塑膠結構設計的案例
塑膠的結構設計：加強筋篇（下）
前兩篇：塑膠的結構設計：加強筋篇（上），塑膠的結構設計：加強筋篇（中）介紹了加強筋設計的原則中的“基于剛度原則”和“基于外觀質量原則”，本篇接著介紹：“基于加工工藝原則”。
加強筋設計的原則：
基于剛度原則
基于外觀質量原則
基于加工工藝原則（√）
03 基于加工工藝原則
加強筋的設計在滿足剛度、外觀質量要求的前提下，還應滿足加工工藝要求，由于塑膠件上的加強筋是通過模具去成型，因此此處所指的加工工藝主要是指加強筋對應的模具加工工藝以及成型工藝。
模具加工工藝
加強筋的設計應有利于模具加工，并保證模具強度要求。
成型工藝
加強筋的設計應有利于塑膠的成型，并保證順利出模。
一、加強筋的拔模斜度
由剛度理論可知，加強筋的高度越高，其剛度越大，那么把加強筋設計得越高是否越好呢？
顯然，對于注塑成型來說，并不是這樣的，按注塑成型原理，塑件最后需要從模具中被頂出，為了讓塑件能被順利頂出，塑件需在開模方向上設計一定的拔模斜度。
所以，加強筋也是需要設計拔模斜度，拔模斜度理論上越大，塑件就更容易被頂出，但是拔模斜度α越大，加強筋的頂部厚度C就越小，或者說同樣的拔模斜度，加強筋高度H越高，頂部厚度C就越小；加強筋高度H太高，頂部厚度C值太小有以下壞處：
1）加強筋的本身的強度被削弱，進而影響整個塑膠件的剛度或強度。
2）需要更高的注射壓力，甚至會引起短射而缺膠。
3）增加了與模具型芯的接觸面積，加強筋與模具型芯的摩擦力增大，需要更大的頂出力，塑件容易頂變形。
4）加強筋在模具上是一條條細窄的槽，采用常規的銑削方法很難加工，一般采用電火花放電加工。
展開 塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（下）
但是，針對某些比較大的產品，采用常規設計，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，相對應的套司加高。
2）塔狀橋接結構，俗稱“狗窩”結構，通過在螺絲柱底下設計一塔狀支撐橋，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）凸臺結構，是第二種的一般形式，主要用于內部件，通過凸臺結構支撐螺絲柱。
3、減小或避免縮痕問題
1）螺絲柱根部導致的縮痕問題
螺絲柱結構實際上相當于一個圓形的加強筋與主壁連接在一起，有關加強筋如何設計才能減小或避免縮痕問題已經在之前文章有介紹：塑膠的結構設計：加強筋篇（中），
文中，結論是，對外觀要求高（光面）的塑膠件，其背部的加強筋的底部厚度建議B≤0.5T。如果對模具設計和后續工藝調參有把握，可設計B>0.56T，但最大建議不大于0.7T，因為太大后續會很難調。需要注意的是，不同塑件材質對應的加強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，為了保險起見，可以做“火山口”結構（塑膠件壁厚內測淘膠），比如以下螺絲柱的處理。
圖1，為螺絲柱的原始設計，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生縮痕。
圖2，在螺絲柱內孔底部淘膠并導全圓角，圖中紅色區域面積減小一點，但是不明顯，同時靠司筒針散熱有限，所以結果不是很明顯。
圖3，在圖2處理基礎上在螺絲柱外側根部做火山口繼續淘膠，可見圖中紅色區域面積有明顯減小，這是因為火山口處被模具鋼材填掉，帶走更多的熱量，螺絲柱背面的縮痕會有明顯改善。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
圖：超聲波焊接機的結構簡圖
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，在該區域即兩個焊接的交界面處由于振動引起摩擦，因此會產生局部高溫，由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，當溫度達到此塑膠件本身的熔點時，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。當超聲波停止作用后，讓壓力持續幾秒鐘，使其凝固成型，這樣就形成一個堅固的分子鏈，形成牢固的結合。
圖：塑膠焊接結合的過程
超聲波焊接的優缺點：
