面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計-第二部分-塑膠件的設(shè)計

面向制造和裝配的產(chǎn)品設(shè)計塑膠件的設(shè)計目錄一、定義與特性二、分類三、材料四、塑膠件設(shè)計零件壁厚避免尖角脫模斜度加強筋的設(shè)計支柱的設(shè)計孔的設(shè)計提高塑膠件強度的設(shè)計提高塑膠件外觀的設(shè)計降低塑膠件成本低設(shè)計注塑模具可行性設(shè)計塑膠件的裝配卡扣裝配卡扣的設(shè)計機械固定，自攻螺釘超聲波焊接塑膠件DFMA檢查表五、塑膠件設(shè)計--定義與特性塑膠：

主要由碳、氧、氫和氮及其他有機或無機元素所構(gòu)成，成品為固體，在制造過程中是熔融狀的液體，因此可以籍加熱使其熔化、加壓力使其流動、冷卻使其固化，而形成各種形狀，此龐大而變化多端的材料族群稱為塑膠;特性:低強度與低韌性原料豐富，價格低廉成型容易，易加工成復(fù)雜形狀，可大批量生產(chǎn)重量輕，低密度（塑膠比重0.9~2，鋁2.7，鐵7.8)受外力作用時容易產(chǎn)生連續(xù)變形色彩鮮明，著色容易，適當加入著色劑，可改變其色澤良好的絕緣性耐腐蝕性佳，耐水、耐油、耐酸、耐化學(xué)藥品，而且不生銹耐熱性差，大部份的塑料耐熱溫度約在150C以下不導(dǎo)電性、不導(dǎo)熱性可以具有其他特殊性質(zhì)，例如透明性、彈性等五、塑膠件設(shè)計--分類HDT=100℃ HDTV=250℃性能成本高性能工程塑料工程塑料通用塑料非結(jié)晶塑料結(jié)晶塑料PIPESPARPEEXLCPPEIPSUPTFEPETPA66PA6PDMPBTPPPESMAPSPVCSANPMMAPVDFPCPPOPC/ABSABSHDT=175℃ HDTV=250℃PA46PPSPPAPCT

塑膠

分類材料特性非結(jié)晶塑膠結(jié)晶塑膠比重較低較紙拉伸強度較低較低拉伸模量較低較高延展性較高較低抗沖擊性較高較低最高使用溫度較低較高收縮率和翹曲較低較高流動性較低較高耐化學(xué)性較低較低耐磨性較低較高抗蠕變性較低較高硬度較低較高透明性較高較低加玻璃纖維補強效果較低較高塑料材料的分類物性表零件的功能要求使用環(huán)境要求價格裝配要求尺寸穩(wěn)定性外觀安規(guī)要求五、塑膠件設(shè)計--材料的選擇五、塑膠件設(shè)計--零件壁厚零件壁厚必須適中壁厚太?。簭姸鹊土鲃幼枇Υ?，熔料難充滿壁厚太大：產(chǎn)生縮水、氣孔和翹曲等質(zhì)量問題冷卻時間增加，成型周期加長，生產(chǎn)效率低用料增加，成本正佳常用塑料材料合適壁厚范圍（單位：mm）：盡量減小零件壁厚，錯誤的做法是為提高零件強度而片面增加零件壁厚。決定零件壁厚的因素有：強度要求成型時能否抵抗脫模力抵抗裝配時的緊固力有金屬埋入件時，埋入件周圍的強度是否足夠孔的強度是否足夠

材料壁厚PEPPNylonPSASPMMAPVCPCABSPOM最小0.90.60.61.01.01.51.51.51.51.5最大4.03.53.04.04.05.05.05.04.55.0塑膠種類最小壁厚小型艦壁厚中型件壁厚大型件壁厚ABS0.751.251.63.2~5.4防火ABS0.751.251.63.2~5.4PArt66+玻纖0.450.751.62.4~3.2PMMA0.81.52.24~6.5透明PC0.951.82.33~4.5塑膠件壁厚選擇五、塑膠件設(shè)計--零件壁厚零件壁厚均勻:當壁厚不均勻時：原始設(shè)計較優(yōu)設(shè)計A較優(yōu)設(shè)計B最優(yōu)化設(shè)計五、塑膠件設(shè)計--避免尖角避免零件外部尖角：避免在塑膠熔料流動方向上產(chǎn)生尖角：避免在零件連接處產(chǎn)生尖角：圓角的設(shè)計

