机械结构设计准则汇总.docx
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机械结构设计准则汇总
机械结构设计准则汇总
第一部分、塑料件
1、概述：
注塑件设计的一般原则:
z充分考虑塑料件的成型工艺性，如流动性；
z塑料件的形状在保证使用要求的前提下，应有利于充模，排气，补缩，
同时能适应高效冷却硬化；
z塑料设计应考虑成型模具的总体结构，特别是抽芯与脱出制品的复杂程
度，同时应充分考虑到模具零件的形状及制造工艺，以便使制品具有较
好的经济性：
z塑料件设计主要内容是零件的形状、尺寸、壁厚、孔、圆角、加强筋、
螺纹、嵌件、表面粗糙度的设计。
1.1、常用塑料介绍
常用的塑料主要有ABS、AS、PC、PMMA、PS、HIPS、PP、POM等，其
中常用的透明塑料有PC、PMMA、PS、AS。
高档电子产品的外壳通常采用
ABS+PC；显示屏采用PC，如采用PMMA则需进行表面硬化处理。
日常生活中
使用的中底挡电子产品大多使用HIPS和ABS做外壳，HIPS因其有较好的抗老
化性能，逐步有取代ABS的趋势。
1.2、常见表面处理介绍
表面处理有电镀、喷涂、丝印、移印。
ABS、HIPS、PC料都有较好的表面处
理效果。
而PP料的表面处理性能较差，通常要做预处理工艺。
近几年发展起来
的模内转印技术（IMD）、注塑成型表面装饰技术（IML）、魔术镜（HALFMIRROR）
制造技术。
IMD与IML的区别及优势：
1、IMD膜片的基材多数为剥离性强的PET，而IML的膜片多数为PC。
2、IMD注塑时只是膜片上的油墨跟树脂接合，而IML是整个膜片履在树
脂上。
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3、IMD是通过送膜机器自动输送定位，IML是通过人工操作手工挂。
1.3、外形设计
对于塑料件，如外形设计错误，很可能造成模具报废，所以要特别小心。
外
形设计要求产品外观美观、流畅，曲面过渡圆滑、自然，符合人体工程。
现实生活中使用的大多数电子产品，外壳主要都是由上、下壳组成，理论上
上下壳的外形可以重合，但实际上由于模具的制造精度、注塑参数等因素影响，
造成上、下外形尺寸大小不一致，即面刮（面壳大于底壳）或底刮（底壳大于面
壳）。
可接受面刮<0.15mm，可接受底刮<0.1mm。
所以在无法保证零段差时，尽
量使产品：
面壳>底壳。
一般来说，上壳因有较多的按键孔，成型缩水较大，所以缩水率选择较大，
一般选0.5%。
底壳成型缩水较小，所以缩水率选择较小，一般选0.4%。
即面壳缩水率一般比底壳大0.1%
1.4、装配设计
指有装配关系的零部件之间的装配尺寸设计。
主要注意间隙配合和公差的控
制。
1.4.1止口
指的是上壳与下壳之间的嵌合。
设计的名义尺寸应留0.05~0.1mm的间隙，
嵌合面应有1.5~2°的斜度。
端部设倒角或圆角以利装入。
上壳与下壳圆角的止口配合。
应使配合内角的R角偏大，以增大圆角之间
的间隙，预防圆角处的干涉。
1.4.2扣位
主要是指上壳与下壳的扣位配合。
在考虑扣位数量位置时，应从产品的总体
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外形尺寸考虑，要求数量平均，位置均衡，设在转角处的扣位应尽量靠近转角，
确保转角处能更好的嵌合，从设计上预防转角处容易出现的离缝问题。
扣位设计应考虑预留间隙。
设计扣位时应考滤侧抽心有无足够的行程。
1.4.3螺丝柱
一般采用自攻螺丝，直径为2~3mm。
以上表中所提供的是HIPS和ABS料常用螺丝孔尺寸，对于不同的材料，
螺丝孔尺寸有所不同，一般来说，比较软、韧性较好的材料d值小，较脆的材料
所选d值要大一点。
1.5、结构设计
