第三讲_塑件结构设计.ppt

塑件结构工艺性,大连理工大学材料学院陈国清,2.塑料模具,2.1注射成型模具2.1.2塑件结构工艺性及尺寸精度2.2压塑/传递成型模具2.3塑料中空成型、真空成型模具2.4挤出成型模具,2.1.2.1塑件结构工艺性1避免侧孔与侧向凹、凸结构2脱模斜度3壁厚4圆角5加强筋6支承面7孔8螺纹9嵌件10花纹、标记、图案等2.1.2.2塑件尺寸精度1塑件尺寸与公差等级2塑件外观与表面粗糙度,2.1.2.1塑件结构工艺性塑件结构工艺性，直接关系到其成型模具的结构复杂程度、设计与制造成本及塑件的成型性能。只有合理的塑件结构设计，成型时才能确保塑件的内在与外观质量要求。塑件结构形状简单，可使模具设计与制造容易，降低成本。从模具设计与制造方面考虑，塑件设计时应考虑以下因素。（1）避免侧孔与侧向凹、凸结构塑件结构形状应在不影响使用功能要求的前提下，力求简单，尽量避免塑件表面带有侧孔或凹、凸结构，使模具结构复杂化。对于使用功能上所必须的侧孔或凹、凸形状，亦应通过合理设计，避免模具采用侧向抽芯机构。侧向抽芯结构将使模具结构设计复杂，制造成本增加。,带侧孔塑件的改进,改进后,改进前,改进前,改进后,改进后,改进前,容器底部侧孔的改进,塑件斜孔的改进,杯把避免侧凹的设计,滚花结构的改进,对有些塑件，其内外表面所带的侧向凹凸深度不大时，如果成型的塑件所用材料较软，富有韧性和弹性，可以采用强制脱模方法而不用侧向抽芯机构。但需满足如图所示的条件。,塑件内外表面的侧凹凸结构,5,5,内侧凹凸,外侧凹凸,塑件的脱模斜度,（2）脱模斜度为便于塑件脱模，塑件的内外表面沿脱模方向均应有足够的脱模斜度，以减小脱模阻力或塑件的损伤。只有当塑件高度小于5mm，且所用塑料材料的收缩率较小时，才可以不考虑脱模斜度。脱模斜度如图所示。,斜度取值斜度大小与塑件结构、尺寸大小、精度要求和材料特性等有关。常用各种塑料材料的斜度值可查相关的设计手册。一般在0.51.5之间，最小可为15，最大可取。但当塑件上带有文字、符号或皮纹等特殊结构时，需要更大的脱模斜度，一般不小于810。（每0.025mm花纹深度要取对1以上的脱模斜度。）对热塑性塑料制品，型芯的脱模斜度最小可为30，型腔可取20或更小。热固性塑料制件，型芯的脱模斜度最小可取20。对于玻璃纤维增强的塑料，型芯的脱模斜度应在130以上。部分常用塑料的脱模斜度值见表4-1表4-3,表4-1热塑性塑件的脱模斜度,4-2,4-3,3）脱模斜度的选用原则从有利于塑件脱模的角度，斜度越大越有利；但脱模斜度过大，会影响塑件尺寸精度，尤其对精密塑件。斜度太小，会增大塑件的脱模阻力或产生划伤塑件表面及顶出应力变形与破坏等缺陷。因此，塑件设计时应考虑以下原则：在满足塑件尺寸公差要求的前提下，斜度可取大些，利于脱模；精度要求高的塑件，斜度取小值。塑件高度或深度尺寸较大时，应选用较小的斜度。以免影响尺寸精度。塑件形状复杂，不宜脱模的，应选用较大的斜度。（包紧力大）塑件材料收缩率较大的（收缩应力大），应取较大的斜度。塑件壁厚较大时，应取较大脱模斜度值（因收缩包紧力大）。塑件材料较硬脆的，易取较大的斜度。