零件應(yīng)力集中系數(shù)五、塑膠件設(shè)計--脫模斜度決定脫模斜度的因素:脫模斜度一般取1~2°；收縮率較大的塑膠件脫模斜度較大；尺寸精度要求較高的特征處取較小脫模斜度:公模側(cè)脫模斜度小于母模側(cè)以利于脫模；壁厚較厚時，成型收縮大，取較大脫模斜度;咬花面與復(fù)雜面取較大脫模斜度;玻纖增強塑料取較大脫模斜度；零件某些平面因為功能需要可以不設(shè)置脫模斜度，但模具則需設(shè)計側(cè)抽芯結(jié)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高:在零件功能和外觀等允許情況下，零件脫模斜度盡可能取大;脫模斜度的大小與方向不能影響零件的功能實現(xiàn)。脫模斜度的大小和方向不能影響零件的功能實現(xiàn)：表面部位斜度連接零件與薄壁零件其它零件外表面15’30;~1°內(nèi)表面30’≈1°孔（深度＜1.5d）15’30’~45’加強筋、凸緣2°、3°、5°、10°不同表面的脫模斜度推薦塑料名稱脫模斜度聚乙烯、聚丙烯、軟聚氯乙烯30’~1°ABS、聚酰胺、聚甲醛、氟化聚醚、聚苯醚40’~1°30’硬聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚砜50’~2°聚苯乙烯、有機玻璃50’~2°熱固塑料20’~1°不同塑料的脫模斜度推薦五、塑膠件設(shè)計--加強筋的設(shè)計加強筋的尺寸：筋的厚度：不應(yīng)該超過塑膠零件厚度的50%~60%筋的高度：不能超過塑膠零件厚度的3倍筋的根部圓角：為塑膠零件厚度的0.25~0.5倍筋的脫模斜度：一般為0.5°~1.5°筋與筋的間距：至少為塑膠零件厚度的2倍加強筋的設(shè)計原則：壁厚均勻：筋的方向與塑膠熔料方向一致：頂端增加斜角，避免困氣：與塑膠容量的流向一致：五、塑膠件設(shè)計--支柱的設(shè)計支柱的尺寸：外徑與內(nèi)徑：外徑為內(nèi)徑的2倍厚度：不超過零件厚度的0.6倍高度：不超過零件厚度的5倍根部圓角：為零件壁厚的0.25~0.5倍根部厚度：為零件壁厚的0.7倍脫模斜度：一般內(nèi)徑0.25°，外徑0.5°支柱的設(shè)計原則：壁厚均勻：保持與零件壁的連接：單獨支柱四周增加加強筋補強：五、塑膠件設(shè)計--孔的設(shè)計孔的深度尺寸：不能太深(若太深，采用階梯孔成型)孔與孔的間距及孔與零件邊緣的尺寸：應(yīng)至少大于孔徑或零件壁厚的1.5倍以上，即S≥1.5t或1.5d，取二者的最大值避免盲孔根部太薄：不通孔底部厚度至少應(yīng)當大于不通孔直徑的0.2倍，底部太薄，不通孔強度低，同時背面容易產(chǎn)生外觀缺陷。如果底部太薄，則可以考慮采用底部增強結(jié)構(gòu)（如下）。零件上的孔盡量遠離受載荷部位：孔的邊緣增加凸緣以增加強度：增加強度、防止變形避免與零件脫模方向垂直的側(cè)孔：簡化模具結(jié)構(gòu)塑膠件上常見的孔大致可以分為不通孔、通孔和階梯孔3種：當不通孔的直徑小于5mm時，孔的深度不應(yīng)該超過孔直徑的2倍;當不通孔的直徑大于5mm時，孔的深度不應(yīng)超過孔直徑的3倍。通孔比不通孔更容易制造，因為型芯可以分布在凸、凹模兩側(cè)，通孔的深度可以適當加大。當通孔的直徑小于5mm時，孔的深度不應(yīng)該超過孔直徑的4倍;當通孔的直徑大于5mm時，孔的深度不超過孔直徑的6倍。階梯孔五、塑膠件設(shè)計--孔的設(shè)計長孔的設(shè)計：應(yīng)該與塑膠熔料的流動方向一致，避免垂直于流動方向，以免阻礙塑膠熔料的流動。風(fēng)孔的設(shè)計：一般情況下，風(fēng)孔為圓孔時模具型芯為圓柱形，加工容易，模具成本低。過多的風(fēng)孔設(shè)計會造成零件強度降低，可以通過增加加強筋或凸緣等方法來增加風(fēng)孔處零件的強度。