在基本厚度的设计上，不宜过薄，否则外客强度不足，容易导致变、断裂等
问题的出现，过厚则浪费材料，影响注塑生产。
一般外壳壁厚控制在1~2mm。
外壳整体厚度应平均过度，不得存在厚度差异变化大的结构，否则容易导致外观
缩水，特别是在筋位底部和螺丝柱位。
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为预防缩水，筋位厚度控制在0.6~1.2mm。
1.5.1面壳
键孔的设计。
键孔的碰穿方式有三种选择。
A方式利于模具的制作，但碰穿处的利边容易导致卡键；B方式则避免了卡键问题，但当碰
穿偏心时则键孔变小，产生利边。
C方式增加了按键的倒入斜脚，同时保存了碰穿偏心的余
量，有效的防止了问题的出现，现一般采用B或C。
1.5.2按键设计
间隙：
按键设计时要注意按键与面壳键孔的间隙，一般来说，如果按键采用
硅胶按键，则按键与面壳键孔的间隙为0.2~0.3mm。
如果按键采用悬臂梁，则要
考虑预留按动时偏摆的间隙。
如按键表面需要处理则要考虑各种表面处理对间隙
的影响。
水镀（电镀）镀层厚度一般为0.1mm，喷涂和真空镀一般为0.05mm。
键顶圆弧：
如虑按键表面需进行丝印等处理时，按键表面圆弧不宜过大，弓
形高度小于0.5mm。
圆角：
按键顶部周边需倒圆角，避免卡住按键。
面壳按键
按键按钮线路板
悬臂梁的不同设计对按键效果有不同的影响
上图所示按键按动时偏摆较大，按键与面板键孔要预留较大的间隙
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上图所示按键按动时偏摆较小，按键主要做垂直运动，按键与面板键孔预留
较小的间隙
另一方面，悬臂梁的长度和厚度也直接影响到按键的效果，如果是联体按键，
则要避免按键连动（即按一个按键时，其它按键也跟着运动的现象，严重时会发
生其它按钮发生动作，造成误操作）
按键手感：
轻触式按钮的按动力量大小一般要求在100g~200g，按动灵活，
手感良好。
按键寿命：
按键寿命一般要求100000次，
控制变形：
对于悬臂梁按键，生产、运输、储存时一定要控制按键的变形，
因为轻微的变形都可能导致按键的使用效果明显下降。
以上为简要介绍，具体内容见下面章节。
2、产品结构设计准则--设计程序
2.1、塑料制品设计特点
塑料产品的设计与其它材料如钢，铜，铝，木材等的设计有些是类似的；但
是，由于塑料材料组成的多样性，结构﹑形状的多变性，使得它比起其它材料有
更理想的设计特性；特别是它的形状设计，材料选择，制造方法选择，更是其它
大部分材料无可比拟的.因为其它的大部分材料，其设计者在外形或制造上，都
受到相当的限制，有些材料只能利用弯曲﹑熔接等方式来成形.当然，塑料材料
选择的多样性，也使得设计工作变得更为困难，如我们所知，目前已经有一万种
以上的不同塑料被应用过，虽然其中只有数百种被广泛应用，但是，塑料材料的
形成并不是由单一材料所构成，而由一群材料族所组合而成的，其中每一种材料
又有其特性，这使得材料的选择，应用更为困难。
.
2.2、塑料制品设计程序
为了确保所设计的产品能够合理而经济，在产品设计的初期，在外观设计
者﹐机构工程师，制图员，模具制造者，成形厂以及材料供应厂之间的紧密合作
是必须的，因为没有一个设计者，能够同时拥有如此广泛的知识和经验，而从不
同的事业观点所获得的建议，将是使产品合理化的基本前提；除此之外，一个合
理的设计考虑程序也是必须的；以下将就设计的一般程序作出说明：
2.2.1、确定产品的功能需求，外观.
在产品设计的初始阶段，设计者必须列出对该产品的目标使用条件和功能要
求；然后根据实际的考量，决定设计因子的范围，以避免在稍后的产品发展阶段
造成可能的时间和费用的漏失.下表为产品设计的核对表，它将有助于确认各种
的设计因子。
产品设计的核对表
一般数据
1.产品的功能?
2.产品的组合操作方式?
