超聲波塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-11-22
超聲波塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)例教程
超聲波塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
圖：超聲波焊接機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖
然后，焊頭將接收到的高頻振動傳遞到待焊接塑膠件的界面，在該區(qū)域即兩個焊接的交界面處由于振動引起摩擦，因此會產(chǎn)生局部高溫，由于塑料導(dǎo)熱性差，一時(shí)還不能及時(shí)散發(fā)，聚集在焊區(qū)，當(dāng)溫度達(dá)到此塑膠件本身的熔點(diǎn)時(shí)，兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，熔化的塑膠填充于接口間的空隙，使其融合成一體。當(dāng)超聲波停止作用后，讓壓力持續(xù)幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅(jiān)固的分子鏈，形成牢固的結(jié)合。
圖：塑膠焊接結(jié)合的過程
超聲波焊接的優(yōu)缺點(diǎn)：
在實(shí)際應(yīng)用中使用超聲波焊接工藝有幾個吸引人的好處；但是，在使用超聲波焊接工藝之前必須了解這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。
1、優(yōu)點(diǎn)：
1)焊接速度快，效率高。絕大部分超聲波焊接可以在幾秒之內(nèi)完成；
2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時(shí)省去了大量夾具、粘合劑或者機(jī)械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經(jīng)濟(jì)的塑膠件裝配方式；
3)強(qiáng)度高。超聲波焊接幾乎可以達(dá)到塑膠件本體強(qiáng)度的80%以上，在一些應(yīng)用上甚至可以與注塑成型相媲美；
4）不改變塑料狀態(tài)，超聲波塑料焊接是一種固態(tài)工藝，可以通過精確控制，振動產(chǎn)生的高溫只會熔化塑膠而不會過度加熱導(dǎo)致降解，停止工作后會迅速冷卻固化，有助于保持塑料在連接前表現(xiàn)出的原始材料特性。
5)合理的塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得超聲波焊接達(dá)到一定程度的水密或氣密效果；
6)表面質(zhì)量好，焊點(diǎn)美觀，可以實(shí)現(xiàn)無縫焊接；
7)工序簡潔，操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)自動化焊接；
8)品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產(chǎn)；
9)超聲波焊接過程清潔，無需其他粘合劑，能源和材料效率高。
展開 生產(chǎn)后的塑膠件，如果表面殘留潤滑劑或脫模劑，會減少摩擦生熱從而阻礙焊接過程。同時(shí)，因雜質(zhì)進(jìn)入焊縫，會降低焊縫強(qiáng)度。雖然超聲波再加工時(shí)可將加工表面的溶劑、雜質(zhì)等震開，但對于要求密封、或在高強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡可能手動去除。在有某些要求的情況下，先清洗塑料件是必要的。
6、塑料吸濕性的影響
如果焊接濕塑料制品，加熱后含有的水分會變成蒸汽，焊接表面會出現(xiàn)氣泡，削弱焊接強(qiáng)度和密封性能。最好的做法是，具有吸水性的塑膠件應(yīng)該在注塑完成后馬上進(jìn)行超聲波焊接。如果不能馬上進(jìn)行焊接，應(yīng)該以裝有干燥劑的PE袋進(jìn)行密封包裝；沒有密封包裝的吸水塑膠件，在焊接之前應(yīng)該進(jìn)行烘干。
