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1、学习的目的和要求掌握塑料制件设计的基本原则掌握塑件成形工艺特性与模具结构关系掌握塑件形状结构与模具结构的关系熟悉螺纹塑件、齿轮塑件的结构设计理解塑件的尺寸精度和表面粗糙度的含义能够正确选择塑件的尺寸精度和表面粗糙第1页/共67页第一节 塑料制件设计的基本原则注射制品的形状结构、尺寸大小、精度和表面质量要求，与注射成形工艺和模具结构的适应性，称为制品的工艺性。如果制品的形状结构简单、尺寸适中、精度低、表面质量要求不高，则制品成形起来就比较容易，所需的注射工艺条件比较宽松，模具结构比较简单，这时可以认为制品的工艺性比较好；反之，则可以认为制品的工艺性较差。为制得理想的塑料制品，除选用合适的塑料品种
2、以外，还必须考虑塑料制品的工艺性。塑料制品的工艺性与模具设计有着密切的关系，然而模具是根据制品设计的，因此，制品设计能适应模塑工艺要求，才能设计出合理的模具结构。由于塑料的物理性能、化学性能与其他材料不同，因此注射塑料制品的设计与成形加工以及模具设计亦有它独特的一面，要设计出结构合理、造型优美、经济耐用的塑料制品不但要考虑塑料本身的特性，而且要考虑到塑料成形的工艺、模具结构、制品使用环境以及制品的经济效益。第2页/共67页为设计出工艺性良好且满足使用要求的的塑料制件，必须遵守以下基本原则：1在设计塑件时，应考虑原材料的成形工艺特性，如流动性、收缩率等。2在保证制品使用要求（如使用性能、物理性能
3、与力学性能、电性能、耐化学腐蚀性能和耐热性能等）的前提下，应力求制件形状、结构简单和壁厚均匀。3设计制品形状和结构时，应尽量如何使它们容易成形，考虑其模具的总体结构，使模具结构简单、易于制造。4设计出的制品形状应有利于模具分型、排气、补缩和冷却。5制品成形前后的辅助工作量应尽量减小，技术要求应尽量放低，同时在成形后最好不再进行机械加工。6设计制品时还应注意成形时的取向问题，除非特殊要求，应尽量避免制品出现明显的各向异性。否则，除影响制品实用性能外，各个方向的收缩差异很容易导致制品翘曲变形。第3页/共67页第二节 塑件的形状和结构设计塑件形状和结构设计的主要内容包括：塑件形状、壁厚、斜度、加强肋
4、、支承面、圆角、孔、嵌件、文字、符号及标记等内容。2.2.1 塑件形状塑件的形状，在不影响使用要求的情况下，都应力求简单，避免侧表面凹凸不平和带有侧孔，这样就容易从模腔中直接顶出，避免了模具结构的复杂性。对于某些因使用要求必须带侧凹、凸或侧孔的塑件，常常可以通过合理的设计，避免侧向抽芯，如图2-1所示。图2-1(a)所示的是侧面带凹凸纹的塑件，使用中主要是为了旋转时增加与人手的摩擦力(如家用电器、仪器仪表的旋扭)，可以采用方案(b)直纹避免方案(a)菱形纹；图2-1(c)所示的塑件侧面下端带有孔，主要是为了排放液体用，可采用设计方案(d)，避免方案(c)；图2-1(e)、(f)所示的是一个茶杯
5、，手把部分如采用方案(e)，成形后手把部分需要侧向分型与抽芯才能脱模，若改用方案(f)，则可避免侧向分型与抽芯；图2-1（g）所示的筒形塑件，侧壁带有孔，在允许的情况下，可将塑件侧壁改为倾斜并使侧孔变为(h)所示的形状，就可以避免侧孔的抽芯，因为侧孔可以由上、下两个主型芯对接成形出来。第4页/共67页第5页/共67页第6页/共67页 想一想如果塑件必须带有侧凹或侧凸，但侧凹或侧凸尺寸比较小，能否不采用侧向分型与抽芯的方法而直接将塑件直接从模具中顶出呢？如果可以，那么侧凹或侧凸的尺寸小到什么程度才可以呢？在此，引进一个重要的概念与方法-强制脱模。强制脱模：采用脱件板脱模机构强制将带有侧凹或侧凸的
