2 塑料制品設計基礎

內容提要

塑料制品設計首先要確定制品的功能和性能指標，再選擇合適的材料，進而決定成形加工工藝，然后進行制品結構的設計和計算，繪制塑料制品生產圖。完善的塑料制品設計還應包括制品的失效分析、成本核算、制品的功能和性能測試。因此，了解塑料材料各項性能的測試是十分重要的，使所設計的制品性能優良，從而實現力學、化學、電學和光學等使用要求。塑料制品應用場合眾多，功能各異，品種萬千，所以全面學習塑料件的設計原則和方法很有必要。本章主要介紹注塑制品的設計原則、材料選用和制件的結構設計等內容。

2.1 塑料制品設計基礎

2.1.1 塑料性質

塑料是指以高分子合成樹脂為主要成分，在一定溫度和壓力下具有塑性和流動性，可被塑制成一定形狀，且在一定條件下保持形狀不變的材料。常用塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩類。熱固性塑料的特點是在受熱或其他條件作用下能固化成不溶性物料；熱塑性塑料的特點是在特定的溫度范圍內能反復加熱軟化或冷卻凝固。

塑料在性能上具有質量輕、強度好、耐腐蝕、絕緣性好、易著色、制品可加工成任意形狀，且生產效率高、價格低廉等優點。

塑料的分子結構。塑料的主要成分是樹脂，樹脂有天然樹脂和合成樹脂兩種。

塑料的成分如下：

· 樹脂：主要作用是將塑料的其他成分加以黏合，并決定塑料的主要性能，如機械、物理、電和化學性能等。樹脂在塑料中的比例一般為40%～65%。

· 填充劑：又稱添料，正確地選擇填充劑，可以改善塑料的性能并擴大它的使用范圍。

· 增塑劑：有些樹脂的可塑性很小，柔軟性也很差，為了降低樹脂的熔融黏度和熔融溫度，改善其成形加工性能，改進塑料的柔韌性、彈性以及其他各種必要的性能，通常加入能與樹脂相容的不易揮發的高沸點的有機化合物。這類物質稱為塑劑。

· 著色劑：又稱色料，主要起美觀和裝飾作用，包含涂料部分。

· 穩定劑：凡能延緩塑料變質的物質統稱為穩定劑，如分光穩定劑、熱穩定劑和抗氧劑等。

· 潤滑劑：改善塑料熔體的流動性，減少或避免對設備或模具的摩擦和粘附，以及改進塑件的表面光潔度。

2.1.2 常用塑料介紹

表2-1為熱塑性塑料縮寫代號與中文對照。

不同成分的塑料體現了它們不同的使用價值，表2-2是常用熱塑性塑料的使用性能及用途。

表2-3為常用塑料的特性及識別。

塑料制件的選材應當考慮以下幾個方面：

· 塑料的力學性能：如強度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性能以及對應力的敏感性。

· 塑料的物理性能：如對使用環境溫度變化的適應性、光學特性、絕熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。

· 塑料的化學性能：如對接觸物的耐性、衛生程度以及使用上的安全性等。

· 必要的精度：如收縮率的大小及各向收縮率的差異。

· 成形工藝性：如塑料的流動性、結晶性和熱敏性。

對于塑料材料的這些要求往往是通過塑料的特性表進行選擇和比較的。可選擇《塑料成形加工與模具》或其他參考手冊，如《樹脂手冊》中常用塑料特性表進行各種塑料的比較選擇。

2.1.3 塑料件設計工藝要求

2.1.3.1熱固性塑料

常用熱固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、酚醛）聚酯、聚鄰苯二甲酸和二丙烯酯等，主要用于壓塑、擠塑和注射成形。硅酮和環氧樹脂等塑料目前主要作為低壓擠塑封裝電子元件及澆注成形等用。其成形工藝性能主要包括如下內容。

1.成形收縮率

塑件自模具中取出冷卻到室溫后，發生尺寸收縮這種性能稱為收縮性。由于收縮不僅是樹脂本身的熱脹冷縮，而且還與各成形因素有關，所以成形后塑件的收縮應稱為成形收縮。

（1）成形收縮的形式。成形收縮主要表現在下列幾方面。

· 塑件的線尺寸收縮：由于熱脹冷縮，塑件脫模時的彈性恢復、塑性變形等原因導致塑件脫模冷卻到室溫后其尺寸縮小，為此型腔設計時必須考慮予以補償。

· 收縮方向性：成形時分子按受力方向排列，使塑件呈現各向異性，沿料流方向（即平行方向）則收縮大、強度高，與料流直角方向（即垂直方向）則收縮小、強度低。另外，成形時由于塑件各部位密度及填料分布不勻，故使收縮也不勻。產生收縮差使塑件易發生翹曲、變形和裂紋，尤其在擠塑及注射成形時則方向性更為明顯。因此，模具設計時應考慮收縮方向性，塑件形狀和料流方向選取收縮率為宜。