7、除此之外，還有許多其它因素會影響焊接強(qiáng)度：
焊接區(qū)域面積。焊線越長，熔融塑料越多，焊接強(qiáng)度越大。但實(shí)際上，受注塑精度和治具等因素影響，焊接區(qū)域面積會比設(shè)計(jì)預(yù)想的要小很多。
注塑件尺寸精度和質(zhì)量。注塑缺陷如空隙，會吸收超聲振動，影響能量傳遞。可能會導(dǎo)致零件表面燙傷和內(nèi)部裂紋，以及較低的焊接強(qiáng)度。
二、塑膠件超聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1、超聲結(jié)構(gòu)
通過超聲產(chǎn)生的能量是瞬時(shí)的，接縫面積越大，能量分散越嚴(yán)重，焊接效果越差，甚至無法焊接。另外超聲波是縱向傳波的，能量損失同距離成正比，遠(yuǎn)距離焊接應(yīng)控制在6cm以內(nèi)。焊接線應(yīng)控制在0.3~0.8mm之間為宜，工件的壁厚不能太小，否則不能良好熔接，特別是要求氣密的產(chǎn)品。等等以上這些限制條件說明要達(dá)到良好的焊接效果，必須要設(shè)計(jì)合理的超聲結(jié)構(gòu)。
1）超聲線的含義
超聲線，叫法很多，也可以叫焊接線，超聲筋，焊接筋，導(dǎo)熔線，導(dǎo)能線，能量導(dǎo)向器等等。超聲線的主要特征是在其中一個配合表面上模制出一個 90° 或 60° 的小三角形筋。該小三角形筋將初始接觸限制在非常小的區(qū)域，并將超聲波能量集中在三角形的頂點(diǎn)。
展開 塑膠件的連接結(jié)構(gòu)，有兩種應(yīng)用較廣泛，一種是卡扣連接（之前文章已有介紹），另一種是螺紋連接。其中螺紋連接我認(rèn)為是應(yīng)用最廣泛、最常見的連接結(jié)構(gòu)。基于成本考慮，盡管大家都在盡量減少螺紋連接的使用，但是，對于絕大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，螺紋連接結(jié)構(gòu)還是很難完全被取代，因?yàn)椋湎鄬τ诳圻B接有以下優(yōu)點(diǎn)：
連接強(qiáng)度比卡扣大得多，即使受到額外負(fù)載也不容易松脫，可靠性高；
可拆卸次數(shù)多，特別是使用機(jī)牙螺絲的情況下，連接強(qiáng)度并不會受影響很大；
螺絲柱在模具上成型方便，模具結(jié)構(gòu)簡單，且容易調(diào)整；
操作簡單，易學(xué)，誰不會打個螺絲呢。
當(dāng)然，相對于卡扣，其缺點(diǎn)如下：
成本相對高些，螺絲、螺母、電批、螺絲刀等緊固件與工具的成本；
對于外觀零件，會在外殼上存在放置螺絲以及操作的孔洞，破壞外觀的完整性；
裝配時(shí)間長，預(yù)埋螺母、放置螺絲、使用電批或螺絲工具的時(shí)間成本，間接增加裝配成本；
螺紋連接的結(jié)構(gòu)類型少，設(shè)計(jì)自由度比較受限，常常在主出模方向設(shè)計(jì)居多。
結(jié)合卡扣和螺紋連接的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，常常兼容這兩種連接方式，使產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)性能與成本的平衡。
塑膠件的螺紋連接結(jié)構(gòu)一般有以下兩種：
一種是采用機(jī)械牙螺絲（簡稱機(jī)牙螺絲）的結(jié)構(gòu)；
一種是采用自攻牙螺絲（簡稱自攻螺絲）的結(jié)構(gòu)；
這兩種結(jié)構(gòu)比較常見的結(jié)構(gòu)形式如下圖，共同點(diǎn)是兩個塑膠零件上分別有用于與螺絲配合的螺絲柱（BOSS柱）和用于支承螺絲頭的套司；區(qū)別在于采用機(jī)牙螺絲的螺絲柱內(nèi)孔需預(yù)埋螺母。
展開 但是，針對某些比較大的產(chǎn)品，采用常規(guī)設(shè)計(jì)，螺絲柱的高度很難做矮，這里列出三種降低螺絲柱高度的方法。
1）把螺絲柱高度降低，相對應(yīng)的套司加高。
2）塔狀橋接結(jié)構(gòu)，俗稱“狗窩”結(jié)構(gòu)，通過在螺絲柱底下設(shè)計(jì)一塔狀支撐橋，使得螺絲柱部分高度降低，支撐橋部分模具上通過斜頂出模。
