度 b t 当 bb l t接近 10 1 时 保持面深度可选梁厚度 b t 一般来 说 保持面深度应该稍小于最大偏斜量 y 3 3 5 卡扣保持面角度 保持面角度 影响着保持强度和分离行为 保持面角度越大 保持强度 和分离力就越大 保持面角度按功能效果 可大致分为三类 如图 3 6 所示 一类为自锁卡扣 图 3 6 a 所示 无论分离力有多大 只要在卡扣的许用应力 范围内 也就是不损坏卡扣的前提下 卡扣都不会松脱 另一类为普通卡 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 17 扣 图 3 6 b 所示 此为应用最广的卡扣形式 在分离力很大时卡扣由于中性 轴与分离力不在同一轴线上 卡扣会发生偏斜而松脱 最后一类为快拆卡扣 图 3 6 c 所示 卡扣梁在一定的分离力作用下会偏斜松脱 可拆式卡扣只能承 受较小的分离力 常用在经常拆装 且保持强度要求不高的场合 图 3 6 保持面角度 3 3 6 卡扣保持面处厚度 保持面处梁厚度 r t 常常接近梁根部厚度 b t 一般只有很小的出模度 当梁根部的应变较高时 全长带锥度的梁可以将应变均匀地分布在梁上 减小 卡扣根部的应变集中 卡扣越短 变锥减小卡扣根部应变越明显 常见的锥度 比在 1 25 1 2 1 之间 3 3 7 卡扣根部宽度 常见的卡扣宽度 b w 从根部到保持面变化不大 只有较小的出模度 此时 卡扣宽度不影响最大装配应变 却影响装配力 拆卸力和保持强度 由梁理论 可知 卡扣宽度应小于卡扣梁长度的 1 2 卡扣宽度越接近卡扣梁长度 应用 梁理论时误差越大 3 3 8 卡扣保持面处宽度 同卡扣厚度一样 可以增加卡扣宽度方向的锥度来改善卡扣性能 宽度带 锥度的卡扣可以减小卡扣根部应变 但不如厚度方向那么有效 悬臂卡扣梁长 度越短 锥度对应变减小的效果越明显 宽度带锥度的悬臂卡扣经常设计在薄 壁面伸出的梁上 如图 3 7 所示 图 3 7 从薄壁边缘伸出的悬臂卡扣 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 18 3 3 9 塑料卡扣装配间隙的确定 因为悬臂卡扣装配时总会有一定的偏斜 悬臂卡扣保持面与配合件的接触 面必须设计一定的间隙 加上塑料制品在生产过程中 由于模具加工 注塑成 型等因素 35 37 会有一定的公差 塑料制品的尺寸及公差与其缩水率是相关 的 在设计卡扣间隙时 要同时满足这些需求 设计人员应该尽量避免多个零 件互相扣合 以减少装配的累积公差 卡扣的极限角度 有效长度 保持面深 度对卡扣设计间隙都或多或少都有影响 在设计时要注意其与卡扣的相互关 系 首先根据国家塑件形状和位置公差标准选定相应的尺寸公差 一般情况 下 为了方便记忆可近似按以下公式取设计公式 g 尺寸 a 的国标公差 2 0 1 mm g a 图 3 8 悬臂卡扣装配间隙 3 3 10 本章小结 本章主要分析了塑料悬臂卡扣注射成型时的内应力 内应力影响因素及减 小内应力措施 介绍了涉及悬臂卡扣分析计算的假设 材料应力 应变曲线以 及如何确定悬臂卡扣应力设计点 研究了悬臂卡扣几何参数设计的一般规律 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 19 第4章 悬臂卡扣特性方程的研究 对常用悬臂卡扣来说最主要的是要研究其在装配过程中 工作负载时的受 力情况 也就是研究卡扣的偏斜力 装配力 保持力 这里的特性方程是指由 梁理论得出卡扣的卡扣偏斜力方程 及以偏斜方程为基础 用力学分析推导出 卡扣装配力 保持力方程 4 1 悬臂卡扣的偏斜力研究 4 1 1 恒截面卡扣的偏斜力分析 偏斜力 fp 使卡扣悬臂末端在许用应变内发生偏斜 时所需要的力 图 4 1 所示 一般情况下 max 就是卡扣保持面深度 y fp y max 图 4 1 卡扣的偏斜力 由悬臂梁理论可得以下公式 18 2 3 2 b b t y l 4 1 3 4 bb p b w et fy l 4 2 式中 悬臂卡扣的应变 p f 悬臂卡扣的偏斜力 e 悬臂卡扣材料的杨氏模量 由此可知卡扣的偏斜力与卡扣保持面深度成正比 在许用应变的范围内 加大保持面深度 y 可以显著提高卡扣的偏斜力 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 20 4 1 2 卡扣设计的安全系数 一般情况下 在工程设计中都要考虑一个安全系数 n 安全系数为产品 的安全提供一个余量 提高产品的可靠性 同时安全系数还补偿了塑料的非线 性和标准设计方程的应用 安全系数的选定要同产品的使用要求决定 表4 1 列出的是一般塑胶材料设计时的参考安全系数 此安全系数用于设计时估算卡 扣的最大强度 最终分析和终端应用还需根据产品的相关测试