在實際應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技術的優缺點。
1、優點：
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完成；
2)成本低。由于效率高，人工成本低，同時省去了大量夾具、粘合劑或者機械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經濟的塑膠件裝配方式；
3)強度高。超聲波焊接幾乎可以達到塑膠件本體強度的80%以上，在一些應用上甚至可以與注塑成型相媲美；
4）不改變塑料狀態，超聲波塑料焊接是一種固態工藝，可以通過精確控制，振動產生的高溫只會熔化塑膠而不會過度加熱導致降解，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出的原始材料特性。
5)合理的塑膠件結構設計可以使得超聲波焊接達到一定程度的水密或氣密效果；
6)表面質量好，焊點美觀，可以實現無縫焊接；
7)工序簡潔，操作簡單，可以實現自動化焊接；
8)品質穩定，產品質量穩定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產；
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 塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（中）
接上篇：塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（上）
塑膠件螺紋連接結構的設計原則：
連接強度原則；
成型性原則；
一、連接強度原則
在上篇中提到，由于檢查緊固力的方法很復雜，我們通常通過扭矩值來確認施力情況，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,，連接強度就越大。
由公式：擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)可知，如果需要增大擰緊扭矩Tα，可以通過增大攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf來實現。
增大攻牙扭矩Tr
，這會導致前期攻牙階段的安裝扭矩變大，前期顯得很吃力，同時導致擰緊扭矩T
α
的范圍太窄，容易造成滑牙，這不是我們想要的結果。
增大滑牙扭矩Tf
，也就是增大了滑牙扭矩T
f
和攻牙扭矩T
r
之間的差值(T
f
-T
r
)，這樣的結果是擰緊扭矩T
α
增大了，同時使得擰緊扭矩Tα在一個較大的容差范圍內。
那么，如何增大滑牙扭矩Tf呢？
滑牙緊固力公式：
滑牙扭矩公式：
由以上公式可知，增大以下因素：σt（塑膠材料的拉伸屈服應力）；Dp（螺絲中徑）；L（螺紋旋合深度）；f1（螺紋與塑膠之間的摩擦系數）；f2（螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數）；p（螺絲的螺距）；都可以增大滑牙扭矩Tf。
展開 
通用塑膠零件設計 塑膠零件結構設計一點通
通用塑膠零件設計 塑膠零件結構設計一點通
塑膠的結構設計：加強筋篇（中）
2、影響縮痕形成和縮痕大小的因素有：
1）成型材料：聚合物的分子鏈結構、結晶度、力學性能、流動性能、充填物等；
2）工藝條件：注射速度、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間、熔體溫度、模具溫度等；
3）模具結構：澆口大小、形狀、數量、位置，冷卻水路的分布等；
4）產品結構：壁厚不均勻（加強筋參數的設計）。
從以上看，影響縮痕形成和縮痕大小的因素很多，在解決實際產品縮痕問題時應根據具體情況具體分析。
有關縮痕專題的后續有時間會單獨介紹，本文主要介紹產品結構這一因素，同時，在設計時也應該把產品結構這一因素放在首位，因為產品結構是首先被確定的因素，然后才有成型材料、模具結構、工藝條件這些因素，很多時候在產品結構上去做優化，會很大程度減小縮痕產生的幾率，從而避免后續通過各種調整工藝條件去改善縮痕而又引起其他注塑問題的產生，比如加大保壓壓力，雖能減小縮痕跡大小，但壓力太大會導致批鋒或飛邊等缺陷產生。
以下只針對加強筋的設計進行介紹。
