塑料模具设计教程_3-2塑料制件的结构设计（图文教程）

一 尺寸和尺寸精度

   尺寸是指塑件的大小。它取决于塑件的流动性、注射机的注射量、锁模力、模具模板的尺寸大小。尺寸精度是指所获得的塑件尺寸和形状与产品图的符合程度。

   塑件尺寸的大小取决于塑料的流动性。对于流动性差的塑料或薄壁塑件，在进行注射成型和压注成型时，塑件的尺寸不可过大，以免不能充满型腔或形成熔接痕，从而影响塑件的外观和强度。此外，压缩和压注成型的塑件尺寸还会受到压力机吨位及工作台尺寸的限制，注射成型的塑件尺寸也会受到注射机注射量、锁模力和模板尺寸及脱模距离等的限制。

    影响塑件尺寸精度的因素很多，除与模具制造精度及磨损情况有关外，还与塑料收缩率及收缩率波动、成型工艺条件的变化、塑件成型后的时效变化和模具的结构形状有关。因此，塑件的尺寸精度一般不高，在保证使用要求的前提下尽可能选用较低的精度等级。

    目前，我国已颁布了工程塑料模塑件尺寸公差的国家标准（GB/T14486－93，见表3-1）。按此标准规定，塑件尺寸公差的代号为MT，公差等级分为7级，每一级又可分为A、B两部分，其中A为不受模具活动部分影响尺寸的公差；B为受模具活动部分影响尺寸的公差（例如由于受水平分型面溢边厚薄的影响，压缩件高度方向的尺寸）。该标准只规定标准公差值,而基本尺寸的上下偏差可根据塑件的配合性质来分配。

    塑件尺寸精度等级的选用与塑料的品种有关，见表3-2所示。

塑制件公差数值表3-1：

塑料精度等级的选用表3-2：

二 表面粗糙度

    塑件的表面粗糙度是决定塑件表面质量的主要因素。塑件的表面粗糙度主要与模具型腔表面的粗糙度有关。一般来说，模具表面的粗糙度数值要比塑件低1~2级。塑件的表面粗糙度Ra一般为0.8~0.2um。模具在使用过程中，由于型腔磨损而使表面粗糙度不断加大，所以应随时给予抛光复原。透明塑件要求型腔和型芯的表面粗糙度相同，而不透明塑件则根据使用情况来决定它们的表面粗糙度。

该文章所属专题：塑料模具设计教程

三 形状

    塑件内外表面的形状设计在满足使用性能的前提下，应尽量使其有利于成型，尽量不采用侧向抽芯机构。因此，进行塑件设计时应尽可能避免侧向凹凸或侧孔，某些塑件只要适当地改变其形状，即能避免使用侧向抽芯机构，使模具设计简化。表3-3所示为改变塑件形状以利于塑件成型的典型实例。

表3-3 改变塑件形状以利于塑件成型的典型实例

     塑件内侧凹陷或凸起较浅并允许有圆角时，可以采用整体式凸模并采取强制脱模的方法。这种方法要求塑件在脱模温度下应具有足够的弹性，以保证塑件在强制脱模时不会变形。例如聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯等塑料允许模具型芯有5%的凹陷或凸起时采取强制脱模。图3-1a所示为塑件内侧有凹陷或凸起的强制脱模[(A－B)/B≤5%]；图3-1b所示为塑件外侧有凹陷或凸起的强制脱模[(A－B)/C≤5%]。大多数情况下塑件侧凹不能强制脱模。此时应采用侧向分型抽芯机构的模具。

(a) (A－B)/B≤5%                (b) (A-B)/C≤5%

图3-1  可强制脱模的侧向凹凸

四 壁厚

     塑件应有一定的壁厚，这不仅是为了保证塑件在使用中有足够的强度和刚度，而且也为了塑料在成型时能保持良好的流动状态。壁厚的大小对塑料的成型影响很大。壁厚过大，则浪费材料，还易产生气泡、缩孔等缺陷；壁厚过小，则成型时流动阻力大，难以充型，因此应合理选择塑件的壁厚。表3-3列出了热塑性塑件的最小壁厚和推荐值，表3-4列出了热固性塑件的壁厚值，供设计时参考。

热固性塑件壁厚表3-3 

 热塑性塑件壁厚表3-4 

    同一塑件的壁厚应尽可能一致，否则会因冷却或固化速度不同而产生内应力，使塑件产生变形、缩孔及凹陷等缺陷，影响塑件的使用。当然，要求塑件各处壁厚完全一致也是不可能的。如果在结构上要求塑件具有不同的壁厚时，不同壁厚的比例不应超过1:3，且应采用适当的修饰半径使厚薄部分缓慢过渡。表3-5为改善塑件壁厚的典型实例。