3.产品的组合是否是可以靠着塑料的应用来简化?
4.在制造和组合上是否可能更为经济有效?
5.所需要的公差?
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6.空间限制的考虑?
7.界定产品使用寿命?
8.产品重量的考虑?
9.有否承认的规格?
10.是否已经有相类似的应用存在?
结构考虑
1.使用负载的状态?
2.使用负载的大小?
3.使用负载的期限?
4.变形的容许量?
环境
1.使用在什么温度环境?
2.化学物品或溶剂的使用或接触?
3.温度环境?
4.在该种环境的使用期限?
外观:
1.外形
2.颜色
3.表面加工如咬花，喷漆等.
经济因素
1.产品预估价格?
2.目前所设计产品的价格?
3.降低成本的可能性?
2.2.2、绘制预备性的设计图:
当产品的功能需求，外观被确定以后，设计者可以根据选定的塑料材料性质，
开始绘制预备性的产品图，以作为先期估价，检讨以及原则模型的制作。
2.2.3、制作原型模型:
原型模型让设计者有机会看到所设计的产品的实体，并且实际的核对其工程
设计.原型模型的制作一般有两种方式，第一种就是利用板状或棒状材料依图加
工再接合成一完整的模型，这种方式制作的模型，经济快速，但是，缺点是量少，
而且较难作结构测试；另一种方式，是利用暂用模具，可作少量生产，需花费较
高的模具费用，而且所费的时间较长，但是，所制作的产品较类似于真正量产的
产品（需要特殊模具机构的部分，可能成形后再以机械加工成形），可做一般的工
程测试，而且建立的模具，成形经验，将有助于产品针对实际模具制作，成形需
要而作正确的修正或评估。
2.2.4、产品测试
每一个设计都必须在原型阶段，接受一些测试，以核对设计时的计算和假想
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和实体之间的差异。
产品在使用时所需要做的一些测试，大部分都可以籍着原型做有效的测试；
此时，面对了所有设计的功能要求，并且能够达成一个完整的设计评估.
仿真使用测试通常在模型产品阶段就必须开始，这种型态的测试价值，取决
于使用状态被模拟的程度而定.
机械和化学性质的加速化测速通常被视为模型产品评估的重要项目。
2.2.5、设计的再核对与修正
对设计的检讨将有助于回答一些根本的问题:
所设计的产品是否达到预期的
效果?
价格是否合理?
甚至于在此时，许多产品为了生产的经济性或是为了重要的
功能和外形的改变，必须被发掘并改善，当然，设计上的重大改变，可能需要做
完整的重新评估；假若所有的设计都经过这种仔细检讨，则能够在这个阶建立产
品的细节和规格。
2.2.6、制定重要规格
规格的目的在于消除生产时任何的偏差，以使产品符合外观，功能和经济的
要求，规格上必须明确说明产品所必须符合的要求，它应该包括：
制造方法，尺
寸公差，表面加工，分模面位置，毛边，变形，颜色以及测试规格等。
2.2.7、开模生产
当规格被谨慎而实际的订定之后，模具就可以开始被设计和制作，模具的设
计必须谨慎并咨询专家的意思，因为不适当的模具设计和制造，将会使得生产费
用提高，效率降低，并用可能造成品质的问题。
2.2.8、品质的控制
对照一个已知的标准，订定对生产产品的规律检测是良好的检测作法，而检
测表应该列出所有应该被检查的项目，另外，相关人员，如品管者或设计者也应
与成形厂联合订定一个质量管理的程序，以利于在生产的产品能够符合规格的要
求。
3、产品结构设计准则--塑料材质
3.1、热硬化性塑料
在原料状态下是没有什么用，在某一温度下加热，经硬化作用，聚合作用或
硫化作用后，热硬化塑料就会保持稳定而不能回到原料状态。
硫化作用后，热硬
化塑料是所有塑料中最坚硬的。
3.2、热塑性塑料
像金属一样形成熔融凝固的循环。
常用有聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、
聚氯乙烯（PVDC）。
3.3、ABS：
成分聚合物
1.丙烯晴---耐油，耐热，耐化学和耐候性。
2.苯乙烯---光泽，硬固，优良电气特性和流动性。
3.丁二烯---韧性。
