《塑料成型工艺与模具设计》-项目 ２　分析塑件的结构工艺

２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度２.１.１塑件的总体尺寸塑件的总体尺寸主要取决于塑料的流动性，如图２－２所示。１）在一定的设备和工艺条件下，流动性好的塑料可以成型出较大尺寸的塑件，反之成型出的塑件尺寸就较小。２）大而薄的塑件在塑料尚未充满型腔时就已经固化，或勉强能充满，但前锋冷料已不能很好熔合而形成冷接缝，影响塑件的外观和结构强度。３）塑件尺寸还受到注射机的注射量、锁模力和模板尺寸的限制。从能源、模具制造成本和成型工艺性等条件出发，在能够满足塑件使用要求的前提下，应尽量将塑件设计得紧凑一些。下一页返回２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度１.设计原则１）保证制品的使用要求（几何尺寸、精度、物理力学性能等）。２）力求选用成型性能好、价格低廉的塑料。３）应力求使形状、结构简单，壁厚均匀（易成型）。４）形状合理，有利于模具分型、排气、补缩和冷却。５）避免明显的各向异性，以免制品翘曲变形。６）技术要求尽量放低。７）辅助工作量应尽量少（成型后最好不再进行机加工）。２.影响因素１）塑料的流动性越好，就越可成型大尺寸制品。２）制品壁厚越厚，其成型尺寸制品越大。３）注射机规格：注射量、合模力、成型面积、模具固定板尺寸。上一页下一页返回２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度２.１.２塑件的尺寸精度１.概念塑件的尺寸精度是指获得的塑料件尺寸与产品图中尺寸的符合程度。２.影响因素（１）成型材料塑料的收缩性、流动性、水分、挥发物含量、原料配置工艺、生产批量等。（２）工艺条件成型温度、压力、时间→收缩量→尺寸精度。（３）制件形状形状、壁厚→成型收缩；脱模斜度→尺寸精度。上一页下一页返回２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度（４）模具制造精度、磨损程度、形状结构→收缩的方向性。（５）成型后的时效变化收缩后，存放不当将产生弯曲、扭曲等变形。３.影响结果塑件的尺寸精度往往不高，应在保证使用要求的前提下，选用较低的精度等级。４.公差（１）工程塑料模塑件尺寸公差工程塑料模塑件尺寸公差如表２－１所示。上一页下一页返回２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度（２）公差的选择常用材料模塑件精度等级的选用，如表２－２所示。２.１.３塑件的表面质量１.塑件的表面粗糙度塑件的表面粗糙度的影响因素主要有原料质量、操作水平和模腔表面质量。制品的表面粗糙度Ｒａ越小，要求模腔表面越光滑，制造难度越大。选择方法：一般模腔表面粗糙度Ｒａ要比塑件粗糙度Ｒａ低１～２级或为制品的１／２～１／４。主要考虑外观，一般Ｒａ为０.０２～１.２５μｍ。上一页下一页返回２.１塑件的尺寸、精度和表面粗糙度２.塑件的表观质量塑件的表观质量是指塑件成型后表观缺陷的存在程度。其表现形式有缺料、溢料、飞边、凹陷、气孔、熔接痕、银纹、斑纹、翘曲、收缩等。影响因素有：塑料原料的选择、成型工艺条件、模具总体设计等。工艺要求：花纹的存在不能影响制品的脱模。表面形态：１）光洁的表面。２）喷砂效果。３）类似于木材、皮革、布和其他天然材料等花纹。制作目的：１）提高塑料制品的外观效果。２）掩饰凹痕和流痕之类的表面缺陷。上一页返回２.２塑件的几何形状注射成型制品的工艺性是指制品的注射成型性能的好坏。制品的工艺性好，则成型容易，工艺条件宽松，无工艺缺陷，模具结构简单，成本较低。影响工艺性的因素有形状结构、尺寸大小、尺寸精度和表面质量。２.２.１壁厚１.制品壁厚ｔ对成型工艺的影响ｔ↑→材料消耗↑、冷却时间↑→成本↑；ｔ太大→凹陷、缩孔、气泡、夹心→强度↓；ｔ太小→流动阻力↑，不易成型。２.塑件厚度的选择依据１）制品的尺寸大小和结构特性。２）制品所受冲击力的均匀分散程度和脱模斜度。下一页返回２.