表3-5 改善塑件壁厚的典型实例

    壁厚设计要求，能充满型腔；能节省材料； 具有足够的强度和刚度；能承受脱模推出力； 能承受装配时的紧固力； 尽可能壁厚均匀，避免产生翘曲、气泡、缩孔、凹陷、裂纹等缺陷。

该文章所属专题：塑料模具设计教程

五 脱模斜度

     脱模斜度为便于脱出型芯、型腔，塑件内外表面沿脱模方向留有的斜度。

图3-2  塑件的脱模斜度

    塑件上脱模斜度的大小，与塑件的性质、收缩率大小、摩擦系数大小、塑件壁厚和几何形状有关。硬质塑料比软质塑料脱模斜度大；形状复杂或成型孔较多的塑件应取较大的脱模斜度；塑件高度愈高，孔愈深，则应取较小的脱模斜度；壁厚增加，内孔包住型芯，脱模斜度也应大些。一般情况下，脱模斜度不包括在塑件公差范围内，否则在图样上应予以注明。在塑件图上标注时，内孔以小端为基准，斜度沿扩大的方向取得；外形以大端为基准，斜度沿缩小的方向取得。常用塑件的脱模斜度见表3-6。

常见塑件脱模斜度表3-6：

六 加强肋

    加强肋的作用是在不增加壁厚的情况下增加塑件的强度和刚度，防止塑件翘曲变形。其结构尺寸如图3-3所示。若塑件壁厚为δ，则加强肋的高度L=（1~3）δ，肋宽A=（1/4~1）δ，R=（1/8~1/4）δ，肋端部圆角r＝δ/8，α=20~50。当δ≤2mm时，可取A=δ。

图3-3 加强肋的尺寸

    一般情况下，加强肋的厚度不应大于塑件的壁厚，否则壁面会因肋根的内切圆处的缩孔而产生凹陷；加强肋与塑件壁连接处应采用圆角过渡；加强肋端面高度不应超出塑件高度，宜低于塑件表面0.5mm以上，设计时尽量采用数个高度较矮的肋代替孤立的高肋。加强肋的设置方向除应与受力方向一致外，还应尽可能与熔体流动方向一致，以免料流受到搅乱，使塑件的韧性降低。表3-6所示为加强肋设计的典型实例。

表3-6  加强肋的典型实例

七 支承面 与凸台

    以塑件的整个底面作为支承面是不合理的，因为塑件稍有翘曲或变形就会使底面不平。通常情况下采用塑件凸起的边框或底脚（三点或四点）来作支承面，如图3-4所示。图3-4a所示以整个底面作为支承面，是不合理结构；图3-4b和图3-4c所示分别以塑件凸起的边框和底脚作为支承面，设计较为合理。

图3-4 塑件的支承面

    凸台一般位于边角部位，几何尺寸小，高度不超过其直径的两倍，有脱模角度，能承受紧固力，转折处不应有突变，连结面应局部接触。凸台是用来增强孔、装配附件的

八 圆角

    为了避免应力集中，提高塑件的强度，改善熔体的流动情况和便于脱模，在塑件各内外表面的连接处，均应采用过渡圆弧，如图3-5所示。而对于塑件的某些部位，如成型必须处于分型面、型芯与型腔配合处等位置，则不便制成圆角，而应采用尖角。此外，圆弧还使塑件变得美观，并且模具型腔在淬火或使用时也不致因应力集中而开裂。

图3-5  塑件上的圆角

    内圆角R、壁厚δ与应力集中系数之间的关系如图3-6所示，由图可见，将R/δ控制在0.25~0.75的范围内比较合理。在无特殊要求时，塑件各连接处的圆角半径不小于0.5～1mm,尺寸如图3-7所示。

图3-6  R/δ与应力集中系数的关系曲线                  图3-7  圆角半径尺寸

该文章所属专题：塑料模具设计教程

九 孔的设计

    塑件上常见的孔有通孔、盲孔、异形孔（形状复杂的孔）和螺纹孔等（螺纹孔在后面介绍）。这些孔均应设置在不易削弱塑件强度的地方，且在孔与孔之间、孔与边壁之间应留有足够的距离。热固性塑件两孔之间及孔与边壁之间的关系见表3-7。当两孔直径不一样时，按小的孔径取值；热塑性塑件两孔之间及孔与边壁之间的关系可按表3-7中所列数值的75%确定。