螺杆对原料有输送，压缩，熔融及计量等四种功能。
螺杆在旋转时使之慢慢
后退的阻力为背压。
背压太低，产品易产生内部气泡，表面银线，背压太高，原
料会过热，料斗下料处会结块，螺杆不能后退，成型周期延长及喷嘴溢料等。
压
力的变动在一两模内就可知道结果，而温度的变动则需约10分钟的结果才算稳
定。
3.4、电镀
塑料电镀时，须先进行无电解电镀，塑料表面形成薄金属皮膜，形成导电物
质后再进行电解电镀。
印刷
1.网版印刷：
适用于一般平面印刷；
2.移印：
适用不规则，曲面的印刷文字；
3.曲面印刷：
被印物体旋转而将文字与油墨印上；
常用工程塑料：
NORYL---PPO和HIPS合成，在240~300℃成型加工，须用70~90℃高模温。
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ABS---在170~220下成型加工，模温40~60℃即可。
3.5、ABS系列成品设计及模具加工
最佳的补强厚度t=70%成品工称肉厚（T），角隅圆角的外圆R=3/2*T，内
圆R=T/2，T是成品工称肉厚。
喷嘴通道最小口径为6.35mm，长度宜尽量短，可
变电阻器控制精度稍嫌不足，所以在喷嘴外壁应装设电偶作温度控制。
流道形状
以圆形最佳，流动长度与流道口径关系。
流动长度（mm）流道直径（mm）
2509.5
75~2507.9
756.0
对防火级ABS材料应使用直溢口为最佳设计（流道直径最小7mm），边溢口
及潜伏式溢口，建议其长度为0.762mm。
透气得设置是绝对必须的，每隔25~50mm开设一条透气沟，深度宜为
0.05~0.064mm，以获得良好得透气效果及防止产生毛头。
冷却管口径应为11.1~14.3mm，每隔三个冷却管口径设一冷却管，距离模腔表
面必须有1.5个冷却管口径尺寸。
一般模仁材料以采用P20或H13材质居多。
防火级材料尽量不要使用热浇道系统，因为内加热式的热浇道在电热管及树
脂间会产生很大的剪切热，加热树脂温度过高将会造成严重的模垢，若要用就只
能用外加热式，热嘴温度和树脂温度相近即可（约200℃）。
在任何时候热浇道
须使用内部加热器或热探针。
为减少模垢的产生，螺杆压缩比宜取2:
1~2.5:
1，而L/D是20:
1（理想值是
24:
1），可使用没有计量段的螺杆，使加热棒与熔融树脂温度差在5.5℃附近。
螺杆速度宜在40~55RPM。
模具保护剂可以中和防火级塑料及PVC树脂在成型过程所释放出的腐蚀气
体，防止模垢的积成及腐蚀模具，有优良的脱模性，无须使用其它的脱模剂。
模
垢去除剂主要用来清洗模垢，在有栅格的区域切勿过度喷洒以方破坏树脂导致无
法脱模。
射出时理想的状况是成品重量约为射出单元一次为总排料量的80％，最少
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比例也应在50％以上。
熔融树脂温度在221~232℃时可得最佳物性，但不可超过243℃,以避免分
解。
停机的排换料时须用模垢去除剂防止模具表面被腐蚀，然后在模具上喷一层
良好的中性喷剂。
4、产品结构设计准则--壁厚篇
4.1、基本设计守则
壁厚的大小取决於产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接柱
位的数量、伸出部份的多少以及选用的塑胶材料而定。
一般的热塑性塑料壁厚设
计应以4mm为限。
从经济角度来看，过厚的产品不但增加物料成本，延长生产周
期”冷却时间〔，增加生产成本。
从产品设计角度来看，过厚的产品增加引致产
生空穴”气孔〔的可能性，大大削弱产品的刚性及强度。
最理想的壁厚分布无疑是切面在任何一个地方都是均一的厚度，但为满足功
能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。
在此情形，由厚胶料的地方过渡
到薄胶料的地方应尽可能顺滑。
太突然的壁厚过渡转变会导致因冷却速度不同和
产生乱流而造成尺寸不稳定和表面问题。
对一般热塑性塑料来说，当收缩率”ShrinkageFactor〔低於0.01mm/mm
