1.5　塑料制件設計

1.5.1　塑料制件設計的基本原則

注射制品的形狀結構、尺寸大小、精度和表面質量要求與注射成形工藝和模具結構的適應性稱為制品的工藝性。如果制品的形狀結構簡單、尺寸適中、精度低、表面質量要求不高，則制品成形起來就比較容易，所需的注射工藝條件比較寬松，模具結構比較簡單，這時可以認為制品的工藝性比較好；反之，則可以認為制品的工藝性較差。為設計出工藝性良好且滿足使用要求的塑料制件，必須遵守以下基本原則。

（1）在設計塑件時，應考慮原材料的成形工藝特性，如流動性、收縮率等。

（2）在保證制品使用要求（如使用性能、物理性能與力學性能、電性能、耐化學腐蝕性能和耐熱性能等）的前提下，應力求制件形狀、結構簡單和壁厚均勻。

（3）設計制品形狀和結構時，應盡量考慮如何使它們容易成形，考慮其模具的總體結構，使模具結構簡單、易于制造。

（4）設計出的制品形狀應有利于模具分型、排氣、補縮和冷卻。

（5）制品成形前后的輔助工作量應盡量減少，技術要求應盡量放低，同時在成形后最好不再進行機械加工。

1.5.2　塑件的形狀和結構設計

塑件形狀和結構設計的主要內容包括塑件形狀、壁厚、斜度、加強筋、支撐面、圓角、孔、嵌件、文字、符號及標記等內容。

1．塑件形狀

塑件的形狀在不影響使用要求的情況下，都應力求簡單，避免側表面凹凸不平和帶有側孔，這樣就容易從模腔中直接頂出，避免了模具結構的復雜性。對于某些因使用要求必須帶側凹、凸或側孔的塑件，常常可以通過合理的設計，避免側向抽芯，如圖1-1所示。圖1-1（a）所示的是側面帶凹凸紋的塑件，主要是為了旋轉時增加與人手的摩擦力（如家用電器、儀器儀表的旋鈕），可以采用方案（b）直紋，以避免方案（a）菱形紋造成模具結構復雜；圖1-1（c）所示的塑件側面下端帶有孔，主要是為了排放液體用，可采用設計方案（d），避免方案（c）造成側向抽芯。

1-4　塑件的結構設計原則

2．脫模斜度

為便于塑件從模腔中脫出，在平行于脫模方向的塑件表面上，必須設有一定的斜度，此斜度稱為脫模斜度。斜度留取方向對于塑件內表面是以小端為基準（即保證徑向基本尺寸），斜度向擴大方向取；對于塑件外表面則應以大端為基準（保證徑向基本尺寸），斜度向縮小方向取，如圖1-2所示。脫模斜度隨制件形狀、塑料種類、模具結構、表面精加工程度、精加工方向等而異。一般情況下，脫模斜度取1/30～1/60（2°～1°）較適宜。

圖1-1　可避免抽芯的側凹、側孔塑件示例

圖1-2　塑件上斜度留取方向

設計塑件時，如果未注明斜度，則模具設計時必須考慮脫模斜度。模具上脫模斜度留取方向是：型芯是以小端為基準，向擴大方向取；型腔是以大端為基準，向縮小方向取。這樣規定斜度方向有利于型芯和型腔徑向尺寸修整。斜度大小應在塑件徑向尺寸公差范圍內選取。當塑件尺寸精度與脫模斜度無關時，應盡量地選取較大的脫模斜度；當塑件尺寸精度要求嚴格時，可以在其尺寸公差范圍內，確定較為適當的脫模斜度。

塑件上脫模斜度可以用線性尺寸、角度、比例等3種方式來標注，如圖1-3所示。用線性尺寸標注脫模斜度的圖例如圖1-3（a）所示，用角度表示脫模斜度如圖1-3（b）所示，用比例標注法如圖1-3（c）所示。

表1-3～表1-5所示的是常用塑料的脫模斜度推薦值，可供設計塑件時參考。

圖1-3　脫模斜度的標注

表1-3　常用熱塑性塑料的脫模斜度

表1-4　常用熱固性塑料件上孔的脫模斜度

表1-5　常用熱固性塑料件外表面的脫模斜度

3．防止塑件變形的措施

（1）在轉角處加圓角R。因為塑件容易產生內應力，絕對強度又比較低，所以為了使熔料易于流動和避免應力集中，應在轉角處加設圓角R，且圓角R的值應比金屬件的圓角大。應力集中系數與R/A之間的關系如圖1-4所示。

圖1-4　應力集中系數與R/A的關系

1-5　圓角的結構設計原則

（2）設置加強筋。塑件上增設加強筋的目的是在不增加塑件壁厚的情況下，增加塑件的剛性，防止塑件變形。對加強筋設計的基本要求是筋條方向應不妨礙脫模，筋的設置不應使塑件壁厚不均勻性明顯增加，筋本身應帶有大于塑件主體部分的脫模斜度等。圖1-5所示的是加強筋設計的兩個典型方案比較，其中圖1-5（a）所示的設計方案較好，而圖1-5（b）所示的方案會使筋底與塑件主體連接部位壁厚增加過多，同時使A處容易產生凹陷等缺陷，因而不可取。

