设计塑料部件是一项复杂的工作,涉及到许多解决应用一系列需求的因素。“部件的用途是怎样?”“在装配时与其他部件之间的安装方式如何?”“在使用时会承受哪些负载?”除了功能和结构问题,加工问题对注塑成型的塑料部件设计有巨大影响。熔融塑料注入、填充以及在腔体内冷却从而形成部件的方式在很大程度上决定了部件的特性必须采用何种形式。遵循注塑成型部件设计的一些基本规则除了更易于制造和组装之外,通常会使零件在使用时更为坚固。将部件分成基本组有助于您以符合逻辑的方式构建部件,同时最大程度减少成型问题。在部件开发过程中,始终要记住部件成型的方式,以及如何最大程度降低应力。

目录

(a) 应用
(b) 非常适合注塑成型的聚合物
(c) 注塑成型设备
(d) 注塑成型流程
(e) 注塑成型循环
(f) 不同类型的注塑成型流程
(g) 应力
(h) 浇口
(i) 常见浇口
(j) 浇口位置
(k) 壁厚
(l) 拔模
(m) 凹痕
(n) 纹理
(o) 分模线
(p) 常见的成型缺陷

应用^ 返回顶部

注塑成型是制造塑料零件的首选方法。注塑成型用于创建许多东西,例如电子设备外壳、容器、瓶盖、汽车内饰、梳子以及如今可用的大多数其他塑料产品。由于使用多型腔注塑模具能够在每个周期生产多个零件的事实,注塑成型成为生产大量塑料零件的理想选择。注塑成型的一些优点是公差精度高、可重复性、材料选择范围大、劳动力成本低、废料损失最小并且在成型后几乎不需要抛光零件。此流程的一些缺点是昂贵的前期模具投资和工艺限制。

非常适合注塑成型的聚合物^ 返回顶部

可以使用大多数聚合物,包括所有热塑塑料和一些弹性体。有数万种不同的材料可用于注塑成型。可用的材料与先前开发的材料的合金或混合物混合意味着产品设计者可以从大量材料中进行选择,以找到具有恰当特性的材料。根据最终零件所需的强度和功能选择材料;但必须考虑每种材料都有不同的成型参数。常见的聚合物如尼龙、聚乙烯和聚苯乙烯都是热塑性的。

注塑成型设备^ 返回顶部

注塑成型机床:

注塑成型机床也称为压力机,包含料斗、注塑柱塞或螺杆式活塞以及加热装置。将模具夹在成型机床的模具上,其中塑料通过浇口孔注入模具中。压力机的额定值为吨位,即计算机床可以施加的夹紧力的量。这一受力在注射成型过程中保持模具闭合。吨位可以不到 5吨到 6000 吨不等,尽管吨位较高的压力机很少使用。所需的总夹紧力由成型的定制零件的投影面积决定。对于每平方英寸的投影面积有 2 至 8 吨的锁模力。根据经验,大多数产品可以使用 4 或 5 吨/英寸。如果塑料材料非常坚固,则需要更多的注塑压力来填充模具,因此需要更多的夹紧吨位来保持模具闭合。所需的受力也可以通过所使用的材料和零件尺寸来确定,塑料零件越大,需要的夹紧力越高。

模具:

型腔模具或冲压模具是指在成型时用于生产塑料零件的工具。传统注塑模具的制造成本很高,并且仅在生产数千个零件的大批量生产应用中使用。模具通常由硬化钢、预硬化钢、铝和/或铍铜合金构成。用于制造模具的材料选择主要基于经济因素。钢模具的构造成本通常较高,但寿命较长,通过在磨损前制造的更多零件,这将抵消较高的初始成本。预硬钢模具耐磨性较差,主要用于较低的体积要求或较大的组件。预硬化钢的硬度通常 Rockwell-C 等级为 38-45。硬化钢模具在机械加工后进行热处理,使其在耐磨性和使用寿命方面更出色。典型的硬度范围为 50 到 60 Rockwell-C (HRC)。

铝模具的成本远低于钢模具,当使用 QC-7 和 QC-10 飞机铝等较高等级的铝材并使用现代化的计算机化设备加工时,它们可以经济地成型数十万个零件。由于更好的散热,铝模具还可提供快速周转和更快的循环。它们也可以加涂层以抵抗玻璃纤维增强材料的耐磨性。铍铜合金在需要快速散热的模具区域或看到产生最多剪切热的区域中使用。

