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1、张洪宇毕业设计论文全文摘 要薄壁注塑有很多明显的优点，如节省材料，降低生产成本， 减轻重量和减小形状大小等，促进了电子产品(比如手机)的加速发展。尤其是超薄壁塑件,具有很大的应用潜力的微机电系统（MEMS） . 然而，随着零件厚度的减低，注塑成型过程也变得更加困难和复杂。系统性的调查是缺乏对超薄壁塑件成型特性的认识。 本文设计和制造了一个超薄壁塑件成型的注塑模具。 采用正交试验法(正交试验法)和数值模拟，研究讨论了超薄壁塑件的不同工艺参数(注射率 注射压力，熔体温度，工件的大小和厚度的一部分)的成型过程。 结果表明，零件厚度是对成型过程决定性参数， 计量大小及喷油率是成型过程中的主要因素。在成

2、型过程中，加快注射速度则可以增加填充比例. 熔体温度和注射压力是次要因素， 但较高的熔融温度和注射压力也是成型过程中所必要的。关键词: 注射成型；超薄壁塑料件；正交试验法；数值模拟 第1章 引言1.1 课题研究的目的和意义多功能防震收音机的应用在多地震国家有广泛的应用前景，对于减少地震的损失保障生命财产的安全有重要的意义，例如在日本就是一个很好的应用，本产品就是在这个市场的要求下，在根据相关的要求生产的，本产品有手摇发电和太阳能发电两种模式，还有手机充电的功能，另外根据日本的救援的收音频率安排收音机的波段。还有报警的功能，在得到有救援人员到达的消息后，收音机可以发出相应的报警信号，方便救援人员

3、的营救，争取宝贵的时间，两种充电的模式可以很好的保证电力的充足。 本次毕业设计的多功能防震收音机的重点在收音机的结构部分，包括收音机的塑料件和相关的模具的设计。国内一些塑料件供应商的产品设计和模具设计手段还停留在二维绘图的水平上，塑料模具的结构尺寸设计以经验公式为主。这样的方法不但落后而且很难保证产品质量。对于包含高级曲面或精度要求较高的复杂塑料件，用这种方式根本无法设计和制造。总之，国内精密注塑模具的设计与加工方法和国外差距很大。因此必需结合现代设计、分析方法及手段和先进制造技术才能使国内的塑料件的设计和制造水平有一个显著的提高，以满足国内市场对高品质塑料制品的需要。1.2 国内外研究的现状

4、多功能防震收音机的好处越来越多的被人们所认识。相关方面的研究，仪器开发竞争也越来越激烈。而大部分则集中在仪器的外形，实用，舒适等方面。零件的建模，装配随之引发了设计软件之间的竞争。 随着模具工业的飞速发展以及CAD/CAM技术的重要性被模具界所认可,近几年来CAD/CAM开发商投入了很大的人力和物力，将通用CAD/CAM系统改造为模具行业专用的CAD/CAM系统，针对各类模具的特点，推出了宜人化、集成化、和智能化的专用系统，受到了广大模具工作者的好评。 模具工业的科技进步和国际竞争的日益激烈，模具界对CAD/CAM系统的要求也从单纯的建模工具变为要求支持从设计、分析、管理和加工全过程的产品信息

5、管理集成化系统。特别是模具CAD/CAE/CAM技术全方位解决方案的能力和技术。作为塑料件的最有效成型方法之一，注塑成型可以一次成型各种结构复杂、尺寸精度高并带有工艺要求的含嵌件塑料制品，成型周期短，一模多腔，生产效率高，大批生产成本低廉，易于实现自动化生产。因此在塑料件的加工行业中占有非常重要的地位。据统计，80以上的塑料件是采用注射成型方式生产。因此有必要研究注塑模具的先进设计方法。在国外，早在50年代美国学者就对聚合物过程的数值模拟建模作了一系列工作。同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。1959年，Bernhardt在书中总结了成型建模中的许多问题，Tadmor和Klein在书中首

