结构设计十大设计窍门

十大设计窍门: 共十章

By Jürgen Hasenauer, Dieter Küper, Jost E. Laumeyer and Ian Welsh

一。壁厚

尽需要多，尽可能少

在工程塑料零件的设计中，经验表明，有一些设计要点要经常考虑，因此可将这些要点提炼为简单的设计指南。这些要点之一就是的设计。对零件质量有重要影响。

对特殊零件标准的影响

改变一个零件的，对以下主要性能将有显著影响：

?零件重量

?在模塑中可得到的流动长度

?零件的生产周期

?模塑零件的刚性

?公差

?零件质量，如表面光洁度、翘曲和空隙

流程与的比率

在设计的最初阶段，有必要考虑一下所用材料是否可以得到所要求。流程与的比率对注塑工艺中模腔填充有很大影响。如果在注塑工艺中，要得到流程长、而薄，则聚合物应具有相当的低熔融粘度（易于流动熔解）是非常必要的。为了深入了解聚合物熔化时的流动性能，可以使用一种特殊的模具来测定流程（图1、图2）。

图1图2

挠曲模量与的函数关系

一块平板的抗挠刚度由材料特有的弹性模数和该块版的横截面的转动惯量所决定。如果未经任何考证就自动增加以改进塑料制品的刚性，通常会导致出现严重问题，对结晶材料尤为如此。对玻璃纤维增强材料，改变也会影响玻璃纤维的取向。靠近模具壁面，纤维按照流体流动方向取向。而在模具壁面横截面的中央部位，纤维取向混乱，从而导致出

现湍流。

图3

对于玻纤增强塑料，有一个可精确区分出制品刚度的边界区，这个边界区将随而减少。这就解释了为什么当增加则挠曲模量将减低（图4）。根据标准测试条(3,2 mm)所确定的强度值不能直接用来确定，否则将产生偏差，为估计出制品的性能，有必要使用安全系数。

图4

所以说，如果不考虑后果就增加，将使材料和生产成本增加，而刚性并未有增加。

图5

是否要增加？

增加不仅决定了机械性能，还将决定成品的质量。在塑料零件的设计中，很重要的一点是尽量使均匀。同一种零件的不同可引起零件的不同收缩性，根据零件刚性不同，这将导致严重的翘曲和尺寸精度问题（图6）。为取得均匀的，模制品的厚壁部分应设置模心（图5）。此举可防止形成空隙，并减少内部压力，从而使扭曲变形减至最小。零件中形成的空隙和微孔，将使横截面变窄，内应力升高，有时还存在切口效应，从而大大降低其机械性能。

图6

二。材料选择

正确的选择

一般来说，并没有不好的材料，只有在特定的领域使用了错误的材料。因此，设计者必须要彻底了解各种可供选择的材料的性能，并仔细测试这些材料，研究其与各种因素对成型加工制品性能的影响。

图1

传统的热塑性材料

在注射成型中最常用的是热塑性塑料。它又可分为无定型塑料和半结晶性塑料（见图1）。这两类材料在分子结构和受结晶化影响的性能上有明显不同（见图2）。

图2

一般来说，半结晶性热塑性塑料主要用于机械强度高的部件，而无定型热塑性塑料由于不易弯曲，则常被应用于外壳。填料和增强材料

热塑性塑料备有未增强、玻璃纤维增强、矿物及玻璃体填充等种类产品。玻璃纤维主要用于增加强度、坚固度和提高

应用温度；矿物和玻纤则具较低的增强效果，主要用于减少翘曲。

玻璃纤维会影响到成型加工，尤其会对部件产生收缩和翘曲性。所以，玻璃纤维增强材料不能被未增强热塑性塑料或低含量增强材料来替代，而不会有尺寸改变（见图3）。玻璃纤维的取向由流动方向决定，这将引起部件机械强度的

变化。

图4

为了论证这些影响，从注射成型片的横向和纵向截取了10个测试条，并在同一个拉力测试仪上对它们的机械性能进行了比较（见图4）。

对添加了30％玻璃纤维增强的热塑性聚酯树脂，其横向的拉伸强度比纵向（流动方向）低了32％，挠曲模量和冲击强度分别减少了43％和53％。

在综合考虑安全因素的强度计算中，应注意到这些损失。

在一些热塑性塑料中加入了一系列增强材料、填料和改性剂来改变它们的性质。在中，由这些添加剂产生的性能变化必须认真地从手册或数据库(如Campus)中查阅，更好的是听取原材料制造厂家的专家的技术建议（见图5）。

