關于塑料產品的結構設計及材料成型注意事項

韓玲

（霍尼韋爾環境自控產品（天津）有限公司，天津 300457）

0 引言

工程塑料產品大部分是用注射成型方法加工而成的，產品的設計必須在滿足使用要求、標準和符合塑料本身的特性前提下，盡可能簡化結構和模具、節省材料、便于成型。產品設計中應考慮到如下因素：

1 產品材料的選取及形狀設計

1.1 材料的選取

ABS：高流動性，價格便宜，適用于對強度要求不太高的部件（不直接受沖擊，不承受可靠性測試中結構耐久性測試的部件），如內部支撐架（鍵板支架、LCD支架）等。還有就是普遍用在電鍍的部件上（如按鈕、側鍵、導航鍵、電鍍飾件等）。

PC+ABS：流動性好，強度不錯，價格適中，又稱 “合金鋼”。適用于高剛性、高沖擊韌性的部件，如框架、殼體等。

PC：高強度，價格貴，流動性不好。適用于對強度要求較高的外殼、按鍵、鏡面、傳動機架等。

POM：具有高的剛度和硬度、極佳的耐疲勞性和耐磨性、較小的蠕變性和吸水性、較好的尺寸穩定性和化學穩定性、良好的絕緣性等。常用于滑輪、傳動齒輪、渦輪、蝸桿、傳動機構件等。

PA：堅韌、吸水，但當水分完全揮發后會變得脆弱。常用于齒輪、滑輪等。受沖擊較大的關鍵齒輪，需添加填充物。

PMMA：有極好的透光性，在光的加速老化240小時后仍可透過92%的太陽光，室外十年仍有89%，紫外線達78.5%。機械強度較高，有一定的耐寒性、耐腐蝕、絕緣性能良好，尺寸穩定，易于成型，質地較脆，常用于有一定強度的透明構件，如鏡片、遙控窗、導光件等。

1.2 力求結構簡單

圖1 常見設計圖例Fig.1 Common design drawing

在保證使用要求及符合相關產品認證的前提下，設計力求結構簡單、便于流動成型及脫模，盡量避免或者減少抽芯機構，減少缺陷產生的幾率。如采用圖1常見設計圖例中（b）的結構，不僅可大大簡化模具結構，便于成型，且能提高生產效率。

2 產品的壁厚設計應合理

塑料制件的壁厚取決于塑件的使用要求，太薄會造成制品的強度和剛度不足，受力后容易產生翹曲變形，成型時流動阻力大，大型復雜的制品就難以充滿型腔。反之，壁厚過大，不但浪費材料，而且加長成型周期，降低生產率，還容易產生氣泡、縮孔、翹曲等疵病。因此制件設計時確定產品壁厚應注意幾點：①在滿足使用要求的前提下，盡量減小壁厚，避免過設計；②制件的各部位壁厚盡量均勻，以減小內應力和變形；③承受緊固力部位必須保證壓縮強度；④避免過厚部位產生縮孔和凹陷；⑤成型頂出時能承受沖擊力的沖擊。國外的一些常用塑料的推薦壁厚如表1所示。

表1 常用塑料壁厚推薦Tab.1 Common plastic thickness recommend

3 必須設置必要的脫模斜度

為確保制件成型時能順利脫模，設計時必須在脫模方向設置脫模斜度，其大小與塑料性能、制件的收縮率和幾何形狀有關，對于工程塑料的結構件來說，一般應在保證順利脫模的前提下，盡量減小脫模斜度。脫模角的大小是沒有一定的準則，多數是憑經驗和依照產品的深度來決定。此外，成型的方式，壁厚和塑料的選擇也在考慮之列。一般來講，塑料產品的任何一個側壁都需要有一定的脫模斜度，以便產品從模具中取出。脫模斜度的大小可在0.2°至數度間變化，視周圍條件而定，一般以0.5°至1°間比較理想。表2為根據不同材料而推薦的脫模斜度。具體確定脫模斜度時應考慮幾點：①對于收縮率大的塑料制件應選用較大的脫模斜度；②對于大尺寸制件或尺寸精度要求高的制件應采用較小的脫模斜度；③制件壁厚較厚時，成型收縮增大，因此脫模斜度應取大；④對于增強塑料脫模斜度宜取大；⑤含自潤滑劑等易脫模塑料可取小；⑥一般情況下脫模斜度不包括在制件公差范圍內。