6、次给出了塑化挤出的完整模型，包括固体输送、塑化和熔体输送等。70年代初期，有关塑化挤出模拟软件EXTRUD已商品化，该软件很大程度上是基于Tadmor和Klein书中所描述的模型。70年代以来，很多大学和企业的研究者们都致力于注射、挤出和其它工艺的计算模型的研究。然而，这些计算模型对加工技术产生的影响不大，直到1978年澳大利亚Mold flow公司推出了第一个注塑成型充填阶段的模拟软件Mold flow。80年代，随着C-MOLD软件的问世及其他一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。自80年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备

7、的各个方面进行了深入的研究，推出了许多关于聚合物流动的有限元分析软件。目前工业发达国家都在投入大量人力物力进行注塑模CAE研究，并竟相推出商品化的注塑模CAE软件，许多软件已在生产中广泛应用，产生了巨大的经济效益。其中，具有代表性的软件及所取得的成果主要有：合并了C-MOLD的Mold flow公司推出了Plastics Insight4.1版本，基本囊括了充填、保压、冷却、翘曲分析等注塑成型涉及到的所有过程；加拿大McGILL大学的MCKAM-系统，能模拟注塑过程的流动、保压和冷却各个阶段；德国IKV塑料工程研究所的注塑模CAE/CAD系统，能系统地进行注塑模的流变分析、热力学分析及结构设计

8、。我国注塑模CAE研究始于70年代末，到了80年代后期才逐渐开始发展。“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等高校联合进行了国家重点科技公关课题“注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC3.0。各科研院、所经过十多年来的不懈努力，在注塑模CAD/CAE领域取得了长足的进步，软件的国有化比重在不断递增，但仍有许多不足之处。如：目前国内自行开发的注塑模CAD/CAE系统都是基于一定的平台基础上，而自行开发的图形系统和CAE软件较少，并且还没有统一的标准，开发系统的实用性和局限性较大，因而，上述系统真正成为普及型软件还不成熟，有待于进一步技术研究和通过实践检验。1.3 课题研究的

9、主要内容1. 完成多功能防震收音机中所有零件的建模。2. 完成多功能防震收音机的零件装配。3. 完成多功能防震收音机的设计文件的编写，包括装配工程图和零件图。4. 完成多功能防震收音机关键零件的塑料模具设计过程。具体的工作任务流程见图1.3-1，其中带*的为本次设计的主要内容。 图1.3-1 工作任务流程图 1.4 产品的性能介绍本机是采用手摇发电和太阳能发电相结合，并带有手机充电，照明的功能，在地震多发地带， 这种发电方式和充电的方式非常有利于生存者的自救， 尽量的减少人员和财产的损失。手摇发电装置是微型发电机和增速齿轮机构构成，在幸存者还有能力运动的情况可以使用这个功能，太阳能充电同时具备

10、了在有光线的条件下利用太阳能充电，将其周围的光能充分利用，节省幸存者的体力，以便赢得更多的救援时间，同时还有对手机充电的能力，可以利用手机进行必要的营救。使幸存者赢得更多的主动被营救的机会。本产品的设计尽量小巧结构更加紧凑，这样可以让使用者可以随身携带，产品图如图1.4-1所示：图1.4-1 多功能防震收音机的整体外形第2章 塑料件的设计要求与关键技术2.1 塑料件的设计要求要把塑料件设计得既符合产品的功能要求、美学要求、人因工程学要求，又符合塑模成型的工艺要求，其难度非常大。所以，在设计的过程中要和电器工程师进行功能方面的交流，又要和模具加工部门进行协调，同时和经销商之间进行及时的沟通。通过

11、协调好各个方面的要求,经过许多次的反复实验、论证和修改,最终才能使合格的塑料件组装成一个完美的产品。当然，塑料件的设计要求非常多，在本节对各种设计要求加以整理，最终归纳为主要的三类：强度设计要求；工艺要求；用于特定产品的要求。2.1.1 强度设计要求塑料件的耐用性取决于塑料件强度。根据塑料件承受负荷条件不同，可把所承受的负荷分为短期负荷、长期负荷、循环负荷、冲击负荷、温度负荷等五类。在设计塑料件时，首先要考虑的是强度设计，从以下五方面入手：1.短期应力-应变行为短期负荷是指塑料件在搬运、组合和使用时施加的负荷。例如，搬运时受到的冲击力，各种连接机构在调整时所承受的载荷等。和金属零部件的设计类似