２塑件的几何形状３）制品在使用、储存和装配过程中所需的强度。４）最终尺寸稳定性和外观。５）成型时的充模流动性。６）脱模时制品强度、变形、硬化、脱模等情况。３.最小壁厚的选择方法热塑性塑料流动性好，最小壁厚可达０.２５ｍｍ，但一般不小于０.６～０.９ｍｍ，常取２～４ｍｍ。４.要求同一塑件的壁厚应尽可能保持一致。塑件壁厚的大小主要取决于塑料品种、大小以及成型条件。热固性塑件可参考表２－４部分热固性塑料塑件的壁厚推荐值，热塑性塑料塑件可参考表２－５部分热塑性塑件的最小值及常用壁厚推荐值。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状２.２.２脱模斜度当塑件成型后由于塑件冷却而产生收缩，会紧紧包住模具型芯或型腔中凸出的部分，为使塑件便于从模具中脱出，防止脱模时塑件的表面被擦伤和推顶变形，与脱模方向平行的塑件内表面应有足够的斜度，即脱模斜度α，如图２－３所示。１.设置脱模斜度的原因１）由于塑件冷却时产生收缩而包紧在型芯上。２）由于黏附作用而紧贴在型腔内。２.脱模斜度的作用１）便于从塑件中抽出型芯或从型腔中脱出塑件。２）防止脱模时塑件拉伤、擦毛，甚至变形。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状３.取值范围一般情况下，α＝０.５°～１.５°。４.脱模斜度的选择原则１）在不妨碍塑件使用的前提下，α↑。２）塑料的强度越高或收缩率越大，冷却后对模具的包紧力越大，α↑。３）塑件的形状越复杂或壁厚越大，对模具的包紧力越大，α↑。４）塑件较高时，为减少对其精度的影响，α↓，而塑件高度小于２～３ｍｍ时，因脱模力小可不设计斜度。５）冷却收缩会使塑件尺寸变小，对凹模型腔的贴合力要小于对型芯的包紧力，故外表面斜度可比内表面斜度小些。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状６）为使制品在脱模时留在型芯上，内表面α＜外表面α，反之亦然。７）制品精度越高，α越小。８）制品上带有雕刻花纹或标记符号时，也应带有足够的脱模斜度。２.２.３加强筋１.加强筋的作用１）增加塑件强度和刚度。２）防止制品翘曲变形。２.加强筋的形状加强筋的形状如图２－４所示。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状３.加强筋的设计原则１）筋的方向应与物料的填充方向一致，否则将因筋的干扰而出现成型缺陷。２）多设计一些高度较低的筋来代替较高的筋，以避免筋本身发生变形破坏。３）两筋的中心距不小于２ｔ，各条筋的排列相互错开，以防止塑件因收缩而变形。４）各筋厚度应尽量相同，以防熔体局部集中而引起缩孔和气泡。５）筋的布局应合理，以减小变形和开裂，如图２－５所示。６）筋的宽度ｂ不应大于制品壁厚ｔ，如图２－６（ａ）所示，否则制品的另一面会产生凹陷，如图２－６（ｂ）所示。７）筋的底部与制品间应是圆弧过渡，以防因压力集中而遭到破坏，但圆弧过大同样会造成凹陷。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状８）保证筋的强度，不要在筋上安置任何零件。４.加强筋的典型结构Ｒ＝（１／８～１／４）ｔ；ｒ＝ｔ／８；α＝２°～５°；ｂ＝（１／４～１）ｔ；当ｔ≤２ｍｍ时，ｔ＝ｂ。２.２.４增强结构１.原因１）某些结构不允许有加强筋或加强筋效果不理想的情况。２）塑件在较高温度下取出后，将发生较大变形，需设防变形结构。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状２.方法主要方法包括：顶、底面增强，边缘增强，平板增强，侧壁增强，复合增强。（１）顶、底面增强容器顶、底面增强的结构如图２－７所示。（２）边缘增强容器边缘增强的结构如图２－８所示。（３）平板增强平板增强的结构如图２－９所示。（４）侧壁增强容器侧壁增强的结构如图２－１０所示。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状（５）复合增强复合增强的结构如图２－１１所示。