· 后收縮：塑件成形時，由于受成形壓力、剪切應力、各向異性、密度不勻、填料分布不勻、模溫不勻、硬化不勻和塑性變形等因素的影響，引起一系列應力的作用，在黏流態時不能全部消失，故塑件在應力狀態下成形時存在殘余應力。當脫模后由于應力趨向平衡及貯存條件的影響，使殘余應力發生變化而使塑件發生再收縮稱為后收縮。一般塑件在脫模后10小時內變化最大。24 小時后基本定型，但最后穩定要經過30～60 天。通常熱塑件塑料的后收縮比熱固性大，擠塑及注射成形比壓塑成形的大。

· 后處理收縮：有時塑件按性能及工藝要求，成形后需進行熱處理，處理后也會導致塑件尺寸發生變化。故模具設計時對高精度塑件則應考慮后收縮及后處理收縮的誤差并予以補償。

（2）收縮率計算。塑件成形收縮數值可用收縮率來表示，如公式（2-1）和（2-2）所示。

公式中

S P——實際收縮率（%）；

S——計算收縮率（%）；

a——塑件在成形溫度時單向尺寸（mm）；

b——塑件室溫下單向尺寸（mm）；

c——模具在室溫下單向尺寸（mm）。

實際收縮率表示塑件實際所發生的收縮，因其值與計算收縮相差很小，而塑件在成形溫度時的尺寸很難測試，此時的尺寸基本與模具型腔尺寸相同，（此時忽略金屬的形變尺寸）所以模具設計時以計算收縮率為設計參數來計算型腔及型芯尺寸。

（3）影響收縮率變化的因素。在實際成形時不僅不同品種塑料其收縮率各不相同，而且不同批的同品種塑料或同一塑件的不同部位其收縮值也經常不同，影響收縮率變化的主要因素有如下幾個方面：

· 塑料品種：各種塑料都有其各自的收縮范圍，同種塑料由于填料、分子量及配比等不同，則其收縮率及各向異性也不同。

· 塑件特性：塑件的形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件、嵌件數量及布局對收縮率大小也有很大影響。

· 模具結構：模具的分型面及加壓方向，澆注系統的形式，布局和尺寸對收縮率及方向性影響也較大，尤其在擠塑及注射成形時更為明顯。

· 成形工藝：擠塑、注射成形工藝一般收縮率較大，方向性明顯。預熱情況、成形溫度、成形壓力、保壓時間對收縮率都有影響。

如上所述，模具設計時應根據各種材料說明書中所提供的收縮率范圍，并按塑件形狀、尺寸、壁厚、有無嵌件情況、分型面及加壓成形方向、模具結構及澆口形式尺寸及位置、成形工藝等諸多因素綜合考慮選取收縮率值。對擠塑或注射成形時，則常根據塑件各部位的形狀、尺寸、壁厚等特點選取不同的收縮率數值。

2.流動性

塑料在一定溫度和壓力下填充型腔的膠的能力稱為流動性。這是模具設計時必須考慮的一個重要工藝參數。流動性太大易造成溢料過多，填充型腔不密實，塑件組織疏松，樹脂、填料分頭聚積，易造成粘模、脫模及清理困難、硬化過早等弊病。但流動性小則會出現填充不足，不易成形，成形壓力大等問題。所以選用塑料的流動性必須與塑件要求、成形工藝及成形條件相適應。

模具設計時應根據流動性能來考慮澆注系統、分型面及進料方向等。熱固性塑料流動性通常以拉西格流動值（以mm計）來表示，數值大則流動性好。每一品種的塑料通常分為三個不同等級的流動性，以供不同塑件及成形工藝選用。一般塑件面積大、嵌件多、型芯及嵌件細弱、有狹窄深槽及薄壁的復雜形狀對填充不利時，應采用流動性較好的塑料等級。擠塑成形時應選用拉西格流動性150mm以上的塑料，注射成形時應用拉西格流動性200mm以上的塑料。