塑件外表面的斜度应小于内表面的斜度（便于脱模），希望开模时塑件留在动模型芯时，塑件内表面斜度小于外表面。增强塑料宜取较大斜度值，含有润滑剂等易脱模的塑料制件可取小值。上述原则有时可能互相矛盾，需综合考虑各种因素合理确定。,（3）壁厚塑件壁厚是重要的结构要素。壁厚设计的基本依据首先是满足使用时的强度、刚度要求，同时满足熔体成形流动的需要，设计时应考虑如下要求。1）壁厚尽量小减小壁厚可节约材料和能源，缩短成型周期。由于塑料的导热系数差，壁厚大会增加塑件在模内的冷却时间，因冷却时间与壁厚的平方成正比。壁厚过大，塑件内易产生气泡、缩孔和表面凹陷等缺陷，同时收缩大，对型芯产生的包紧力大，脱模困难。壁厚过小，塑件强度不足，刚性差，熔体流动阻力大，充模困难，易产生欠注等缺陷。塑件的最小壁厚取决于塑料材料的流动性，流动性好的PA、PE、PP等最小壁厚可为0.20.4mm。流动性差的PVC、PC等最小壁厚为1mm。通常热塑性塑料的壁厚在14mm，热固性塑料的壁厚在16mm，最厚不超过13mm。,壁厚过大的塑件缺陷,改进前,改进后,改进后,改进前,改进前,改进后,内部缩孔、表面凹陷,缩孔凹陷,缩孔凹陷,2）壁厚尽量均匀塑件壁厚均匀是保证塑件质量与尺寸精度的重要条件。壁厚不均，使塑件各部位热量不同，需要的冷却时间不同，因收缩不一致，容易造成塑件的内应力而产生翘曲变形或开裂。同一塑件的各部位壁厚差应小于30%。若壁厚差别过大，可通过合理的调整结构加以改善，如图所示。,不均匀壁厚设计的改进,不良设计,改进设计,缩痕,不合理壁厚设计的改进,不良设计,改进设计,不均匀壁厚导致塑件产生气穴，填充不满,不均匀壁厚的塑件设计及其改进,当塑件壁厚差异不可避免时，在相邻壁厚连接处应逐渐平滑过渡，避免壁厚突变。如图所示。,具有壁厚差异塑件的改进,尖角,不良设计,3t,可以接受的设计,但有可能仍有问题,t,最好是采用相同壁厚的设计,3）壁厚与流程所谓流程是指熔融塑料由浇口流向型腔各处的距离。各种塑料在常规工艺条件下，能够流动的最大距离是不同的。流程大小与塑件壁厚成正比，不同类型塑料的壁厚与流程的关系见表-4。,4-4,4）塑件的最小壁厚塑件壁厚应满足成形时熔体流动和使用时的受力要求，在此前提下，壁厚越小越好。不同塑料推荐的最小壁厚值如表4-5和表4-6所示。,4-5,4-6,（4）圆角塑件不同表面连接处均应采用圆角过渡，以免尖角引起应力集中使塑件开裂。圆角可使塑件外形流畅美观，还可以改善熔体充模流动，延长模具寿命。塑件圆角半径最小不应小于R0.5，圆角的半径应为壁厚的25%至75%，一般建议在50%左右。对于脆性材料如PS、PMMA等，圆角半径不应小于11.5mm。圆角结构与尺寸如图所示。,塑件的圆角结构与尺寸,不合理,较好,圆角尺寸,圆角设计时也要保持壁厚均匀，否则，同样产生缺陷。如图所示。图a）的外圆角太大，使圆角处壁厚减小，影响强度。图b）的圆角处壁厚太大，成形时易产生缩孔。图c）的圆角设计合理。,圆角的正确设计,a）,c）,b）,（5）加强筋（材料的合理使用）加强筋是为了在不增加塑件壁厚的情况下，提高塑件的强度与刚性，避免塑件翘曲变形，同时设置加强筋还有利于改善塑件成形时的熔体充模流动。加强筋可设置在塑件内表面，也可设置在外表面。