2　注塑件设计
　　塑件设计是一项系统性、综合性的工程策划。首先要考虑满足使用功能；然后进行材料选择；确定成型方法(尤其要注意塑件的分型、脱模、排气等)；最后才是结构尺寸和技术要求的确定，这时还要顾及品质控制和外表造型及工艺性。整个过程要与生产成本和效率紧密地相结合。 
2.1　塑件的几何形状结构
　　塑件主要是根据使用要求进行设计的,由于塑料有其特殊的物理力学性能，因此，设计塑件时必须充分发挥其性能上的优点，避免或补偿其缺点。在满足使用要求的前提下，塑件形状应尽可能地做到简化模具结构，符合成型工艺特点。在设计塑件时必须考虑以下几方面的因素: 
　　（l）塑料的物理力学性能，如强度、刚度、韧性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性。 
　　（2）塑料的成型工艺性，如流动性。 
　　（3）塑料形状应有利于充模流动、排气、补缩,同时能适应高效冷却硬化(热塑性塑料制件)或快速受热固化(热固性塑料制件)。 
　　（4）塑件在成型后收缩情况及各向收缩率的差异。 
　　（5）模具的总体结构，特别是抽芯与脱出塑件的复杂程度。
　　（6）模具零件的形状及其制造工艺。 
　　以上前四条主要是指塑料性能特点，后两条主要是考虑模具结构特点，塑件设计的主要内容包括塑件的形状、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚、斜度，以及塑件上加强肋、支承面、孔、圆角、螺纹、嵌件等的设置。 
2.1.1　壁厚 
　　各种塑件，不论是结构件还是板壁，根据使用要求具有一定的厚度，以保证其力学强度。一般地说,在满足力学性能的条件下厚度不宜过厚，不仅可以节约原材料，降低生产成本，而且使塑件在模具内冷却或固化时间缩短提高生产率；其次可避免因过厚易产生的凹陷、缩孔、夹心等质量上的缺陷。但是过薄会使熔融塑料在模具型腔内的流动阻力增大，造成成型困难,相应地给加工设备的能力(如压力、锁模力等)和模具的设计制造提高要求。另外,当厚度和表面积尺寸相悬较大时，会使塑件翘曲,影响质量。 
2.1.1.1　制件壁厚的作用 
　　(1）使制件具有确定的结构和一定的强度、刚度,以满足制件的使用要求。 
　　(2）成型时具有良好的流动状态(如壁不能过薄)以及充填和冷却效果(如壁不能太厚)。 
　　(3）合理的壁厚使制件能顺利地从模具中推出。
　　(4）满足嵌件固定及零件装配等强度的要求。
　　(5）防止制件翘曲变形。
2.1.1.2　制件壁厚的设计
　　制件壁厚设计的基本原则——均匀壁厚，即充模、冷却收缩均匀，形状性好，尺寸精度高，生产率高。
　　(1）在满足制件结构和使用要求的条件下，尽可能采用较小的壁厚。
　　(2）制件壁厚的设计,要能承受顶出装置等的冲击和振动。
　　(3）在制件的连接固紧处、嵌件埋入处、塑料熔体在孔窗的汇合(熔接痕)处，要具有足够的厚度。
　　(4）保证储存、搬运过程中强度所需的壁厚。
　　(5）满足成型时熔体充模所需壁厚，既要避免充料不足或易烧焦的薄壁,又要避免熔体破裂或易产生凹陷的厚壁。
　　塑件的壁厚应尽量均匀，壁与壁连接处的厚薄不应相差太大，并且应尽量用圆弧过渡；否则连接处由于冷却收缩得不均匀，产生内应力而使塑件开裂。热塑性塑件的壁厚，常在l~5 mm范围内选取;热固性塑件的壁厚，小件常在1.5~2.5 mm范围内选取,大件常在3~10 mm范围内选取。精密塑件的壁厚可以不受上述范围限制，例如，轻巧的“随身听”壁厚就小于l mm，与幅跨的比例小于1/l00。
　　此外,壁厚的取值范国还因选用的聚合物而异。对于流动性比较好的材料，如聚乙烯、聚丙烯和聚酰胺等，壁厚可以薄一些,一般塑件可以小于l mm，甚至可达0.6 mm。表2为热塑性塑料制件的壁厚推荐值，表3为热固性塑料制件的壁厚推荐值。
表2　热塑性塑料制件的壁厚推荐值               mm
塑料材料 最小壁厚 小型制件壁厚 中型制件壁厚 大型制件壁厚
尼龙 0.45 0.76 1.5 2.4~3.2
聚乙烯 0.6 1.25 1.6 2.4~3.2
聚苯乙烯 0.75 1.25 1.6 3.2~5.4
高抗冲聚苯乙烯 0.75 1.25 1.6 3.2~5.4
聚氯乙烯 1.2 1.6 1.8 3.2~5.8
有机玻璃 0.8 1.5 2.2 4.0~6.5
聚丙烯 0.85 1.45 1.75 2.4~3.2
氯化聚醚 0.9 1.35 1.8 2.5~3.4
聚碳酸酯 0.95 l.80 2.3 3~4.5
聚苯醚 1.2 l.75 2.5 3.5~6.4
醋酸纤维素 0.7 1.25 1.9 3.2~4.8
乙基纤维素 0.9 1.25 l.6 2.4~3.2
丙烯酸类 0.7 0.9 2.4 3.0~6.0
聚甲醛 0.8 1.40 l.6 3.2~5.4
聚砜 0.85 1.80 2.3 3~4.5
 