3）凸臺結(jié)構(gòu)，是第二種的一般形式，主要用于內(nèi)部件，通過凸臺結(jié)構(gòu)支撐螺絲柱。
3、減小或避免縮痕問題
1）螺絲柱根部導(dǎo)致的縮痕問題
螺絲柱結(jié)構(gòu)實(shí)際上相當(dāng)于一個圓形的加強(qiáng)筋與主壁連接在一起，有關(guān)加強(qiáng)筋如何設(shè)計(jì)才能減小或避免縮痕問題已經(jīng)在之前文章有介紹：塑膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：加強(qiáng)筋篇（中），
文中，結(jié)論是，對外觀要求高（光面）的塑膠件，其背部的加強(qiáng)筋的底部厚度建議B≤0.5T。如果對模具設(shè)計(jì)和后續(xù)工藝調(diào)參有把握，可設(shè)計(jì)B>0.56T，但最大建議不大于0.7T，因?yàn)樘蠛罄m(xù)會很難調(diào)。需要注意的是，不同塑件材質(zhì)對應(yīng)的加強(qiáng)筋厚度并不一定遵循B≤0.5T。
如果B值沒辦法做到小于0.56T，為了保險(xiǎn)起見，可以做“火山口”結(jié)構(gòu)（塑膠件壁厚內(nèi)測淘膠），比如以下螺絲柱的處理。
圖1，為螺絲柱的原始設(shè)計(jì)，螺絲柱壁厚為1.75，1.75/2=0.875（>0.56），很大概率螺絲柱背面會產(chǎn)生縮痕。
圖2，在螺絲柱內(nèi)孔底部淘膠并導(dǎo)全圓角，圖中紅色區(qū)域面積減小一點(diǎn)，但是不明顯，同時(shí)靠司筒針散熱有限，所以結(jié)果不是很明顯。
圖3，在圖2處理基礎(chǔ)上在螺絲柱外側(cè)根部做火山口繼續(xù)淘膠，可見圖中紅色區(qū)域面積有明顯減小，這是因?yàn)榛鹕娇谔幈荒＞咪摬奶畹簦瑤ё吒嗟臒崃浚萁z柱背面的縮痕會有明顯改善。
展開 
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04 超聲波焊接效果的影響因素
一、塑膠材料因素
上篇已經(jīng)介紹的適合超聲波焊接的材料選擇，一般情況下兩種材料滿足Tg或熔點(diǎn)接近、化學(xué)相容性良好和熔體流動指數(shù)接近這三個條件，基本可認(rèn)為是可焊接的，但需要注意以下幾點(diǎn)：
1、熱塑性塑膠又分為非結(jié)晶性（也叫無定形）塑膠和結(jié)晶性（或半結(jié)晶性）塑膠。
1）對于非結(jié)晶性塑膠，其分子排列無序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動的溫度
5)合理的塑膠件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得超聲波焊接達(dá)到一定程度的水密或氣密效果；
6)表面質(zhì)量好，焊點(diǎn)美觀，可以實(shí)現(xiàn)無縫焊接；
7)工序簡潔，操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)自動化焊接；
8)品質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產(chǎn)；
9)超聲波焊接過程清潔，無需其他粘合劑，能源和材料效率高。
01 倒角的分類：
最常用的倒角分為倒圓角和倒斜角，如下圖所示。
倒圓角是指將零件的兩曲面通過一圓角曲面相切連接，標(biāo)準(zhǔn)的圓角通常用一半徑值R表示其大小。
倒斜角是指將零件的兩曲面通過一斜角曲面成角度連接，標(biāo)準(zhǔn)的斜角通常用一距離值C表示其大小，標(biāo)準(zhǔn)的角度值為45°。
圖：圓角和斜角的標(biāo)注
在GB/T16675.2-1996《技術(shù)制圖簡化表示法第2部分：尺寸注法
01 分型面（線）的含義
所謂分型，即把塑件件成型部分的模仁分出若干個模塊，模塊與模塊之間的接觸面叫做分型面，也加分模面，狹義上的分型面，指的是塑件件外形最大輪廓處的分型面，即分出型腔和型芯，或者前模和后模。廣義上的分型面，還包括塑件件局部的分型面（孔的分型面），以及所有參與成型的模塊的分型面（如滑塊、斜頂、鑲件、頂針等的分型面）。