12、，其设计一般参考材料的应力-应变图。但与金属材料相比，塑料在高温下的抗应变能力非常低。在设计时主要考虑以下两点：（1）按照材料的应力-应变曲线进行强度设计；（2）应充分考虑零部件的使用环境、温度、加工方法、化学环境对机械性能的影响。2.长期力学性能长期力学性能是指在比例极限以内，塑料件长时间承受外力载荷，以及塑料件在成型和组合过程中造成内应力和残留应力。主要失效形式表现为蠕变和应力松弛。在本机型“多功能防震收音机”上的“摇动臂”，如下图2.1-1所示；由于长时间受到重力的作用，会发生径向蠕变，使直径有所增加；各种转轴的挠曲会随着时间的增加而增大。设计此类塑料件时主要考虑以下四点：（1）向材料供

13、应商索取蠕变模量Ec(t,T)和松弛模量ER（t,T）,分别利用式（2.1）和式（2.2）计算出应变和应力。 图2.1-1 摇动臂的结构外型Ec(t,T)=0/（t,T） (2-1)式中：0为初始应力，是常数 （t,T）是与时间和温度有关的应变值ER（t,T）=（t,T） /0 (2-2)式中: 0ww为应变值，是常数 （t,T）为应力值，是时间和温度的函数（2）如果条件允许，尽量设计成压合连接或搭扣连接组合，以减少组装造成的应力。（3）使用固定组件以减低应力，强化结构。（4）设计塑料件与塑料件的接合时，保留安全裕度，以防止过度紧密配合。3.循环负荷当塑料件承受反复或循环载荷作用时，应重点考虑

14、在其寿命内预计承受循环负荷的次数。特别是各种皮带轮、皮带、活塞环等，在设计时必须充分考虑材料的疲劳强度。塑料件承受循环负荷时，重点考虑以下三点：（1）承受短间距和长期间距的反复性负荷，应使用疲劳曲线进行设计；（2）注意圆角的设计以避免应力集中；（3）承受高频或高振幅的周期性负荷时，会因生热而缩短寿命，改用薄壁设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑料件的散热功能。4.冲击载荷冲击负荷的加载速度比其他机械负荷的加载速度要快得多。零件设计时应尽量避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。设计塑料件时需要考虑使用较大的圆角及较和缓的厚度变化，以避免应力集中。5.温度负荷与金属件相比，塑料件的性能对温度更加敏

15、感，温度的变化对尺寸、机械性能等有显著的影响。这里所指的温度负荷包括高温和低温，高温负荷容易使塑料软化；低温负荷容易使塑料变脆。对于塑料件来说，要考虑承受相对高温和相对低温的情况。要使零部件适应使用的温度环境，设计时应注意：（1）遵循材料的模量-温度曲线；（2）尽量避免将不同热膨胀系数的材料进行组合，而且应该在自由端面保留允许塑料件膨胀的余量。根据以上的论述，本文将强度设计的五种负负荷条件和设计者应考虑的材料性质以及对应设计时应遵循的主要准则列于表2.1-1表2.1-1 强度设计准则归纳 负荷条件典型零部件应考虑的材料性质主要设计准则短期负荷扳手、紧固螺钉等应力-应变行为应力-应变曲线长期负荷

16、球头压板等蠕变、应力松弛蠕变模量、松弛模量循环负荷齿轮等疲劳特性疲劳曲线冲击负荷底座等冲击强度避免局部应力集中温度负荷手持型的上下壳体热应力-应变行为模量-温度曲线2.1.2 工艺设计要求1.可制造性的设计要求这里的制造主要指注塑成型过程。产品设计将最终决定塑料件塑模的难易程度，塑料件生产的可行性，模具的复杂性和产品的成本。在不影响产品性能的情况下，适当地修改产品的结构可能会大大降低模具的难度，从而降低产品成本。影响制造工艺性的因素很多，如:拔模的斜度、工艺孔的设置、嵌件的设计等。在本小节中将讨论影响制造工艺性的三个最主要的结构：圆角、壁厚、加强筋。（1）圆角塑料件外表面转折处有圆角不但能保证