注塑成型流程^ 返回顶部

通过注塑成型,粒状塑料通过重力从料斗进料到加热桶中。当颗粒通过螺旋式柱塞缓慢向前推动时,塑料被迫进入称为桶的加热室,在那里熔化。随着柱塞的前进,熔化的塑料被迫通过靠在模具浇口衬套上的喷嘴,允许其通过浇口和流道系统进入模腔。模具保持在设定温度,因此塑料几乎可以在模具填充后立即固化。

注塑成型循环^ 返回顶部

塑料零件注塑成型期间的一系列活动称为注塑成型循环。当模具闭合时,循环开始,然后将聚合物注入模腔。填充空腔后,就会维持保持压力以补偿材料收缩。在下一步骤中,螺杆转动,将下一次注塑送入前部螺杆。这将导致螺杆在准备下一次注塑时缩回。零件充分冷却后,模具打开,零件弹出。

不同类型的注塑成型流程^ 返回顶部

尽管上述传统流程涵盖了大多数注塑成型流程,但有几个重要的成型变动,包括:

  • 共注塑(夹心)成型
  • 易熔(消失模、可溶)芯注塑成型
  • 气辅注塑成型
  • 模具内装饰和模具内层压
  • 注塑压缩成型
  • 液态硅橡胶注塑成型
  • 插入和外插成型
  • 层状(微层)注塑成型
  • 低压注塑成型
  • 微注塑成型
  • 微孔成型
  • 多组分注塑成型(包覆成型)
  • 多个实时进料注塑成型
  • 注塑成型粉末
  • 推拉注塑成型
  • 反应注塑成型
  • 树脂转移成型
  • 流变成型
  • 结构泡沫注塑成型
  • 结构反应注塑成型
  • 薄壁成型
  • 振动气体注塑成型
  • 水辅注塑成型
  • 橡胶注塑

压力^ 返回顶部

任何注塑塑料零件成型的主要敌人都是压力。当塑料树脂(含有长分子应变)熔化以准备成型时,由于挤出机的热和剪切力,分子键暂时断裂,使分子流入模具。通过压力,树脂被迫进入模具填充模具的每个特征、裂缝和缝隙。当分子被推过每个特征时,它们被迫弯曲、转动和扭曲以形成零件的形状。与采用具有宽大半径的轻微转弯相比,转动硬角或尖角会对分子施加更大的压力。从一个特征到另一个特征的突然转变对于分子填充和形成也很困难。

当材料冷却并且分子键将树脂重新连接成其刚性形式时,这些应力实际上锁定在零件中。零件应力可能导致翘曲、凹痕、开裂、过早失效及其他问题。

虽然注塑成型零件中预期会产生一些应力,但您设计零件时应尽可能多地考虑减少应力。实现这一点的一些方法是通过在特征之间添加平滑过渡以及在可能的高应力区域中使用圆角和倒角。

浇口^ 返回顶部

每个注塑模具设计必须具有浇口或开口,以便将熔融塑料注入模具的腔体中。浇口类型、设计和位置会对零件包装、浇口移除或痕迹、零件的外观以及零件尺寸和翘曲等产生影响。

浇口类型
有两种类型的浇口可用于注塑成型:手动修剪的浇口和自动修剪的浇口。

手动修剪的浇口:

这些类型的浇口需要操作员在每个周期后手动从流道分离。选择手动修剪的浇口有几个原因:

  • 浇口太大,机床无法自动剪切
  • 剪切敏感材料如 PVC 无法暴露于高剪切速率下
  • 某些设计的流量分配需要在宽阔的前沿同时进行流量分配

自动修剪的浇口:

这些类型的浇口在刀具中包含特征,以在刀具打开以弹出零件时断开或剪切浇口。使用自动修剪的浇口有几个原因:

  • 避免将浇口移除作为二次操作,降低成本
  • 保持所有零件的周期时间一致
  • 最大限度地减少零件上的浇口痕迹

常见的浇口设计^ 返回顶部

为您的应用选择适当的浇口类型时要考虑的最大因素是浇口设计。根据零件的尺寸和形状,有许多不同的浇口设计可供选择。下面是 Quickparts 客户使用的四种最流行的浇口设计:

侧缘浇口是最常见的浇口设计。顾名思义,这种浇口位于部件的边缘,非常适合平整的部件。侧缘浇口是中厚截面的理想之选,可用于多腔双板工具。这种浇口会在分割线上留下一道痕迹。

潜伏式浇口是此列表中唯一自动修剪的浇口。这种浇口的自动修剪需要顶出销。潜伏式浇口相当常见,有几种变形,如香蕉型浇口、通道浇口以及笑脸浇口等。潜伏式浇口让您可以在远离分模线的地方浇注,因此可以更加灵活地将浇口放在部件的最佳位置上。这种浇口仅在部件上留下一个别针大小的痕迹。