２.２.５支承面１.不合理的大平面支承（见图２－１２（ａ））原因：１）不易做平（变形翘曲）。２）不易支承（不平稳）。２.常用支承（见图２－１２（ｂ）、（ｃ））１）边框支承。２）底脚支承。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状３.支承与加强筋的关系支承面附近有加强筋时，筋的顶部应低于支承面０.５ｍｍ以上，如图２－１３所示。２.２.６圆角除了使用上要求采用尖角之外，其余转角处均应尽可能地采用圆角过渡，如图２－１４所示。１.结构原因１）外角为尖角时，影响美观，造成壁厚不均而产生应力。２）内角为尖角时，在转角处产生应力集中，影响制品强度。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状２.工艺原因１）尖角的存在将增加成型时熔体的流动阻力。２）内尖角可能导致塑件在脱模过程中因成型内应力而产生开裂。３）外尖角会造成模具的应力集中，易导致塑件产生疲劳裂纹而失效。３.圆角大小内角：Ｒ＝０.５ｔ；外角：Ｒ＝１.５ｔ。２.２.７孔１.孔的类型（１）通孔１）型芯碰穿方法，如图２－１５（ａ）所示。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状特征：型芯一端固定，另一端与定模板在Ａ处贴合。要求：碰穿面贴合严密，以防飞边。２）型芯插穿方法，如图２－１５（ｂ）所示。特征：型芯一端固定，另一端在合模时插入定模板中固定。特点：可以提高其强度和刚性，不会产生飞边。用途：细长型芯，受侧向力较大时。（２）不通孔特征：只能用一端固定的型芯来成型。特点：型芯的刚性较差，使孔的深度受到限制。盲孔深度ｈ与直径ｄ，如图２－１６所示，其关系如表２－６所示。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状（３）异形孔特征：孔的轴线与开模方向不一致或形状复杂。类型：斜孔、弯孔、三通孔等，如图２－１７所示。设计要点：使孔的形状满足一定的要求，可采用拼合的型芯来成型，以避免侧向抽芯，简化模具结构。２.孔对成型工艺的影响１）使熔体流动困难。２）孔的周围易产生熔接痕使强度降低。３）模具结构复杂。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状３.孔的设计原则（１）孔的设置不应削弱塑件的强度１）不应使熔接痕降低塑件强度。２）孔间距、孔边距应适当，以使塑件有足够的强度。对热固性塑件，孔间距、孔边距与孔径关系如表２－７所示，热塑性塑件可按所列数值的７５％确定，增强塑料宜取上限，当孔径不同时，按小的孔径取值。３）受力孔的周围应设计一凸边或凸台来加强受力，如图２－１８所示。（２）孔的形状应便于成型１）圆柱型芯的加工和固定都比较方便，应尽量采用。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状２）孔的轴线和开模方向一致时，其成型方法比较简单，斜孔、弯孔、三通孔等异形孔的成型比较困难，通孔处于陡峭位置时成型也会较困难。（３）孔的尺寸极限如果成型孔的型芯过细或过长，塑件成型时会因熔体的高速冲击而弯曲，所以对孔的尺寸极限应加以限制。热塑性塑件孔的极限尺寸如表２－８所示。２.２.８侧凹和侧孔的设计１.侧凹的设计侧凹是侧向的凹凸结构。上一页下一页返回２.２塑件的几何形状设计要点：１）可采用瓣合模式模具，但因其结构复杂，制造困难。２）尽量应用较浅的侧凹以强制脱模，用于软塑料制品（如ＰＥ、ＰＰ等），如图２－１９所示。２.侧孔的设计１）可采用侧向分型与抽芯机构，但模具结构复杂，如图２－２０所示。２）尽量改善侧孔结构，使其能实现轴向抽芯，以达到事半功倍的目的，如图２－２１所示。上一页返回２.３塑件的其他结构１.螺纹（１）螺纹的成型方法和特点塑件上的螺纹成型有３种方法，分别为成型时直接成型、成型后进行机械加工和采用金属螺纹嵌件。１）成型时直接成型。此方法加工简便，成本低，生产周期短。但塑料强度差，精度等级低。２）成型后进行机械加工。