塑膠件的結構設計:止口篇

01  止口的含義

止口結構,在產品結構設計上也是一種常見的結構,對于有經驗的工程師那是再熟悉不過了,然后對于初學者來說,他們并不一定知道,更談不上理解,所以,為了幫助初學者理解,對止口的概念稍加文字介紹。

止口:止,從字面上理解是停止、禁止、限制的意思,比如說適可而止、淺嘗輒止、望梅止渴;而在產品結構上通常表示限位的意思(即限制零件的移動,主要是對X軸和Y軸的限位,Z軸方向的限位通常通過螺絲或者卡扣之類的聯接結構限位),由于其在結構上是一對凹凸結構,有點像人合上的嘴巴,所以稱為止口。

02  止口的結構形式

止口的一般分類:

塑膠件的結構設計:止口篇的圖1

1、單止口:為最常見的止口,由公止口和母止口組成,從外形上看是一對凹凸的結構,這對凹凸結構分別設計在兩個配合的零件上,沿著側壁內邊凸出來的部分(加膠)稱為公止口,沿著側壁內邊切掉凹下去的部分(減膠)稱為母止口。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖2
公止口一般設計在壁厚較薄的殼體上,母止口一般設計在壁厚較厚的殼體上。

因為母止口需要往內切掉一部分膠厚,把母止口設計在壁厚較厚的殼體上可以有足夠厚度被切除。這里需要注意的是,

  • 為了防止厚薄印(應力痕),切掉的部分厚度和深度不能太大;
  • 如果無法避免應力痕,外殼若做白色(紋面或高光面)應力痕基本不太明顯,做黑色高光面效果稍好些但還是不能完全消除,黑色紋面效果應力痕是較嚴重的。
2、雙止口:是相對于單止口而言,雙止口實際上是由兩個正反的單止口合并成新的止口,主要有以下兩種結構形式:
1)單公止口+雙母止口,這種形式主要應用于上殼體厚度較薄,且對外觀段差有要求的結構,下殼的雙母止口可以限制上殼往里和往外的變形。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖3
2)雙公止口+雙母止口,這種形式主要應用于上下殼體厚度都較厚的結構,這種結構在外觀上的段差可以控制很小,這種結構也稱為密封性止口結構,,如做防水結構,中間增加膠圈或超聲波焊接可起到防水作用;如做喇叭音腔,中間加泡棉也可起到密封音腔的作用,但此種止口結構要求殼體壁厚較大,一般需要2.5mm以上,否則母止口外緣就比較薄,外觀容易產生厚薄印(應力痕)。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖4

3、反止口:也稱反插骨,反限位的意思,反止口為母止口的反向止口,一般配合單止口一起設計,主要用于上下殼體都較薄的結構,反止口實際上是雙母止口的簡化,因為殼體沒有足夠壁厚去做雙母止口,通過設計局部的筋位,所以通常反止口有以下幾種結構形式。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖5

1)單反止口,這種反止口一般用于小型零件,結構簡單,缺點是強度不夠。

2)雙反止口,這種反止口較為普遍,最為常用,成對設計是為了保證強度。
3)這種止口主要用于空間不夠的零件,沒法做雙反止口,此種止口強度好,缺點是結構沒雙止口簡單,但也不失為一種好結構。
4)這種止口也是用于空間不夠的零件,沒法做雙止口,此種止口缺點是需要在另一個殼上切出相應的母止口,膠厚突變外觀有厚薄印(應力痕)風險,設計時注意圓角緩和過渡。

03  止口的作用

理想的外殼是不需要拆件的,但在現實中,需要考慮到制造工藝以及裝配工藝(DFMA),外殼需要拆分成若干零件,相鄰兩個互相配合的零件之間就會存在結合縫隙, 那零件結合處為什么需要設計止口?

