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工业设计|塑料产品结构设计的一般原则及精度

  • 发布时间: 2022-10-11

注塑件的精度:影响因素

1.材料

2.模具

3.塑件结构

4.工艺

5.使用

TPE

1.材料

注塑模塑的塑料在高温高压的熔融状态下充模流动。常见的各种熔体温度为170-300℃

然后被冷却固化,通常脱模温度在20-100℃

下表 列出了常用的注射塑料的成型收缩率。

用无机填料填充、用玻璃纤维增强的塑料有较低的成型收缩率

2.模具

对于小尺寸的塑料件,模具的制造误差占塑料公差的1/3。

与模具上运动的零件有关的塑件尺寸,其精度较低。

模具上浇注系统冷却系统设计不当,会使成型塑件的收缩不均匀。

脱模系统的作用力不当,会使被顶出塑件变形。

3.塑件结构

塑料件壁厚均匀一致,形体又对称,可使塑件收缩均衡。提高塑料件的刚性,如加强筋的合理设置或采用金属嵌件,能减小塑件翘曲变形,都有利于提高塑件精度。

4.工艺

注射周期各阶段的温度压力时间会影响塑件的收缩、取向和残余应力,存在对于塑件精度要求的最佳工艺。保证注塑件精度更重要的是工艺参数的稳定性。成型条件波动所造成的误差占塑件公差的1/3。

5.使用

塑料材料对时间、温度、湿度和环境条件的敏感性,在注射成型制品长期使用后,会有显现。注塑件的尺寸和形位精度的稳定性差。

一.形状和结构的简化

理想的产品简洁化设计基本原则:1.有利于成型加工;2.节约原材料,降低成本;3.简洁、美观;

(1)结构简单,形状对称,避免不规则的几何图形;

(2)产品侧孔和侧壁内表面的凹凸形状成型困难,需要在产品成型后进行二次加工,设计时应避免。 【设计改进避免侧向抽芯】

(3)尺寸设计要考虑成型的可能性,不同成型工艺对制件的尺寸设计,包括尺寸大小,尺寸变化会有一定的限制。 

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二.壁厚均一的设计原则

※工艺角度&工艺导致的质量问题提出 

※壁薄部位在冷却收缩上的差异,会产生一定的收缩应力,内应力会导致制件在短期之内或经过一个较长时期之后发生翘曲变形。
※塑料件最通用料厚是2.5mm,大件适当增加,小件减小,强烈建议通过增加翻边及加强筋的方式而不是增加料厚来保证零件强度;PP塑料的壁厚范围是0.6—3.5mm。

壁厚不均匀时常用处理办法

(1)当制件厚度不可避免需设计成不一致时,厚薄交界处的平稳过渡,在厚薄交接处应逐渐过渡,避免突变,厚度比例变化在一合适范围(一般不超过3:1)

 壁厚过度形式:a.为阶梯式过渡,应尽力避免;b.为锥形过渡,比较好;c.是圆弧过度,应是最好的。

(2)将尖角改为圆角处理,两个壁厚相同的壁面成直角的连接,破坏了壁厚均一的原则。正确的设计应该是内外角均进行圆角处理,以确保壁厚均匀。圆角处理还可避免应力集中,以及改善塑料成型时熔体的流动性和成型性。

(3)厚壁部位减薄,使厚壁趋于一致,壁厚差异大的制件可通过增设工艺孔、开槽或设置加强筋的方式,使厚壁部位减薄,厚薄趋于一致。

 

三.避免应力集中

应力集中:对制件上有孔洞、切口、拐角等几何不连续部位施加一定的力,在这个部位的断面上将产生远比给予的表观应力大得多的应力的现象。

应力集中系数:局部产生的很大应力对于表现应力之比为应力集中系数。

后果:塑料是对缺口和尖角之类比较敏感的材料,在应力作用下,这些部位会逐渐产生微细裂纹,随后逐步扩展到大的裂纹,而裂纹的不断延伸终将导致制件的损坏。

避免应力集中应作为一条基本的准则:避免应力集中最直接最有效的方法就是在拐角、棱边、凹槽灯等轮廓过度与厚薄交接处采用圆弧过渡。

内圆角之半径应至少为壁厚的一半,最好为壁厚的0.6-0.75。

 

四.加强刚度的设计

 刚性不足--外载和自重--引起变形、翘曲、蠕变

 

1)几何形状的改变

薄壳状的平板制件,将其表面设计成波纹形、瓦楞形、拱形、球形、抛物面,其刚性比同样重量的平板要高得多

2)加强筋的设计和运用

通过加强筋提高轴套扭转刚性和弯曲刚性

3)嵌件的加强作用

在制件中设置金属嵌件,可以提高塑料制件局部或整体的强度。

4)结构上的设计,在产品设计中,有几种结构具有比较高的刚性/质量比。

① 蜂窝夹层结构:刚性的设计效果好,缺点是工艺上比较复杂,成本和价格较高。

②结构泡沫:具有致密表皮层和呈微孔结构的芯部,这种结构具有高的比强度,可应用在受力结构中。

③口字形结构、T 形结构以及工字梁结构,与矩形截面的实心结构比较,此结构既能节省材料,又不降低刚性。

④圆锥体结构,相对圆柱体结构,这种结构能承受很大的压缩载荷,弯曲稳定性好。

⑤双壁结构,有不少工艺可成型具有双壁结构的制件,这种结构的制件有较高的刚性、冲击韧性和抗弯能力。

 

五.抗变形设计

 

(一)由内应力引起的制件变形

通常不均匀的内应力分布是翘曲变形的主要原因,而内应力的不均匀分布则可能是加工条件(如温度、压力的不均匀分布,收缩率的各向异性等)、材料组成(结晶型材料的百年形倾向较大)、模具结构(特别是浇口设计)和制品形状共同作用的结果。

防止变形的措施

避免应力集中以及刚性设计的一些措施,也都有助于防止或者降低制件的变形。此外,设计时考虑防止产品变形,在形状上进行规避。

矩形的薄壁容器的侧壁容易发生内凹变形,为此可将侧壁设计得稍微外凸一些。

深度较浅的盒类制品,为避免翘曲变形,可将其底边设计成倒角形状

因壁厚不同,壁厚处的塑料完全固化后,会对先行固化的薄壁部位施以拉力,导致制件出现变形

a.采用均匀壁厚的办法;b.采用增加筋的高度的办法。

 

 

(二)抗热变形设计

温度对制件的影响与材料的耐热性直接有关。

当材料确定之后,在产品设计时,应采取各种有效措施,来减少和避免温度对制品使用性能的影响,延长产品的使用寿命。

避免受热部位过热导致变形的几种设计方案

 

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