设计时应注意以下几点：1）加强筋应设计的矮一些、多一些、薄一些为好。筋的厚度太大同样产生缩孔和凹陷。如图所示。加强筋之间的中心距应大于壁厚。加强筋与塑件表面连接处也应设置圆角，以免应力集中而产生裂纹。,不合理加强筋设计产生的缺陷,2）加强筋的设置方向应与塑件受力和熔体充模流动方向一致，且不妨碍塑件脱模。如图所示。,筋的方向与熔体流动方向一致,熔体流动方向,3）加强筋的高度常取壁厚的3倍左右，并有25的脱模斜度。筋的根部厚度不应超过塑件壁厚的0.75倍，一般为壁厚1/2。加强筋和塑件壁的连接处及端部，都应圆弧连接，防止应力集中而影响塑件的质量。加强筋的尺寸设计见图。图a）的各部分尺寸较合理。图b）的尺寸不合理。R2比R1大的多，筋的背面（A处）易产生凹陷。,加强筋的尺寸,4）同一塑件上设置多条筋时，可相互连结成格栅，能显著提高塑件强度与刚度。加强筋的布置，应尽量避免塑件产生局部应力集中，防止产生缩孔或气泡等缺陷。如图。,加强筋与支承面,加强筋的布置,a）不合理布置,b）合理布置,筋的端面应低于塑件支承面0.51mm。如图。,缩孔,c）交汇处的改进,（6）支承面各类容器、罩、壳、杯子等带有底部支撑面的塑件，不宜整个底面支撑，而应设计成环形周边或数个脚点支撑。这是由于塑料的收缩率较大，成形中易产生内应力，难于成形出支撑面为平直的制品表面。由此会造成塑件放置时的不平稳。环形周边支撑面或支撑底脚的高度不应小于0.5mm，如图。,支承面、底脚与凸边支撑,图（a）整个底面为支承面，不宜采用。,图（b）用凸边作支承面。,图（c）以底脚作支承面。,图（d）加强筋与凸边支承相结合面。,（7）孔基于结构功能的要求，塑件上需有各种形状的孔，如通孔、盲孔、直孔、斜孔、方孔、圆孔、异形孔、阶梯孔、螺纹孔、简单孔和复杂孔等。孔的设计不应影响到塑件的总体强度。塑件上的孔都是用型芯成型的，细长的悬臂型芯在成型过程中受熔体充模压力的作用，很容易产生弯曲变形，所以孔的深度不宜太大，尤其是盲孔。如图所示。,不同结构形状的孔,阶梯孔,细长的盲孔,阶梯孔/细长盲孔,1）孔的极限尺寸各种塑料允许成形的最小孔径和最大孔深各不相同，孔的间距及孔与塑件边缘的距离都有一定的要求。如PA(尼龙）：孔径dmin=0.2mm孔深h通=10dmin，h盲=4dmin；PC：孔径dmin=0.35mm孔深h通=6dminh盲=2dmin；不同工艺方法成形的塑件孔深与孔径的关系及推荐的塑件孔的极限尺寸如表4-7合表4-8所示。,孔与塑件边缘距离或各孔之间的距离不应小于孔的直径d。塑件上孔之间的距离及孔与塑件边缘的距离和孔径之间的关系如图所示。,2）孔的成形方法塑件上孔的成形方法与其形状和尺寸大小有关，无论通孔或不通孔，一般都是由单独型芯或分段型芯成形的，对于细长型芯还需考虑两端支承结构，以防型芯弯曲变形。图所示为常用的通孔成形方法。,图中a）为一端固定的型芯成型直通孔，用于较浅的孔成型。图b）为对接型芯成型阶梯孔用于较深的孔成型，但易出现孔不同心问题。图c）为一端固定，一端导向支承的结构。型芯刚度增加，同轴度好。但导向部分磨损易产生溢料。