图6

湿度的影响

一些热塑性材料，特别是PA6和PA66，吸湿性很强。这可能会对它们的机械性能和尺寸稳定性产生较大的影响。

在进行时，应特别注意这种性能（见图6和图7）。

其他挑选准则

一些要求与加工注意事项和装配有关。研究将几种不同功能集中于一个部件也很重要，这可以节约昂贵的装配费用。

这个准则对计算生产成本非常有益。在价格计算中可以看出，不但应考虑原材料的价格，还应注意，有高性能(刚性，韧性)的材料可以使壁厚更薄，从而缩短生产周期。因此，列出所有的标准，并对它们进行系统性评估是很重要的。

一个韧性材料的选择流程见图8.

三。公差

隐含的成本要素

注射成型制品不可能具有机械加工制品一样的。虽然大多数人都意识到这一点，但还是常常被指定到无法达到的，或使具成本效益的生产变得不可能。

和它们的成本含意

A注射成型一般分为3种质量等级，即一般用途的注射成型、技术注射成型和高精度注射成型。DIN16901标准指出，它们是根据在容许范围内（范围1和2 ）注射成型制品的和尺寸来划分的。

?一般用途的注射成型要求低水平的质量控制，其特点是低的退货率和快的生产周期。

?技术注射成型会比较昂贵，因为它对模具和生产过程有更高的要求，要求频繁的质量检查，因而增加了退货率。

?第三种，即高精度的注射成型，要求精确的模具、最佳的生产条件和100％连续的生产监控。这将影响生产周期，增加单位生产成本和质量控制成本。

设计者在决定注射模具制品的成本方面起了关键作用，他们必须确定商业上可行的，选定的虽然不必尽可能的严格，但必须足够严格。

商业上可接受的产品一般是，产品与标准尺寸的偏差不高于0.25-0.3%，但这还需要与应用时的具体要求相结合来

判断（图1）。

图1

热塑性塑料一般具有高的延展性和弹性，不需要象具有高刚性、低延展性和低弹性的金属一样指定严格的范围。

影响的因素

为了不对塑料部件制定过分严格的范围，必须要注意一些影响注射成型制品尺寸准确性的因素（图2）。

图2

模具制造的必须相对严格地遵守。设计者应切记，脱模斜度的重要性在于它能使脱模容易及防翘曲（见图3）。

图3

一个与相关的问题是，当成型品是由不同材料或不同壁厚制成。模后收缩值与方向和厚度相关。玻璃增强材料的这一性质更明显。玻璃纤维的取向性可在水平方向和垂直方向产生具有显著性差异的收缩，从而导致尺寸不准确。

塑料制品的几何形状对收缩也有影响，进而影响到（图4）。

如果复杂的成型加工对的要求非常严格，必须要获得模具原型有关收缩值和翘曲行为的准确数据。

生产和使用

因为热塑性塑料受使用条件的影响，因而决定它只需要生产还是同时需要使用非常重要。例如，热塑性塑料的热膨胀性可能比金属的高10倍（图5），一些塑料（如尼龙）的吸水性对制品使用的可靠性产生非常重要的影响。

图5

使用半结晶性塑料时，必须考虑模后收缩。这种现象主要受注射成型的加工条件影响，可导致制品在脱模后发生尺寸变化。

脱模后不必马上进行质量控制。DIN16901标准指出，需要在标准气候条件（23℃，50％相对湿度）下储存16h后或在适当的预处理后才可进行质量控制。

建议

DIN16901中指定的可作为塑料制品成本有效生产的下限，现代化的注射成型机器的技术使我们可以获得比该标准中指定的数值更精确的。

对高精度的注射成型，因为DIN16901已不再适用，各个工业部门已经制定出了各自的表，。

在任何时候，如果需要确定精确的，一定要与注塑厂或材料供应商协商，以确定所需是否在技术上可行、商业上适用（图6）。

图6

焊接技术

最佳装配技术---第二部分

除了在本系列第7部分中所描述的装配技术外，塑料零件连接中还可以使用许多其他不同的焊接方法。为确保低成本、有效功能设计，在设计的早期阶段，十分有必要选择一种适宜的焊接方法，并对所需连接几何形状给予充分考虑。