圖1-5　塑件上加強筋設計比較

1-6　加強筋與防變形機構設計原則

4．壁厚及壁厚均勻性

塑件壁厚設計的基本依據是塑件的使用要求，例如強度、剛度、絕緣性、重量、尺寸穩定性和與其他零件的裝配關系。壁厚設計也須考慮到塑件成形時的工藝性要求，如對熔體的流動阻力，頂出時的強度和剛度等。在滿足工作要求和工藝要求的前提下，塑件壁厚設計應遵循如下兩項基本原則。

（1）盡量減小壁厚。減小壁厚不僅可以節約材料，節約能源，也可以縮短成形周期，因為塑料是導熱系數很小的材料，壁厚的少量增加會使塑件在模腔內冷卻凝固時間明顯增長。塑件壁厚減小，也有利于獲得質量較優的塑件，因為厚壁塑件容易產生表面凹陷和內部縮孔。

熱塑性塑件的壁厚一般在1～4mm，表1-6列出了熱塑性塑件最小壁厚及推薦壁厚。熱固性塑件的壁厚一般在1～6mm，表1-7為根據外形尺寸推薦的熱固性塑件壁厚值。

表1-6　熱塑性塑件最小壁厚及推薦壁厚　單位：mm

表1-7　熱固性塑件壁厚　單位：mm

（2）盡可能保持壁厚均勻。塑件壁厚不均勻時，成形中各部分所需冷卻時間不同，收縮率也不同，容易造成塑件的內應力和翹曲變形，因此設計塑件時，應盡可能減小各部分的壁厚差別，一般情況下，應使壁厚差別保持在30%以內。

對于由于塑件結構所造成的壁厚差別過大情況，可采取如下兩種方法減小壁厚差。

①可將塑件過厚部分挖空，如圖1-6（b）、（d）、（f）所示。

圖1-6　挖空塑件過厚部分使壁厚均勻

②可將塑件分解，即將一個塑件設計為兩個塑件，在不得已時采用這種方法。

5．塑件的支撐面

當采用塑件的整個底平面作為支撐面時，應將塑件底面設計成凹形或設置加強筋，這樣不僅可提高塑件的基面強度，而且還可以延長塑件的使用壽命，如圖1-7（b）、（c）所示，支撐面設置加強筋的，筋的端部應低于支撐面約0.5mm。

圖1-7　塑件的支撐面

1-7　支撐面的設計原則

6．塑件上的孔

塑件上的各種形狀的孔，如通孔、盲孔、螺紋孔等，盡可能開設在不減弱塑件機械強度的部位，孔的形狀也應力求不使模具制造工藝復雜化。

孔的成形方法與其形狀和尺寸大小有關。對于較淺的通孔，可用一端固定的型芯成形，如圖1-8（a）所示。而對于較深的通孔，則可用兩個對接的型芯成形，如圖1-8（b）所示，但這種方法容易使上、下孔出現偏心，避免的方法是將上、下任何一側的孔徑增大0.5mm以上。對于比較復雜的孔形，可采用圖1-9所列的方法成形。

圖1-8　通孔的成形方法

圖1-9　復雜孔形的成形方法

7．嵌件

由于應用上的要求，塑件中常鑲嵌不同形式的金屬嵌件。塑件上嵌件設計的基本要求是塑件在使用過程中，嵌件不被拔脫。

金屬嵌件的種類和形式很多，但為了在塑件內牢固嵌定而不致被拔脫，其表面必須加工成溝槽或滾花，或制成多種特殊形狀。圖1-10中所示的就是幾種金屬嵌件的典型形狀。

金屬嵌件設計的基本原則如下。

圖1-10　嵌件的典型形狀

（1）金屬嵌件嵌入部分的周邊應有倒角，以減少周圍塑料冷卻時產生的應力集中。

（2）嵌件設在塑件上的凸起部位時，嵌入深度應大于凸起部位的高度，以保證應有的塑件機械強度。

（3）內、外螺紋嵌件的高度應低于型腔的成形高度0.05mm，以免壓壞嵌件和模腔。

（4）外螺紋嵌件應在無螺紋部分與模具配合，避免熔融物料滲入螺紋部分。

（5）嵌件高度不應超過其直徑的兩倍，高度應有公差要求。

（6）嵌件在模內應定位準確并防止溢料。

常見嵌件與塑件的連接形式如圖1-11和圖1-12所示。

圖1-11　圓柱形嵌件的定位結構

8．標記、符號、圖案、文字

塑件上常帶有產品型號、名稱、某些文字說明以及為了裝飾美觀所設計的花紋圖案。所有這些文字圖案以在塑件上凸起為好，一是美觀，二是模具容易制造，但凸起的文字圖案容易磨損。如果使這些文字圖案等凹入塑件表面，雖不易磨損，但不僅不美觀，模具也難以加工制造，因為成形凹下的文字圖案要求模具上的文字圖案必須凸起，這很難加工出來。解決的方法是仍使這些文字圖案在塑件上凸起，但塑件帶文字圖案的部位應低于塑件主體表面。模具上成形文字圖案的部分加工成鑲件，鑲入模腔主體，使其高出型腔主體表面。文字圖案的高度一般為0.2～0.5mm，線條寬度一般為0.3～0.8mm。