时，产品可容许厚度的改变达；但当收缩率高於0.01mm/mm时，产品壁厚的改
变则不应超过。
对一般热固性塑料来说，太薄的产品厚度往往引致操作时产品
过热，形成废件。
此外，纤维填充的热固性塑料於过薄的位置往往形成不够填充
物的情况发生。
不过，一些容易流动的热固性塑料如环氧树脂”Epoxies〔等，
如厚薄均匀，最低的厚度可达0.25mm。
此外，采用固化成型的生产方法时，流道、浇口和部件的设计应使塑料由厚
胶料的地方流向薄胶料的地方。
这样使模腔内有适当的压力以减少在厚胶料的地
方出现缩水及避免模腔不能完全充填的现象。
若塑料的流动方向是从薄胶料的地
方流向厚胶料的地方，则应采用结构性发泡的生产方法来减低模腔压力。
4.1.1、平面准则
在大部份热融过程操作，包括挤压和固化成型，均一的壁厚是非常的重要的。
厚胶的地方比旁边薄胶的地方冷却得比较慢，并且在相接的地方表面在浇口凝固
後出现收缩痕。
更甚者引致产生缩水印、热内应力、挠曲部份歪曲、颜色不同或
不同透明度。
若厚胶的地方渐变成薄胶的是无可避免的话，应尽量设计成渐次的
改变，并且在不超过壁厚3:
1的比例下。
下图可供叁考。
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4.1.2、转角准则
壁厚均一的要诀在转角的地方也同样需要，以免冷却时间不一致。
冷却时间
长的地方就会有收缩现象，因而发生部件变形和挠曲。
此外，尖锐的圆角位通常
会导致部件有缺陷及应力集中，尖角的位置亦常在电镀过程後引起不希望的物料
聚积。
集中应力的地方会在受负载或撞击的时候破裂。
较大的圆角提供了这种缺
点的解决方法，不但减低应力集中的因素，且令流动的塑料流得更畅顺和成品脱
模时更容易。
下图可供叁考之用。
转角位的设计准则亦适用于悬梁式扣位。
因这种扣紧方式是需要将悬梁臂弯
曲嵌入，转角位置的设计图说明如果转角弧位R太小时会引致其应力集中系数
（StressConcentrationFactor）过大，因此，产品弯曲时容易折断，弧位R太
大的话则容易出现收缩纹和空洞。
因此，圆弧位和壁厚是有一定的比例。
一般介
乎0.2至0.6之间，理想数值是在0.5左右。
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壁厚限制
不同的塑胶物料有不同的流动性。
胶位过厚的地方会有收缩现象，胶位过薄的地
方塑料不易流过。
以下是一些建议的胶料厚度可供叁考。
热塑性塑料的胶厚设计叁考表
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热固性塑料的胶厚设计叁考
其实大部份厚胶的设计可从使用加强筋及改变横切面形状取缔之。
除了可减
省物料以致减省生产成本外，取缔後的设计更可保留和原来设计相若的刚性、强
度及功用。
下图的金属齿轮如改成使用塑胶物料，更改後的设计理应如图一般。
此塑胶齿轮设计相对原来金属的设计不但减省材料，消取因厚薄不均引致的内应
力增加及齿冠部份收缩引致整体齿轮变形的情况发生。
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4.2、不同材料的设计要点
4.2.1、ABS
a）壁厚
壁厚是产品设计最先被考虑，一般用于注塑成型的会在1.5mm（0.06in）
至4.5mm（0.18in）。
壁厚比这范围小的用于塑料流程短和细小部件。
典
型的壁厚约在2.5mm（0.1in）左右。
一般来说，部件愈大壁厚愈厚，这可
增强部件强度和塑料充填。
壁厚在3.8mm（0.15in）至6.4mm（0.25in）
范围是可使用结构性发泡。
b）圆角
建议的最小圆角半径是胶料厚度的25%，最适当的半径与胶料厚比例在60%。
轻微的增加半径就能明显的减低应力。
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4.2.2、PC
a）壁厚
壁厚大部份是由负载要求、内应力、几何形状、外型、塑料流量、可注塑
性和经济性来决定。