首先通過以下三個生活中的例子,你就很容易理解止口結構所起到的作用。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖6

圖1:門縫的尷尬

塑膠件的結構設計:止口篇的圖7

圖二:冬天洗澡,寒風從門縫吹進來

塑膠件的結構設計:止口篇的圖8
圖三:酒店門邊的卡片“無縫不入”

以上現象是因為門與門框之間沒有形成嚴密的止口結構,對于產品設計來說,是不希望產品出現這樣的情況,因而目前不少公司都在致力于無縫隙(少縫隙)的拆件結構,即一體化結構設計,這方面尤其以蘋果公司產品為代表。

比如以下蘋果的某款電源設配器,常規的設配器采用的是上下殼,然后通過超聲波焊接,但是上下殼之間會存在接縫,如下圖左邊兩款;下圖右邊款采用的是塑膠Unibody工藝,外殼一體注塑成型,中間的夾線通過后期打磨去除,幾乎看不到痕跡。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖9


有關于塑膠一體化設計的更多相關介紹,可以點擊這篇文章查閱: Unibody一體成型工藝(塑膠篇)

雖然塑膠一體化設計好處多多,但是成本高(包括設計成本、模具成本、后處理成本等),對于普通的產品來說,采用上下殼拆件的方式還是目前主流,但是兩個互相配合的零件之間需要設計止口,止口所能起到的作用如下:

1、起到遮蔽的作用,兩個相互配合的殼體本身是存在一條縫,對于容易變形的塑膠件,如果沒有止口結構,由于縫隙不均勻,即使是功能沒問題,但從外觀上看就讓人感覺低端,質量差,縫隙大點的話甚至可以看到里面的零部件。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖10


2、起限位作用,防止或減小兩個相互配合的殼體裝配時產生偏位或段差。如果兩個相互配合的殼體零件長寬(XY)兩方向設計有止口,那么這兩個零件在XY方向上是互相被限位的,也可以理解成定位,這是有利于裝配的;同時,還可以在特定方向上矯正零件的變形,如下圖,A殼限制B殼往里(紅色箭頭方向)變形,同時B殼限制A殼往外(黑色箭頭方向)變形。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖11

以上為單止口,A殼有可能往里變形,B殼有可能往外變形,如果B殼上設計有反止口,那么AB殼互相限制對方往里或往外變形,可以有效控制外觀段差。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖12

3、起到密封作用,如圖,在母止口可以容納超聲波熔膠或O型圈可起到防水作用。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖13
4、起到防靜電(ESD)作用,上面已經有提到,一個理想的一體化殼體是不需要拆件,也就能達到密不透風的,靜電也就無從而入,當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在配合處一定會有縫隙,所以一定存在ESD隱患。 

如果將釋放的靜電看成是洪水的話,那么主要的解決方法與治水類似。可能很多項目處理ESD的方法不盡相同,但最終都可以歸結為三條方案,“堵”--“疏”--“絕”。

其中,“堵”的方法屬于機械結構方法,即在AB殼的結合處設計一圈止口,止口的作用就是起到靜電墻作用,將靜電隔離到外殼之外,讓靜電難以直接進來,即使有部分強度較大的能穿透進去,也因止口的作用使得這部分靜電的能量大大減弱。(需注意的是設計時盡可能保留整圈止口的完整,保證完整的靜電墻)

如果止口附近有電路板,盡量增加殼體的厚離,即增加外殼到電路板之間的距離D,根據經驗,10kV的ESD在經過4mm至5.00mm的距離(此距離包含殼體的壁厚)后能量一般衰減為零。 

塑膠件的結構設計:止口篇的圖14
或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離,這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度,下圖中,把電路板移高到公止口側,增大了氣隙距離,(如果電路板高度無法改變,可以通過把上下殼的止口對換,同樣可以增大氣隙距離)。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖15