表3-7  热固性塑件孔间距、孔边距                    mm

    塑件上固定用孔和其它受力孔的周围可设计一凸边或凸台加强，如图3-8所示。

   图3-8 孔的加强

1. 通孔

    进行通孔设计时孔深不能太大，通孔深度不应超过孔径的3.75倍，压缩成型时犹应注意。 成型通孔用的型芯一般有以下3种安装方法，如图3-9所示。在图3-9a中，型芯一端固定，这种方法虽然简单，但会出现不易修整的横向飞边，且当孔较深或孔径较小时型芯易弯曲；在图3-9b中，用两个型芯来成型，并使一个型芯径向尺寸比另一个大0.5~1.0mm；这样即使稍有不同心也不致引起安装和使用上的困难，其特点是型芯长度缩短了一半，稳定性增加，这种成型方式适用于较深的孔且孔径要求不很高的场合；在图3-9c中，型芯一端固定，一端导向支撑，这种方法使型芯既有较好的强度和刚度，又能保证同心度，较为常用，但导向部分因导向误差发生磨损后，会产生圆周纵向溢料。

2. 盲孔

    盲孔只能用一端固定的型芯来成型，因此其深度应浅于通孔。注射成型或压注成型时，孔深不应超过孔径的4倍；压缩成型时，孔深应浅些，平行于压制方向的孔深一般不超过孔径的2.5倍，垂直于压制方向的孔深一般不超过孔径的2倍。直径小于1.5mm的孔或深度太大（大于以上值）的孔最好用成型后机械加工的方法获得。

3. 异形孔

    当塑件孔为异形孔（斜度孔或复杂形状孔）时，常常采用拼合的方法来成型，这样可以避免侧向抽芯。图3-10所示为几个用拼合型芯成型异形孔的典型例子。

图3-9  通孔的成型方法

图3-10  用拼合型芯成型异形孔

十 螺纹的设计

    塑件上的螺纹既可以直接用模具成型，也可以在成型后用机械加工方法成型。对于需要经常拆装和受力较大的螺纹，应采用金属螺纹嵌件。塑件上的螺纹一般应选用较大的螺牙尺寸，直径较小时也不宜选用细牙螺纹，否则会影响使用强度。表3-8列出了塑件螺纹的选用范围。

表3-8  塑件螺纹的选用范围

             注：表中“+”为建议采用的范围

    塑件上螺纹的直经不宜过小，外径不应小于4mm，内径不应小于2mm，精度不超过3级。如果模具上螺纹的螺距未考虑收缩值，那么塑件螺纹与金属螺纹的配合长度则不能太长，一般不大于螺纹直径的1.5~2倍，否则会因干涉而造成附加内应力，使螺纹连接强度降低。

    为了防止螺纹最外圈崩裂或变形，应使螺纹最外圈和最里圈留有台阶，如图3-11和图3-12所示。

a）错误                                                  b）正确

图3-11  塑件内螺纹的正误形状

a）错误                                   b）正确

图3-12  塑件外螺纹的正误形状

螺纹的始端和终端应逐渐开始和结束，有一段过渡长度l，其数值可按表3-9选取。

表3-9  塑件上螺纹始末端的过渡长度

    注：始末端的过渡长度相当于车制金属螺纹型芯或型腔的退刀长度。

    螺纹直接成型的方法有：采用螺纹型芯或螺纹型环在成型之后将塑件旋下；外螺纹采用瓣合模方法，该方法成型效率高，但精度较差，且有飞边；要求不高的软塑件成型内螺纹时，可强制脱模，这种螺纹浅，断面呈椭圆形，如图3-13所示。

图3-13  可强制脱模的圆牙螺纹

在同一型芯（或型环）上，当前后两段都有螺纹时，应使两段螺纹的旋向相同，螺距相等，如图3-14a所示，否则无法使塑件从型芯（或型环）上旋下来。当螺距不等或旋向不同时，则应采用两段型芯（或型环）组合在一起的方法，成型后分别旋下来，如图3-14b所示。

    图3-14  两段同轴螺纹的设计

该文章所属专题：塑料模具设计教程

十一 齿轮

    塑料齿轮目前主要用于精度和强度不太高的传动机构，其主要特点是重量轻、传动噪音小，可制作齿轮的塑料有尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜等。为了使塑料齿轮适应注射成型工艺，齿轮的轮缘、辐板和轮毂均应有一定的厚度，如图3-15所示。

齿轮各部分的尺寸关系如下：

（1）最小轮缘宽度t1应为齿高t的3倍；

（2）辐板厚度H1应不大于轮缘厚度H；

（3）轮毂厚度H2应不小于轮缘厚度H；

（4）最小轮毂外径D1应为轴孔直径D的1.5～3倍；

（5）轮毂厚度H2应相当于轴径D。

图3-15  齿轮各部分尺寸

    为了减少尖角处的应力集中及齿轮在成型时内部应力的影响，应尽量避免截面的突然变化，尽可能加大圆角及过渡圆弧的半径。为了避免装配时产生内应力，轴与孔的配合应尽可能不采用过盈配合，而采用过渡配合。图3-16为轴与孔采用过渡配合的两种形式，其中，用月形孔配合（图3-16a）比用销孔固定形式（图3-16b）要好。