比較常見的加強筋如下圖這種，其截面的設計參數主要包括塑膠件的壁厚T、加強筋的底部厚度B、加強筋的頂部厚度C、加強筋的高度H，加強筋的拔模斜度α，加強筋底部圓角R。
3、加強筋的哪些參數會影響加強筋背面的縮痕產生呢？下面通過對冷卻過程的描述進行解釋。
圖a：為了便于介紹，假設塑件件的前后模面冷卻速率均勻（實際上塑件件后模側比前模冷卻晚些，因為最后是留在后模頂出的）。
圖b：當壁厚均勻時，塑件件整體冷卻較均勻，外觀無縮痕。
圖c：當加強筋底部較厚，底部圓角較大時，加強筋與壁厚結合處有一較大的膠位冷卻緩慢，外觀縮痕較深。
展開 塑膠件的結構設計：分型面（線）篇
以上分型面的選擇和設計，雖然大部分是到了模具設計階段才真正開始設計，但是，作為結構工程師，我們必須在結構設計階段需要有一個大方向的考慮，特別是對于一些比較容易確定分型面的零件，如果我們在結構設計時就考慮了分型面對結構（尺寸進度、配合間隙、外觀質量的等）的影響，那么后續模具DFM后就不會導致頻繁改動，試模后就不會有那么多本身可以避免的問題。
當然，影響分型面選擇的因素不止以上列出的，可能還有其他因素，每種分型面的方案都不是十全十美的，都會有優點和缺點，我們需要做的就是針對實際零件的要求而做出選擇，保證滿足當前零件要求就可以了。
展開 塑膠產品結構設計
6．凸臺（BOSS）：
凸臺通常用于兩個塑膠產品的軸－孔形式的配合，或自攻螺絲的裝配。當BOSS不是很高而在模具上又是用司筒頂出時，其可不用做斜度。當BOSS很高時，通常在其外側加做十字肋（筋），該十字肋通常要做1-2度的斜度，BOSS看情況也要做斜度。當BOSS和柱子（或另一BOSS）配合時，其配合間隙通常取單邊0.05-0.10的裝配間隙，以便適合各BOSS加工時產生的位置誤差。
當BOSS用于自攻螺絲的裝配時，其內孔要比自攻螺絲的螺徑單邊小0.1-0.2，以便螺釘能鎖緊。如用M3.0的自攻螺絲裝配時，BOSS的內孔通常做Ф2.60-2.80。
7．嵌件：
把已經存在的金屬件或塑膠件放在模具內再次成型時，該已經存在的部件叫嵌件。當塑膠產品設計有嵌件時，要考慮嵌件在模具內必須能完全、準確、可靠的定位，還要考慮嵌件必須與成型部分連接牢固，當包膠太薄時則不容易牢固。還要考慮不能漏膠。
8．產品表面紋面：
塑料產品的表面可以是光滑面（模具表面省光）、火花紋（模具型腔用銅工放電加工形成）、各種圖案的蝕紋面（曬紋面）和雕刻面。當紋面的深度深、數量多時，其出模阻力大，要相應的加大脫模斜度。
9．文字：
塑料產品表面的文字可以是凸字也可以是凹字，凸字在模具上做相應的凹腔容易做到，凹字在模具上要做凸型心較困難。
10．螺紋：
塑膠件上的螺紋通常精度都不很高，還需做專門的脫螺紋機構，對于精度要求不高的可把其結構簡化成可強行脫模的結構。
11．支撐面：
塑膠產品通常不用整個面做支撐面，而是單獨做凸臺、凸點、筋做支撐。因塑膠產品很難做到整個較大的絕對平面，其容易變形翹曲。
展開 塑膠的結構設計：加強筋篇（上）
一、加強筋的含義：
加強筋：又稱加強肋、肋骨，模具行業上俗稱骨位，是產品（特別是塑膠制品）用來提高制品整體或局部剛度（強度）上的一種功能結構。
二、加強筋的作用：
1、加強作用：這是加強筋的核心作用，主要是增加塑膠制品的剛度，減少塑膠制品變形的程度；同時也可以增加某些結構的強度，如螺絲柱。
2、導流作用：加強筋可充當內部流道，有助模腔充填，對幫助塑脂流入制品的支節部分起到很大的作用。
3、輔助作用：
在與其他零件裝配時，提供導向、定位、支撐等作用。
三、加強筋的設計：
一提到加強筋，相信各位從事機械結構設計行業的攻城獅們都或多或少了解，從外形上看，它比其他大部分功能結構要簡單得多，同時，由于加強筋很多時候一般不直接參與裝配設計，很多攻城獅們對于加強筋的設計都比較隨意，頂多只是遵循以下幾點被業界公認的行業經驗。
提高塑膠件的剛度，應該通過添加加強筋的方式而不是單純增加壁厚；
加強筋的厚度不宜太厚，否則塑膠件表面會產生凹陷（縮水）等缺陷；
加強筋的高度不宜太高，太高容易因困氣而引起短射；
以上幾點經驗都說得沒錯，但是即使了解了，也不確保能設計出合適的結構，加強筋是一種讓攻城獅們又愛又恨的功能結構，愛它的地方在于它能明顯增強塑膠件的剛度，恨它的地方在于同時它會引起塑膠件表面的產生凹陷（縮水）等外觀不良缺陷，凹陷一定會存在，只不過可以通過合理設計使得產生的凹陷肉眼分辨不出來。
那怎么設計加強筋呢，或者設計加強筋時需要考慮些什么呢？
展開 塑膠件的結構設計：拔模斜度篇（下）