表3　固定宽度热固性塑料制件的壁厚推荐值     mm
塑料 最小壁厚 推荐壁厚 最大壁厚
醇酸树脂一玻纤填充 l.0 3.0 12.7
醇酸树脂一矿物填充 l.0 4.7 9.5
酞酸二烯丙醋(DAP) l.0 4.7 9.5
环氧树脂一玻纤填充 0.76 3.2 25.4
三聚氰胺甲醛树脂一纤维素填充 0.9 2.5 4.7
氨基塑料一纤维填充 0.9 2.5 4.7
酚醛塑料(通用型) 1.3 3.0 25.4
酚醛一棉短纤填充 1.3 3.0 25.4
酚醛一玻纤填充 0.76 2.4 19.0
酚醛一织物填充 1.6 4.7 9.5
酚醛一矿物填充 3.0 4.7 25.4
硅酮一玻纤填充 1.3 3.0 6.4
聚酯预混物 1.0 1.8 25.4
 
 
　　制件的壁厚太大，塑料在模具中需要冷却的时间越长，产品的生产周期也会延长。制件的壁厚太薄,刚性差，不耐压，在脱模、装配、使用中容易发生损伤及变形；另外，壁厚太薄，模腔中流道狭窄，流动阻力加大，造成填充不满，成型困难。壁厚与流程的关系见表4。

表4　壁厚(S)与流程(i)的关系       mm
塑料品种 计算公式
流动性好(PE,PA等) S=(+0.5)×0.6
流动性中等(PMMAPOM等) S=(+0.8)×0.7
流动性差(PC,PSu)等 S=(+1.2)×0.9
 

 　　制件的壁厚原则上要求一致。壁厚不均匀，成型时收缩会不均匀，产生缩孔和内部应力，以致发生变形或者开裂。图12所示为底厚改进设计，图13所示为壁厚改进设计。

图12　底厚改进设计


图13　壁厚改进设计
　　图14所示为采用掏空的方式尽量使壁厚均匀，消除翘曲、凹痕和应力。当不同的壁厚无法避免时，应采用倾斜方式使壁厚逐渐变化，如图15所示。

图14　防止变形的壁厚设计


图15　不同壁厚的设计
　　图16所示为用空心形状来减少塑料质量的设计。图17所示为用掏空方式达到壁厚均匀设计。图18所示为改进圆柱部分壁厚的设计。

图16　手柄壁厚设计

图17　塑料轴承壁厚设计

图18　塑件圆柱部分壁厚改进
2.1.2　脱模斜度 
　　由于塑料制件成型时冷却过程中产生收缩。使其紧箍在凸模或成型芯上。为了便于脱模，防止因脱模力过大而拉坏塑件或使其表面受损，与脱模方向平行的塑件内、外表面都应具有合理的斜度，如图19所示。