圓形風(fēng)孔

六邊形風(fēng)孔五、塑膠件設(shè)計--提高塑膠件強度的設(shè)計通過添加加強筋而不是增加壁厚來提高零件強度：加強筋的方向要考慮載荷的方向：多個加強筋比單個較厚或較高的加強筋好：設(shè)計零件增強剖面：增加側(cè)壁：避免零件應(yīng)力集中：避免零件在熔接痕區(qū)域承受載荷：零件壁厚增加不僅會增加塑膠件重量，而且容易使零件產(chǎn)生縮水、氣泡等缺陷，同時增加注射生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)效率。為提高零件的強度，正確的方法是增加加強筋、而不是增加零件壁厚。加強筋只能加強塑膠件一個方向的強度。加強筋方向需要考慮載荷方向，否則加強筋不能增加零件抵抗載荷的能力；如果零件承受的載荷是多個方向的載荷或者扭曲載荷，可以考慮增加X形加強筋或者發(fā)散形加強筋來提高零件強度。當單個加強筋的高度太高或者厚度太厚時，可以用兩個較小的不高不厚的加強筋來替代.通過設(shè)計零件增強剖面形狀可以提高塑膠件的強度，常見的零件增強剖面包括形、鋸齒形和圓弧形。避免平面型塑膠件設(shè)計，平面型的塑膠件強度非常低，可以通過四周增加側(cè)壁來提高零件的強度；側(cè)壁的形狀可以是單純的直壁，在條件允許時，曲面式側(cè)壁或者帶增強剖面式側(cè)壁更能提高零件的強度。應(yīng)力集中常發(fā)生于零件尖角處、零件壁厚劇烈變化處、零件孔、槽及金屬嵌件處。零件應(yīng)力集中會大幅降低零件的強度，使得零件在沖擊載荷作用下發(fā)生失效。零件熔接痕區(qū)域是零件強度最低的區(qū)域之一，是最容易發(fā)生失效的區(qū)域之一。因此必須合理設(shè)置澆口的位置和數(shù)量，以避免零件在熔接痕區(qū)域承受載荷。五、塑膠件設(shè)計--提高塑膠件強度的設(shè)計其他方法：玻纖增強塑料常用來代替普通塑膠材料來提高塑膠件強度，需要注意的是玻纖增強塑膠只在玻纖的方向上提高零件的強度；塑膠件承受壓縮載荷的能力比承受拉伸載荷的能力強；避免零件承受圓周載荷。零件承受圓周載荷時，例如金屬鑲件處，很容易發(fā)生破裂而實效；在承受沖擊載荷時，保持零件剖面的完整性，避免在沖擊載荷方向上零件剖面出現(xiàn)缺口和應(yīng)力集中。五、塑膠件設(shè)計--提高塑膠件外觀的設(shè)計選擇合適的塑膠材料：合適的零件壁厚：在零件壁厚較厚處所對應(yīng)的零件外表面一般會發(fā)生縮水。通過設(shè)計掩蓋縮水：“火山口”設(shè)計：合理設(shè)置澆口位置：塑膠材料的選取對產(chǎn)品的外觀起著重要的作用，不同的塑膠材料有著不同的外觀質(zhì)量表現(xiàn)。例如，相對于非玻璃纖維增強的材料，玻璃纖維增強的材料注射成型后一般外觀質(zhì)量比較低，而且容易翹曲。在允許的情況下，可以通過U形槽、零件表面斷差的設(shè)計以及表面咬花等方式來掩蓋塑膠件表面縮水支柱壁厚處或加強筋壁厚處局部去除材料(我國臺灣地區(qū)稱之為“火山口”)，可以大幅降低零件外觀縮水的可能性，“火山口”設(shè)計會在一定程度上降低支柱或加強筋的強度。離澆口越遠處，越容易產(chǎn)生表面縮水。對于零件重要外觀表面對表面縮水要求高的區(qū)域，可以合理設(shè)計澆口的位置使其靠近該區(qū)域，減小縮水。同時，澆口的位置應(yīng)使得塑膠熔料從壁厚處流向壁薄處。若熔料從壁薄處流向壁厚處，壁薄處首先冷卻凝固，壁厚處表面很容易產(chǎn)生縮水，內(nèi)部則容易產(chǎn)生氣泡。五、塑膠件設(shè)計--提高塑膠件外觀的設(shè)計預(yù)測零件變形，設(shè)計減少變形。零件發(fā)生變形的原因很多，主要包括4個方面：1）零件在塑膠熔料流向方向上和橫截面方向上不同的收縮比。