对不用其他装配零件而永久性联结的塑料零件的装配可采用焊接方法。焊接方法的选择依据以下几种标准：根据模塑零件的几何形状，所使用的原料, 成本、总生产周期的综合因素，装配部位所要求的机械性能和外观质量。

不同焊接方法

大规模生产中，有许多不同的廉价的焊接方法。最常用的塑料工程零件的焊接方法有（图1）：

?高温工具焊接

?旋转焊接

?振动焊接

?超声焊接

其他方法有：

?高频焊接

?感应焊接

?热气焊接

还有一些新的方法正在开发中（例如激光焊接），但尚未在工业中获得广泛使用。

在所有方法中，都要使用加热（使塑料表面融化再粘接）和加压。通常通过接触或辐射发热、内部或外部摩擦发热，或用电加热等方式提供热量。

选择合适方法

为得到高质量、重复性好的焊接质量，需要选择一种合适的焊接方法，以使焊接参数最优化，并确保需要焊接的零件设计正确，与所选用的焊接方法相匹配。焊机制造商不仅要提供标准设备，还要提供适合各种各样焊接任务的特殊焊

接设备。在决定选用某种焊接方法前，与设备制造商或树脂供应商进行商议探讨是十分明智的选择。

不同的焊接特点

从理论上讲，所有热塑性塑料都是可以焊接的。但是有时塑料的焊接性能相当不同。非晶态聚合物和半结晶聚合物不能焊接在一起。由于水气会影响焊接质量，所以尼龙等吸水性塑料焊接前需要预先干燥。为使焊接质量最好，尼龙零件最好注塑后立即焊接，或焊接前将之放在干燥环境中。玻璃纤维和稳定剂等树脂添加剂同样会影响焊接质量。选择适宜的工艺参数和零件设计，未增强塑料的焊接装配件的强度可以和其原料相媲美。对于玻璃纤维增强塑料而言，在焊接区域上，由于纤维分离和再取向使得强度减弱，这一点在设计中必须予以考虑。

图2

正确的焊接设计

高质量焊接的基本保证在于焊接剖面的正确设计。在图2和图3中所示剖面图中显示了正确的基本设计。如果对焊接区域外观有特殊审美要求，则需要考虑特殊几何形状。

图3

此图给出通过凹槽以吸收多余材料，从而避免飞边（图4）。薄壁零件设计时需要在零件双方之间加入一个导槽，这样，当使用一定的焊接压力时，零件壁不会移动而偏离预定位置。

图4

图5

超声焊接的特点

半结晶聚合物熔点变化剧烈，当加热时，聚合物瞬间从固相转变成液相。因此，对半结晶塑料的超声焊接中，最好使用剪切焊接（图5）。由于非晶态塑料有一个软化范围，所以非晶态塑料的焊接设计相对次要些。图6给出近声场和远声场焊接方法的示意图。靠着接触点之间距离的不同，超声波将摆动传至工件内，并使接触面间粘合连接起来。总的说来，近声场焊接对所有塑料都会有很好的效果。对于低弹模数塑料的焊接最好采用近声场焊接方法。

图6

五。基本装配技术

最佳装配技术－第一部分

一些被所有设计师认可的简单装配技术如卡扣装配、压机装配和螺纹装配等，以其简便、快速地装配组件可大大地节约生产成本。

装配技术分为“分离”和“集成”两种类型。以下各项归入集成装配工艺。

?焊接

?固定

?粘接

?嵌入技术

?90度角卡扣

分离装配包括：

?小于90度角卡扣

?螺扣装配

?中心装配

?压机装配

卡扣装配设计

卡扣装配的最大优势是不需要增加额外装配部件。

塑料加工中最通用的卡扣类型有：

?倒钩型卡扣

?圆柱形卡扣

?球座型卡扣

在所有这些卡扣设计中，设计者必须确保配件的几何尺寸，避免应力松弛引起装配部件松动。

见图1

基本设计原理

卡扣装配的设计取决于使用的材料容许的变形。举个例子，由于聚酰胺在干燥状态下比常规状态下能容许的变形更低，有必要加倍注意这种材料的应用，玻璃纤维含量对材料的所允许变形也有很大的影响，因此对倒钩允许的倾斜度也有影响。（见图1）

见图2

在倒钩型卡扣装配中，尖的倒钩尖端可以减小倒钩变形时的应力（见图2），这种设计能够使应力在整个倒钩弯杆部分均匀分散。倒钩基部的应力集中相对减小。装配压力也有相当程度的减少。

