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1、5材料性质与塑件设计第五章 材料性質與塑件設計5-1 材料性質與塑件設計塑膠材料的多樣性使得塑膠射出成形比金屬成形更具有設計的自由度。然而，塑件的機械性質受到負荷種類、負荷速率、施加負荷期間長短、施加負荷的頻率、以及使用環境溫度變化與溼度變化等因素的影響，所以設計者必須將這些使用條件列入考慮。5-1-1 應力-應變行為材料的應力-應變行為決定其強度或勁度。影響材料強度的因素包括塑件的幾何形狀、負荷、拘束條件、成形製程導致的殘留應力和配向性。根據施加在塑件的負荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強度性質，包括拉伸強度、壓縮強度、扭曲強度、撓曲強度和剪變強度等。設計塑件時，應該根據塑件承受的主要

2、負荷來決定材料相關的強度。將其使用環境溫度及應變率下的主要負荷所相關的應力應變行為列為重要考慮。然而，由於拉伸試驗以外的其他測試程序先天上都有準確性的問題，使得塑膠材料往往只提供短期的拉伸試驗(tensile test)結果。讀者如果有其他負荷狀態的應用，應參閱相關的文獻資料。圖5-1說明拉伸試驗棒和預設固定負荷下的變形量，其中，應力()與應變()的定義為：圖5-1 (a) 拉伸實驗棒截面面積A，原始長度L0；(b) 於固定負荷下拉長至長度L。 圖 5-2熱塑性塑膠的應力應變曲線，可以獲得楊氏模數、比例極限，彈性極限、降伏點、延展性、破壞強度和破壞之伸長量等材料性質。圖5-2 典型熱塑性塑膠的

3、應力應變曲線圖楊氏模數是應力應變曲線起始直線部份的斜率。定義為： 楊氏模數經常被用作材料強度指標。楊氏模數實際上是材料剛性(rigidity)的指標，它可以應用於工程上簡化的線性運算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。比例極限是圖 5-3上的 P 點，曲線從這點開始偏離其線性行為。彈性極限是圖 5-3的 I 點，它是材料承受應變而仍能夠回復原形的最大限度。假如應變量超過彈性極限，並且繼續增加，則材料可能發生拉伸現象而無法回復原形，或者可能發生破壞，如圖 5-2所示。圖 5-3 局部之應力應變曲線，其中，P點是比例極限， 經常用作設計上的應變限度。I 點是彈性極限。圖 5-4顯示相同基底

4、樹脂材料的兩種熱塑性複合物之應力應變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強度、降伏應力、比例極限應力及楊氏模數都明顯地提昇，並且承受較低的應變量就產生破壞。無填充料的熱塑性塑膠在降伏點以上產生拉伸現象，使應力減小。拉伸造成剖面面積的縮小量可以根據蒲松比計算。負荷速率（或應變率）及溫度對於塑膠的應力應變行為有很大的影響。圖 5-5是半結晶塑膠受負荷速度及溫度影響時之拉伸實驗應力應變曲線。通常，在高負荷速率和低溫條件時，塑膠材料顯得剛且脆；低負荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑膠材料較具有撓性和延展性。從圖 5-5可以觀察到，高負荷速率使得材料的破壞應力和

5、降伏應力大幅提高。然而，提高溫度會使得破壞應力和降伏應力降低。圖5-4 添加30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應力應變曲線圖5-5 負荷速率與溫度對於典型聚合物之應力應變圖的影響加熱半結晶性塑膠使之通過玻璃轉移溫度（Tg），則負荷速度、溫度等相關的效應更加明顯，結果導致塑料產生全然不同的運動行為。不定形塑膠通過軟化區後呈現黏性流。5-1-2 潛變與應力鬆弛設計承受長期負荷的塑件時，應非常注意潛變效應及應力鬆弛。不論所施加負荷的大小，只要持續地施加一定量負荷在塑膠材料上，塑膠材料就會連續地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變(creep)，如圖5-6所示。圖5-6 典型的潛變曲線，其潛變量根據