2）零件不均勻地冷卻。3）零件不均勻的壁厚造成變形。4）零件不對稱的幾何形狀造成零件變形。為此，可通過加強筋、對稱設(shè)計等方式減小零件變形。在外觀零件之間設(shè)計美工溝：避免外觀零件表面出現(xiàn)熔接痕：塑膠件表面咬花可以部分掩蓋熔接痕，但并不能完全掩蓋；噴漆可以掩蓋熔接痕；合理設(shè)置澆口的位置和數(shù)量，避免零件重要外觀表面產(chǎn)生熔接痕；保證模具通風(fēng)順暢。合理選擇分模線，避免零件重要外觀面出現(xiàn)斷差或者毛邊：模具凸、凹模交匯處、型芯與型芯交匯處、型芯與凸、凹模交匯等處容易出現(xiàn)斷差或飛邊。因此，應(yīng)當仔細檢查模具的分型面位置，避免在零件重要外觀面出現(xiàn)斷差或飛邊。避免將頂針設(shè)計在零件重要外觀面。兩個外觀塑膠件之間配合時，因為零件制造誤差和裝配誤差的存在，兩個零件之間的間隙和斷差（指一個零件的表面高于另外一個零件的表面）的存在（間隙永遠存在），會影響產(chǎn)品外觀；通過美工溝的設(shè)計可以掩蓋兩個外觀塑膠件之間的間隙，從而提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。常用的美工溝的設(shè)計有兩種。五、塑膠件設(shè)計--降低塑膠件成本的設(shè)計設(shè)計多功能零件：注射模具通常比較昂貴，設(shè)計多功能的塑膠件，能夠分擔模具成本，從而降低零件開發(fā)成本;同時，由于塑膠件可以具有復(fù)雜形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個塑膠件往往可以替代兩個甚至多個傳統(tǒng)工藝方法加工的零件，而多個塑膠件在有些時候也可以合并成一個塑膠件以節(jié)省成本。降低零件材料成本：通過加強筋而不是增加壁厚的方法提高零件強度；零件較厚的部分去除材料；簡化零件設(shè)計，降低模具成本：KISS原則（keepitsimple，stupid），簡單就是么。零件中的每個特征必須有存在的理由，否則，該特征應(yīng)該去除。復(fù)雜的塑膠件形狀和結(jié)構(gòu)會增加模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致模具成本增高，也會影響零件的質(zhì)量和性能。塑膠件應(yīng)盡可能地設(shè)計成多功能的零件，但多功能的零件并不意味著復(fù)雜的零件。如果多功能塑膠件的設(shè)計造成了產(chǎn)品整體成本的上升，則違反了塑膠件多功能的目的，因為塑膠件多功能的目的之一就是降低產(chǎn)品成本。避免零件嚴格的公差：公差越嚴格，零件制造成本越高。設(shè)計多功能塑膠件代替束線帶或線夾注射加工尺寸公差等級普通級技術(shù)級高精級成本指數(shù)100170300注射加工要求模具精度普通模具加工技術(shù)模具加工尺寸有較高精度要求高精度模具加工技術(shù)模具穴數(shù)一模多穴有些情況可以一模多穴一模一穴注射成型工藝參數(shù)參數(shù)要求不嚴格參數(shù)要求較嚴格工藝參數(shù)嚴密監(jiān)控廢料使用可再次使用一定范圍內(nèi)可再次使用不可使用廢料檢驗偶爾檢驗統(tǒng)計質(zhì)量管控統(tǒng)計工藝管控塑膠件尺寸公差三種等級五、塑膠件設(shè)計--降低塑膠件成本的設(shè)計避免倒扣：倒扣是指零件無法正常脫模的特征，例如位于模具開模方向上側(cè)的開口和側(cè)面的凸臺等。在模具中，倒扣是通過側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)來實現(xiàn)的，而側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)是模具中比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，同時也是增加模具成本的個重要因素。