塑料制品的设计

塑料制品(以后简称塑件或塑料件)的设计不仅要具有机械设计等方面的知识，而且更需要有塑件造型、塑料材料及配方、塑料加工、塑料成型模具和成型机械等方面的知识。综合考虑这些因素，才能设计并开发出美观、合理、可行、实用的塑件和塑料产品

序号

步  骤

说        明

1

了解塑件设计任务

2

调研，并收集有关资料

经过调研和收集有关资料，确定塑件的功能和性能。功能包括使用功能和环境功能，例如在一定时间、空间和环境下需要具备结构支承、机械传动和电气绝缘等功能。塑件的性能有力学性能、热学性能、物理性能和化学性能等

要注意的是许多塑料材料都有经加热熔融和冷却固化成型后，原材料的性能会损失下降的现象，出现新的内在缺陷，影响塑件的性能

3

选择合适的塑料材料

选择合适的塑料材料，不仅要保证实现制品的功能和性能，同时还要考虑可加工性和生产的成本

4

确定塑件的加工方法

不同的加工方法适用于不同形状和尺寸的塑件。加工精度和生产率，要有相应成型模具和设备作保障。同时还应确定塑件的装配方法和表面修饰要求

5

对塑件进行失效分析

目的是保证在使用期限内塑件功能和性能的可靠，针对塑件对时间、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。例如塑件压力装配后，计算温度升高和应力松弛后的传递力矩；理论上计算塑料齿轮在弯曲疲劳、接触点蚀、齿面磨损或热膨胀下的模数和中心距等

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

造型结构、功能结构、工艺结构是塑件结构设计时应考虑的三个方面

结构设计方法

序号

设计方法

说        明

1

造型结构设计

对塑件进行外部造型设计并给予装饰和美化。如机壳、面板、仪表板和日用塑件，它们常常要经过滚花、抛光、彩饰、植绒、镀覆金属和模塑图案等修饰，从而可给人以美感。塑件的造型设计，需要设计人员掌握美学、电脑绘图、塑件设计等方面的知识以及塑料模具设计方面的知识

2

功能结构设计

确定实现塑件使用功能的形状、尺寸和壁厚。塑件结构设计要作静载荷下短时间和长时间的形变校核；要作动载荷下冲击、疲劳、滞后热和磨损等校核

3

工艺结构设计

此项设计是否合理是塑件生产的前提，它不仅关系到塑件的质量，而且还关系到塑件的生产率和成本。聚合物流变学是工艺结构设计的理论基础，用以考虑模塑成型的可行性。必须合理地处理好塑件的流动性、收缩率以及嵌件和脱模等技术问题。为了简化单个塑件，并实现塑件与非塑料件的连接，保证在流水线上对塑件的高速装配，塑件还要进行合理的连接件设计

塑件的结构设计要用工程制图进行形体的空间表达。各种草图、轴测图和三视图是交流的工程语言。现代的电子计算机绘图和三维造型，不但保证了设计质量，为下一步的计算机数值模拟分析准备了形体数据，而且还可以做出一些模型，通过模型帮助结构设计。另外，设计中要与各有关专业人员和模具设计人员合作。计算机技术为塑件设计提供了各种专业软件与数据库，如弹性卡夹、塑料铰链和塑料齿轮等辅助设计软件。慎重确定塑料件的尺寸精度、形位公差和表面质量要求，是结构设计最后阶段的重要工作

塑件的图纸设计完成后，要不断修改完善，要听取工艺专业和模具专业人员的意见，并与之合作，对制品进行计算机模拟和生产验证，直至定型

有各种CAE/CAD分析与设计软件在对塑件进行二维或三维造型后，可用数值方法模拟注射工艺过程，从而可对塑料熔体充模流动、保压冷却、固化收缩和翘曲变形的分析结果进行修正和优化

塑件与金属零件设计一样有规模效应。塑料成型模具成本高，因此更应该考虑生产批量的大小。还应该考虑塑件的制造周期以及新产品的试制周期。塑件的生产周期应该包括金属模具的机械加工周期

在塑件的设计中，应遵循下表所列基本原则

塑件设计基本原则

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塑件设计基本原则

1

为了保障塑件在使用过程中的功能和性能，在塑件设计时，要对塑件进行必要的失效分析及计算校核

2

为了保障塑件的功能和性能，要正确选择材料。选用的材料要具有可加工性，并且，尽量选择较低成本的材料

3

大多数塑件均经过加热成型，而后固化定型，在塑件设计时，一定要考虑聚合物的流变过程和形态变化对塑件的影响

4

许多塑件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，降低塑件的成本

5

在设计中要充分体现标准化、系列化

注射成型分为一般注射成型、共注射成型、结构发泡注射成型和多工位注射成型

热塑性塑料注塑成型的方法及特点

序号

注射成型类型

成型方法特点

1

一般注射成型

几乎不受制件形状的限制，允许模具内有不同塑件的成型型腔

可注射高精度的塑件，但它必定比金属零件的尺寸精度低。为保证制品有较好的表面质量和尺寸稳定性，需有高精度的模具和精确的注射机相配套

生产的制品可大可小，小的可不足1g，大的可以是几十千克。塑件的壁厚与熔体充模流程比有关

生产率中等。生产过程的循环时间主要由塑件壁厚决定，最短的可在10s内。通常可通过增加每模的型腔数来提高生产率

适用于在一定温度范围内具有适宜流动性的热塑性塑料

2

共注射成型

具有两个注射装置，控制两种熔体的充模流动，使塑件表层和心部具有不同材质。例如表层是增强塑料，心部是发泡的未增强塑料，或外层是耐磨塑料，心部是高强度塑料，或外层是绝缘材料且可电磁屏蔽，心部是导电和导磁塑料等