6、塑件从模具中顶出的方法称为强制脱模，强制脱模必须符合以下条件：侧凹凸较浅塑件所用材料较软、较韧或富有弹性模具结构上有弹性变形空间第7页/共67页对于如图2-2所示需要进行强制脱模的塑件，其内侧凹槽相对深度、外侧凹槽相对深度的计算公式为：内侧凹槽相对深度2-1外侧凹槽相对深度2-2第8页/共67页第9页/共67页2.2.2 脱模斜度为便于塑件从模腔中脱出，在平行于脱模方向的塑件表面上，必须设有一定的斜度，此斜度称为脱模斜度。斜度留取方向，对于塑件内表面是以小端为基准(即保证径向基本尺寸)，斜度向扩大方向取，塑件外表面则应以大端为基准(保证径向基本尺寸)，斜度向缩小方向取，如图2-3所示。脱模斜度
7、随制件形状、塑料种类、模具结构、表面精加工程度、精加工方向等而异。一般情况下，脱模斜度取130160(21)较适宜。如果在允许范围内取较大值，可使顶出更加容易，所以应尽可能采取较大的脱模斜度。塑件尺寸精度要求越高，则其脱模斜度越取小值。当塑件为轴时，应保证其大端尺寸，斜度向小的方向取；塑件为孔时，应保证其小端尺寸，斜度向大的方向取。其目的是，使模具成形零件有修理的余地，留有足够的修模余量。第10页/共67页设计塑件时如果未注明斜度，模具设计时必须考虑脱模斜度。模具上脱模斜度留取方向是：型芯是以小端为基准，向扩大方向取。型腔是以大端为基准，向缩小方向取。这样规定斜度方向有利于型芯和型腔径向尺寸修
8、整。斜度大小应在塑件径向尺寸公差范围内选取。当塑件尺寸精度与脱模斜度无关时，应尽量地选取较大的脱模斜度。当塑件尺寸精度要求严格时，可以在其尺寸公差范围内确定较为适当的脱模斜度。第11页/共67页第12页/共67页开模脱出塑件时，希望塑件留在有脱模装置的模具一侧。要求塑件留在型芯上，则该塑件内表面脱模斜度应比其外表面小。反之，若要求塑件留在型腔内，则其外表面的脱模斜度应小于其内表面的脱模斜度。如果希望塑件留于型腔内，但塑件内腔形状复杂，有留于型芯的可能性，此时若沿脱模方向塑件外表面长度不大于1015mm,就可不给该表面设置脱模斜度。如果该塑件外表面的长度小于34mm时，则可取与其脱模方向相反的脱
9、模斜度。塑件上脱模斜度可以用线性尺寸、角度、比例等三种方式来标注。第13页/共67页用线性尺寸标注脱模斜度的图例如图2-4（a）所示，用角度表示脱模斜度如图2-4（b）所示，用比例标注法如图2-4（c）所示。采用线性尺寸标注法可以直接地给出一个具体的斜度值，斜度值与塑件该部分表面的高度或长度有关。采用角度表示法对模具零件的加工极为方便，勿须换算，因而应用颇普遍。采用用比例标注法，例如用比例1：50、1：100等来表示脱模斜度、非常直观，勿须计算就能判断出脱模斜度的大小，同时不必在塑件图上夸大斜度而使其失真，比例法表示脱模斜度的缺点是只能选取严格的一定的比例值。第14页/共67页 表2-2表2-
10、4是常用塑料的脱模斜度推荐值，可供设计塑件时参考。第15页/共67页第16页/共67页2.2.3 防止塑件变形的措施 1 在转角处加圆角R因为塑件容易产生内应力，绝对强度又比较低，为了使熔料易于流动和避免应力集中，应在转角处加设圆角R且圆角R的值应比金属件的圆角大。应力集中系数与R/A之间的关系如图2-5所示。在给塑件内外表面的拐角处设计圆角时，应象如图2-6所示的那样确定内外圆角半径，以保证塑件壁厚均匀一致。第17页/共67页第18页/共67页 2 设置加强筋塑件上增设加强筋的目的是在不增加塑件壁厚的情况下增加塑件的刚性，防止塑件变形。对加强筋设计的基本要求是筋条方向应不妨碍脱模，筋的设置不
