一 壁厚

   在我們設(shè)計指南系列中, 首先,Clive Maier著眼與壁厚的重要性,壁厚要盡量薄以利于成型時快速冷卻,但是要足夠厚保證有效地充模.塑料件的設(shè)計與木頭和機加工金屬中可以做成實體的零件設(shè)計不同.模具成型的塑料不適合實體形狀.有2個原因.第一,塑膠是熱加工,但是塑膠又是熱的不良導(dǎo)體,這就意味著厚的部分需要很長時間冷卻,這樣做不經(jīng)濟.而且引起嚴重縮水.在冷卻過程中,塑膠大量縮小.,在壁厚的地方,或者引起零件表面凹陷形成凹坑.,或者產(chǎn)生一個內(nèi)部空洞.

無論如何,塑膠材料相對昂貴,只有快速生產(chǎn)技術(shù)才能使得模具成型經(jīng)濟.壁厚太厚的部分浪費的材料就如同也浪費金錢一樣.

正因為這個原因,在木頭和金屬中應(yīng)用很好的實體形狀在塑料中必須轉(zhuǎn)換成薄殼..挖去中間的部分,剩下的部分無論形狀多復(fù)雜,本質(zhì)上都是由相關(guān)地薄曲面組成,這些曲面由曲線,角,拐角,加強筋,offset連接而成。

任何零件必須盡可能保證壁厚一樣。這里的壁厚就是所謂的公稱壁厚。

但是壁厚應(yīng)該是多少,很難一概而論.厚度與設(shè)計觀念和具體運用有關(guān)。壁厚必須足夠厚，足夠堅固，足夠廉價. 壁厚要盡量薄以利于成型時快速冷卻,要足夠厚保證有效地充模.如果材料本來就堅固，壁厚可以薄一些。一般來說，對于增強的材料壁厚為0.75~3mm，對于非填充材料，壁厚為0.5~5mm。

理想的，整個零件壁厚一樣---公稱壁厚。實際中通常不可能。保證壁厚偏差最小是非常重要的。厚度不均的塑料件將經(jīng)歷不同的冷卻率和收縮率，結(jié)果零件可能翹曲變形，不能保證精密的公差。厚度不均不可避免的地方變形應(yīng)該是逐漸地，不是突然地。所以從厚到薄的地方過渡不是用一條直線，而是用斜面或曲線。

壁厚：金箴

l          壁厚盡可能均勻

l          厚和薄地方逐漸過渡

l          壁厚必須適宜于功能和生產(chǎn)

l          壁厚 通常為：增強材料0.75~3mm

                 非增強材料0.5~5mm

 二、拐角

我們設(shè)計指南系列第二部分，Clive Maier著眼于如何避免薄壁面連接處的尖角。

設(shè)計指南的第一部分討論了正確和均勻壁厚的重要性。如果將這些觀點應(yīng)用到實際中，塑料件就是由相關(guān)的薄面組合而成。這些面的組合方式對注塑件的質(zhì)量同樣很重要。

比如 在盒子的拐角處,兩壁總是直角。因為有拔模角，通常角度稍微大于90^。。

最簡單，最壞的連接壁的方法是內(nèi)外用尖角連接，這帶來2個問題。

第一，在拐角處厚度增加，這違反了均勻壁厚原則。拐角處的最大厚度大約是公稱壁厚的1.4倍。（圖1）結(jié)果凹陷，應(yīng)力，更長的成型周期。

更為嚴重的是，尖角處應(yīng)力集中，不易成型。這對所有材料尤其是塑料材料更是這樣。塑料對切口敏感，因為在尖角處易于破裂。拐角處的集中應(yīng)力產(chǎn)生的微小裂紋通過壁擴散致使整個零件不能成型。內(nèi)在尖角和槽口是注塑件不能成型最普遍的原因。

