塑料成型工艺与模具设计 电子文档 学习情境3.docx

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塑料成型工艺与模具设计电子文档学习情境3

学习情境3：

塑件结构工艺分析

项目内容

·塑件结构工艺分析

学习目标

·了解塑件结构工艺分析的原则与步骤

·掌握塑件尺寸精度和表面质量的选用

·能对常用塑件进行结构工艺分析

能力目标

·能对简单塑件进行结构工艺分析

主要知识点

·塑料制品的尺寸、精度和表面质量

·塑件结构工艺分析方法

·塑件结构工艺分析

一、任务引入

塑料制品的结构工艺性是指塑料制品结构对成型工艺方法的适应性。

良好的结构工艺性是获得合格制品的前提，也是模塑工艺得以顺利进行的基本条件。

在塑料生产过程中，既要考虑成型时对塑料制品结构、形状、尺寸精度、表面质量等方面提出的要求，又要通过模具设计者对给定塑料制品结构工艺性进行分析，为模具设计和制造提供依据。

这样，在保证工艺稳定、塑料制品具备正常使用性能、寿命等使用性能及装配要求所需要具有的允许尺寸变化范围，同时又能降低成本。

对塑件的尺寸、精度、表面质量、结构与形状等各个方面及其影响因素进行分析，了解成型的难度、质量保障的难易程度，就是塑件的结构工艺分析。

任务引入

本学习情境的能力目标，就是能对简单塑件进行结构工艺分析，具体任务见表3-1。

3-1

二、相关知识点

（一）塑件的尺寸精度与结构设计原则与步骤。

塑料制品的设计在塑料制品生产中起着重要的作用。

一般来说，在塑料制品设计时必须充分考虑塑料制品造型、塑料材料及配方、塑料加工、塑料成型模具和成型设备等方面的因素，才能生产出美观、合理、可行、实用的塑料产品。

1.塑料制品的设计原则

（1）保障塑料制品在使用过程中的功能和性能。

在塑料制品设计时，要对塑料制品进行必要的分析及计算校核。

（2）在保障塑料制品功能和性能的前提下，正确选择材料，选择材料要具有可加工性，并且尽量选择低成本的材料。

（3）大多数塑料制品经加热成型后固化定型，在塑料制品设计时，一定要考虑聚合物的流变过程和形态变化对塑料制品的影响。

（4）许多塑料制品是各种装置和设备中的配件或组合件，它的设计应统一在整机产品之中。

在保证整机质量的前提下，降低塑料制品的成本。

（5）标准化、系列化是塑料制品设计在工业发展中的方向，所以在设计中要充分体现标准化、系列化。

2.塑料制品设计步骤

（1）明确设计任务。

不论设计、制造任何一种产品，经久耐用、物美价廉始终是制品设计的最终目的。

（2）调研并收集相关资料。

此项工作主要是确定塑料制品功能与性能要求，以符合制品消费者的潜在需要。

（3）选择合适的塑料材料。

确定对所用塑料材料的品种和型号是否有特别要求，甚至是对塑料生产厂家、级别、颜色等是否有特别规定。

（4）确定塑料的加工成型方法。

根据塑料的特性及制品的要求可以确定制品的加工成型工艺。

（5）对塑料制品进行失效分析。

其目的是保证塑料制品在使用期内功能和性能的可靠，针对塑料制品对时间、温度和环境的敏感性，按主要失效形式进行预测性的理论计算和相应的试验测试。

经过上述步骤并经过多个方案分析比较和逐步优化，确定最优方案。

（二）塑料制品的尺寸、精度和表面质量。

1.塑料制品的尺寸

塑料制品的尺寸是指制品的总体尺寸。

它受到塑料流动性的制约，塑件尺寸越大，要求塑料的流动性越好，流动性差的塑料或薄壁制品在进行注射模塑和传递模塑时，制品尺寸不宜过大，以免熔体不能充满型腔或形成熔接痕，从而影响制品外观和强度。

此外，压缩模塑制品尺寸受到压力机最大压力及工作台面尺寸的限制;注射模塑制品的尺寸受到注射机的公称注射量、锁模力、开模行程和模板尺寸的限制。

2.塑料制品的精度

塑料制品的尺寸精度直接影响到塑料制品在装配时的互换性和使用性能，故在制品设计图中要明确标注尺寸公差和形状位置公差要求。

影响塑料制品精度的因素有很多，主要有：

模具的制造精度及磨损（尤其是模具成型零件的制造和装配误差），塑料收缩率的波动，成型工艺条件的变化，塑料制品的形状，飞边厚度的波动，脱模斜度及成型后制品的尺寸变化等等。

在选择塑料制品的公差时，有两种标准：

（1）原机械工业部塑件尺寸精度标准

（2）塑件尺寸精度国家标准

相关知识点

SJ/T10628-1995《塑料件尺寸公差》

SJ/T10628-1995《塑料制件尺寸公差》只列出了公差值，而具体的上下偏差要根据塑件的配合性质进行分配。

对受模具活动部分影响的尺寸公差，如图3-1所示，为本标准规定公差值与附加值之和，1、2级精度附加值为0.02mm，3、4级精度附加值为0.04mm，5～7级精度的附加值为0.1mm，8～10级精度的附加值为0.2mm。