11、应使塑件壁厚不均匀性明显增加，筋本身应带有大于塑件主体部分的脱模斜度等。图2-7所示的是加强筋设计的两个典型方案比较，其中图(a)所示的设计方案较好，而图(b)所示的方案会使筋底与塑件主体连接部位壁厚增加过多，同时使A处容易产生凹陷等缺陷，因而不可取。第19页/共67页 塑件上加强筋的筋条方向应不妨碍塑料充模时的流动和塑料收缩，否则会造成塑件内应力并引起塑件翘曲。图2-8所示的是对同一塑件端部筋条方向设计的两种方案比较，其中方案(a)较好，方案(b)不可取，因为方案(b)中的筋条妨碍了塑料收缩（图中箭头所示方向为塑料收缩方向）。第20页/共67页 加强筋在塑料件上的应用非常广泛和普遍，如图2-
12、9所示就是在周转箱上设置加强筋的具体实例。第21页/共67页 3 其他措施 针对塑件结构持点，还可以采取其他增加塑件刚度的方法，如图2-10、2-11、2-12所示。图2-10所示为采用拱形增加刚度的方法，适用于盒盖、罩壳、容器等塑件；图2-11所示为采用拱形、弯折形或波纹形壁面增加刚度的方法，适用于表面较大的塑件；对于薄壁容器上口边缘可采用各种弯边，不仅使边缘刚度增加，也增加了塑件的美感，如图2-12所示。第22页/共67页第23页/共67页2.2.4 壁厚及壁厚均匀性塑件壁厚设计的基本依据是塑件的使用要求，例如强度、刚度、绝缘性、重量、尺寸稳定性和与其他零件的装配关系。壁厚设计也需考虑到塑
13、件成形时的工艺性要求，如对熔体的流动阻力，顶出时的强度和刚度等。在满足工作要求和工艺要求的前提下，塑件壁厚设计应遵循如下两项基本原则。1 尽量减小壁厚减小壁厚不仅可以节约材料，节约能源，也可以缩短成形周期，因为塑料是导热系数很小的材料，壁厚的少量增加，会使塑件在模腔内冷却凝固时间明显增长。塑件壁厚减小，也有利于获得质量较优的塑件，因为厚壁塑件容易产生表面凹陷和内部缩孔。热塑性塑件的壁厚一般在14mm之间，表2-5列出了热塑性塑件最小壁厚及推荐壁厚。热固性塑件的壁厚一般在16mm之间，表2-6为根据外形尺寸推荐的热固性塑件壁厚值。第24页/共67页第25页/共67页第26页/共67页 2 尽可能
14、保持壁厚均匀 塑件壁厚不均匀时，成形中各部分所需冷却时间不同，收缩率也不同，容易造成塑件的内应力和翘曲变形，因此设计塑件时应尽可能减小各部分的壁厚差别，一般情况下应使壁厚差别保持在30以内。如图2-13所示就是因壁厚不均导致塑件变形的实例。第27页/共67页 对于由于塑件结构所造成的壁厚差别过大情况，可采取如下两种方法减小壁厚差：(1)可将塑件过厚部分控空，如图2-14(b)、(d)、(f)所示。(2)可将塑件分解，即将一个塑件设计为两个塑件，在不得已时采用这种方法。第28页/共67页此外，必须指出壁厚与流程有着密切关系。所谓流程是指熔体从浇口流向型腔各部分的距离。实验证明，在一定条件下，流程
15、与制品壁厚成直线关系。制品壁厚愈厚，所容许的流程愈长；反之，制品壁厚愈薄，所容许的流程愈短。壁厚与流程的关系可按下式估算：对于流动性好的塑料（如聚乙烯、尼龙等）：（2-3）对于流动性中等的塑料（如聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲醛等）（2-4）对于流动性差的塑料（如聚碳酸酯、聚砜等）（2-5）式中S制品壁厚（mm）；H流程（mm）。如果不能满足公式要求，则需增大壁厚或增设浇口及改变浇口位置，以满足模塑要求。第29页/共67页想一想 利用公式2-3、2-4、2-5计算出来的壁厚值是设计塑件时的最大值还是最小值？2.2.5 塑件的支承面当采用塑件的整个底平面作为支承面时，应将塑件底面设计成凹形或设置加强筋，