圖1-12　板片形嵌件與塑件的連接

1.5.3　螺紋塑件設計

塑件上的螺紋可以在模塑時直接成形，也可以用后加工的辦法機械切削，在經常裝拆和受力較大的地方則應該采用金屬的螺紋嵌件。為了防止螺孔最外圈的螺紋崩裂或變形，應使內螺紋始端有一臺階孔，孔深0.2～0.8mm，并且螺紋牙應漸漸凸起，如圖1-13所示，圖1-13（a）是錯誤的，圖1-13（b）是正確的。同樣制件的外螺紋其始端也應下降0.2mm以上，末端不宜延長到與垂直底面相接處，否則易使脆性塑件發生斷裂，如圖1-14所示，圖1-14（a）是錯誤的，圖1-14（b）是正確的。同樣，螺紋的始端和末端均不應突然開始和結束，而應有過渡部分l，其值一般取2～8mm。

1-8　塑料螺紋的設計原則

圖1-13　塑件內螺紋的正誤形狀

圖1-14　塑件外螺紋的正誤形狀

1.5.4　塑件的尺寸精度

（1）塑件的尺寸。塑件尺寸在這里指的是塑件的總體尺寸，而不是壁厚、孔徑等機構尺寸。塑件尺寸大小與塑件流動性有關。在注射成形中，流動性差的塑料，如玻璃纖維增強塑料及薄壁塑件等的尺寸不能設計得過大。大而薄的塑件在塑料未充滿型腔時已經固化，或勉強能充滿但料的前鋒已不能很好融合而形成冷接縫，影響塑件的外觀和結構強度。注射成形的塑件尺寸還受注射機的注射量、鎖模力和模板尺寸的限制。

（2）塑件的尺寸精度。塑件的尺寸精度是指所獲得的塑件尺寸與產品圖中尺寸的符合程度，即所獲塑件尺寸的準確度。影響塑件尺寸精度的因素很多，首先是模具的制造精度和模具的磨損程度，其次是塑料收縮率的波動以及成形時工藝條件的變化，塑件成形后的時效變化和模具的結構形狀等，因此，塑件的尺寸精度往往不高，應在保證使用要求的前提下，盡可能選用低精度等級。

塑件的尺寸公差可依據標準GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》確定，見表1-8。該標準將塑件分成7個精度等級，表1-8中MT1級精度要求較高，一般不采用。表1-8只列出了公差值，基本尺寸的上、下偏差可根據工程的實際需要分配。表1-8還分別給出了受模具活動部分影響的尺寸公差值和不受模具活動部分影響的尺寸公差值。此外，對于塑件上的孔的公差可采用基準孔，可取表中數值冠以“+”號；對于塑件上軸的公差可采用基準軸，可取表中數值冠以“-”號。在塑件材料和工藝條件一定的情況下，應參照表1-9合理的選用精度等級。

表1-8　塑料模型件尺寸公差表（GB/T 1448-2008）　單位：mm

表1-9　常用材料模塑件公差等級的選用（GB/T 14486—2008）

檢驗方法：模塑件的檢驗應在成型之后，在GB/T2918—1998規定的標準溫度（23℃±2℃）和濕度（50%±5%）狀態下放置24h或經“后處理”后，在此溫度和濕度條件下用千分尺或精度不低于0.02mm的游標尺按GB/T17037.4—2003進行測量，對于超小型或大型塑件還可用投影儀等光學方法測量，塑件上同一部位應隨機抽樣測量5次，取其平均值并提供附有制品圖樣的檢驗報告。

（3）塑件的表面粗糙度。塑件的外觀要求越高，表面粗糙度值應越低。成形時要盡可能從工藝上避免冷疤、云紋等缺陷產生。除此之外，塑件的表面粗糙度主要取決于模具型腔表面粗糙度。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低1～2級。模具在使用過程中，由于型腔磨損而使表面粗糙度不斷加大，所以應隨時予以拋光復原。透明塑件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同，而不透明塑件則根據使用情況決定它們的表面粗糙度。塑件的表面粗糙度可參照GB/T 14234—1993《塑料件表面粗糙度標準》選取，一般Ra取0.2～1.6μm。