另外，对于塑料制品没有公差要求的自由尺寸，建议采用标准中的7～10级精度。

对于孔的公差采用基孔制，可取表值冠以（+）号；对于轴的公差采用基轴制，可取表值冠以（-）号；对于中心距尺寸可取表值冠以（±）号。

3.塑料制品的表面质量

塑料制品的表面质量包括有无斑点、条纹、凹痕、起泡、变色等缺陷，也包括表面光泽性和表面粗糙度。

上述表面缺陷在塑料制品的生产过程中必须尽量避免，表面光泽性和表面粗糙度应根据塑料制品使用要求而定，尤其是透明制品，对光泽性和粗糙度有严格要求。

影响塑料制品表面质量的因素有多种，主要因素有模具的加工表面质量和塑料的成型工艺条件。

模具的加工表面质量是影响塑料制品表面质量的主要因素。

一般模具的加工表面质量比塑料制品的表面质量高1～2个等级，透明塑料制品要求型芯和型腔的加工表面质量相同。

塑料的成型工艺条件也会对塑料制品的表面质量产生重大影响，如成型树脂的温度太低，可能使塑料熔体流动时产生振纹和流动纹，最终导致塑料制品表面出现疵斑。

因此，在实际操作时，也可通过调整树脂的温度和模具温度来提高塑料制品的表面质量。

（三）塑件的结构工艺分析

1.塑件的形状

塑件形状的成型准则是：

（1）各部分都能顺利地、简单地从模具中取出来，应尽量避免侧壁凹槽或与塑件脱模方向垂直的孔，这样可避免采用瓣合分型或侧抽芯等复杂的模具结构和使分型面上留下飞边，如图3-2所示

（2）对于较浅的内外侧凹槽或凸台并带有圆角的塑件，可利用塑料在脱模温度下具有足够弹性的特性和凸凹深度尺寸不大的特点，以强行脱模的方式脱模，而不必采用组合型芯的方法。