16、这样不仅可提高塑件的基面效果，而且还可以延长塑件的使用寿命，如图2-15（b）、（c）所示，支承面设置加强筋的，筋的端部应低于支承面约0.5毫米左右。第30页/共67页2.2.6 塑件上的孔塑件上的各种形状的孔，如通孔、盲孔、螺纹孔等，尽可能开设在不减弱塑件机械强度的部位，孔的形状也应力求不使模具制造工艺复杂化。孔间距和孔到制品边缘的距离，一般都应大于孔径，如图2-16所示。孔间距最好大于孔径的两倍以上。孔到制品边缘的距离最好大于孔径的三倍以上，当孔径大于10mm时，这段距离可以小于孔径。第31页/共67页 孔的成形方法与其形状和尺寸大小有关。对于较浅的通孔，可用一端固定的型芯成形，如图2-1
17、7（a）所示。而对于较深的通孔，则可用两个对接的型芯成形，如图2-17（b）所示，但这种方法容易使上下孔出现偏心，避免的方法是将上、下任何一侧的孔径增大0.5mm以上。盲孔只能用一段固定的型芯成形，如果孔径较小但深度又很大时，成形时会因熔体流动不平衡易使型芯弯曲或折断。因此，可以成形的盲孔深度与其直径有关，设计时可参考图2-18数值。对于比较复杂的孔形，可采用图2-19所列的方法成形。第32页/共67页第33页/共67页第34页/共67页2.2.7 嵌件由于应用上的要求，塑件中常镶嵌不同形式的金属嵌件。塑件上嵌件设计的基本要求是塑件在使用过程中嵌件不被拔脱。金属嵌件的种类和形式很多，但为了在塑
18、件内牢固嵌定而不致被拔脱，其表面必须加工成沟槽或滚花，或制成多种特殊形状。图2-20中所示的就是几种金属嵌件的典型形状。第35页/共67页金属嵌件周围的塑件壁厚，取决于塑件的种类、塑料的收缩率、塑料与嵌件金属的膨胀系数之差以及嵌件的形状等因素，但金属嵌件周围的塑件壁厚越厚，则塑件破裂的可能性就越小。常用塑件中金属嵌件周围的最小壁厚，可参阅表2-7。金属嵌件设计的基本原则如下：1金属嵌件嵌入部分的周边应有倒角，以减少周围塑料冷却时产生的应力集中；2嵌件设在塑件上的凸起部位时，嵌入深度应大于凸起部位的高度，以保证应有的塑件机械强度；3内、外螺纹嵌件的高度应低于型腔的成形高度0.05毫米，以免压坏嵌
19、件和模腔；4外螺纹嵌件应在无螺纹部分与模具配合，否则熔融物料渗入螺纹部分；5嵌件高度不应超过其直径的两倍，高度应有公差要求。6嵌件在模内应定位准确并防止溢料，如图2-21、2-22所示；第36页/共67页第37页/共67页第38页/共67页第39页/共67页 常见嵌件与塑件的联接形式如图2-23、2-24、2-25所示。第40页/共67页第41页/共67页第42页/共67页2.2.8 标记、符号、图案、文字塑件上常带有产品型号、名称、某些文字说明以及为了装饰美观所设计的花纹图案。所有这些文字图案以在塑件上凸起为好，一是美观，二是模具容易制造，但凸起的文字图案容易磨损。如果使这些文字图案等凹入塑
20、件表面，虽不易磨损，但不仅不美观，模具也难以加工制造，因为成形凹下的文字图案，模具上的文字图案必须凸起，很难加工出来。解决的方法是仍使这些文字图案在塑件上凸起，但塑件带文字图案的部位应低于塑件主体表面。模具上成形文字图案的部分加工成镶件，镶入模腔主体，使其高出型腔主体表面，如图2-26所示。文字图案的高度一般为0.20.5mm，线条宽度0.30.8mm。第43页/共67页第44页/共67页第三节 螺纹塑件设计塑件上的螺纹可以在模塑时直接成形，也可以用后加工的办法机械切削，在经常装拆和受力较大的地方则应该采用金属的螺纹嵌件。塑件上的螺纹应选用可参考表2-8，原则上螺牙尺寸应选较大者，螺纹直径较小