為了保證每批塑料都有相同的流動性，在實際中常用并批方法來調節，即將同一品種而流動性有差異的塑料加以配用，使各批塑料流動性互相補償，以保證塑件質量。常用塑料的拉西格流動件值可參考相關熱固性塑料性能手冊，但必須指出塑料的流動性除了決定于塑料品種外，在填充型腔時還常受各種因素的影響，使塑料實際填充型腔的能力發生變化。如粒度細勻（尤其是圓狀粒料）、濕度大、含水分及揮發物多，預熱及成形條件適當，模具表面粗糙度好，模具結構適當等都有利于改善流動性；反之，預熱或成形條件不良、模具結構不良、流動阻力大或塑料貯存期過長、超期、貯存溫度高（尤其對氨基塑料）等都會導致塑料填充型腔時實際的流動性能下降而造成填充不良。

3.比容及壓縮率

比容為每一克塑料所占有的體積（cm3/g或ml/g）。壓縮率為塑粉原料與塑件兩者體積或比容之比值（其值恒大于1）。它們都可被用來確定壓模裝料室的大小，數值大則要求裝料室體積大，同時說明塑粉內充氣多、排氣困難、成形周期長和生產率低。比容小則情況反之，而且有利于壓錠和壓制。但比容值也常因塑料的粒度大小及顆粒不均勻而有誤差。各種塑料的比容值可查相關手冊。

4.固化特性

熱固性塑料在成形過程中在加熱受壓下軟化轉變成熱塑性熔流狀態，隨之流動性增大填充型腔，與此同時發生縮合反應，交聯密度不斷增加，流動性迅速下降，融料逐漸固化。模具設計時對硬化速度快、保持流動狀態短的物料應注意便于裝料、方便裝卸嵌件及選擇合理的成形條件和操作等，以免過早硬化或硬化不足導致塑件成形不良。

硬化速度一般可從熱固性工藝特性表中的保持時間來分析，它與塑料品種、壁厚、塑件形狀和模溫有關，但還受其他因素的影響。尤其與預熱狀態有關，適當的預熱應保持在使塑料能發揮出最大流動性的條件下，盡量提高其硬化速度。一般預熱溫度高、時間長（在允許范圍內）則硬化速度加快，尤其預壓錠坯料經高頻預熱的，其硬化速度顯著加快。另外，成形溫度高、加壓時間長則硬化速度也隨之增加。因此，硬化速度也可通過調節預熱或成形條件予以適當控制。

硬化速度還應適合成形方法要求，如在注射、擠塑成形時要求塑化、填充過程化學反應、硬化速度慢，應保持較長時間的流動狀態，而當充滿型腔后在高溫、高壓下應快速硬化成形，縮短成形時間，提高生產效率。

5.水分及揮發物含量

各種塑料中含有不同程度的水分和揮發物，過多時導致流動性增大、易溢料、保持時間長、收縮增大，且易發生波紋、翹曲等弊病，影響塑件機電性能。但當塑料過于干燥時也會導致流動不良、成形困難，所以不同塑料應按要求進行預熱干燥。對吸濕性強的，尤其在潮濕季節即使對預熱后的物料也應防止再吸濕。

由于各種塑料中含有不同程度的水分及揮發物，同時在縮合反應時要發生縮含水分，這些成分都需在成形時變成氣體排出模外，有的氣體對模具有腐蝕作用，對人體也有刺激作用。為此在模具設計時應對各種塑料的此類特性有所了解，并采取相應措施，如預熱、模具鍍鉻防腐蝕，開排氣槽或成形時設計排氣工序等。

6.工藝成形特性

常用熱固性塑料的工藝特性、工藝條件及成形特性可查相關手冊。各種塑料成形特性與各種塑料品種有關，還與所含填料品種力度及顆粒均勻度有關。細料流動性好，但預熱不易均勻，充入空氣多不易排出、傳熱不良、成形時間長。粗料塑件光澤差，易發生表面不均勻。顆粒過粗、過細還直接影響比容及壓縮率、模具加料室容積，顆粒不均勻則成形性不好、硬化不均勻，同時不宜采用容量法加料。填料品種對成形特性也有影響，具體可查閱相關塑料模具設計手冊。