,塑件孔,a）直通孔,b）阶梯通孔,c）阶梯通孔,图通孔的成形方法,盲孔设计时，应注意孔底与塑件表面留有足够的材料厚度，否则，成形后塑件表面会产生凸起缺陷，影响使用。,盲孔成形的深度,合理,不合理,盲孔只能用一端固定的型芯成形，因此，孔径不宜太小，孔深不宜太大。如图所示。注射或压注成型时，孔深不应超过孔径的4倍，压缩成型时，孔深不应超过孔径的22.5倍。,D,H,形状复杂或特殊的孔，可采取型芯拼合的方法成型。如图所示。,异形或特殊形状孔的成形,塑件,成形方法,塑件,成形方法,孔的加强,3）孔的加强孔设计时，一般情况下应设置在塑件强度较大的部位，但需要时可采取一些增厚措施来提高孔的使用强度。如图所示。,凸台的增强,（8）凸台与角支撑凸台是在塑件上用来增强孔或供装配附件用的凸起部分。凸台设计时应尽量使其尺寸小些，不要因设置凸台而使塑件壁厚增加过大。当凸台处于平面或远离壁面时，应设置加强筋，提高凸台的强度，并使塑件成形与脱模容易。,不合理的凸台设计使塑件产生内部缩孔和表面凹陷。,凸台的增强,凸台使塑件壁厚增加过大，产生缩孔和凹陷。,表4-9凸台的典型尺寸,塑件上安装紧固用的凸耳结构，应有足够的强度来承受紧固作用力。为此,台阶支承面不应太小，且应当平缓地过渡。如图所示。,安装用凸耳,角形支撑结构与尺寸参数,A塑件壁厚，则BA，F2E，,CB，D2B，E0.8A。,在塑件的边缘部位采用斜角支撑壁面，以增强塑件的强度和刚性，满足使用要求。角支撑结构如图所示。为增强角支撑的作用，宜增加角支撑的数量，减少角支撑间的距离。角支撑实际上就是位于塑件边壁转折处的加强筋。因此，加强筋的设计原则也适用于角支撑。,（8）螺纹塑件上的螺纹可直接用模具成型，模塑成型的螺纹精度一般低于IT8级。通常直径小于6mm者不宜用细牙螺纹。塑件螺纹设计时应注意以下要点。1）当塑料螺纹与金属螺纹配合时，其配合长度不应大于螺纹直径的1.52倍。因塑料收缩使螺距改变，配合部分过长会产生附加内应力，使联接强度降低（塑料螺纹强度约为钢制螺纹强度的1/51/10）。2）同一塑件上前后两段螺纹，应尽可能使其螺距相等，旋向相同，以简化模具结构。3）为防止塑料螺纹最外圈崩裂或变形，内外螺纹的始端和终端应留有0.20.8mm的无螺纹段。如表410所示。4）螺纹孔距塑件边缘的距离应大于螺纹外径的1.5倍，螺纹孔间距应大于螺纹外径的0.75倍，同时应大于塑件壁厚的1/2。,表4-10螺纹始末端尺寸,（b）内螺纹,（a）外螺纹,塑料螺纹的结构形状,塑件上既有外螺纹又有内螺纹。,塑料螺纹的实例,塑料螺纹的结构形状和应用实例如图所示。,5）螺纹的成型方法带有螺纹的塑件成形时脱模较为困难，通常采用如下几种方法：采用螺纹型芯或螺纹型环作为模具嵌件，在塑件成型之后随塑件一起脱模，然后在模外由人工旋下螺纹嵌件。在模具上设计自动脱螺纹机构，塑件成形后在脱模过程中自动将螺纹塑件旋下。外螺纹采用瓣合模结构（精度较差、有不易去除的飞边），要求不高的螺纹采用。对要求不高的螺纹，采用较软塑料成型时，可以采用强制脱模；此时，螺纹牙高应该设计的矮一些，断面形状应取圆形或梯形截面。如图所示。,60度角三角形截面和梯形截面螺纹,（9）嵌件在塑件成型过程中，将金属或其它非金属零件直接放入模具中，在塑料熔体充模及冷却固化后而与塑件固结为一体，此零件被称为嵌件。