图19　塑件的斜度
　　脱模斜度的大小与下列因素有关: 
　　(1）制件精度要求越高，脱模斜度应越小。 
　　(2）尺寸大的制件，应采用较小的脱模斜度。 
　　(3）制件形状复杂不易脱模的,应选用较大的斜度。 
　　(4）制件收缩率大，斜度也应加大。 
　　(5）增强塑料宜选大斜度，含有自润滑剂的塑料可用小斜度。
　　(6）制件壁厚大，斜度也应大。 
　　(7）斜度的方向。内孔以小端为准,满足图样尺寸要求,斜度向扩大方向取得; 外形则以大端为准,满足图样要求,斜度向偏小方向取得。一般情况下,脱模斜度α可不受制件公差带的限制,高精度塑料制件的脱模斜度则应当在公差带内。
　　脱模斜度α值可按表5、表6选取。 
表5　热塑性塑料制件脱模斜度
塑料品种 脱模斜度
制件外表面 制件内表面
PA（通用） 20~40' 25~40'
PA（增强） 20~50' 20~40'
PE 20~45' 25~45'
PMMA 30~50' 35'~1°
PC 35~1° 30'~50'
PS 35~1.35° 30'~1°
ABS 40~1.20° 35'~1°
 
表6　热固性塑料制件外表面脱模斜度
制件高度/mm <10 10~30 >30
脱模斜度 25~30' 30~35' 35~40'
 
　　具备以下条件的型芯,可采用较小的脱模斜度:
　　(1）推出时制件刚度足够。
　　(2）制件与模具钢材表面的摩擦因数较低。
　　(3）型芯的表面粗糙度值小，抛光方向又与制件的脱模方向一致。
　　(4）制件收缩量小，滑动摩擦力小。 
　　在不影响尺寸精度的情况下，制件的内外表面都应有斜度,特别是深形的容器类制件，制件内侧的斜度可以比外侧的斜度大1°，如图20所示。 

图20　内外表面斜度
　　当只在制件的内表面有斜度时，制件会留在凹模内,凹模一边应设有推出装置，如图21所示。 

图21　外表面无斜度
　　箱形或盖状制件的脱模斜度随制件高度略有不同，高度在50 mm以下，取l/30~1/50；高度超过l00 mm，取l/60；在二者之间的取1/30~l/60。格子状制件的脱模斜度与格子部分的面积有关，一般取1/12~l/l4。 
2.1.3　加强肋、凸台及支承面
　　加强肋可定义为塑件上长的突起物,在不增加壁厚的条件下,刚度。凸合是塑件上用来增强孔或供装配附件用的凸起部分,如图22所示。

图22　加强肋与凸台
2.1.3.1　加强肋
　　塑件上适当设置的加强肋可以防止塑件的翘曲变形;沿着物料流动方向的加强肋还能降低充模阻力,提高熔体流动性,避免气泡、缩孔和凹陷等现象的产生。 
　　典型的加强肋形状和比例关系如图23所示。加强肋的高度h≤3t(t为塑件壁厚)，脱模斜度α=2~5°。加强肋的顶部应为圆角,底部以半径为R的圆角向周围过渡，R≥0.25t；加强肋宽度b<t，常取b=0.5t。通常，加强肋以高度低(过高时容易在弯曲和冲击负荷作用下受损)、宽度小，而数量多(塑件形状所允许的条件下)为好。图24所示为加强肋宽度，b过宽引起了塑件表面缩瘪缺陷的发生。图25(a)是把大的加强肋改为多条小的加强肋；而图25(b)是把加强肋连结成格子形状。这样，既可提高制件强度，又可防止缩瘪缺陷产生。 加强肋位置的布局应注意以下几点： 