PC的建议最大壁厚为9.5mm（0.375in）。
若要效果好，
则壁厚应不过3.1mm（0.125in）。
在一些需要将壁厚增加使强度加强时，
肋骨和一些补强结构可提供相同结果。
PC大部份应用的最小壁厚在0.75
mm（0.03in）左右，再薄一些的地方是要取决於部件的几何和大小。
短的塑
料流程是可以达到0.3mm（0.012in）壁厚。
壁厚由厚的过渡到薄的地方是要尽量使其畅顺。
所有情况塑料是从最厚的
地方进入模腔内，以避免缩水和内应力。
均一的壁厚是要很重要的。
不论在平面转角位也是要达到这种要求，可减
少成型後的变型问题。
4.2.3、LCP
a）壁厚
由於液晶共聚物在高剪切情况下有高流动性，所以壁厚会比其它的塑料薄。
最薄可达0.4mm，一般厚度在1.5mm左右。
PS
a）壁厚
一般的设计胶料的厚度应不超过4mm，太厚的话会导致延长了生产周期。
因需要更长的冷却时间，且塑料收缩时有中空的现象，并减低部件的物理
性质。
均一的壁厚在设计上是最理想的，但有需要将厚度转变时，就要将
过渡区内的应力集中除去。
如收缩率在0.01以下则壁厚的转变可有质的变
化。
若收缩率在0.01以上则应只有量的改变。
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b）圆角
在设计上直角是要避免。
直角的地方有如一个节点，会引致应力集中使抗
撞击强度降低。
圆角的半径应为壁厚的25%至75%，一般建议在50%左右。
4.2.4、PA
a）壁厚
尼龙的塑胶零件设计应采用结构所需要的最小厚度。
这种厚度可使材料得
到最经济的使用。
壁厚尽量能一致以消除成型後变型。
若壁厚由厚过渡至
薄胶料则需要采用渐次变薄的方式。
b）圆角
建议圆角R值最少0.5mm（0.02in），此一圆角一般佳可接受，在有可能的
范围，尽量使用较大的R值。
因应力集中因素数值因为R/T之比例由0.1
增至0.6而减少了50%，即由3减至1.5。
而最佳的圆角是为R/T在0.6
之间。
4.2.5、PSU
a）壁厚
常用于大型和长流距的壁厚最小要在2.3mm（0.09in）。
细小的部件可以最
小要有0.8mm（0.03in）而流距应不可超过76.2mm（3in）
4.2.6、PBT
a）壁厚
壁厚是产品成本的一个因素。
薄的壁厚要视乎每种塑料特性而定。
设计之
前宜先了解所使用塑料的流动长度限制来决定壁厚。
负载要求时常是决定
壁厚的，而其它的如内应力，部件几何形状，不均一化和外形等。
典型的
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壁厚介乎在0.76mm至3.2mm（0.03至0.125in）。
壁厚要求均一，若有厚薄
胶料的地方，以比例3:
1的锥巴渐次由厚的地方过渡至薄的地方。
b）圆角
转角出现尖角所导致部件的破坏最常见的现象，增加圆角是加强塑胶部件
结构的方法之一。
若将应力减少5%（由3减至1.5）则圆角与壁厚的比例由
0.1增加至0.6。
而0.6是建议的最理想表现。
5、产品结构设计准则--加强筋篇
5.1、基本设计守则
加强筋在塑胶部件上是不可或缺的功能部份。
加强筋有效地如『工』字铁般
增加产品的刚性和强度而无需大幅增加产品切面面积，但没有如『工』字铁般出
现倒扣难於成型的形状问题，对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其
适用。
此外，加强筋更可充当内部流道，有助模腔充填，对帮助塑料流入部件的
支节部份很大的作用。
加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面，其伸展方向应跟随产品最大应力和
最大偏移量的方向，选择加强筋的位置亦受制於一些生产上的考虑，如模腔充填、
缩水及脱模等。
加强筋的长度可与产品的长度一致，两端相接产品的外壁，或只
占据产品部份的长度，用以局部增加产品某部份的刚性。
要是加强筋没有接上产
品外壁的话，末端部
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