如聚甲醛塑件，5％的内凹（或外凸）均可采用强行脱模方式，如图3-3所示。

聚乙烯、聚丙烯等塑件均可采取类似的方法，但多数情况下，带侧凹的塑件不宜采用强行脱模，以免损坏塑件。

（3）塑件的形状还要有利于提高塑件的强度和刚度。

为此薄壳状塑件可设计成球面或拱形曲面，可以有效地增加刚度和减少变形。

（4）紧固用的凸耳或台阶应有足够的强度和刚度，以承受紧固时的作用力。

为此，应避免台阶突然变化和尺寸过小，而应逐步过渡，如图3-5所示。

3-5

（5）塑件的形状还应考虑成型时分型面位置，脱模后不易变形等。

2、塑件的壁厚

壁厚不宜过小，也不宜过大。

壁厚过大用料太多，不但增加成本，而且增加成型时间和冷却时间，延长模塑周期，对于热固性塑料还可能造成固化不足，另外也容易产生气泡、缩孔、凹痕、翘曲等缺陷。

制品的壁厚太薄，刚性差，不耐压，在脱模、装配、使用中容易发生损伤及变形;另外若壁厚太薄，模腔中流道狭窄，流动阻力加大，造成填充不满，成型困难。

塑件壁厚设计的基本原则是——壁厚均匀，充模、冷却收缩均匀，形状性好，尺寸精度高，生产率高。

如塑件壁厚不一致，会因固化或冷却速度不同而引起收缩不均匀，从而在塑件内部产生内应力，导致塑件产生翘曲、缩孔甚至开裂等缺陷。

若塑件结构必须有厚度不均匀时，则应使其变化平缓，避免突变，否则易变形。

塑料制品壁厚大小主要取决于塑料品种、制品大小以及模塑工艺条件。

热固性塑料制品的壁厚一般为1～6mm，最厚不超过13mm。

一般热固性塑料的小型件壁厚取1～2mm，大型件壁厚取3～8mm。

热塑性塑料制品的壁厚一般为2～4mm，因热塑性塑料易于成型薄壁制品，壁厚可达0.25mm，但以不小于0.6～0.9mm为宜。

如果壁厚取得过小，装配紧固时将对塑件的强度和刚度产生影响。

设计电器制品，其壁厚的选择与绝缘性能有关。

有时，为了使可能产生的熔接痕处于适当的位置，有意改变塑件的壁厚，如图3-7所示，为了保证塑件制品顶部质量，增大顶部厚度，使熔体流动畅通，避免熔接痕产生于顶部。

3、塑件的圆角和圆角半径

塑件所有转角处均应尽可能采用圆弧过渡，除非使用上一定要求采用尖角之处外，这样可避免因塑件尖角处应力集中而引起的变形和裂纹。

塑件圆角的作用有：

（1）分散载荷，增强及充分发挥塑件的机械强度；

（2）改善塑料熔体的流动性，便于充满与脱模，消除壁部转折处的凹陷等缺陷；

（3）便于模具的机械加工和热处理，从而提高模具的使用寿命。

图3-8所示为塑件受力时应力集中系数与圆角半径的关系，可以看出，当R/T在0.3以下时应力集中系数较大，而R/T在0.8以上时应力集中系数就不大了。

因此，在塑件结构上无特殊要求时，塑件的各连接处的圆角半径应不小于0.5mm，这样能大大提高塑件的强度。

图3-9（a）中设内圆角R′为壁厚的1/2，虽可降低应力集中，但其总的壁厚却增加了1/3,外缘会产生凹陷。

一般外圆弧半径应是壁厚的1.5倍，内圆角半径是壁厚的0.5倍，如图3-9（b）所示。

对于使用上要求必须以尖角过渡或分型面处和型芯与型腔配合处不便作圆角的，则以尖角过渡。

4、塑件的加强筋和凸台

加强筋是指塑件上长的凸起物，用来改善制品的强度和刚度，有的加强筋还能改善成型时熔体的流动状况，增加流程的截面，缩短流程。

凸台是塑件上用来增强孔或供装配附件用的凸起部分。

塑料制品的加强筋和凸台如图3-10所示。

（1）加强筋

设置加强筋，形状一定要正确。

如图3-11所示，一般加强筋的高度不超过5a，根部厚度不超过0.75a，如果根部过厚会在塑料制品外表面产生凹陷，在材料中央产生真空泡。

图3-11中：

α=0.5°～1.5°；L=（2.5～5）a；t=（0.4～0.75）a；R≥（0.25～0.4）a；两加强筋中心间距为（3～4）a。

（2）凸台

当塑料制品与其他零件装配连接时，为能承受较大的紧固力，常要在塑料制品壁上设计柱状凸台，如图3-12和图3-13所示。

太接近制品的角落或侧壁的凸台会增加模具制造的困难。

如图3-14所示。

凸台应尽量设计成圆形断面，因为非圆形断面会增加模具制造的困难。

如图3-15所示

脱模斜度的大小与塑料的收缩率、塑料制品的形状、塑料制品的壁厚及部位有关。

收缩率大的塑料取较大的脱模斜度。

常用热塑性、热固性塑料制品的脱模斜度见表3-6和表3-7

在一般情况下，脱模斜度为30′～1°30′。

但应注意根据具体情况而定。

当制品有特殊要求或精度要求较高时，应选用较小的脱模斜度，外表面脱模斜度可小至5′，内表面脱模斜度小至10′～20′。

高度不大的制品，还可以不要脱模斜度;尺寸较高、较大的制品选用较小的脱模斜度;形状复杂、不易脱模的制品，应取较大的脱模斜度，制品上的凸起或加强筋单边应有4°～5°的脱模斜度。

制品内、外壁面都应有脱模斜度，如图3-16所示。

脱模斜度的取向原则是：

内孔以小端为基准，符合图样要求，脱模斜度由扩大方向得到;外形以大端为基准，符合图样要求，脱模斜度由缩小方向得到，如图3-17所示。

一般脱模斜度值不包括在塑料制品尺寸的公差范围内。

但制品精度要求高的，脱模斜度应包括在公差范围内。

6、塑件上的孔

塑件上的孔有通孔、盲孔、形状复杂的孔、螺纹孔。

对于这些孔的设置有以下要求：

（1）塑件上各种孔的位置，应尽可能开设在不减弱塑件的机械强度的部位，也应力求不增加模具制造工艺的复杂性，孔的形状宜简单，复杂形状的孔，模具制造较困难。

孔与孔之间（孔间距）、孔与壁之间（孔边距）应有足够的距离（见表3-8），孔径与孔的深度也有一定关系（见表3-9）。

如果使用上要求两个孔的间距或孔边距小于表3-8中规定的数值时，如图3-18（a）所示，可将孔设计成图3-18（b）的结构形式。

（2）塑件上紧固用的孔和其他受力的孔，应设计出凸边予以加强，如图3-19所示。

（3）塑件上的通孔可用一端固定的型芯成型，也可用两端分别固定的对接型芯成型，如图3-21所示。

盲孔则用一端固定的型芯来成型。

（4）对于与熔体流动方向垂直的孔，当孔径在1.5mm以下时，为了防止型芯弯曲，孔深以不超过孔径的2倍为好。

（5）有的斜孔或形状复杂的孔可采用拼合的型芯来成型，以避免侧面抽芯，简化模具结构，如图3-22所示。

（6）互相垂直的孔或斜交的孔，在压缩成型中不宜采用，在注射成型和压注成型中可以采用，但两个孔的型芯不能互相嵌合（图3-23（a）），而应采用图3-23（b）的结构形式。

【实例3-1】对图3-24所示塑件进行结构工艺性分析。

塑件尺寸精度与结构分析实例

（2）塑件表面质量分析

查表3-5可知，ABS注射成型塑件后的表面粗糙度值为Ra0.025～1.6μm。

由于该塑料支架表面没有什么特殊要求，如果从降低模具成本、减少废品率等方面考虑，塑件外表面可选取Ra0.8μm、塑件内表面可选取Ra1.6μm。