21、时就不宜采用细牙螺纹，特别是用纤维或布基作填料的塑料成形的螺纹，其螺牙尖端部分常常被强度不高的纯树脂所充填，如螺牙过细将会影响使用强度。设计注射螺纹时，还应注意内外螺纹的公差等级分别不要高于IT7和IT8，螺纹的外径不能小于4毫米、内径不能小于2毫米。如果模具的螺纹牙距未加上收缩值，则塑料螺纹与金属螺纹的配合长度就不能太长，般不大于螺纹直径的1.5倍，否则会因收缩值不同互相干涉造成附加内应力，使联接强度降低。第45页/共67页第46页/共67页 为了防止螺孔最外圈的螺纹崩裂或变形，应使内螺纹始端有一台阶孔，孔深0.20.8毫米，并且螺纹牙应渐渐凸起，如图2-27所示，（a）是错误的，（b）是正
22、确的。同样制件的外螺纹其始端也应下降0.2毫米以上，末端不宜延长到与垂直底面相接处，否则易使脆性塑件发生断裂。如图2-28所示，（a）是错误的，（b）是正确的。同样，螺纹的始端和末端均不应突然开始和结束，而应有过渡部分，其值可按表2-9选取。第47页/共67页第48页/共67页第49页/共67页 在同一螺纹型芯(或型环)上有前后两段螺纹时，应使两段螺纹旋转方向相同，螺距相等，如图2-29（a）所示，否则无法将塑件从螺纹型芯(或型环)上拧下来。当螺距不等或旋转方向不同时，就要采用两段型芯(或型环)组合在一起，成形后分段拧下，如图2-29（b）所示。第50页/共67页 螺纹塑件成形之后脱模时，螺纹
23、型芯或型环必须相对塑件作回转运动，如果塑件跟着螺纹型芯或型环一起转动，则螺纹型芯或型环是脱不出塑件的，因此塑件必须止转，即不随螺纹型芯或型环一起转动。为了达到这个要求，塑件的外形或端面上需带有防止转动的花纹或图案，如图2-30所示。第51页/共67页第四节 齿轮塑件设计塑料齿轮目前主要用于精度和强度不太高的传动机构，其主要特点是重量轻、传动噪声小，用作齿轮的塑料有尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜等。为了保证注射齿轮具有较好的成形性，齿轮的轮缘、辐板和轮毂应有一定的厚度，如图2-31所示并对其尺寸作如下规定。第52页/共67页1轮缘厚度t大于或等于齿高h的3倍。2轮幅宽度b1应等于或小于齿宽b3轮毂
24、宽度b2应等于或大于齿宽b,并于轴孔直径D相当。4轮毂外径d一般应取为轴孔直径D的1.53.5倍。第53页/共67页为了减少尖角处的应力集中及齿轮在成形时内部应力的影响，应尽量避免截面的突然变化，应尽可能加大圆角及过渡圆弧的半径。为了避免装配时产生应力，轴与孔的配合应尽可能不采用过盈配合，而采用过渡配合。图2-32所示的是孔与轴采用过渡配合并能防止两者相对转动的注射齿轮结构。对于薄型齿轮，如果厚度不均匀，可引起齿型歪斜，因此用无轮毂、无轮缘的齿轮可以很好地解决这种问题。另外，如在辐板上有大的孔时，如图2-33（a）所示，因孔在成形时很少向中心收缩，所以会使齿轮歪斜。若轮毂和轮缘之间采用薄肋结构
25、，如图2-33（b）所示，则能保证轮缘向中心收缩。由于塑料的收缩率大，所以一般只宜用收缩率相同的塑料齿轮相互啮合。第54页/共67页第55页/共67页第五节 塑件的尺寸精度和表面粗糙度 2.5.1 塑件的尺寸 塑件尺寸在这里指的是塑件的总体尺寸，而不是壁厚、孔径等机构尺寸。塑件尺寸大小与塑件流动性有关。在注射成形中，流动性差的塑料如玻璃纤维增强塑料等及薄壁塑件等的尺寸不能设计的过大。大而薄的塑件在塑料未充满型腔时已经固化，或勉强能充满但料的前锋已不能很好融合而形成冷接缝，影响塑件的外观和结构强度。注射成形的的塑件尺寸还受注射机的注射量、锁模力和模板尺寸的限制。第56页/共67页2.5.2 塑件