    对于薄型齿轮，如果厚度不均匀，则会引起齿型歪斜，用无轮毂无轮缘的齿轮可以很好地解决这种问题。另外，当辐板上有较大的孔时（见图3-17a），因孔在成型时很少向中心收缩，所以也会使齿轮歪斜；若轮毂和轮缘之间采用薄肋时（见图3-17b），则能保证轮缘向中心收缩。由于塑料的收缩率大，所以一般只宜用收缩率相同的塑料齿轮相互啮合。 

图3-16  塑料齿轮的固定形式                  图3-17  塑料齿轮的辐板结构

十二 嵌件

    在塑件中嵌入其它零件形成不可拆卸的连接，所嵌入的零件称为嵌件。塑件中嵌入嵌件的目的是为了提高塑件的强度、硬度、耐磨性、导电性、导磁性等，或者是增加塑件尺寸和形状的稳定性，或者是降低塑料的消耗。嵌件的材料可以是金属材料，也可以是玻璃、木材和已成型的塑件等非金属材料，其中金属嵌件的使用最为广泛，其结构如图3-18所示。图3-18a为圆筒形嵌件；图3-18b为带台阶圆柱嵌件；图3-18c为片状嵌件；图3-18d为细杆状贯穿嵌件。

图3-18  常见的嵌件种类

    金属嵌件的设计原则：

（1）嵌件应可靠地固定在塑件中

    为了防止嵌件受力时在塑件内转动或脱出，嵌件表面必须设计有适当的凹凸形状。图3-19a所示为最常用的菱形滚花，其抗拉和抗扭强度都比较大；图3-19b所示为直纹滚花，这种滚花在嵌件较长时允许塑件沿轴向少许伸长，以降低这一方向的内应力，但在这种嵌件上必须开设环形沟槽，以免在受力时被拔出；图3-19c所示为六角形嵌件，因其尖角处易产生应力集中，故较少采用；图3-19d所示为用孔眼、切口或局部折弯来固定片状嵌件；薄壁管状嵌件也可用边缘折弯方法固定，如图3-19e所示；针状嵌件可采用将其中一段砸扁或折弯的办法固定，如图3-19f所示。

图3-19  金属嵌件在塑件内的固定方式

（2）模具中嵌件应定位可靠

    模具中的嵌件在成型时要受到高压熔体流的冲击，可能发生位移和变形，同时熔料还可能挤入嵌件上预制的孔或螺纹线中，影响嵌件的使用，因此嵌件必须在模具中可靠定位。图3-20和图3-21所示分别为外螺纹嵌件和内螺纹嵌件在模具内的固定方法。一般情况下，注射成型时，嵌件与模板安装孔的配合为H8/f8；压缩成型时，嵌件与模板安装孔的配合为H9/f9。当嵌件过长或呈细长杆状时，应在模具内设支撑以免嵌件弯曲，但这时在塑件上会留下支撑孔，如图3-22所示。

图3-20  外螺纹嵌件在模具内的固定

图3-21  内螺纹嵌件在模具内的固定

图3-22  细长嵌件在模具内的支撑固定

1－嵌件；  2－支撑柱

（3）嵌件周围的壁厚应足够大

    由于金属嵌件与塑件的收缩率相差较大，致使嵌件周围的塑料存在很大的内应力，如果设计不当，则会造成塑件的开裂，而保持嵌件周围适当的塑料层厚度可以减少塑件的开裂倾向。对于酚醛塑料及与之相类似的热固性塑料的金属嵌件周围塑料层厚度可参见表3-10。另外，嵌件不应带有尖角，以减少应力集中。热塑性塑料注射成型时，应将大型嵌件预热到接近物料温度。对于应力难以消除的塑料，可在嵌件周围覆盖一层高聚物弹性体或在成型后进行退火。嵌件的顶部也应有足够的塑料层厚度，否则会出现鼓泡或裂纹。

表3-10  金属嵌件周围塑料层厚度                   mm

    成型带嵌件的塑件会降低生产效率，使生产不易实现自动化，因此在设计塑件时应尽可能避免使用嵌件。 

十三 符号、文字和标记

   由于装潢或某些特殊要求，塑件上有时需要带有文字或图案符号的标志，如图3-23所示。标志应放在分型面的垂直方向上，并有适当的斜度以便脱模。如果塑件字记是凸的，在模具上则为凹形，加工比较容易，文字可用刻字机刻制，图案等可用手工雕刻或电加工等方法加工，但凸起的标记符号容易磨损；如果塑件字记是凹形的，在模具上则为凸形，用一般的机械加工方法难以满足，可采用电火花、冷挤压或电铸等方法加工。位于塑件凹处的凸字具有很多优点，无论在研磨抛光或使用时都不易磨损破坏，而又容易加工，因而被广泛采用。 

 图3-23  塑件上的标志形式

该文章所属专题：塑料模具设计教程