螺纹成型后需要进行两次加工，生产效率低，一般是在用成型法成型螺纹困难的情况下采用，如螺纹孔径小且较深，螺纹型芯刚度、强度不够，或在侧面需要安装螺纹型芯而导致模具结构复杂。下一页返回２.３塑件的其他结构３）采用金属螺纹嵌件。金属螺纹嵌件精度高，强度好。但成型塑件时，嵌件周围易形成应力集中，加工嵌件和安放嵌件使生产周期增长，成本提高。一般是要求配合精度较高、经常装拆和受力较大的螺纹使用。（２）螺纹直接成型塑件中的螺纹直接成型时，由于螺纹过细，会造成使用强度不够，所以，牙形尺寸应有一定的限制，细牙螺纹不宜采用直接成型，而应采用金属螺纹嵌件。表２－９列出了塑料螺纹的选用范围。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构一般塑料螺纹的机械强度比金属螺纹低５～１０倍，与金属螺纹件不同的是，为了防止塑件螺纹始端和末端在使用中崩裂或变形，螺纹起止端应设计为圆台即圆柱结构，以提高该处螺纹强度并使得模具结构简单。塑件外螺纹的始端与顶面应留有０.２ｍｍ以上的距离，末端与底面也应留有０.２ｍｍ的距离，如图２－２２（ａ）所示。塑件内螺纹始端应有一个深度为０.２～０.８ｍｍ的台阶孔，螺纹末端也不宜与垂直底面相连接，一般与底面应留有不小于０.２ｍｍ的距离，如图２－２２（ｂ）所示。螺纹的始端和末端均应有过渡部分Ｌ，Ｌ值可按表２－１０选取。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构螺纹直接成型的方法有以下几种：１）采用螺纹型芯或螺纹型环在成型后将塑件旋出。２）外螺纹采用瓣合模成型，塑件会带有不易出去的飞边。３）使用要求不高的螺纹用软塑料成型时，采用强制脱模。这种方法主要用于要求不高的软塑料成型，螺纹断面较浅，且为圆形或梯形，如图２－２３所示。４）同一塑件在同一轴线上有两段不同直径螺纹，当两段螺纹方向相同，螺距相等时，成型后可直接将塑件旋出，如图２－２４（ａ）所示。当方向相反或螺距不等时，采用两段螺纹型芯或型环组合在一起的形式，成型后分段旋出，如图２－２４（ｂ）所示。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构２.齿轮目前，塑料齿轮在机械、电子、仪表等工业部门得到了广泛应用，常用的塑料有聚酞胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚矾等。为了使塑料齿轮适应注射成型工艺，齿轮的轮缘、辐板和轮毂应有一定的厚度，如图２－２５所示。为了减小尖角处的应力集中及齿轮在成型时内应力的影响，设计齿轮时应尽量平缓过渡，尽可能加大圆角及过渡圆弧的半径。装配时为了避免因装配而产生内应力，轴和孔的配合应尽量采用过渡配合，不应采用过盈配合。如图２－２６所示为轴与齿轮孔的两种固定形式。其中，图２－２６（ａ）为常用的轴和孔成月形孔过渡配合，图２－２６（ｂ）中轴和孔采用两个销孔固定。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构齿顶圆直径在５０ｍｍ以下，齿宽为１.５～３.５ｍｍ的较小齿轮，由于厚度不均匀会引起齿轮歪斜，因此，一般设计成无轮毂、无轮缘形式，齿轮为薄片形。较大齿轮应采用薄肋形式，对称布置，如图２－２７（ａ）所示。若采用在辐板上开孔的结构，如图２－２７（ｂ）所示，因孔在成型时很少向中心收缩，所以辐板变形会使齿轮歪斜，将影响齿轮精度。相互啮合的塑料齿轮宜用相同塑料制成。３.嵌件在塑件成型时，将金属或非金属零件嵌入其中，与塑件连成不可拆卸的整体，所嵌入的零件则称为嵌件。嵌件的材料一般为金属材料，也有用非金属材料的。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构（１）嵌件的作用各种塑件中的嵌件的作用各不相同，塑件中镶入嵌件，可以增强塑件局部的强度、硬度、耐磨性、导电性、导磁性等，也可以提高塑件的尺寸稳定性、尺寸精度，还可以降低材料的消耗。但采用嵌件一般会增加塑件成本，使模具结构复杂，降低生产效率。