6、負荷及時間而變化。要設計承受長期負荷的塑件，必須使用潛變數據以確保塑件不會在壽命週期內產生破壞、產生降伏、裂縫或是過量的變形。雖然大多數塑料擁有在相當時間內、特定應力及溫度條件下的潛變數據，但是每個塑件設計仍需對其特定的負荷與使用條件來調整設計值。由於要針對各別設計塑件進行長期間的試驗並不可行，而且塑件將來使用期間的應力與環境條件不容易進行長期間的預測，所以，往往必須從較短的潛變試驗數據執行內插和外插。通常，工程師使用樹脂供應商提供的潛變資料庫獲得應變相對於時間之數據，再進行內插和外插，以獲得同一時間之應力應變非線性曲線，如圖 5-7。這些曲線將取代短期的應力應變曲線，應用於長期靜負荷之塑性設

7、計。圖5-7 在固定應變下，應力隨著經歷時間而遞減的情形。潛變模數(creep modulus, Ec)可以應用於固定應力或應力鬆弛計算。潛變模數與時間、溫度有關係，它與固定應力()以及隨時間、溫度變化的應變(t, T)之間的關係式定義如下： 其他與潛變有關連的因素包括：隨著溫度的上升，潛度速率與應力鬆弛速率都會上升。只要施加負荷的時間夠久，就可能發生破壞，此稱為應力破裂(stress crack)。內壓力（殘留應力）應該與外應力一併考慮。應力鬆弛是潛變的一種推論現象。假如變形量固定，則抵抗變形的應力會隨著時間而遞減。塑膠材料發生潛變的物理機構也可以應用於應力鬆弛。圖 5-7說明在固定應變下，

8、應力隨著經歷時間而遞減的情形。5-1-3 疲勞當設計的塑件承受週期性的負載時，就應考慮疲勞效應(fatigue)。承受週期性負荷之塑料應該使用比例極限進行設計。假如施加時間間距短，而且為長期的反覆性負荷，應該使用S-N曲線進行設計。S-N曲線是在固定頻率、固定溫度和固定負荷條件下，施加彎矩、扭力和拉伸應力於材料，測試而得。隨著反覆性負荷的頻率數目增加，造成塑件因疲勞而破壞所須的應力會降低。許多材料存在一特定的應力忍受限度，在應力低於忍受限度時，材料不會因反覆性負荷造成疲勞而破壞，參閱圖 5-8。即使只施加很小的應力，根據施加應力的大小，材料承受反覆性負荷時，可能在週期結束後無法恢復原狀。當施加

9、負荷與解除負荷的頻率增加，或是施加負荷與無負荷的間隔時間縮短，塑件表面可能應為疲勞而產生微小裂縫或其他瑕疵，造成韌性降低。圖5-8 典型的撓曲疲勞S-N曲線具有一個應力忍耐限度，在此限度以下的應力不會造成破壞。5-1-4 衝擊強度因為塑膠具有黏彈性，其性質與使用時間、負荷速率、負荷頻率、施加負荷期間長短、使用溫度都有密切的關係。塑膠的衝擊強度（或韌性）表示其抵抗脈衝負荷的能力。圖 5-5顯示塑膠材料的衝擊強度隨著負荷速率的增加而增大。塑膠材料承受高速的負荷時，會表現出脆性而沒有拉伸的傾向。低溫時，塑膠應亦呈現脆性。塑膠材料承受衝擊時，對於凹痕很敏感。尖銳的轉角半徑會造成應力集中，也會降低其衝擊

10、強度，如圖 5-9所示。圖5-9 塑料應力集中是其厚度與圓角半徑的函數5-1-5 熱機械行為熱膨脹係數是溫度從一特定值上升時，材料尺寸變化的量度。塑膠的熱膨脹係比金屬大510倍。溫度變化對於塑件的尺寸和機械性質會造成可觀的影響，所以設計塑件時必須考慮到使用塑件的最高溫度和最低溫度。假如使用於大溫度範圍大的塑件與金屬件緊密結合，強度較差的塑件會因熱膨脹或收縮而破壞。根據塑件強度及上升溫度情況，此破壞可能立刻發生或延後發生，所以設計塑件與金屬元件組合時，必須將其尺寸變化的安全裕度列入考慮。使用於室溫以上的塑件應考慮下列因素： 塑件尺寸增長的傾向正比於其長度、溫度上升量、及熱膨脹係數。 當塑件溫度從

