热塑性工程塑料设计基本原理

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1、热塑性工程塑料设计基本原理.以下是今天将谈到的内容:产品壁厚等量刚度 加强结构 装配 工艺考虑以上的讨论都是基于传统的注塑工艺我们先讨论壁厚设计.首先是一些定义.我们定义传统的壁厚比例为100 比 1. 比如一个产品 254mm 长 2.54 厚则为传统设计.薄壁设计的比例为 100 到 150 之间.一个成功的例子是手机的设计 . 其壁厚是 0.8mm, 流 动长度在 76 至 102mm 之间.超薄设计意味着更薄的壁厚和更长的流动距离 .这要求高剪 切率的材料,快的注射速度和高的注射压力 , 需要特别的机器. 笔记本电脑的设计便是其中 一例.现在我们讨论今天讲座的重点.均匀一致的壁厚.如果

2、我正在设计如图部件,我将把芯部捞空. 因为:1) 从工艺考虑 - 较少的材料意味着少的成型周期2) 从外观考虑 - 出现缩印的机会减少3) 从产品性能考虑 - 壁厚过度导致内应力 均匀一致的壁厚始终是最佳的. 另一个考虑因素是壁厚的过度.我们通常希望过度区是高度的三倍, 底部带有圆弧.壁厚的过度差hK3h t好h最好* 3h t逐渐过度对进浇口的讨论我们将采用同样的产品模型. 浇口一定要放在靠近壁厚过度处第一个方案我们采用从薄壁处进浇, 直觉告诉我们薄壁处将首先凝固. 如果厚壁处在这之 后继续冷却将产生以下缺陷:1) 将会产生缩印或气泡2) 甚至会产生变形 总是从厚壁处注射.考虑的另一个因素是

3、角落设计.这张图展示了垂直角落截面.如不采用半径过度,局部壁厚增加.不均匀的壁厚会导致侧壁的 变形.半径过度的另一个好处是较低的内应力.- Notch SensitivityR/T M TIORadius Afl Corners可看出添加一个小小的半径过度就能起到减少应力集中的作用 .比如添加约等于壁厚 30% 的半径, 应力集中将大大降低.如果在设计中我们考虑了缺口或应力集中的影响 , 我们则可以选择缺口敏感性较高的材料. 这可以降低成本.这是一个非常重要的概念.有可能的话就加上半径.*收缩和产品的几何形状（不同的收缩导致应力的产生） 由于产品厚度的不同， 冷却时间的差异产生高的内应力我们将

4、讨论缩印和产品几何形状的关系. 这个产品薄壁处将比厚壁处较快冷却. 当厚壁处 冷却时将产生比薄壁处更大的收缩 , 导致内应力.要注意的是产品最终的机械性能可能和设 计的性能不同.如果在某一区域有厚的截面,这将产生缩印如果产品的表层已经凝固,芯部则可能产生气泡 这是一个有气泡缺陷的轴承零件 , 是疲劳失效的例子.在这种情形下, 气泡如同尖角一样会 产生应力集中.这些应力集中将导致产品过早失效.现在我们简短地谈一下由于壁厚不均匀产生产品变形.上图产品厚壁处收缩较大产生香焦形 变形.以下方法可以减少内应力:1) 允许耳朵和水平截面部分有 不同收缩.2) 应力平衡.3) 底部也需做到应力平衡. 通过

5、增加加强筋来提高刚度.我们现在来看几个成功的例子.一个是手机. 壁厚少于 3/4mm, 流动长度是几英寸.拖拉机罩子壁厚大约是 4mm, 流 动 长度大约 915 - 990mm.如果你可以使用多于一个的浇 口, 你可以减少壁厚因为流动 长度缩短了壁厚对塑料流动的影响流动长度（设讣h流变性能（材料）,和设备的加丄性能（E艺）在选择产詁壁甩时需加以考虑！记住注射压力是流动长度和壁 厚的函数.在我们的网站设计中心上有一 个基本的流动分析工具供你使 用.需要注意的是使用多点进浇将 增加熔接线的数量.接下来讨论结构刚度. 这是一个商用设备面板的反面 -十分复杂首先是一 些刚度计算的公式.弹性模眾和结构