忽略了倒钩底部与构件主体之间连接处的曲率半径应该足够大的问题，通常导致出现脆弱点。原则上说，应该提供足够大的曲率半径来避免压力集中。经常将圆柱或球孔型卡扣装配系统开槽，使其装配起来更加方便，因此，槽尾不得设计成尖状的边缘。

见图3

压件装配

压件装配可以使塑料组件在最低的成本下进行高强度装配。例如对卡扣装配来说，由于应力松弛，高压装配的拉力强度随着时间的流逝而减少（见图3）。设计计算必须把它考虑进去。另外，必须作使用温度周期变化的试验，以保证

设计的可行性。

螺纹装配

螺纹装配由分离型、组合型螺杆或整体螺杆嵌件的运用组成。材料的挠曲模量给螺件的合理装配提供了指导。例如，带螺纹的螺丝的弯曲模量可以达到2800Mpa。如果需要使用公制的螺丝，或者螺纹装配需要多次来完成，这就需要采用金属的细纹嵌件。

为了避免不合格组件的产生，确保正确的轴套尺寸是关键的一环（见图4）。螺件制造商可在这方面提出不少建议。

见图5

由于产生的压力会使螺母口张开，原则上应避免塑料装配中使用带有锥形埋头钉的螺丝（见图5）。这种额外的压力带来一种可能的后果，就是螺母的熔接痕处容易开裂。

六。加强肋

理想的设计

为了克服壁厚大可能引起的问题，使用是一种可减少壁厚并能增加刚性的有效方法。

一般来说，部件的刚性可用以下方法增强

?增加壁厚；

?增大弹性模量（如加大增强纤维的含量）；

?设计中考虑。

如果设计用的材料不能满足所需刚性，则应选择具有更大弹性模量的材料。简单的方法是增加塑料中增强纤维的含量。但是，在特定壁厚下，这种方法仅能使刚性呈线性增长。更有效的方法是使用经过优化设计的。由于惯性力矩增大，部件的刚性便会增大。在优化的尺寸时，不但要考虑工程设计应当考虑的问题，还应考虑与生产和外观有关的技术问题。

优化的尺寸

大的惯性力矩可很容易地通过设置又厚又高的来实现。但是对热塑性工程塑料，这种方法常会产生制品表面凹痕、内部空洞和翘曲等问题。而且，如果的高度过高，在负荷下结构将有可能膨胀。出于这种考虑，必须在合理比例内保持的尺寸（见图1）。

图1

为确保带的制品容易顶出，必须设计一个适当的脱模锥度（见图2）。

图2

防止材料堆积

对于表面要求非常高的组件，如汽车轮盖，的尺寸是非常重要的。正确的设计可以减少组件形成表面凹痕的可能，以提高组件的质量。的底部的材料积聚在图1所示的圆中。这个圆的大小与的尺寸相关，应该越小越好，这样才能减小或避免凹痕。如果圆太大，可能会形成内部空洞，制品的机械性能将会非常差。

减少底部的应力

如果给一个有的组件以负载，则的底部可能会产生应力。在这一部位如果没有圆弧，可能会产生非常高的应力集中（见图3），通常会导致组件的断裂和报废。补救措施是建立一个半径足够大的圆弧（图1），使肋底部建立更好的应力分布。

图3

但如果圆弧半径太大，也会增大上文提及的圆的直径，而导致上文已经提及的问题。

图4

在塑料设计中，十字结构是最好的，因为它能应付许多不同的负荷排列变化（图4）。正确设计的可承受预期应力的十字结构，可以确保在整个制品上的应力均匀分布。在的十字交叉处形成的节点（图5）代表材料的积聚，但可以将节点中心挖空,以防止产生问题。还必须注意，不要在交叉处和组件的边相交的地方形成材料积聚（图6）。

图5

七。浇口的位置

正确的浇口位置

错误地选择浇口体系的类型和，除了会引起加工问题，还会对塑料制品的质量产生一定的影响。因而，设计部门决不能低估浇口位置的重要性。

设计者不但要进行塑料制品的设计计算，还必须特别注意模具的浇口设计。他们必须选择正确的浇口体系以及浇点的数目和位置。浇口的类型和位置不同都将对制品的质量产生较大的影响。

浇口位置的选择将决定塑料制品以下性质：

?填充行为

?制品的最终尺寸（公差）