11、室溫上升時，其強度及楊氏模數會降低，如圖 5-5所示。 低模數材料可能會呈現橡膠般的拉伸現象。分子鏈的配向性和添加纖維的配向性會造成塑件尺寸不等向的變化，其在流動方向比截面方向具有更大的熱膨脹係數。當塑件長期存在於高溫，應考慮： 存放時承受內應力或外應力的塑件，應考慮潛變和應力鬆弛。 塑件因分子裂解而變脆。 有些複合物會釋放成分。塑件長期存放於低溫時，應考慮因素： 塑件尺寸縮減正比於其長度、溫度下降量、及熱膨脹(熱收縮)係數。 模數上升。 塑件變脆。5-2 塑件強度設計設計塑件時，其破壞性質控制的成功與否，往往取決於對於塑件強度（或勁度）的準確預測。根據塑件承受負荷或拘束條件的不同，可以區分為

12、拉伸強度、壓縮強度、扭曲強度，撓曲強度和剪切強度。塑件的強度與材料、幾何形狀、拘束條件、成形的殘留應力和配向性有關。表 5-1列出五種典型的負荷條件及設計者應考慮的材料性質。表5-1 典型的負荷條件及設計者應考慮的材料性質 負荷條件設計者應考慮的材料性質短期負荷應力-應變行為長期負荷潛變反覆性負荷疲勞高速和衝擊性負荷衝擊強度極端溫度之負荷熱應力應變行為5-2-1 短期負荷短期負荷是指塑件於搬運、組合、和使用時，偶而施加的負荷，其設計應採用應力-應變圖的比例極限值。使用肋或角板等強化結構，可以改善塑件的強度。應考慮使用寬幅的肋，以提昇結構強度；增加肋的高度或減小肋的間距也會改善結構強度。另外，在

13、需要的方向添加強化玻璃纖維也可以改善結構強度。5-2-2 長期負荷長期負荷指在比例極限以內，塑件長時間承受高外力負荷，以及塑件在成形和組合製程中造成的高內應力或殘留應力。其於設計上應考慮： 使用潛變模數，以避免應力破裂破壞，維持接點緊密結合和塑件功能。 設計壓合連接或搭扣連接之組合，以減少組裝造成的應力。 使用固定元件(fasteners)以減低應力，強化結構。 設計塑件與塑件接合時，使用幾何特徵或保留安全裕度，以防止塑件因 組合而過度緊密配合。5-2-3 反覆性負荷當塑件承受反覆性負荷，應考慮在其壽命內預計承受負荷的次數，下列數字提供典型反覆性負荷的範例。 負荷 種 類負荷 次 數 反覆組合

14、和拆解少於 1,000 次 齒輪之各齒承受反覆性負荷 大於 10,000 次 彈簧元件 大於 10,000 次塑件承受反覆性負荷時，應考慮下列建議： 長間距之週期性負荷可以採用比例極限進行設計。 塑件承受短間距和長期間的反覆性負荷，應使用S-N曲線進行設計。 高度拋光的光滑模面可以降低產生微小裂縫的傾向。 注意圓角的設計以避免應力集中。 塑件承受高頻或高振幅的週期性負荷時，會生熱而縮短壽命。改用薄壁 設計和耐疲勞的導熱性材料可以改善塑件的散熱功能。5-2-4 高速負荷及衝擊負荷高速負荷指施加負荷的速度高於1 m/s，衝擊性負荷指負荷速度高於 50 m/s。應避免在高應力區施加高速負荷和衝擊性負