热尖式浇口是所有热流道浇口中最常见的。热尖式浇口通常位于部件的顶部而不是分模线上,适用于需要均匀流动的圆形或圆锥形形状。这种浇口会在部件表面留下一个凸起的小块。热尖式浇口仅与热流道成型系统结合使用。这表示,与冷流道系统不同,塑料通过加热的喷嘴喷射到模具中,然后在模具中冷却到合适的厚度和形状。

直接浇口或浇道浇口是一种手动修剪的浇口,用于需要对称填充的大型圆柱部件的单腔模具。直接浇口最容易设计,成本及维护要求低。直接浇注的部件通常压力更低,强度较高。这种浇口在接触部件时会在部件上留下较大的痕迹。

浇口位置^ 返回顶部

为避免您的浇口位置出现问题,以下是选择适当浇口位置的一些指导原则:

  • 在最重的横截面上放置浇口,以便进行零件包装,并最大限度地减少空隙和下沉。
  • 通过将浇口放置在远离芯和销的位置,最大限度地减少流道中的障碍物。
  • 确保来自浇口的应力位于不会影响零件功能或美观的区域。
    • 如果您使用的是具有高收缩等级的塑料,部件在浇口附近可能会收缩,如果在浇口处有高的模内应力,还会导致“浇口皱褶”
  • 确保进行简单的手动或自动去浇口。
  • 浇口应尽量减少流道长度,以避免装饰性流痕。
  • 在某些情况下,可能有必要添加第二个浇口以正确填充零件。
  • 如果薄壁零件出现填充问题,请添加流道或调整壁厚以校正流量。

浇口尺寸和形状因成型塑料的类型和零件的尺寸而有所不同。大型零件将需要更大的浇口来提供更大的树脂流量,从而缩短成型时间。小型浇口有更好的外观,但要花较长的时间成型,或可能需要较高的压力才能正确填充。

壁厚^ 返回顶部

在从模具中弹出之前,注塑成型的零件从制造温度冷却下来,以使其在弹出时保持形状。成型流程的零件冷却步骤期间,应最大限度地减少压力、速度和塑料粘度的变化以避免缺陷。在此期间,有几个方面比壁厚更重要。此功能可能会对成本、生产速度和最终零件质量有重大影响。

适当的壁厚:

为您的零件选择适当的壁厚可能会对制造的成本和生产速度产生极大影响。尽管没有壁厚限制,但目标通常是选择可能最薄的壁厚。较薄的壁使用较少的材料,这会降低成本并需要较少的冷却时间,从而缩短周期时间。

可以使用的最小壁厚取决于部件的大小和几何形状、结构要求以及树脂的流动情况。注塑成型部件的壁厚通常在 2 毫米 – 4 毫米 (0.080" – 0.160") 之间。薄壁注塑成型可生成薄到 0.5 毫米 (0.020") 的壁。下面的图表表示常见注塑成型树脂的建议壁厚。

均匀的壁厚:

厚的部分比薄的部分需要更长的冷却时间。在冷却过程中,如果壁的厚度不一致,则较薄的壁将先冷却,而厚壁仍在固化。随着厚部分的冷却,它会在已经固化的较薄部分周围收缩。这会导致两个部分交汇的位置出现翘曲、扭曲或开裂。为避免此问题,尝试设计为整个零件中完全均匀的壁厚。如果不可能采用均匀的壁厚,则壁厚变化应尽可能平缓。在高模具收缩塑料中,壁厚变化不应超过 10%。厚度过渡应平缓进行,近似 3 比 1。这一平缓过渡可避免应力集中和突然的冷却差异。

替代方案:

如果您的零件太复杂,需要改变壁厚,请寻找替代方案。您可能想要使用如取芯或使用肋条等设计功能。至少,尽量不要使较厚和较薄部分之间的过渡过于突然。尝试使用平缓的过渡或倒角,最大限度地减小模具内部压力的剧烈变化。

拔模^ 返回顶部

大多数注塑成型的塑料部件具有诸如外壁和内肋等特征,这些特征是在闭合模具内将模具金属的表面朝向相反方向形成的。为了在模具打开时正确地脱出部件,模具的侧壁在模具打开的方向上呈锥形。这种锥形被称为“沿主分模方向的拔模”。拔模使部件可以在模具一打开时就能与模具分离。所需的拔模量取决于模具的表面光洁度。光滑、抛光的工具表面可降低顶出部件所需的拔模,少于标准模具表面所需的拔模量。