分型面與塑膠件表面相交的分界線，叫做分型線，英文為
接上篇：塑膠件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：拔模斜度篇（上）
05 拔模斜度設(shè)計(jì)的原則
保證出模要求
保證結(jié)構(gòu)功能
保證外觀要求
二、保證結(jié)構(gòu)功能
一個完整的產(chǎn)品本質(zhì)上是不同的零件有序的構(gòu)成，不同零件之間通過連接關(guān)系連接成一個整體，一個零件的拔模不僅僅對自身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，同時(shí)也會影響到與之配合的另一零件。
1、零件拔模后，對螺絲支承面的影響。
對支撐面進(jìn)行拔模
01 拔模斜度的含義
拔模斜度，單看字面就知道，是針對模具進(jìn)行設(shè)計(jì)的角度，確切地講，是模具平行出模方向上成型部分的面的出模角度，也叫拔模角。
02 拔模斜度由誰設(shè)計(jì)？
由于拔模斜度最終是體現(xiàn)在模具上，因此會存在拔模斜度的設(shè)計(jì)者之爭，即拔模斜度該由結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)還是由模具工程師設(shè)計(jì)，針對這點(diǎn)目前有兩種主流做法：
1、結(jié)構(gòu)工程師需要在零件設(shè)計(jì)階段把所有面拔模完善（個別結(jié)構(gòu)無法確定，需要模具工程師評估的除外
01 止口的含義
止口結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也是一種常見的結(jié)構(gòu)，對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師那是再熟悉不過了，然后對于初學(xué)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(xué)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(lián)接結(jié)構(gòu)限位
塑膠件螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則：
連接強(qiáng)度原則；
成型性原則；
一、連接強(qiáng)度原則
5、拔模斜度
螺釘柱的拔模角度對內(nèi)孔徑和壁厚是有影響的，隨著螺絲柱的高度越高，其影響就越大，特別是對于內(nèi)孔，拔模后內(nèi)徑大小對緊固力和滑牙扭矩都有影響，那到底需不需要拔模呢？
對于螺絲柱內(nèi)孔，建議不用拔模，目前的模具結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以解決螺絲柱內(nèi)孔不拔模的設(shè)計(jì)的頂出
接上篇：塑膠件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：螺紋連接結(jié)構(gòu)篇（上）
塑膠件螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則：
連接強(qiáng)度原則；
成型性原則；
一、連接強(qiáng)度原則
在上篇中提到，由于檢查緊固力的方法很復(fù)雜，我們通常通過扭矩值來確認(rèn)施力情況，也就是說，緊固力的大小可以通過扭矩值來表征，如果擰緊扭矩越大，相對于的緊固力就越大,，連接強(qiáng)度就越大。
由公式：
塑膠件的連接結(jié)構(gòu)，有兩種應(yīng)用較廣泛，一種是卡扣連接（之前文章已有介紹），另一種是螺紋連接。其中螺紋連接我認(rèn)為是應(yīng)用最廣泛、最常見的連接結(jié)構(gòu)。基于成本考慮，盡管大家都在盡量減少螺紋連接的使用，但是，對于絕大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，螺紋連接結(jié)構(gòu)還是很難完全被取代，因?yàn)椋湎鄬τ诳圻B接有以下優(yōu)點(diǎn)：
連接強(qiáng)度比卡扣大得多，即使受到額外負(fù)載也不容易松脫，可靠性高；