解決的辦法是用半徑平滑拐角。半徑是多少？大多數(shù)壁接近傳統(tǒng)的懸臂結(jié)構(gòu)，因而可以計算壁厚和半徑范圍內(nèi)的應(yīng)力集中系數(shù)。結(jié)果曲線圖顯示應(yīng)力集中系數(shù)迅速降低直到壁厚半徑比率達到0.6。這給我們一點啟發(fā)，半徑至少是壁厚的一半，最好是壁厚0.6~0.75倍。

如果內(nèi)部拐角是半徑的，外部拐角是尖的，在 拐角處仍然有一個厚點。根據(jù)內(nèi)部半徑大小，最大厚度是壁厚的1.6~1.7倍。我們可以在外部拐角處增加一個半徑。外部半徑應(yīng)該等于內(nèi)部半徑加上壁厚。這樣在拐角周圍壁厚相同。（圖1）

正確地設(shè)計拐角對注塑質(zhì)量、強度、尺寸 有重要地影響。另一個優(yōu)點是，光滑的曲線拐角有助于減小壓力時塑料在型腔的流動，減小前流完結(jié)，因而沖模變得很容易。

拐角：金箴

l          從不使用尖角

l          半徑至少是壁厚的0.5倍，最好是壁厚的0.6~0.75倍

l          拐角壁厚盡可能均勻

l          外部半徑應(yīng)該等于內(nèi)部半徑加上壁厚

l          不要設(shè)想模制品的每個部分半徑都相同，總有例外，例如斷裂線的地方，半徑很難或不可能形成。所以在理解原則的同時還要考慮特例。

三、加強筋

如果你的塑料件制品的公稱壁厚不夠硬或者不夠堅固來抵抗工作情況，就需要加強筋。

之前，我們了解塑料件應(yīng)該有相應(yīng)的厚度和拐角半徑均勻的壁厚。這兩種觀點在 加強筋的設(shè)計中也很重要。

如果塑料件制品的公稱壁厚不夠硬或者不夠堅固來抵抗工作情況，就需要增加加強筋鞏固，而不是增加整個壁厚。設(shè)計原則和剛性梁中”i”,”T”部位設(shè)計一樣，這些部位和實體梁一樣堅固，但是重量確輕的多。

在加強筋和主壁連接的地方厚一些。通常在橫截面相切處使用大的圓弧，圓弧的大小取決于加強筋的厚度和圓角半徑大?。▓D 1）.為了避免凹陷，厚的地方要盡量小，當(dāng)然也有個限制。如果加強筋太薄,就需要做的深一些，保證足夠的剛度,但是受載時會彎曲，帶來的另一個問題是，模具難以加工和填充 。在高注射壓力下填充加強筋，容易使加強筋粘在模具上。

圓角半徑不能太小，否則不能減小加強筋和主壁連接處的應(yīng)力集中.理論上，圓角半徑不應(yīng)該小于加強筋厚度的40%。加強筋應(yīng)該是壁厚的50%~75%。75％適用于低收縮率、不易凹陷的塑料。

一個簡單的比較可以看出好的加強筋設(shè)計的優(yōu)點。65％壁厚，40％圓角半徑的加強筋，根部厚度僅是壁厚的1.23倍。比較而言，加強筋厚度和壁厚相同，60％半徑時，根部厚度增加到壁厚的1.55倍。

加強筋必須能從模具中取出,所以設(shè)計在開模方向，或者提供可移動的模具塊。為改善注射，加強筋設(shè)計成帶錐度的，每個邊1°的拔模角是理想的，如果加強筋太深，必須減小拔模角，否則加強筋太薄。因為這個原因，總是限制加強筋最大深度是加強筋厚度的5倍.

加強筋：金箴

l          增加加強筋提高剛度，而不是增加壁厚

l          加強筋的厚度應(yīng)該是壁厚的50~75%

l          在加強筋和壁連接處增加圓角提高強度

l          圓角半徑應(yīng)該是加強筋厚度的40~60%

l          加強筋的根部厚度不應(yīng)該大于壁厚的25%

l          加強筋深度不應(yīng)該超過加強筋厚度的5倍.