考虑右侧看到的空心塑料盒的制作。塑料在模具周围硬化后,必须移除模具。随着塑料变硬,它会略微收缩。通过以适当的“拔模角度”使模具的侧面逐渐变细,模具将更容易移除。

所需的拔模量(以度为单位)将随着零件的几何形状和表面纹理要求而变化。下面是正确使用拔模的几条规则:

  • 确保在创建半径之前将拔模添加到 3D CAD 模型
  • 在所有“垂直”面上使用至少 1 度的拔模
  • 浅纹理需要 1 ½ 度的拔模
  • 大多数情况下,2 度的拔模效果非常好
  • 关闭装置(金属在金属上滑动)至少为 3 度的拔模
  • 中等纹理需要 3 度的拔模

 

凹痕^ 返回顶部

当热熔体流入注塑模具时,较厚部分的冷却速度不如零件的其余部分快,因为较厚的材料被较快冷却塑料的外表面隔热。随着内芯冷却,它以与已冷却的外皮不同的速率收缩。冷却速率的这种差异导致较厚部分向内拉,并在零件的外表面上形成凹痕,或者更糟糕的是,使零件完全翘曲。除了不美观之外,痕迹还表示内置于零件中的额外应力。其他不太明显的下沉区域包括肋条、凸台和角落。这些往往被忽视,因为功能和零件本身都不太厚;但是,两者的交集可能是个问题。

避免凹痕的一种方法是将零件的实心部分取出,以减少较厚的区域。如果需要实心零件的强度,请尝试在挖空区域内使用网状肋条阵列来增加强度并避免凹陷。根据经验,确保所有凸台和定位/支撑肋条不超过标称壁厚的 60%。此外,纹理可用于隐藏较小的凹痕。

纹理^ 返回顶部

纹理是用于将图案应用于模具表面的过程。此过程可以灵活地创建零件的最终外观。纹理是整个产品开发中不可或缺的一部分,在设计过程中应考虑纹理以达到预期的效果。纹理也可以是设计的功能组件。适当的纹理可以伪装不完美的零件。该零件是否用于频繁持拿?纹理可用于隐藏指纹并改善最终用户的抓握。纹理还可用于减少摩擦引起的零件磨损。

有多种纹理可供注塑成型的零件使用,例如:

  • 自然/异国情调
  • 哑光饰面
  • 多光泽图案
  • 融合
  • 图形
  • 皮革颗粒/兽皮
  • 木纹、板岩和鹅卵石
  • 几何与亚麻布
  • 分层纹理以创建新外观
  • 图像或徽标已合并到图案中

当将纹理应用于部件时,必须对 CAD 图纸进行调整以适应这种曲面变化。如果纹理位于垂直于模具开口或与模具开口成一定角度的曲面上,则不需要更改拔模。但是,如果纹理位于与模具开口平行的曲面上,则需要增加拔模,以防在部件顶出过程中出现刮擦和拖痕。不同的纹理对成型的部件有不同的影响。在设计纹理时,一般是 1.5 度的拔模对应每 0.001" 的纹理光洁度深度。

分模线^ 返回顶部

“分模线”是部件上模具的两半合二为一的分隔线。这条线实际上表示穿过部件的分模“平面”。虽然在简单部件上,这个平面可以是一个简单、平坦的曲面,但往往形式复杂,它围绕组成部件外部“轮廓”的各种特征来勾画部件的周长。模具的任意两部分相遇时也会出现分模线。这可能包含括侧抽芯销、工具镶件和关闭装置。分模线无法避免;每个部件都具有分模线。在设计部件时要记住,熔体始终朝分模线流动,因为这是置换的空气最容易逸出或“排出”的地方。

常见的成型缺陷^ 返回顶部

注塑成型是一种复杂的技术,可能存在生产问题。它们可能是由模具中的缺陷引起的,更多情况下是由零件处理(成型)造成的

成型缺陷 替代方案 名称描述 原因

起泡 起泡 塑料部件表面上的凸起或分层的区域 工具或材料过热,通常是由于模具周围没有冷却或加热器故障造成的

烧伤痕迹 空气烧伤 气体烧伤 塑料部件上的黑色或棕色烧焦区,位于距离浇口最远的点 模具缺乏通风,注塑速度过高

彩色条纹 (US) 局部变色 塑料材料和着色剂没有正确混合,或者材料已经耗尽,其开始仅仅自然通过

分层 像零件壁中形成的层一样的薄云母 如果部件用于安全关键型应用,材料污染(例如 PP 与 ABS 混合)非常危险,因为材料无法粘合导致分层时材料强度非常小

毛刺 毛刺 薄层中超出正常部件几何形状的过多材料 模具损坏,注塑速度/注入材料过多,夹紧力过低。还可能由于模具表面周围的污垢和污染物造成。

嵌入的污染物 嵌入的粒子 部件中嵌入的外来颗粒(烧焦的材料或其他) 模具表面上的颗粒,桶中污染的材料或外来杂质,或注塑前过多的剪切热量烧焦材料

流动痕迹 流线 定向“色调不符”的波浪线或图案 注塑速度太慢(塑料在注塑过程中冷却过多,注塑速度必须设置得足够快,以便您能够随时脱掉)