15、荷。當設計之塑件承受此類負荷時必須牢記以下建議： 在預期的負荷速率之內，使用比例極限進行設計之計算。 使用較大的圓角半徑及較和緩的肉厚寬度變化，以避免應力集中。 長時間處於高熔融溫度的樹脂會裂解變脆。要使高溫對於熔膠的影響最 小化，就必須選用適當熔點的塑料和適當的射出料筒來進行射出成形。5-2-5 極端溫度施加負荷塑件之儲存、搬運和使用溫度很容易就高出或低於室溫2030，應用於極端溫度的塑件必須能適應環境。設計塑件將應用於極端溫度條件，建議注意事項如下： 應用比例極限進行計算，以避免塑件永久變形。 避免將不同熱膨脹係數之材料設計為緊迫組合，而且應該在自由端面保 留允許塑件膨脹之裕度。常見的高於

16、室溫之極端溫度條件的應用包括：熱液體的容器、熱水管線元件、含有加熱元件之裝置、直接曝於日光之下的搬運工具、儲存在無空調建築之塑件。常見的於低於室溫的應用包括：冷凍之塑件和以飛機運載之塑件5-3 塑件肉厚設計塑件所需考慮的因素眾多，包括功能與尺寸的需求、組合之公差、藝術感與美觀、製造成本、環境的衝擊、以及成品運送等等。在此，我們將考慮塑件肉厚對於成形週期時間、收縮與翹曲、表面品質等因素的影響，以討論熱塑性塑膠射出成形之加工性。塑件於射出成形後，必須冷卻到足夠低的溫度，頂出時才不會造成變形。肉厚較厚的塑件需要較長的冷卻時間和較長的保壓時間。理論上，塑件射出之冷卻時間與肉厚的平方成正比，或者與圓形物

17、件直徑的1.6次方成正比。所以粗厚件會延長成形週期時間，降低單位時間所射出塑件的數量，增加每個塑件的製造成本。另外，塑膠射出成形先天上就會發生收縮，然而，剖面或整個元件的過量收縮或不均勻收縮就會造成翹曲，以致於成形品無法依照設計形狀呈現。請參閱圖5-10。 圖5-10 (左邊)粗厚件會導致(中間)塑件的收縮和翹曲， 應該將塑件設計為具有均勻肉厚的(左邊)塑件。塑件同時具有薄肉區和厚肉區時，充填熔膠傾向於往厚截面部分流動，容易產生競流效應(race-tracking effect)，導致包風(air traps)和縫合線(weld lines)，在塑件表面產生瑕疵。假如厚肉區沒有充足的保壓，就會

18、造成凹痕(sink marks)或氣孔(voids)，所以應該儘可能設計薄且肉厚均勻的塑件，以縮短成形週期時間，改善塑件尺寸穩定性，和去除塑件之表面瑕疪，塑件肉厚設計通則是：使用肋可以提高塑件的剛性和強度，並且避免厚肉區的結構。塑件尺寸的設計，應將使用塑膠之材料性質和負荷類型、使用條件之間的關係列入考慮，也應考慮元件的組合需求。圖 5-11 提供一些設計範例的比較。 (not recommended) (recommended)圖5-11 塑件之設計範例。左邊為不良設計，右邊是典型的塑件設計。5-4 肋之設計塑件設計之結構完整性的主要考量是：塑件結構強度必須足以抵抗預期負荷。如果藉由增加肉厚以

19、強化結構，有下列的缺點： 塑件重量及成本相對地增加。 加長塑件所需的冷卻時間。 增加產生凹痕與氣孔的機會。肋(ribs)是達成所需剛性和強度，並且避免粗厚剖面的有效方法。設計良好的肋，僅僅增加低百分比的重量，就足以提供必要的結構強度。假如還需要更高的剛性，可以縮小肋的間距，以便添加更多的肋。肋的典型用途包括： 蓋子、箱子、及需要有良好外觀和重量輕的寬大表面。 必須有圓柱形表面之送紙用滾輪和導軌。 齒輪的軸和齒廓。 塑件的支撐與構架。肋的厚度、高度和開模斜角是相互關連的。太粗厚的肋會在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的開模斜角會造成肋的尖端充填困難。肋之各邊應有 1的開模斜角，最小不得低於