五 加強筋

加強筋用來增塑料件的剛度。

加強筋在塑料件的設(shè)計中非常重要,因為它可以不 增加厚度的情況下增加零件的剛度。在以前的亞洲塑料工業(yè)通訊期刊里，我們已經(jīng)知道了它的功能，了解了橫加強筋零件的設(shè)計。

有時，我們僅需要一個方向的剛度,比如 手柄之類的長而薄的特征。這時，我們需要增加一些平行的加強筋來提高長度方向的剛度， 這就是所謂的單向加強筋。

首先要考慮的就是這些加強筋不能太緊密。因為加強筋之間的間隙通過模具中 的直立型芯成型而成的，型芯太薄冷卻困難，而且可能因為縮水帶來注射問題。一般原則，間隙至少是公稱壁厚的2倍，最好是3倍或者更多。（圖1）

就橫加強筋而言，設(shè)計原則是剛度與厚度部分的慣性矩成比例，這就提供了。。。。。。。。。

計算曲線使工作變的更容易。通過計算各種厚度的加強筋的應(yīng)力和應(yīng)變得到曲線圖。圖2顯示了加強筋厚度為公稱壁厚60％的變形曲線。

例如，假設(shè)需要9MM厚的手柄來承受載荷，我們可以增加單向加強筋使厚度減小到3MM。

第一步，選擇加強筋數(shù)目。在這個例子中4個就足夠了。進行2個簡單的計算。

W/(Nt_B)=30/(4╳3)=2.5

t_A/t_B-9/3=3

在圖表中，在右邊找到比值是2.5的曲線。沿著這條曲線，在左邊找到比值是3的水平線，在相交處做垂直線，交底部比值是3。這就告訴我們：

（T-t_B）/t_B=3, 所以加強筋高度為（T-t_B）=3╳3=9

像這種計算曲線也可以用來計算出真實的應(yīng)力和應(yīng)變值,為特殊塑料的使用提供設(shè)計數(shù)據(jù)。

有時，我們想加固一面?zhèn)缺?，而不是模塑件的設(shè)計面?？梢允褂弥渭訌娊?，而不是加厚側(cè)壁的厚度（圖3）。設(shè)計原則同樣實用。遵循厚度原則仍然很重要，否則在零件的表面形成凹陷。

單向加強筋：金箴

l          單向加強筋應(yīng)分開放置，間距至少是公稱壁厚的2倍，最好3倍或更大

l          遵循加強筋設(shè)計基本原則

l          使用計算曲線計算等硬度加強筋高度

l          使用支撐加強筋加固側(cè)壁

七 螺絲柱

在以前的設(shè)計指南中，我們看到了螺絲柱的一般設(shè)計原則。我們知道了螺絲柱的設(shè)計要兼顧凹陷和功能。

螺絲柱最常見的作用是配合螺絲。普用螺絲有2種。自攻螺絲，當(dāng)安裝螺絲時，它能切削部分螺絲柱孔,產(chǎn)生螺紋和切屑。成型螺絲通過冷流產(chǎn)生母線，塑料局部變形而不是被切削，所以沒有切屑。一般成型螺絲實用于熱塑性塑料，自攻螺絲實用于硬的無彈性塑料如：熱固性塑料。由于螺絲設(shè)計不同，所以很難給出統(tǒng)一的設(shè)計原則，但是可以使用材料的擾度做為依據(jù)。

  螺絲柱的尺寸應(yīng)該能承受螺絲壓入時的力和螺絲工作時承載的載荷。與螺絲相關(guān)的孔的大小是至關(guān)重要的，因為它抵抗螺紋的脫開，螺絲的拔出。并且螺絲柱直徑必須大地足以能承受螺紋成形過程中產(chǎn)生的圓周應(yīng)力。