6、刚度的怎义“材亲截而抗弯刚度二（弹性模量）（惯性矩）刚度污弹性模量=畀 应变髄截血抗弯刚度”一个是塑料本身的弹性模量材料刚度的比较原材料弹性模量1040 Steel207,000 MPa铝69,000 MPaLexan 1412350 MPaLexan SP776020,700 MPa另一个是产品的惯性矩两者的乘积体现出产品的整体 刚度.先关注一下材料的性能.通过加入添加剂比如玻璃纤维或碳纤维可以提高材料的弹性模量。Lexan SP7750就是加入了碳纤维.截面抗弯刚度设计要点，截面壁厚的增加实体结构发泡T添加加强筋实体 结构发泡气体编助从产品形状的角度, 我们可以采用一些方案, 比如截面壁厚

7、.可以是实体或结构发泡结构. 结 构发泡降低了产品的密度. 而表面仍保持原先的密度.另一个方法是添加加强筋. 同样可以 是实体或结构发泡, 或气体辅助设计.如何定量计算惯性矩? 这是一个矩形截面的惯性矩计算公式.惯性知I =曲12hb可以看出影响最大的是高度因为是三次方.增加 h 可以大大提高惯性矩.7加强筋的汕加2 1A c lit c i较复杂的截面也可以计算惯性矩 .可以看到 C1 和 C2 是三次方的.通过增加加强筋可以提 高刚度而壁厚却不用增加.部件2弹性模麗惯性矩刚度的平衡部件4弹性模量截面抗弯刚度=（弹性模量）（惯性炬）正如前面所述, 产品的结构刚度是材料性能和几何形状的函数 .

8、你可以用高弹性模量的钢设 计产品而使用较低的惯性矩 .你也可以用底弹性模量的材料比如 Lexan, 设计较大的惯性 矩来达到同等的刚度.一个典型的例子是汽车保险杠系统的设计.这个部件用的是 Xenoy PC/PBT 合金材料.右边 是传统的镀铬设计.两者都有着同样的结构刚度.最后讨论的是平板件的比较.r相同的刚度-块 12Hx 24平板钢热塑牲塑料有加强筋*产品璧厚何唧1.0163.175弹性模量(MPa)207,0002200陨性矩(血272500产品刚度13201920产品重量阿丿1.50.725*力口 强筋尺寸H=6JS5SmmRib Spacings工程塑料横梁传统的钢制横梁汽车保险杠

9、系统你可看到通过增加壁厚和添加加强筋可以设计出和钢一样的刚度.但值得一提的是塑料的重 量要远远小于钢.现在我们讨论加强结构.这是一些经验指南:-加强筋的设计热塑性塑料对缺口敏感! t t = 0.6T for T .1251/2 to 1 1/2度的脱模斜度TR = .020/半径越大越好/以不产生缩印和气泡为极限1）在转角处加过度半径, 至少 0.5mm. 可以减少内应力和但要注意缩印2）加强筋的底部应该是壁厚的 60% 左右.3）再有是考虑到产品的脱模,至少需要 0.5 到 1.5 的斜度.2T-加强筋设计的策略初始设计改进设计H3TH3TI T |加强筋的高度受到底座厚度的限制加强筋的高