接上篇：塑膠件的結構設計：拔模斜度篇（上）
05 拔模斜度設計的原則
保證出模要求
保證結構功能
保證外觀要求
二、保證結構功能
一個完整的產品本質上是不同的零件有序的構成，不同零件之間通過連接關系連接成一個整體，一個零件的拔模不僅僅對自身的結構產生影響，同時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。
對支撐面進行拔模，可以方便出模，但是拔模后，螺絲的支承面與螺柱中心線不垂直，強行鎖緊后，被固定件可能會被壓歪。
2、零件拔模后，對過盈配合的影響。
塑膠件之間可以互相配對拔模，過盈配合精度不影響，但是對于無拔模斜度的標準件（如軸承、轉軸等）與塑件件過盈配合就需要注意，比如以下這種小軸與柱子內孔的過盈配合，內孔如果拔模，過盈效果容易失效，內孔通過司筒針出模可以實現內孔無拔模。
對于軸承的過盈配合，稍大的軸承孔無法通過司筒針出模達到無拔模斜度，采用常規出模方式需要設計拔模斜度，如下面軸承孔，內孔大面拔模，筋位面積小，可以不拔模，強脫出模。
3、零件拔模后，分型面的確定會影響結構精度。
在拔模時，當對零件中的d1、d2、d3、d4有同心度要求時，分型面必須在A～A處且d1與d2設計在同一型芯上才能使模具保證其要求。
4、零件拔模后，分型線（夾線）出模、外觀、結構的影響。
一般的通孔是通過前后模的碰穿成型，只是碰穿位置的不同，導致夾線的位置也不同，通孔拔模后，一般有以下3種碰穿方式，夾線（批鋒）就產生在前后模的相碰處。
展開 塑膠件的結構設計：卡扣篇（中）
接上篇：塑膠件的結構設計：卡扣篇（上）。
卡扣設計的原則
卡扣設計的最終目標是要實現兩個零件之間的成功連接固定，要達到連接固定的效果，卡扣設計時需要從以下幾方面進行考慮：連接可靠性、約束完整性和裝配協調性，它們是卡扣連接成功的關鍵要求，其他要求還應該包括制造工藝的可行性、成本的高低等。
連接可靠性，是卡扣設計中最重要的一個設計指標，一般會從以下幾個方面去考慮：
l
連接符合功能預期；
l 連接強度；
l 在用戶使用過程中不發生分離、松動、破損、噪聲；
l 能夠適應使用過程中因環境因素引起的產品變形或蠕變；
l 保證維修拆卸的功能與設計預期一致。
實際上，在產品設計過程中，會根據產品的定位、部件的功能以及成本去選擇需要滿足的連接可靠性要求，并不是每個設計都需要完全滿足以上要求，比如有些設計不需要經常拆卸或維修，那么設計符合前三點就可以，如果需要經常拆卸，那么就需要考慮拆后卡扣的功能與設計預期一致，此時卡扣設計的類型選擇或具體設計參數上就會有所改變，比如下圖中同樣是電池蓋，但是應用在充電寶和遙控器上卡扣的設計就會不同。
下面針對懸臂梁卡扣的連接強度計算進行分析介紹：
一、常見的懸臂梁卡扣的主要有以下參數：
1、梁根部的厚度Tb
T
b
一般為壁厚T
w
的50%~60%，太小可能會存在充模和流動問題，太大可能會存在冷卻問題，進而會導致大的殘余應力、縮孔和縮痕。當梁是從壁面延伸出來時，T
b
可等于T
w
。
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塑膠件的結構設計：螺紋連接結構篇（上）
塑膠件的連接結構，有兩種應用較廣泛，一種是卡扣連接（之前文章已有介紹），另一種是螺紋連接。其中螺紋連接我認為是應用最廣泛、最常見的連接結構。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，對于絕大部分產品結構設計的需要，螺紋連接結構還是很難完全被取代，因為，其相對于卡扣連接有以下優點：
連接強度比卡扣大得多，即使受到額外負載也不容易松脫，可靠性高；
可拆卸次數多，特別是使用機牙螺絲的情況下，連接強度并不會受影響很大；
螺絲柱在模具上成型方便，模具結構簡單，且容易調整；
操作簡單，易學，誰不會打個螺絲呢。
當然，相對于卡扣，其缺點如下：
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；
裝配時間長，預埋螺母、放置螺絲、使用電批或螺絲工具的時間成本，間接增加裝配成本；
螺紋連接的結構類型少，設計自由度比較受限，常常在主出模方向設計居多。
結合卡扣和螺紋連接的優缺點，在實際產品結構設計上，常常兼容這兩種連接方式，使產品能夠實現性能與成本的平衡。
塑膠件的螺紋連接結構一般有以下兩種：
一種是采用機械牙螺絲（簡稱機牙螺絲）的結構；