  螺絲柱有個特性：螺絲孔有一個導(dǎo)入凹槽（如圖），減小螺絲柱開口端應(yīng)力，有助于防止分裂。凹槽的直徑應(yīng)該比螺絲的外直徑稍微大一些，在起動前螺絲可以將螺絲固定在凹槽內(nèi)。

  螺絲類型和塑料種類各種各樣，意味著，要注意使用設(shè)計指南。表2表明怎樣設(shè)計螺絲柱、孔、凹槽和螺紋深度。主要系數(shù)是螺絲的公稱直徑。在左手欄查塑料材料,對應(yīng)地可讀出相乘系數(shù)。螺絲直徑乘于系數(shù)可計算出尺寸。

   螺絲和螺絲柱的工作性能受許多外表地不利影響。如果螺絲柱注塑時有熔痕，破裂力比預(yù)期的小一些。有些也受環(huán)境的影響。如果螺絲暴露于高溫工作或者是應(yīng)力破裂環(huán)境，它的性能就會降低。

 設(shè)計類型特別的螺絲，使用廠商的建議。如果對它的應(yīng)用有懷疑，在完成設(shè)計前進行測試。

螺絲柱：金箴

l          針對塑料材料使用正確的螺絲類型

l          在螺絲柱開口端使用導(dǎo)入凹槽

l          孔比螺紋長度深

l          螺絲的種類繁多，詢問廠商的設(shè)計建議，否則：

l          使用設(shè)計指南中的系數(shù)

l          如果對它的應(yīng)用有懷疑，進行測試。

第九部分：嚙合

塑料件接合有多種方法：如粘貼，焊接等。但是更為理想的接合方式是嚙合     

    在上節(jié)設(shè)計指南中，我們總結(jié)了螺絲柱的設(shè)計要領(lǐng)，詳細地了解了用成型螺釘連接塑料件。

     當(dāng)然，也有很多其它的方式達到這個目的，例如：便用焊接，膠粘，或其它機械扣件的形式，像鉚釘。我們應(yīng)事先了解這些方式，但我們現(xiàn)在要提供一種更加完美的塑料件連接方式：嚙合

    嚙 合就是擠壓一個部件越過障礙連接倒配合件上。他們完全依賴于塑料件彈力。一般來講：一個部件或多或少的硬一些，而另一個部件則柔韌，有彈性。依據(jù)設(shè)計，連 接可以是永久的或者是可拆卸的。兩個零件可以都是塑料，（同類塑料，或者不同塑料），也可以是不同材料，例如：金屬軸或者薄的電路板。

    嚙合有三種主要類型：

l          鉤嚙合，也就是閉止把彈簧，齒輪或者懸臂嚙合。

l          圓環(huán)或者環(huán)形嚙合；

l          球形嚙合：

   不常見的嚙合是扭矩嚙合，可代替鉤嚙合；卡扣的彈性活動通過在扭轉(zhuǎn)的地方而不是在彎曲的地方放置塑料件實現(xiàn)的。

   鉤，圓環(huán)，和球體形嚙合都有共同的基本原則。每一種情況，都是通過一個力（F）使兩個零件連結(jié)在一起。連接時，受兩個部件之間干擾（Y）的抵抗。當(dāng)力被足夠，彈性偏轉(zhuǎn)（D）等于干擾（Y）時，允許零件的連接。嚙合的設(shè)計是這樣的，一但通過干擾點，偏轉(zhuǎn)完全地釋放。

  以鉤嚙合為例，偏轉(zhuǎn)是簡單鉤彎曲。然而，環(huán)形或者球形嚙合都需要一個彈性徑向擴展。就機械而言，環(huán)形的和球形的是比較堅固的結(jié)構(gòu)，因此你可以看到，為了使擴展容易，經(jīng)常使用一些徑向溝槽。更有效地，是以環(huán)形排列的一組嚙合鉤。