（２）嵌件的类型常用的嵌件如图２－２８所示，其中，图２－２８（ａ）为圆筒形嵌件，有通孔和不通孔，有螺纹套、轴套和薄壁套管等，其中以带螺纹孔的嵌件最为常见；图２－２８（ｂ）为圆柱形嵌件，有螺杆、轴销、接线柱等；图２－２８（ｃ）为片状或板状嵌件，常用作塑件内的导体和焊片；图２－２８（ｄ）为细杆状贯穿嵌件，如汽车方向盘。图２－２８（ｅ）为非金属嵌件，黑色塑料作嵌件的改性有机玻璃仪表壳。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构（３）嵌件的设计设计塑件的嵌件时，主要应考虑嵌件与塑件之间的牢固连接、成型过程中嵌件定位的可靠性和嵌件固定的稳定性及塑件的强度等问题。而这些问题的解决关键在于嵌件的结构选择、嵌件与塑件的配合关系。１）嵌件与塑件的连接。为了避免嵌件受力时在塑件内转动或被拔出，保证嵌件与塑件的牢固连接，嵌件的嵌入部分表面必须设计有适当的凸状或凹状部分，如图２－２９（ａ）所示；柱状嵌件可在外形滚直纹或菱形花纹，切出沟槽，如图２－２９（ｂ）所示；中间为嵌入部分表面滚菱形花纹（适于小件），如图２－２９（ｃ）所示；图２－２９（ｄ）所示为嵌入部分压扁的结构，该结构用于导电部分时必须保证有一定横截面的场合；板、片状嵌件嵌入部分采用切口、冲孔或压弯等方法固定；薄壁管状嵌件可将端部翻边以便固定，如图２－２９（ｅ）所示。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构表２－１１列出了嵌件周围塑料层厚度的推荐值，供设计时参考。２）嵌件在模具内的定位与固定。嵌件在模具中必须正确地定位和可靠地固定，以防止成型时嵌件受到充填塑料流的冲击发生歪斜或变形。同时还应防止成型时塑料挤入嵌件上的预留孔或螺纹中，影响嵌件的使用。嵌件固定的方式很多，包括杆形嵌件定位方法、圆环形嵌件定位方法。杆形嵌件定位方法，例如外螺纹在模具内的固定方法，如图２－３０所示。图２－３０（ａ）采用光杆插入模具定位孔内，其与孔的间隙配合长度应至少为１.５～２ｍｍ，与模具孔间隙配合不得大于成型塑料的溢料间隙；图２－３０（ｂ）采用凸肩配合，增强了嵌件插入模具后的稳定性，还可防止熔融塑料进入螺纹中；图２－３０（ｃ）采用凸出的圆环。在成型时，圆环被压紧在模具上形成密封环以防止塑料进入。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构圆环形嵌件定位方法，如内螺纹在模具内的固定方法，如图２－３１所示。内螺纹嵌件直接插在光杆上，如图２－３１（ａ）所示；为了增强稳定性，采用外部凸合或内部凸阶与模具密切配合，如图２－３１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示。当注射压力不大时，螺纹细小（Ｍ３.５以下）的嵌件可直接插在光杆上，从而使操作大为简便。嵌件在模具内的安装配合形式常采用Ｈ９／ｆ９，配合长度一般为３～５ｍｍ。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构无论是杆形还是环形嵌件，在模具中伸出的自由长度均不应超过定位部分直径的２倍。否则，成型时熔体压力会使嵌件移位或变形。当嵌件过高或使用细杆状或片状的嵌件时，应在模具上增设支柱，以免嵌件弯曲，如图２－３２（ａ）、（ｂ）所示。但需要注意的是，所设支柱在塑件上产生的支柱工艺孔应不影响塑件的使用。使用薄片状嵌件时为了降低对料流的阻力，同时防止嵌件的受力变形，可在塑料熔体流动的方向上钻孔，如图２－３２（ｃ）所示。为了提高生产效率，缩短生产周期，对有些嵌件可采取成组安放的办法。如图２－３３所示的４个嵌件，先将４个嵌件组合冲压出来，作为一个整体嵌件安放，塑件成型之后，再将嵌件两端连接部分切断（虚线所示为切断位置）。上一页下一页返回２.３塑件的其他结构近年来，还采用了成型后压入嵌件的方法，如图２－３４所示，有菱形滚花的黄铜套，其带有４条开口槽及内螺纹，一个铜制的十字形零件扣在里面，将此嵌件放入成型后的塑件孔中，然后将十字形零件沿槽推动，黄铜套的菱形