喷射

由材料湍流引起的变形部件 模具、浇口位置或流道设计不佳。注塑速度设置过高。

聚合物降解 聚合物因氧化等原因降解 颗粒中水分过多,桶内温度过高

凹痕 局部凹陷
(在较厚的区域中)保持时间/压力过低,冷却时间过短,无浇道热流道,这也可能是浇口温度设置过高导致

短喷射 非填充/短模具 部分部件 缺乏材料,注塑速度或压力过低

展开痕迹 迸溅痕迹/银色条纹 由热气引起的浇口周围圆形图案 材料中存在水分,经常出现在树脂干燥不当时

拉丝 穿线 从上一喷射转移到新喷射中仍残留的线 喷嘴温度过高。浇口没有冻结

空隙 部件内的空白空间
(气袋)保持压力不足(保持压力用于在保持时间内封装部件)。也可能模具没有对准(当两半不能正确对中且部件壁厚度不同时)。

焊接线

缝合线/熔接线 两个流动前沿相遇位置的变色线 模具/材料温度设置过低(材料相遇时温度较低,无法粘合)

翘曲 扭曲的部件 变形的部件 冷却时间过短,材料过热,刀具周围没有冷却,水温不正确(部件朝向工具的热侧向内弯曲)

 

在设计注塑成型零件时要牢记这些因素,并记住在开始时比在完成后更改设计更容易避免问题。

成型缺陷 替代方案名称 说明 原因
起泡 起泡 塑料零件表面上的凸起或分层的区域 工具或材料过热,通常是由于工具周围没有冷却或加热器故障造成的
烧伤痕迹 空气烧伤/气体烧伤 塑料零件上的黑色或棕色烧焦区,位于距离浇口最远的点 工具缺乏通风,注塑速度过高
彩色条纹 (US)   局部变色 塑料材料和着色剂没有正确混合,或者材料已经耗尽,其开始仅仅自然通过
分层   像零件壁中形成的层一样的薄云母 如果零件用于安全关键型应用,材料污染(例如 PP 与 ABS 混合)非常危险,因为材料无法粘合导致分层时材料强度非常小
毛刺 毛刺 薄层中超出正常零件几何形状的过多材料 刀具损坏,注塑速度/注入材料过多,夹紧力过低。还可能由于刀具表面周围的污垢和污染物造成。
嵌入的污染物 嵌入的粒子 零件中嵌入的异物颗粒(烧焦的材料或其他) 刀具表面上的颗粒,桶中污染的材料或外来杂质,或注塑前过多的剪切热量烧焦材料
流动痕迹 流线 定向“色调不符”的波浪线或图案 注塑速度太慢(塑料在注塑过程中冷却过多,注塑速度必须设置得足够快,以便您一直能够脱掉)

喷射

  由材料湍流引起的变形零件 刀具、浇口位置或流道设计不佳。注塑速度设置过高。
聚合物降解   聚合物因氧化等原因降解 颗粒中水分过多,桶内温度过高
凹痕   局部凹陷
(在较厚的区域中)
保持时间/压力过低,冷却时间过短,无浇口热流道,这也可能是浇口温度设置过高导致
短喷射 非填充/短模具 局部零件 缺乏材料,注塑速度或压力过低
展开痕迹 迸溅痕迹/银色条纹 由热气引起的浇口周围圆形图案 材料中的水分,通常在树脂干燥不当时
拉丝 穿线 从上一喷射转移到新喷射中仍残留的线 喷嘴温度过高。浇口没有冻结
空隙   零件内的空白空间
(气袋)
保持压力不足(保持压力用于在保持时间内封装零件)。也可能模具没有对准(当两半不能正确对中且零件壁厚度不同时)。

焊接线

缝合线/熔接线 两个流动前沿相遇位置的变色线 模具/材料温度设置过低(材料相遇时很冷,因此无法粘合)
翘曲 扭曲的零件 变形的零件 冷却时间过短,材料过热,刀具周围没有冷却,水温不正确(零件朝向工具的热侧向内弯曲)