17、制品机械强度高、外观漂亮，而且塑料熔体在型腔中的流动也比较容易。否则，塑料件在使用时拐角处容易产生应力集中而遭到破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。在塑料件的内表面转折处不一定要加圆角，要看加工的难易程度，当壁厚均匀时可以不加圆角，在分型面上不能有圆角过度。（2）壁厚塑料件的壁厚应均匀，不应有突变。当塑料件上有薄壁区时，充填熔体倾向往壁厚的截面部分流动，容易产生竞流效应，导致产生气泡和熔合线，在塑料件表面产生瑕疵。塑料件在射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。壁厚较大的塑料件需要较长的冷却和保压时间。例如厚壁区没有充足的保压，就会造成凹痕或气孔，为使塑料件的壁厚尽可能的均匀

18、可以通过加入一些工艺孔或槽达到壁厚均匀的要求，以缩短成形周期，改善塑料件尺寸稳定性。（3）加强筋设计良好的筋，不仅可以降低零件的重量，同时足以提供必要的结构强度。如果还需要更高的刚性，可以缩小筋的间距，添加更多的筋。筋的厚度一定要小于等于零件的壁厚。筋在塑料件上的典型用途包括：需要有良好外观和重量轻的宽大表面。齿轮的轴和轮廓。塑料件的支撑柱与构架。2.可装配性的设计要求减少产品中塑料件的数量也就减少了装配次数有利于保证产品的质量、减少所需模具的数量，但这样做的代价是塑料件的几何形状变得复杂，工艺性差，加工难度大，可塑模性很差。在实际设计过程中，必须平衡各种因素，达到成本最低的要求。因此，有很多

19、产品将本由一个复杂结构的塑料件设计成单独的几个塑料件，再进行组合装配。塑料件之间的装配有很多方法，例如压力装配、搭扣装配、焊接、铆接等。在本小节中将几种塑料件装配中比较常见的方式加以归纳。（1）压力装配压力装配在形式上是一种非常简单的装配方式，不需要任何其他组件或者紧固件，仅仅是一个零件被压入与其相配的另一个零件中。压力装配最重要的特征是装配零件或嵌件必须大于相配零件孔的最大公差尺寸。但是，要完成一个良好的压力装配，获得必要的压合应力，既不会因过高的应力造成裂缝，又不会因过低的应力而造成松脱，必须选择合理的过盈配合。同时，这种装配一定要考虑零件的材料，保证材料的一致性。（2）搭扣装配搭扣配合是

20、利用塑料材料在比例极限内的变形能力进行两个塑料零件之间的连接，并且保证在完成装配后立即回复原始的形状。完成搭扣配合连接时，搭扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的最大应力也不超过比例极限，完成连接之后，组件承受的负荷必须在材料限度以内。这种装配多用于小型或微型零部件的装配。这种装配的最大好处是节省空间，但这种装配的缺点是重复装配的次数少，装配的精度低。(3)焊接和热铆塑料材料的焊接方法有很多种，其中应用最为广泛的是超声波焊接。一般的热塑性材料都可以用这种方法。焊接过程中要考虑的最主要的因素是两种焊接材料的兼容性。热铆的方式多用于电镀塑料件和装饰件的固定连接,一般是将塑料用特殊的电烙铁熔化变

21、形后完成装配。是一种通用性很强的装配方式。优点是装配的可靠性高，精度好，但装配的过程复杂。（4）机械紧固多数机械紧固件对塑料产品的组装都是适用的。传统上使用的固定组件主要包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑料件。在其应用上需要考虑以下要点：预紧力过大的螺丝钉或铆钉可能导致应力；螺丝钉的螺纹可以预先加工，或是在紧自攻螺丝时产生；螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑料件提早破坏。以上几种装配的典型应用场合及设计原则见表2.1-2：表2.1-2 装配设计的应用场合和设计准则装配类型典型应用场合基本设计准则压力装配轴-套结构公差极限图搭扣装配钩-槽等结构搭扣连接理论焊