20、1/2，而且應該將肋兩側之模面精密拋光。開模斜角使得從肋頂部到根部增加肉厚，每一度開模斜角會使一公分高肋的根部增加0.175公厘肉厚。建議根部的最大厚度為塑件肉厚的0.8倍，通常取肉厚的0.50.8倍，如圖5-12所示。圖5-12 設計肋之截面規範將肋設計在開模方向，可以降低模具的加工成本。使用角板(gussets)也可以強化肋的結構，如圖5-12所示。使用凸轂(bosses)時，不應該凸轂將連接到平行之塑件壁面，必須和壁面維持一段間距。凸轂也可以使用角板強化結構。如圖5-13所示，肋可以設計成波浪狀(corrugations)以維持均勻壁厚，並且將開模斜角加工到兩側的模具，這種作法可以避免肋

21、的頂面太過薄。就結構的剛性而言，相互連接的蜂巢式六面矩陣結構，如圖 5-14，比正方形結構更具有材料的使用效率，加設蜂巢狀的肋是防止平坦表面彎曲的好方法。 圖5-13 波浪形強化結構 圖5-14 平坦表面加設蜂巢狀的肋5-5 組合之設計使用塑膠成形的一項重要優點是可能將先前的好幾個元件連接成為單一元件，這包括許多功能性元件和固定元件。然而，在現實的考量上，為了成形與模具的限制、功能需求、及經濟考量，仍有些塑件會製作成分離的元件，再予組合。由於塑件從熔膠狀態冷卻到固態會發生大量收縮，使得成形塑件不像沖孔和機械加工元件般可以製作成精密配合。況且大多數的情況，熔膠之凝固不具有等向性，所以塑件無法以單

22、一的收縮率去估計其最終尺寸，互相組合的塑件也必須仔細設計各配合元件之公差。塑件與塑件間的配合應注意： 兩種相同材質塑件之間的配合，可以參考塑料供應商提供的公差值。 兩種不同材質塑件之間，或者從不同供應商獲得的材料，可以將供應商 提供之公差值再增加 0.001mm/mm。 假如流動方向具有強烈的配向性，必須對等向收縮之外再增加0.001 mm/mm到整個元件的公差。 將兩個塑件之接合面設計成台階式，作為相接的唇板與溝槽，以提供元 件間對齊機制，並減低大尺寸元件的公差問題，如圖5-15。 圖5-15 使用唇板與溝槽提供良好的配合塑件與金屬件之間的配合，應確定在塑件與金屬件之接合處保留有足夠的膨脹裕

23、度給塑件，如圖 5-16。圖5-16 塑件與金屬元件之組合，應在塑件的端面預留較大的膨脹裕度。5-5-1 5-5-1 壓入配合連接 簡易的干涉配合(interference fits)可以用連接元件，將金屬軸心與塑膠轂壓入配合連接(press-fit Joints)是最常使用的方法。從塑料供應商提供的設計圖表或干涉計算公式可以用來設計壓入配合連結的元件尺寸，獲得必要的壓合應力，而不致因為過量的應力造成裂縫，或是過低的應力而造成鬆脫。圖 5-17畫出最大干涉極限圖。此干涉圖將根據不同材料而異，其最大干涉極限是根據轂與插入軸的直徑比和材料而定。建議的最小干涉插入深度為插入軸直徑的 2倍。如果相關的

24、設計圖表並不存在，則可以針對插入軸直徑 d與轂內徑d1計算允許的干涉值。圖5-17 金屬軸件壓入塑膠轂的最大干涉極限。此干涉圖依照材料而異，其為最大干涉百分比(d-d1)/d100%相對於軸徑比（D/d）。 ， 其中， l = 徑向干涉，d-d1，單位 mm。 Sd = 設計應力，單位 MPa。 D = 轂外緣直徑，單位 mm。 d = 插入軸直徑，單位 mm。 Eh = 轂之拉伸彈性模數，單位 MPa。 Es = 插入軸彈性模數，單位 MPa。 h = 轂材料之浦松比。 s = 插入軸材料之浦松比。 W = 幾何因子。設計壓入配合連接，應檢查於配合當中和配合後所累積的公差是否會造成過量的應力