常用的側(cè)向分型與抽芯機構(gòu)包括斜銷和滑塊。有些外側(cè)倒扣可以通過重新設(shè)計分模線而避免：重新設(shè)計零件特征避免倒扣：如，減少使用側(cè)向抽芯機構(gòu)降低模具修改成本：零件的可注塑性設(shè)計：應(yīng)充分考慮零件的可注射性。零件可注射性好，零件注射成型后質(zhì)量高，模具修改次數(shù)就少，模具修改費低。如果塑膠件設(shè)計不考慮零件的可注射性，零件可注射性差，零件注射成型后質(zhì)量低，模具修改次數(shù)多，模具修改費用就高。減少產(chǎn)品設(shè)計修改次數(shù)：通過CAE分析和運動仿真、樣品制作等手段來完善和優(yōu)化零件設(shè)計，確保零件設(shè)計萬無一失后，再進行模具的設(shè)計和開發(fā)，從而減少模具制造完成后的產(chǎn)品設(shè)計修改。避免添加材料的模具修改：模具去除材料比較容易，修改費用低;模具添加材料比較復(fù)雜，修改費用高。因此，塑膠件的設(shè)計修改最好是使得模具去除材料而不是添加材料，那么塑膠件的設(shè)計修改就應(yīng)當是添加材料，而不是去除材料。在零件設(shè)計時，如果對零件的設(shè)計沒有把握，則可以對零件尺寸保留一定的余量，然后通過去除材料來驗證零件的設(shè)計。使用卡扣代替螺釘?shù)裙潭ńY(jié)構(gòu)：塑膠件的固定方式包括卡扣、螺釘、熱熔和超聲波焊接等，卡扣能夠快速裝配和快速拆卸，同時卡扣的成本最低，在滿足產(chǎn)品裝配以及功能的前提下，使用卡扣能夠降低零件的成本。五、塑膠件設(shè)計--注塑模具可行性設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計需要考慮注射模具結(jié)構(gòu)的可行性和模具壽命：不能用做機械加工的思路去做塑膠件，也不要去故意挑戰(zhàn)注塑工藝的極限，去搞做不出來的零件。卡扣等結(jié)構(gòu)應(yīng)為斜銷（或滑塊）預(yù)留足夠的退出空間：卡扣等結(jié)構(gòu)是塑膠件常用的一種裝配方式，通過模具中的斜銷(或滑塊)側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)成型而成。斜銷(或滑塊)在零件脫模時需要一段從卡扣中退出的行程，設(shè)計需要為斜銷(或滑塊)的退出提夠足夠的運動空間，否則會出現(xiàn)斜銷(或滑塊)無法退出或者斜銷(或滑塊)在退出過程中與零件上其他特征(如支柱等)發(fā)生干涉。避免模具出現(xiàn)薄鐵以及強度太低的設(shè)計：在塑膠件中，如果兩個特征距離非常近，那么在模具上相對應(yīng)的部位就是一塊薄鐵，易導(dǎo)致模具強度低、壽命短，因此，需要避免模具上出現(xiàn)薄鐵的設(shè)計。五、塑膠件設(shè)計--塑膠件的裝配各種裝配方式的優(yōu)缺點：裝配方式優(yōu)點缺點卡扣1、成本低2、可以拆卸3、設(shè)計靈活4、快速裝配和拆卸1、卡扣配合間隙的存在使得固定不牢固和產(chǎn)生噪音2、不可用于有預(yù)緊力的裝配，長期受力會發(fā)生蠕變失效3、不適用于需要經(jīng)常拆卸的應(yīng)用場合機械緊固件1、穩(wěn)健的設(shè)計2、可反復(fù)拆卸1、塑膠支柱在扭力作用下容易破裂2、滑牙（自攻螺釘）3、成本中等熱熔1、強度較高2、無需外零部件3、適合大批量、低成本生產(chǎn)1、不可拆卸2、零件熱膨脹系數(shù)不同可能會造成連接松動3、有些熱熔方式外觀不美觀焊接1、強度高2、沒有蠕變問題1