26、的尺寸精度 塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度，既所获塑件尺寸的准确度。影响塑件尺寸精度的因素很多，首先是模具的制造精度和模具的磨损程度，其次是塑料收缩率的波动以及成形时工艺条件的变化，塑件成形后的时效变化和模具的结构形状等。因此，塑件的尺寸精度往往不高，应在保证使用要求的前提下尽可能选用低精度等级。塑件的尺寸公差可依据GB/T14486-1993工程塑料模塑塑料件尺寸公差标准确定，见表2-10。该标准将塑件分成7个精度等级，表2-10中MT1级精度要求较高，一般不采用。表2-10只列出了公差值，基本尺寸的上、下偏差可根据工程的实际需要分配。表2-10还分别给出了受模具
27、活动部分影响的尺寸公差值和不受模具活动部分影响的尺寸公差值。此外，对于塑件上的孔的公差可采用基准孔，可取表中数值冠以（+）号，对于塑件上轴的公差可采用基准轴，可取表中数值冠以（-）号。在塑件材料和工艺条件一定的情况下，应参照表2-11合理的选用精度等级。第57页/共67页表2-10 模塑件尺寸公差表（GB/T 144861993）第58页/共67页第59页/共67页 表2-11 常用材料模塑件公差等级和选用（GB/T144861993）第60页/共67页第61页/共67页2.5.3 塑件的表面粗糙度 塑件的外观要求越高，表面粗糙度值应越低。成形时要尽可能从工艺上避免冷疤、云纹等缺陷产生，除此之
28、外，主要取决于模具型腔表面粗糙度。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低12级。模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大，所以应随时予以抛光复原。透明塑件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同，而不透明塑件则根据使用情况决定它们的表面粗糙度。塑件的表面粗糙度可参照GB/T142341993塑料件表面粗糙度标准选取，见表2-12，一般取Ra1.60.2m之间。第62页/共67页表2-12 注射成形不同塑料时所能达到的表面粗糙度（GB/T142341993）第63页/共67页实训与练习一实训1分析图2-34所示塑件设计的优缺点？图2-34塑件设计分析2搜集您身边的塑料件，对其中的典型零件分析其设计
29、的优缺点。第64页/共67页二练习1填空题（1）塑料制品的总体尺寸主要受到塑料的限制。（2）在表面质量要求中，除了表面粗糙度的要求外，对于表面光泽性、色彩均匀性、云纹、冷疤、毛刺、及等缺陷均应提出明确的要求。（3）塑件的形状应利于其，塑件测向应尽量避免设置或。（4）设计底部的加强筋的高度应至少低于支撑面。（5）为便于塑件从模腔中脱出，在平行于脱模方向的塑件表面上，必须。（6）为便于塑件从模腔中脱出，在平行于脱模方向的塑件表面上，必须。（7）直行嵌件中间应设置防止拔脱。（8）为了防止螺孔最外圈的螺纹崩裂或变形，应使内螺纹始端有。（9）塑料齿轮目前主要用于精度和强度不太高的传动机构，用作齿轮的塑料有、等。第65页/共67页2判断题（1）同一塑件的壁厚应尽量一致。（）（2）塑件内表面的脱模斜度小于外表面的脱模斜度。（）（3）塑料收缩率大、塑件壁厚大则脱模斜度大。（）（4）加强筋的筋与筋之间的间隔距离应小于塑件壁厚。（）（5）加强筋的侧壁必须有足够的斜度，筋的根部应呈圆弧过渡。（）3问答题（1）影响塑件尺寸精度的原则？（2）塑件设计的原则?（3）脱模斜度的选择规则？（4）壁厚对塑件的影响？（4）加强筋的选择？（5）为什么塑件要设计成圆角的形式？（6）塑料螺纹的性能特点？第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页