   最初，我們描述嚙合是好的地連接方式，也就是說他效率高,裝配自由，環(huán)保。嚙合特性能設(shè)計成模塑件的整體部分,而不需要增加周期時間，模具的制造和維護費用增加的也不多。裝配不需要使用工具，或能量。也不需要購買和備用其它工具，如螺釘，夾子，或者是粘合劑。再循環(huán)使用這個零件時，不需要除去其它材料。

   因為這些原因，嚙合很有可能成為一種將來塑料件裝配更加普及地設(shè)計特性。成功或者是失敗取決于細節(jié)。在以后的設(shè)計指南中，我們將陳述正確的設(shè)計每一種類形的基本原則。

嚙合 ：關(guān)鍵點

l          嚙合靠于塑料件的彈性工作

l          三個主要類型是：鉤、環(huán)形、球形嚙合

l          連接是永久的或是可拆除的

l          嚙合廉價、效率高、環(huán)保   

咬配合（嚙合）：

   另一種嚙合形式是圓柱形或者環(huán)形。

   在這種圓柱形或環(huán)形的嚙合的內(nèi)部有一個連續(xù)的倒扣，這個倒扣與軸上的凹槽可以嚙合。

   這種結(jié)構(gòu)常常用于固定塑料件在金屬軸上如：旋鈕，但有時也會用來固定兩個塑料件。同其它形式的嚙合一樣，連接根據(jù)軸的拆卸角可以設(shè)計成可以拆卸的，或者永久固定的。

   當(dāng)嵌入或拔出連接時，轂被迫彈性地擴張。這種彈性比懸臂吊鉤式配合更硬更堅固。  

  力量通常是一種優(yōu)勢，但是也會也有一些弊端。插入力很高，這就必須使倒扣相對比較小。

  用比較有彈性的材料模塑的轂，工作效果最好，至少必須在模具中倒扣型芯。。。。。

   這就意味著硬的填充玻璃或者其它加強類可能不適合這種環(huán)形的嚙合。

   轂的彈性硬度不僅取決于它的厚度而且還有它的長度，至關(guān)緊要是倒扣與轂側(cè)端的距離有多近。

   環(huán)形嚙合應(yīng)該設(shè)計倒扣合理的靠近轂側(cè)端，否則彈性的硬度會比預(yù)期的大兩部或三倍或更多，嚙合就會失敗。

   在軸的端部和轂孔上做拔模角或嚙合角，連接裝配會得更容易些。角度在20度到30度之間最好。

   拆卸角的大小取決于嚙合脫離的難易程度。角度越大，越難拆卸。通常拆卸角為40~50度。

   如果想永久性連接，可以選取更大的角度。

    最大的容許倒扣也可通過下面的方程計算：。。。

   在這里：S=設(shè)計應(yīng)力   V=泊淞比   E=彈性模數(shù)   K=幾何因素

幾何因素K也可以用下式來計算。。。。。

表格提供了一些無填充材料泊淞比的近似值。。為了精確設(shè)計，你需要從你的材料供貨商那里得到更多的數(shù)據(jù)。

轂的擴張力可以用下面的等式來計算。。。。。

這里：=摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)可參考設(shè)計指南一中的表

金箴

l          硬材料不要使用環(huán)形嚙合

l          嚙合角為20度~30度

l          拆卸角為40~50度

l          倒扣靠近轂的開口端

l          計算倒扣大小，以免計算應(yīng)力數(shù)據(jù)過大。

嚙合

名副其實，扭轉(zhuǎn)嚙合依靠的是扭矩彈性而不是像其它形式依靠的是彎曲。比起懸臂和環(huán)形嚙合，這種嚙合很少見，但是需要當(dāng)經(jīng)常或輕易拆卸零件時，它特別有用。

例如,在箱子或容器上安裝鉸接蓋時，扭轉(zhuǎn)嚙合是非常高效的方法。

扭轉(zhuǎn)嚙合鉤模塑成支撐軸的整體,當(dāng)用力W時，零件安裝在軸上（圖1）。通常設(shè)計一個凹槽或其它一些特征標(biāo)示安裝的正確位置。根據(jù)杠桿原理，可以使用很小的力來克服很強的嚙合，這取決于鉤的尺寸。