3

结构发泡注射成型

适用于不带深坑的平面状的厚壁制品。这种塑件具有封闭致密的表层，心部为微孔泡沫。制品的精度：平行于塑件平面的尺寸，±0.05mm；开模方向尺寸，±0.10mm。其尺寸主要受锁模力限制。一般适宜的壁厚在5mm以上

生产率中等

经常使用的材料有ABS、聚碳酸酯、聚苯醚和聚烯烃等

4

多工位注射成型

具有两个或更多工位的塑化注射装置。随行的注塑模具在一个工位上注射后，移至下一个工位注射，可用于将不同品种或不同着色的塑料先后注射成一个塑料件，一般称为双色注射，如成型双色数码按键

序号

加工方法

说        明

1

压缩模塑

将粉状、粒状或碎屑状塑料加入到模具型腔中，加热使模塑料受热，熔体在压力作用下流入型腔，固化交联而固化成型，脱模成为制品。这种方法可制作大平面的制品。生产率中等偏低。制品的尺寸精度受模具精度和加工参数的影响

常用材料有酚醛塑料、氨基塑料、醇酸塑料等

2

传递模塑

将经预热的热固性塑料加入传递料筒中，熔体在压力作用下通过模具的浇注系统充满型腔，模具温度升高，熔体发生交联反应而固化成型

常用的材料有不饱和聚酯、酚醛、脲醛、三聚氰胺等

可用于加工带细小嵌件的电器接插件和细长成型孔。其生产率中等偏下

3

层压成型

将多层浸渍树脂的片材叠合送入热压机内，在一定温度和压力下压制成层压板。常用树脂有酚醛和环氧树脂。增强物有纸张、棉布、玻璃纤维和石棉布。层压板用于电工绝缘和建筑材料

4

注射成型

将松散的粉状或碎屑状热固性塑料从料斗加入加热料筒，经加热熔融成熔体，通过喷嘴以高速度注入模具型腔。模具加热升温，使熔体交联固化成型，开模取出制品。交联反应需要加热，并且交联反应过程中有水汽和低分子气体释放，所以模具要注意加热和排气

塑料件的性能与所用材料的性能常有较大差别。这是因为：测试试样的材料和测试环境条件并不能完全代表日后的实际材料和使用环境；塑料件的加工使材料经历了一次性能损失；由于塑料件对负载响应的特殊性，其对温度、时间、形状和尺寸很敏感，条件稍有变化就会引起性能的差异。所以，在塑料件的设计过程中，必须进行失效分析来预测失效形式和寿命，以保证塑件在使用期内其功能和性能满足使用要求。由于塑料制品的多样性及工作条件，环境的复杂多变，塑料制品的失效形式很多。在实际应用中，要分析起决定作用的一个或几个主要失效形式，进行理论分析计算和实验预测，以保证制品在使用中性能稳定可靠。常见失效形式见下表

常见失效形式

序号

常见失效形式

说        明

1

屈服失效

屈服点是塑性变形的起点。塑料件破坏的先兆是剪切屈服和银纹屈服。当塑料件短时间受到静态负载作用时，一般是取一定的安全系数，以屈服点以下的许用应变或许用应力，作为塑件危险截面的极限应变或极限应力

2

蠕变失效

和松弛失效

塑件若长期受到负载的作用，会产生较大的蠕变形变，而最终会导致蠕变断裂。蠕变塑料件材料的弹性模量称蠕变模量或表观模量，它会随着时间的延长而下降。对于压力装配的连接件和有预应力的密封件，产生应力松弛会使连接松动、密封失效

3

冲击失效

当塑件受到冲击时，形变和断裂是常见的失效形式。虽然冲击负载的作用时间极短，但塑件的变形速率却很高。材料、取向、缺口、温度、冲击速度等因素都直接影响着塑料件的冲击性能。在实际测试中，塑件的破坏性冲击性能测试是常用的

4

力学致热

塑件在振动负载的作用下，塑料响应的滞后会使一部分能量转化为热能，一旦塑料件工作系统的热平衡被破坏，塑件就会因热软化而失效

5

疲劳失效

若塑件长时间受到交变应力的作用，由疲劳而生成的裂纹会迅速扩展，最终导致塑料件断裂。使塑料件疲劳破坏的交变载荷的作用频率在10Hz以下，过高的频率会产生力学致热的失效

6

摩擦与磨损

摩擦使运动塑料件的工作能量损失，还导致塑件表面材料的损失和损伤。摩擦会造成塑性变形、热软化和热熔化、裂纹和撕裂；由摩擦造成的磨损会使塑料件过早失去表面接触运动的功能

7

环境失效

气体和液体对塑件的渗透、抗散和溶解，会使整体力学性能变得恶劣，并随时会引发塑件产生环境应力裂缝

8

成型加工

形成的损伤

熔合缝是模塑成型塑件的重要缺陷，造成了塑件与原材料力学性能的差距。模塑成型制品分子的取向、残余应力和收缩，都会影响塑件的内部和表面质量、形状和尺寸精度