一種是采用自攻牙螺絲（簡稱自攻螺絲）的結構；
這兩種結構比較常見的結構形式如下圖，共同點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；區別在于采用機牙螺絲的螺絲柱內孔需預埋螺母。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（中）
最好的做法是，具有吸水性的塑膠件應該在注塑完成后馬上進行超聲波焊接。如果不能馬上進行焊接，應該以裝有干燥劑的PE袋進行密封包裝；沒有密封包裝的吸水塑膠件，在焊接之前應該進行烘干。
7、除此之外，還有許多其它因素會影響焊接強度：
焊接區域面積。焊線越長，熔融塑料越多，焊接強度越大。但實際上，受注塑精度和治具等因素影響，焊接區域面積會比設計預想的要小很多。
注塑件尺寸精度和質量。注塑缺陷如空隙，會吸收超聲振動，影響能量傳遞。可能會導致零件表面燙傷和內部裂紋，以及較低的焊接強度。
二、塑膠件超聲結構的設計
1、超聲結構
通過超聲產生的能量是瞬時的，接縫面積越大，能量分散越嚴重，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，遠距離焊接應控制在6cm以內。焊接線應控制在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品。等等以上這些限制條件說明要達到良好的焊接效果，必須要設計合理的超聲結構。
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，導熔線，導能線，能量導向器等等。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域，并將超聲波能量集中在三角形的頂點。在焊接過程中，集中的超聲波能量使三角形筋首先熔化，熔化的塑料在焊縫區域流動，在壓力的作用下將零件粘合在一起。
2）為什么需要設計超聲線？
a）縮短焊接時間，當超聲能量一定時，有超聲線的設計需要熔化的體積小且能集中能量，比無超聲線的設計熔化時間要少，同時，焊接時間的縮短有助于避免塑膠件長時間焊接而引起的過焊問題，也避免焊頭與塑件件接觸處損傷問題。
展開 塑膠零件結構設計指南
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如果你有一個蘋果，我有一個蘋果，彼此交換，我們每個人仍只有一個蘋果；
如果你有一種思想，我有一種思想，彼此交換，我們每個人就有了兩種思想。
展開 塑膠件的結構設計：倒角篇
4、應力集中
如果設計目標是為了降低應力集中，則圓角是更好的選擇，這是因為同一尺寸的圓角比斜角具有更大的表面分擔應力。
5、孔或銷
無論是螺孔、定位孔、定位銷，孔或銷的邊緣倒斜角是一個更好的選擇。
二、對于塑膠件
由于塑膠件的成型方式與機加件不同，塑膠件的倒角設計更多的是以圓角為主，斜角為輔（斜角更多的是為了造型需要以及有些結構起到導向作用，還有壁厚漸變過渡），圓角的設計有以下好處：
1、流動性
塑膠件在注塑成型過程中，熔融樹脂的流動性很重要，圓角提供更小的流動阻力，圓角越大，越有利于充填。
在原始設計中，尖角很容易在注塑過程中因渦流造成空氣滯留，導致局部高溫使得零件尖角處燒焦，造成外觀缺陷。優化后增加半徑以保證塑料熔體的流動。
2、塑膠件的強度
熔融聚合物流過和流過鋒利的邊緣會引起剪切，進而導致聚合物鏈斷裂。這些較短的聚合物鏈導致塑膠件的平均分子量較低；因此塑膠件的強度和性能可能會降低。添加圓角半徑，即使是很小的半徑，也將有助于流動并有助于防止這種剪切現象。
3、應力集中
疲勞破壞是由裂紋擴展引起的，而裂紋的形成主要在應力集中部位和構件表面。在截面尺寸突然改變處，如轉角處，要采用半徑足夠大的過渡圓角。從相關曲線可知，隨R的增大，有效應力集中系數迅速減小。圓角有助于將應力分布在更大的表面上，防止受力部分快速變形甚至開裂。（尤其是耐應力開裂性差的聚碳酸酯材料，如果成型條件不當或塑膠件結構不合理，則會產生很大的內應力，特別容易產生應力開裂。）
圖：應力集中系數與圓角的關系曲線
4、便于模具加工、提高模具強度
塑膠件上設計了圓角，模具的對應部位也呈圓角，這就增加了模具的堅固性，模具在淬火或使用時不致因應力集中而開裂，因而也增加了模具的強度。
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