塑件中加入嵌件的目的是：提高塑件的强度、刚度、耐磨性、尺寸稳定性、导电、导磁和联接性能等。嵌件的应用如图所示。设计带嵌件的塑件时应注意以下几点：1）嵌件周围塑料层的厚度应足够大，以防止冷却过程中因收缩应力而引起塑件破裂（嵌件与塑件材料膨胀系数不同）。嵌件外周塑料层的厚度与塑料品种有关，不同塑料的最小厚度层如表4-11所示。2）嵌件嵌入塑件的一端离塑件壁厚的外表面，也应留有适当的厚度，如表4-12中的h值。以防塑件收缩时因嵌件的阻挡而产生表面凸起。,带有嵌件的产品,表4-11嵌件周围塑料层的最小厚度（mm）,表4-12金属嵌件周围的塑料层厚度（mm）,3）嵌件在模具内应可靠的定位，以防止合模时振动或充模时熔体作用力而产生位移、变形或脱落。4）嵌件嵌入塑件部分应与塑件固结牢靠，防止工作中受力而松动或脱出。通常采用异型截面结构或滚花等措施来增加结合的牢固性。如图3-44所示。5）嵌件嵌入部分周边应有倒角，避免尖角引起应力集中而产生裂纹。6）嵌件伸出端的长度不宜超出固定部分直径的2倍，以免弯曲变形。,（10）花纹、标记、图案等为增加塑件的外形美观及特定的功能，塑件表面上常设有花纹、图案与标记等，花纹装饰可遮掩塑件表面上的疵点、银丝、斑纹等缺陷。这些花纹、文字、图案等在塑件上以凸起结构为好，一是美观，二是模具容易制造。文字、图案等在塑件表面上的凸起高度一般为0.20.5mm，线宽0.30.8mm，两条线间距离不小于0.4mm，边框可比图纹高出0.3mm以上，标记、符号、花纹等的脱模斜度一般应大于8。塑件上的文字图案如图所示。,塑件上的文字,凹字,凸字,带边框凸字,带边框凸字,塑件表面上的花纹图案如图所示。一般圆形塑件，宜采用同心圆形花纹、菱形或网状花纹，如图a）和b）；矩形或正方形塑件宜采用条形花纹、菱形或网状花纹，如图c）和d）；三角形塑件宜采用纹线与三角形一边平行的网状花纹，如图e）。塑件侧表面上的花纹如图所示。常有皮革纹、织物纹等，塑件成形后可强制脱模，脱模斜度取大值。如皮革纹、布纹一般在35，文字、花纹不小于810。,塑件表面形状和花纹形式,a）,b）,c）,d）,e）,塑件侧表面的花纹,4.2塑件尺寸精度,1）塑件尺寸与公差等级塑件的成型过程中，影响其尺寸误差的因素很多，也很复杂。这就给合理确定塑件公差带来困难。我国“工程塑料模塑塑料件尺寸公差”的国家标准为GB/T14486-93，该标准适用于注塑、压塑、传递和浇铸成型的塑料件，不适于挤出、吹塑、烧结和泡沫制品。标准适用的塑件尺寸范围为0500mm，大于500mm的塑件需按给定的计算公式求得。即：=HI=H（0.027D）m式中为塑件公差，mmH为精度等级系数，其值见表4-13。I公差单位，I（0.027D）mD塑件公称尺寸，mm,该标准是根据我国目前一般的模塑水平，在做了大量测试、调查研究的基础上提出来的。它将塑件尺寸公差分为7个精度等级，根据塑料收缩特性的不同，对每种塑料建议选择其中的三个等级，即标注公差的高精度等级、一般精度等级和未注公差尺寸的低精度等级。其中高精度和一般精度只差一个精度等级，而一般精度等级和低精度等