表2 常用拔模斜度推薦Tab.2 Common draft angle recommend

4 強度和剛度不足可考慮設計加強筋

為滿足制件的使用所需的強度和剛度單用增加壁厚的辦法，往往是不合理的，不僅大幅增加了制件的重量，而且易產生縮孔、凹痕等疵病，在制件設計時應考慮設置加強筋，這樣能滿意地解決這些問題，它能提高制件的強度、防止和避免塑料的變形和翹曲。設置加強筋的方向應與料流方向盡量保持一致，以防止充模時料流受到攪亂，降低制件的韌性或影響制件外觀質量。

4.1 制件設計成圓角轉角的優點

在滿足使用要求的前提下制件的所有的轉角盡可能設計成圓角，或者用圓弧過渡。圓角具有以下特點：

（1）圓角可避免應力集中，提高制件強度。在制件的轉角處易產生應力集中，在受力或受沖擊、振動時會發生破裂，尤其像常用的工程塑料——聚碳酸酯，如果成型條件不當或制件結構不合理，則會產生很大的內應力，特別容易產生應力開裂。實驗數據證明，當圓角半徑小于制件壁厚0.3倍/時應力集中急劇增大，當大于壁厚0.8倍/時，應力集中明顯變小。

（2）圓角可有利于充模和脫模。對于一些流動性差的塑料或加入填料的塑料，制件設計圓角尤為重要，不僅可改善充模性能，而且可提高制品使用性能。

（3）圓角有利于模具制造，提高模具強度。制件上設計了圓角，模具的對應部位也呈圓角，這就增加了模具的堅固性，模具在淬火或使用時不致因應力集中而開裂，因而也增加了模具的強度。

應根據制件的使用要求和塑料材料的特性合理確定制件的尺寸公差。圖2為常見設計優劣對比圖。

圖2 常見設計優劣對比圖Fig.2 Common design advantages and disadvantages comparison chart

4.2 影響塑料制件尺寸精度的因素

影響塑料制件尺寸精度的因素很多而且十分復雜，歸納起來主要有以下幾方面：

（1）塑料原料本身的特性，一般結晶型和半結晶型的塑料的收縮率比無定型的大，范圍也寬，因此制件尺寸精度也就有差異。（2）成型工藝條件如料溫、模溫、注射壓力、保壓壓力、塑化背壓、注射速度、成型周期等都會影響成型收縮率的大小和波動范圍。

（3）模具的結構如分型面選擇、澆注系統的設計、排氣、模具的冷卻和加熱等以及模具的剛度等都會影響制件尺寸精度。

（4）模具在使用過程中的磨損和模具導向部件的磨損也會直接影響制件的尺寸精度。因此在制件設計中正確合理確定尺寸公差是非常重要的。對于工程塑料制件、尤其是以塑代鋼的制件，設計者往往簡單地套用機械零件的尺寸公差，這是很不合理的，許多工業化國家都根據塑料特性制定了塑料制件尺寸公差。我國也于1993年發布了GB/T14486－93《工程塑料模塑塑料件尺寸公差》，設計者可根據所用的塑料原料和制件使用要求，根據標準中的規定確定制件的尺寸公差。

5 結束語

本文研究重點是塑料產品的結構設計和成型注意事項。結合工作實際情況，運用塑料材料特性、注射成型中拔模等問題，總結出常用的塑料件結構設計的特點，采用實際舉例法說明各種形狀結構件設計時要注意的地方。也可以通過Pro/E WILDFIRE 5.0軟件的Mechanism模塊進行有結構應力等分析，探索減少應力的方法，提出一些塑料結構優化設計措施。簡化塑料件結構的設計過程，增強產品零件結構的可靠性，縮短產品開發周期。并將所得結論在集團公司產品設計中心推廣運用。