22、接和热铆装饰件的固定热塑性材料的兼容性机械紧固广泛强度设计理论2.1.3 可靠性要求1.恶劣工作条件下的可靠性如在高速条件下工作时,由于齿轮一般都工作在相对高速的条件下，齿轮的材料选择和结构设计就必须考虑恶劣工作条件下的可靠性，主要是防止磨损。本产品就是在地震环境下工作的，所以要充分的考虑工作过程中的安全和可靠性。下图2.1-3是本产品设计的齿轮的结构外型： 图2.1-3齿轮的结构外型2.在地震条件下的防震动问题在地震条件下,设计过程中首要问题是如何处理塑料件的材料选择和塑料件上的缓冲的保护，以防止震动的破坏，扬声器是给救援队发出消息的装置，本产品在具体的结构上增加了缓冲的结构。本产品中的其结

23、构外型如图2.1-4。图2.1-4 扬声器外壳的结构外型2.2 塑料件的设计流程塑料件的生产一共包括三个部分: 单体的生产(由原料合成单体)、树脂生产(由单体合成树脂)、塑料的成型加工(由树脂经成型加工制成塑料件),对于前两部分是材料供应商的职责,对于塑料件的设计和制造公司,只须向供应商索取相关的材料参数。本文所讨论得是第三部分即塑料件的设计和制造。对于一般塑料件的设计和制造过程大体上可以分成以下步骤:1.市场调研在确定产品开发前要做好充分的市场调研和前期准备。确定产品的市场定位，主打方向，设计理念，针对人群等。接着还要确定开发进度，资金，技术支持等一系列的因素。2.产品造型该过程又称为工业造

24、型，用专业的造型渲染软件来确定产品的外观效果。一般的塑料件，尤其是装饰件对外观有很高的要求。很多时候当整体的造型确定之后，还得考虑零件的美观及人因工程学中的众多因素。下图中的前壳就是一个比较典型的运用，因为前壳后面的窗栅直接与发射阵相接触，所以一方面要考虑安全问题，同时还要考虑正面的直观美感。前壳两侧的两个耳朵形状的豁口就是充分的考虑了此两个因素。消费者可通过此口根据需要轻松的调节前壳的角度。下图2.2-1是前壳的结构图。 3.初步设计全面准确地分析产品的类型和最终用途是整个产品开发过程的第一步，也是图2.2-1 后壳的结构外型最重要的一步，因为它是整个开发工作的基础。配套厂家需要和设计人员充

25、分沟通，明确产品的性能。在分析产品最终性能的前提下进行材料的初选，如ABS 、PVC等一些常用的塑料优先考虑。用三维软件设计零件的结构，重要的塑料件部位在图中都要重点标出，利用它可分清哪些功能和尺寸是确定不能改变的，哪些是可以灵活调节的。这对以后模具设计的灵活性、可装配性来说至关重要。产品造型和初步设计是双向的，如果初步设计发现产品的造型对今后的设计过程有重要障碍的，应及时修改造型，要充分体现并行设计思想。4.装配、工艺分析在零件的结构定型中还得考虑装配及工艺、定位中出现的一些问题。在设计本产品中一个典型的零件就是球头转轴的设计定型。起初的球头转轴中没有走线孔，是在用户的美观要求下修改设计的，

26、还有与后壳装配的莫氏锥度，及用于定位的两个对称豁口等等。都是在考虑了众多的因素下才确定定型的。图2.2-2是齿轮装配结构外型图。图2.2-2 齿轮装配的结构5.模具设计在完成CAE分析和装配工艺方案评价后，进行模具的详细结构设计，包括型腔、型芯的设计、浇注系统的布置及尺寸、冷却系统的布置及尺寸，制件顶出位置等等。同时，进行模具的生产准备。如选择模具材料，考虑加工方法，判断是否可以调用标准模架。6.试制、测试、评价尽管采用CAE软件进行了模拟和改进，但是在实际的设计和制造过程中还会有很多无法预料的因素。因此，对于从理论角度得到的设计，需要制造一个模型（也可以制造一个形状和结构相似的模具，但该模具