比起整個軸，鉤部分硬一些，當(dāng)力作用在倒鉤上時，軸在扭矩方向扭曲,這應(yīng)用了彈性。彈性的硬度取決于軸的厚度和長度。本質(zhì)上，軸是圓柱的，這對扭轉(zhuǎn)是很有效的形式，當(dāng)然也可以使用其它形狀。扭轉(zhuǎn)嚙合可能使制模復(fù)雜,這種情況可以使用軸截面是正方形或十字形。

保證軸上的扭轉(zhuǎn)度能卸除扭轉(zhuǎn)嚙合倒扣。規(guī)劃設(shè)計，保證當(dāng)?shù)箍鄄鸪龝r，鉤能遇到障礙，防止鉤破裂。弧度方向鉤能通過的最小角是：

這里，Y=鉤倒扣   a=鉤干長度

一般，圓柱軸扭矩公式是：

  這里， P=拆卸倒扣的力  L=軸長度 E=剛性模量 r=軸半徑

從這2個方程可以得到;

  應(yīng)用杠桿原理，可以得到力W：

這里 b=開干長度

b比a長，力W就會小些。如果a太小，扭矩角變的很大。

金箴

l          當(dāng)想輕易拆卸鉤時可以使用扭轉(zhuǎn)嚙合

l          設(shè)計要顯示在哪里壓

l          設(shè)計停止特征，防止轉(zhuǎn)矩過頭

l          鉤干長度不能太小，否則扭曲角、扭矩太大

l          相對鉤干，變大開干長度可以減小力W

壓配合

將一個物體如軸，通過壓力安裝到一個很小的孔里，這種操作叫做壓配合。

  壓配合用于相似的塑料件，不同的塑料件，更為常用的是塑料件和金屬之間的配合。典型的例子，一個塑料輪轂以控制旋鈕或齒輪的形式壓進一個金屬軸。相反地，塑料套筒或軸承壓進金屬孔。

   壓 配合簡單便宜而且快速，但仍然有些問題需要注意。軸和孔之間的干涉程度是非常重要的。如果太小，連接不牢固，太大，很難裝配，材料過壓。不像嚙合，壓配合 保持永久應(yīng)力，零件的彈性變形提供了維持連接的力。當(dāng)材料受永久應(yīng)力時，就會發(fā)生蠕變。也就是說，隨著時間的消逝，壓配合產(chǎn)生的力越來越小，盡管沒有到嚴 重的程度。

  壓配合還有2個缺陷。要考慮軸和孔的公差在2個極端的情況下是否可行。當(dāng)連接2個不同的材料，溫度的增加將改變零件之間的干涉度。記住，升高溫度，蠕變更嚴重。

  克服軸和轂壓配合蠕變的方法是，在軸的中間設(shè)置直的滾花。塑料轂材料冷流入滾花的溝槽，2零件間形成機械干涉。因為滾花增加了連接面積，摩擦效果更好。

  設(shè)計壓配合，我們需要計算零件間正確的干涉數(shù)。根據(jù)經(jīng)典的厚壁圓柱理論，得到以下金屬軸上塑料轂的直徑干涉方程：

這里 S=設(shè)計應(yīng)力  V=泊松比 E=彈性模數(shù) K=幾何系數(shù)

幾何系數(shù)K可通過下式計算

壓力W可同過下式計算

這里μ=摩擦系數(shù)  L=接合表面長度

泊松比和摩擦系數(shù)以前的設(shè)計指南系列已給出 

金箴

l          考慮公差和蠕變的影響

l          考慮不同材料受溫度影響

l          如果壓配合用于高溫，通過測試原型確認設(shè)計

l          如果你仍然擔(dān)心蠕變，滾花金屬軸