图23　加强肋的结构

图24　宽加强肋的缩瘪

图25　加强肋的防缩瘪措施
 
　　(1）加强肋的方向应尽量与物料充模时熔体流动的方向保持一致，以避免因流动受阻出现的成型缺陷或造成塑件的强度和刚度下降。
　　(2）加强肋应位于制件受力位置上；在有多条肋的情况下，应使各肋的排列互相错开，防止因收缩不均匀而引起的开裂。图26(a)属不合理的布局，会因肋厚集中而出现缩瘪或气泡；宜改为图26(b)所示的布局。

图26　加强肋的布局
 
　　(3）较大表面积或外观要求较高的情况下，应避免把加强肋设置在大表面的中部，以防止熔体流动缺陷产生的流纹和凹陷等。为了掩盖凹陷，可在肋所对应的外壁处设置楞沟或流纹，如图27所示。图中的侧向表面，因无楞沟而出现流纹，影响塑件的外观。

图27　楞沟结构的作用
　　如图28所示，在长形或深形箱体的转角处设置加强肋，能有效地克服翘曲变形现象。
 
图28　转角处设置加强肋
 
　　加强肋还可起辅助浇道的作用，改善熔体的流动充模状态。图29(a)所示制件强度低，易变形，成型充模困难；图29(b)所示为改进后的状态。
 
图29　加强肋改善流动的设计
 
　　加强肋应设计得低一些、多一些为好。深而狭窄的沟槽会给模具加工带来困难。高而厚会使加强肋所在处的壁厚不均，易形成缩孔和表面凹陷。图30(a)所示虚线处成型会形成表面凹陷，为不良设计；图30(b)为较好的设计。
 
图30　加强肋深浅设计
 
加强肋的方向应与模压方向或模具的开模方向一致，便于脱模。
另外，还应注意制件的收缩方向，如图31所示。
 
图31　加强肋与收缩方向图
 
加强肋的端面应低于塑料制件支承面0.5~l mm，如图32所示。
图32　加强肋与支承面
 
2.1.3.2　凸台
　　凸台一般位于有加强肋的部位或制件的边缘，如图33所示。凸台处一般能承受较大的推出力，有利于布置推杆。

图33　有加强肋时凸台的位置设计
　　太接近制件的角落或侧壁会增加模具制造的困难，如图34所示。

图34　凸台的位置设计
　　凸台处于平面或远离壁面时，应用加强肋加强，提高其强度并使制件成型容易。
　　安装紧固凸台的台阶支承面不宜太小，在转折处不要突然变化，应当平缓地过渡，如图35所示。图35(a)为不好的设计，图35(b)为较好的设计。
 
图35　安装紧固凸台的设计
 
凸台应尽量设计成圆形断面，非圆形断面会增加模具制造的困难，如图36所示。
 
图36　凸台的形状设计
 
2.1.3.3支承面
以塑件的整个底面作支承面是不合理的，因为塑件稍许翘曲或变形就会使底面不平。常以凸出的底脚(三点或四点)或凸边来作支承面，如图37所示。
 
图37　用底脚或凸边作支承面
 
当塑件底部有加强肋时，应使加强肋与支承面相差0.5~1 mm的高度，如图32所示。图38所示为内框支承面。图39所示为支脚支承面。
图38　内框支承面
 
图39　支脚支承面
 
2.1.3.4其他结构
除了上述的加强肋、度、防止翘曲变形的作用。图40所示的结构使器皿类塑件的边缘增强，实质上是加强肋的变异；图41所示结构使容器底部得以增强；图42所示结构
图40　器皿边缘的增强  


图41　器皿底部的增强


图42　侧壁的增强


图43　预防内凹的方法图


图44　防变形的大抛物
 
　　使侧壁增强。有时为了防止软塑料矩形薄壁容器内凹翘曲，而采用预防措施——有意识地先将侧壁设计得稍微外凸，待内凹后恰好平直，如图43所示。这种补偿思维方式能有效地应用于精密塑件的设计，对于不是均匀收缩的塑件，则应考虑在不同部位形态轮廓尺寸上增加或减小某一数值，使成型后的塑件正好在公差范围之内。此外，对于大平面塑件，防止其变形的措施是将形状改为圆弧曲面，若考虑到外观优美，可用抛物面外形，如图44所示。