25、，而組合後的配合公差是否適當。此外，在金屬軸與塑膠轂之間不應該設計錐度之配合件，否則會造成過量的應力。5-5-2 搭扣配合連接 搭扣配合連接(snap-fit Joints)由倒勾(undercut)結構取代干涉，應用塑膠材料在比例極限內的變形能力進行連接，並且在完成組合後立即回復原始的形狀。完成搭扣配合連接時，搭扣兩邊的配合件都不承受應力，而連接過程中的最大應力也不超過比例極限；完成連接之後，元件承受的負荷亦須在材料限度以內。搭扣配合連接的設計包括：圓形搭扣、懸臂搭扣和扭曲式搭扣。(1) (1) 圓形搭扣連接 圓形搭扣連接(annular snap-fit joints)如圖 5-18，根據

26、插入軸直徑和回復角的選定，圓形搭扣可以設計成可分離式、難分離式或不可分離式。圖5-18 典型的圓形搭扣配合連接。組裝力 W與導角、倒勾量 y有密切的關係。塑膠轂直徑 d，肉厚 t。圖5-19假設剛性軸（通常是金屬）插入或退出塑膠轂，並將之撐開，此插入或退出的極限應力值不得超過塑膠材料的比例極限，而且造成軸的變形量不得超過軸的允許變形量(或倒勾的允許變形量 y)。圖5-19 搭扣組合時的應力分佈最大之允許變形量決定於最大之允許應變pm和轂徑d。以下計算公式假設配合件之一者是剛體，假如兩個配合件有相同的撓性，則應變將減半，而倒勾可以兩倍大。 y = pm d假如模心形成干涉環(interferen

27、ce ring)，則倒勾必須具有平滑的半徑和低淺的導角（lead angle），使退出時不會破損干涉環。於退出時，作用在干涉環的應力必須維持在材料的比例極限之內。(2) (2) 懸臂搭扣連接 懸臂搭扣連接(cantilever snap joints)是使用最廣泛的搭扣連接方式。通常，將它插進孔內或閂板時，勾子會撓曲；當勾子通過孔緣後就回復原始形狀。從懸臂頂端到根部應設計成錐度，使得作用應力能夠均勻分佈。組合應力不應超過材料的比例極限懸臂搭扣的寬度或厚度都可以設計成斜度，如圖5-18。假如將其厚度從根部線性地縮減，則勾頂厚度可以是根部厚度的一半。另外在根部勾側加工靠破孔，可以簡化模具的加工和動

28、作，如圖5-19所示。塑件與搭扣結合的根部應加工圓角以防止應力集中。圖5-18 典型之懸臂搭扣連接。勾子與孔緣之干涉量 y 代表其於組裝時應產生的撓曲量。圖5-19 懸臂搭扣之特徵(3) (3) 扭曲搭扣連接扭曲搭扣連接 (torsion snap-fit joints)在支點處承受一剪應力，它適合應用在經常組裝和分解的元件。其總共的扭曲角與撓曲值或的關係為： 其中 = 扭轉角度； y1, y2 = 撓曲量； l1, l2 = 臂長(參閱圖5-20)。允許的最大扭曲角pm受限於允許的剪應變pm， 其中 pm= 允許的最大扭曲角pm(度)； pm= 允許的剪應變； l = 扭轉臂長度； r = 扭轉軸半徑。塑膠的允許最大剪應變pm大約等於： pm = ( + )pm pm = 1.35pm其中 pm = 允許之剪應變； pm = 允許之應變； = 浦松比(塑膠大約為0.35)。5-5-3 固定元件傳統上使用的固定元件(fasteners)包括固定金屬元件的螺絲釘和鉚釘，它們也可以應用於塑件，其應用上考慮的重點如下列： 過於緊迫的螺絲釘或鉚釘可能導致應力。 螺絲釘之螺紋可以預先加工，或是上螺絲釘時再產生。 螺絲釘螺紋與頭部之毛邊、鉚釘毛邊等都可能造成應力，導致塑件提早 破壞。(1) (1) 螺絲釘