27、的结构只是零件上的主要的分析点，模具的结构必须简单，加工成本低。）加以检验，在全面评价加工性能和使用性能的优劣之后进一步完善，如果必要，可用选定的材料生产一个过渡性的模拟产品。如：可以利用快速成型试制出一个样品，利用这个样品可以检验零件各部分的结构是否符合设计的要求，并对产品和所需模具的加工性能给出评价。7.工程图，NC代码，模具的零件加工由模具的生产厂家利用CAM软件进行数据加工模拟，自动生成型腔、型芯的NC代码。得到的装配模型存入实例库中，供以后的设计参考。为了适应生产的需要，模具配套厂家，还应完成由三维图向二维工程图的转换，包括各种视图生成、尺寸标注、标题栏、明细表、物性计算等。在模具零

28、件加工前，应将模具的总装配图送交设计单位进行审核，通过后进行生产。8.模具装配和试模由模具的生产厂家按塑料件的设计要求和模具的装配图及主要的零件的零件图（其中包括模架的供货商，提供的模架结构图）进行模具装配，调整好各种配合间隙，保证模具各零件正常和灵活的运动，并将模具在注塑机上进行试模，打出基本合格的样件后，进行模具的进一步的精加工。9.注塑生产注塑的配套厂家或注塑车间，按Moldflow4.1的分析结果调整注塑机的工艺参数，加工出样件,然后对注塑样件进行分析,进一步调整工艺参数，直到样件通过设计部门的认可，才可以小批量试生产。10.样件的装配将所有的样件装配在一起（包括电路板等其他零件），分

29、析各种尺寸的配合是否合理,做整机的测试实验,对不合理的参数进行调整,直到各种功能达到设计的要求。11.整理设计和工艺文件完成样件的装配后，可以发现以前的产品设计文件和工艺文件的不足之处，并对其进行修改整理，形成可以用于指导生产的设计和工艺文件。2.3 塑料ABS的弹性模量的测定弹性模量是测定刚性材料受到拉伸、弯曲、压缩或扭曲应力时的刚度（颈度）。当试样受到拉伸时，它变得又细又长，只要不超过弹性极限，如果撤去载荷，试样将恢复到原来的尺寸。超过弹性极限，试样开始产生永久形变。图2.3-1出一个试样在实验过程中绘制的典型应力-应变曲线图。图中的直线部分表示所有载荷都在弹性极限内，在这条直线的任何部位

30、上都能计算出弹性模量。在屈服载荷以上的曲线部分的载荷将使试样发生永久形变。虎克定律指出，当一个载荷施加给给材料时，在弹性极限内应力与应变成正比关系。如果沿曲线的直线部分分别取三个不同的点来计算弹性模量，则所得到的数值应全部相同。应变值可直接从图上查到。 弹性模量=应力（磅/英寸）/应变（英寸/英寸）1 实验过程： 取立柱的壳的截面宽0.5英寸（12.5mm）厚为0.1英寸（2.5mm）的试样在225磅（102kg）的载荷下做拉伸弹性模量试验。图2.3-1 应力-应变曲线图2 实验结果：截面积=0.5*0.1=0.05英寸 225磅（102kg）时为0.08密耳（0.2032m） 225/0.0

31、5=4500（磅/英寸）模量=4500/0.08=56250磅/英寸（387.825MPa）拉伸强度应力：4500（磅/英寸）为310.26MPa3 实验结论：对照下表2.3-1和2.3-2，完全符合强度要求。表2.3-1 通用级阻燃ABS/PVC类别牌号性能用途通用阻燃ABS/PVCKZH168G符合美国UL94 V-0级（1.5mm），具有良好的机械力学性能,性价比高。已广泛应用于各种电子、电器、以及灯饰的部件。包括电视机外壳，办公用品、电力部件、家电零件外壳。高阻燃阻燃ABS/PVCKZH168Z符合GB 17945-2000消防应急灯具对塑料外壳的阻燃要求。氧指数不低于32（GB/T 2406），具有一定的力学强度，性能良好，且产品表面光滑。用于应急灯箱等消防用品。 表 2.3-2 具体性能测定项目单位标准KZH168GKZH168Z通用阻燃ABS/PVC高阻燃阻燃ABS/PVC拉伸强度MPaGB/T 104338.9441.52拉伸断裂伸长率%GB/T 10431010弯曲强度MPaGB/T9341-200059.559.7弯曲弹性模量MPa