10、度应小于壁厚的三倍.这和材料也有关系. 比如 Cycolac ABS, 高度可以大于三 倍.如果你需要刚度, 可以采用两个加强筋来达到.在加强筋交汇点要注意壁厚增加产生的后 果.-加强筋的汇集处角落的半径注意在汇集处的壁厚如果由于产品包装空间的限制或其它设计的考虑如功能、外观等, 不能使用加强筋,-几何形状刚度V形凹槽增加撐板来提高刚度佇效地提高刚度 采用较少材料 没有增加额外的冷却时闽我们则可以通过改变产品形状来提高刚度 .比如在产品外壳上添加一个标记, 这即可以以三 次方的效果来提高刚度.同样 V 型凹槽也可大大提高刚度. 如在开口处有受力的话, 我们可以加一个撑板来解决这 一问题.现在我

11、们来看一下凸台设计.凸台可起到的作用有对准和连接部件等这是一些经念数据.首先外径是内径的两倍其次凸台的高度应是壁厚的2到5倍.W的尺寸不可以超过壁厚 的 60%.最后在过度处加上壁厚 25% 的半径.有一个减少缩印的技巧是把芯部壁厚减薄使尺寸t约为壁厚的50%至70%之间.2D DF凸台设计的改进H=2 to 5Tl_W_it=.5 to .7T防止缩印的产生角撑板也可增加凸台和交叉处的刚度. 如前面提到的其壁厚约为产品壁厚的 60%.尽管加强筋、凸台、角撑板的壁厚的经念数据为产品壁厚的 60%. 但随着薄壁设计的流行, 也 可以做到和产品壁厚一样.-总结丄JL丄薄壁设计f兰Qh兰仏沏r ?

12、0.6丹& ? 0.5flOD U2/DRibs Bosses Gussets传统设计岳0心沛 h占就嗣 r ? 0.375mme ? 0.251OD U2/D装配部分我们只讨论其中非常重要的一项- 零部件集成.工程塑料的一大优势是减少紧固件数量.方法之一是使用搭扣设计. 这减少了二次加工比如粘接、焊接等.这能帮助你降低成本, 提高 质量.7悬臂搭扣设计这些公式供你参考. 在我们的网站上有更多的内容及其它相关技术.这里只是提一下应变的公式. 首先要了解的是该搭扣是一次性使用还是多次使用. 这将决 定泥对应变的要求。对于多次使用的搭扣，我们要使应变较低. 它取决于搭扣的使用次数.一旦你有了应变的

13、数据, 转换成应力, 然后看疲劳曲线.环形和扭转搭扣是两个很好的例子.这是一个扭转搭扣设计工作方式示意图.在我们设计产品时一定要考虑模具制造工艺.搭扣的内凹CoreSJCavity图示的搭扣设计看上去很优秀.但如考虑到注塑会遇到问题.如右图所示产品脱模有困难。如 果我们不得不这样设计产品, 我们将采用内抽芯机构来成型和脱模.另一种方法是采用外部搭扣使模具成本降低, 减少磨损.模具制造厂会喜欢这一方案 .如果你需要内部的搭扣, 你可以加一个开口.这有助于降低模 具成本因为去掉了抽芯机构.产品也便于脱模.r搭扣内凹由型芯形成我们也要考虑如何减少部件的自由度 . 我们以鞋盒为例子,盒子本身结构非常弱

14、. 但一旦我 们盖上之后,刚度大大提高.部件整体的刚度比单个部件要大得多.手机和笔记本电脑就是用 这一方法来达到刚度要求的.现在我们谈一下有关工艺的问题.我们前面已谈到过这个例子,但请记住, 熔接线所在处的强 度只有材料强度本身的 80%在设计其它形状的产品时, 比如有开口的电脑机壳, 开口的取向对工艺有很大的影响 .模流 分析显示塑料流动前进受到阻碍. 你将看到前方塑料相汇产生熔接线.如果我们仅仅把开口转向, 问题就解决了.由于流动长度的缩短, 熔接线将减少和变短 .流动长度缩短之后, 我们还可以减少产品壁厚 . 降低成本.接下来我们讨论脱模斜度. 因为在产品侧面加了脱模斜度, 所以材料收缩后不会包在型芯 上.由于侧面有皮纹, 我们需要更