04  止口的設計原則

  • 功能原則

  • 外觀質量原則

  • 加工工藝原則

1、功能原則

1)合理選擇止口結構形式
設計止口時首先要明確止口所起的作用,因為不同的止口結構形式多起到的作用不盡相同,比如,需要密封結構,那么優選雙止口結構;如果殼體的壁厚較薄,那么優選單止口結構;如果需要起到防靜電作用,那么應盡量保留整圈止口的完整性。
2)反止口的設計在保證本身功能同時不能影響其他結構功能
反止口應對稱布置且間距合理,同時應避開卡扣位置(不能離扣位太近,否則扣位變形困難)

2、外觀質量原則

1)外觀段差
由于塑膠件易變形以及尺寸偏差大等缺點,同時這些缺點還受到塑膠材料、結構、模具、注塑工藝等諸多因數的影響,因此接縫處的段差控制一直是一個棘手的問題。
以下是較常用的單止口結構主要配合尺寸(僅供參考,部分尺寸取值范圍應根據實際產品情況做適當調整):
塑膠件的結構設計:止口篇的圖16
A:公母止口配合面間隙尺寸,一般做到0.05~0.1即可;(由于塑膠難做到高精度,且存在變形,太小容易干涉,太大起不了作用)
B:公母止口避空尺寸,防止止口干涉,一般做到0.1~0.2;(因為公母止口接合處已做零配,此處做避空即可)
C:公止口倒C角,可利于裝配,一般做到C0.3~0,5;
D:母止口過渡圓角,此處膠位厚度變化較大,做圓角可以減小外觀應力痕,一般做到R0.3~0,5;
E:公止口高度,一般做到0.8~2mm,具體看制品大小;
F:母止口外觀面膠厚,應大于壁厚的一半,否則此處外觀容易產生應力痕;
G:反止口的寬度,不能太小,太小強度不夠,最好不少于一個壁厚;
H:反止口的高度,一般不少于1mm也不要高于分型面太多,太高意義不大,保證有一定有效配合高度(減去斜角高度后)即可;

K:反止口倒C角,可利于裝配,一般做到C0,5~C1.0;

N:反止口與公止口之間間隙,一般做到0.05~0.1即可,不建議零間隙配合,因為模具不一定做得很準,試模出來后產品一般都跟圖上有點誤差,如零間隙配合,后面就沒有加膠的余地了。

其中,以上尺寸A和尺寸N是影響段差控制比較重要的尺寸,對于小型產品來水,取0.05-0.1基本能滿足要求;對于中大型產品來說,此兩個間隙尺寸的取值應根據外殼的最大外形尺寸的公差值進行調整,因為對于注塑件來說,外形尺寸越大,其公差值就較大,如下表。

塑膠件的結構設計:止口篇的圖17
所以,對于小型產品,其外形尺寸變化小,即使有小超差或局部小變形,也能通過止口和反止口(即尺寸A和尺寸N)把變形部分拉回合理范圍,減小外觀段差。但是對于大中型產品,其外形尺寸變化大,很難通過止口和反止口控制段差處于很小范圍,因此,對于這類產品,一般通過在接縫處設計美工線,使得段差跨度增大,減小刮手感。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖18
對于超差過大的外殼,即使止口結構能夠拉回部分外形,也會導致其他部分變形,最后整個段差會不均勻,這也是不能接受的, 因此,控制段差最重要的是把外形尺寸管控好,使其能夠適應所設計的止口間隙。

2)外觀應力痕

應力痕,即厚薄印,常出現在壁厚變化過大處,由于收縮不一致,導致存在收縮應力,收縮應力把較薄處的塑膠往里拉,在外觀上就會看到類似凹坑的印子,也可理解為收縮痕。
以上止口尺寸中,E(公止口高度),也對應母止口的深度尺寸,不宜太大,同時,F(母止口外觀面膠厚),應至少為壁厚的一半,否則此處外觀容易產生應力痕。

3、加工工藝原則

1)模具加工工藝
反止口筋位直接的間距不能太小(一般3mm以上),保證此處的模具鋼料有足夠強度。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖19
2)成型工藝
公止口的寬度不能太小,太小成型困難且強度不夠,建議一般取0.6以上。
塑膠件的結構設計:止口篇的圖20

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