2.1.3.2. 熱塑性塑料

熱塑性塑料是指以具有線型或支鏈型結構的有機高分子化合物為主體樹脂，添加各類助劑形成的的混合物，它們具有可反復受熱軟化（或熔化）和冷卻硬化的性質。在軟化狀態下可以進行模塑加工。熱塑性塑料種類豐富，即使同一種塑料也會由于樹脂分子量及添加助劑配比不同而使其使用和工藝特性不同。另外，為了改變原有品種的特性，常用共聚、交聯等各種化學聚合方法在原有的樹脂結構中導入一定含量的異種單體或高分子等樹脂，以改變原有樹脂的結構，成為具有新的使用性能及工藝持性的改性品種。熱塑性塑料品種多、性能復雜，即使同種類的塑料也有供擠出、注射或吹塑級別的分類，這里主要介紹各種注射級熱塑性塑料成形過程中的工藝性能。

1.成形收縮率

熱塑性塑料成形收縮的定義及計算如前所述熱固性塑料中所介紹的，在熱塑性塑料中影響成形收縮的因素如下。

（1）塑料品種。熱塑性塑料成形過程中不但存在由于溫度的變化導致的熱脹冷縮引起的收縮，對于結晶聚合物還存在結晶化引起的相態變化引起的體積收縮，成形后材料內殘余應力大，分子取向性強等因素，因此與熱固性塑料相比則成形收縮率較大，收縮率范圍寬、方向性明顯。另外成形后的收縮、退火或調濕處理過程收縮一般也都比熱固性塑料大。

（2）塑件特性。塑料注射成形時高溫熔融物料與冷的型腔表面接觸，物料外層立即冷卻形成低密度的固態外殼。由于塑料的導熱性差，形成的固體層起到隔熱的作用，使塑件內層緩慢冷卻而形成收縮較大的高密度固態層，所以塑件壁厚、冷卻速度慢、高密度層厚的塑件收縮更大。另外嵌件及嵌件布局、數量也會直接影響熔融料流的方向、料層密度分布及收縮阻力大小等，所以塑件本身的特征對收縮大小和方向性影響也較大，這就要求塑件設計人員在進行塑件設計過程中注意進行補償設計。

（3）模具澆口形式、尺寸、分布的設計。由于澆口是熔融物料從澆注系統進入型腔成形的關鍵結構，它的結構尺寸和分布直接影響型腔內料流的方向、密度分布、保壓補縮作用及成形時間。一般情況下直接進料口、澆口截面大（尤其截面較厚的）則收縮小，但方向性大；澆口寬及長度短的則方向性小；距進料口近的或與料流方向平行的則收縮大。因此根據塑件結構特點，模具結構綜合考慮設計合理的澆口對減小塑料制品的收縮變形非常重要。

（4）工藝成形條件。成形過程中模具溫度高，熔融物料冷卻速度慢、制品密度高、收縮較大，尤其對于結晶型聚合物料，因高溫有助于結晶度的提高、體積變化大，故收縮更大。模具溫度分布直接影響塑件內外冷卻速度，導致塑件內部體積或密度均勻性不同，直接影響各部分收縮量大小及取向性。此外注射過程中的保壓壓力及保壓時間對塑件收縮也影響較大，保壓壓力大、時間長則塑件收縮小但取向大。注射壓力低，融料黏度小，層間剪切應力小，脫模后彈性回跳大，故收縮也可適量的減小，料溫高、收縮大，但方向性小。因此在成形過程中合理調整模具溫度、注射及保壓壓力、時間、速度，冷卻時間等因素也可適當改變塑件收縮情況。

模具設計時要根據各種塑料的收縮范圍、塑件壁厚、形狀特征、澆口形式尺寸及分布情況，按經驗確定塑件不同部位，不同方向的收縮率，據此計算型腔尺寸。對高精度塑件及難以掌握收縮率時，一般可通過是在設計時留出一定的修正余量，然后通過試模按實際收縮情況修正模具。

2.流動性

（1）熱塑性塑料流動性大小，一般可從分子量大小、熔融指數、阿基米德螺旋線長度、表觀黏度及流動比（流程長度/塑件壁厚）等一系列指數進行分析。分子量小，分子量分布寬，分子結構規整性差，熔融指數高、螺旋線長度長、表觀黏度小，流動比大的則流動性就好，對同一品系的塑料使用之前必須檢驗其技術參數，確定其流動性是否適用于注射成形。按模具設計要求大致可將常用塑料的流動性分為三類：

高流動性塑料 ：如尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酯酸纖維素、聚（4）甲基戊烯。

中等流動性塑料：改性聚苯乙烯（ABS，AS）、有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚甲醛、聚氯醚。

流動性差的塑料：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

（2）影響塑料流動性的因素。

塑料的流動性影響因素比較復雜，主要有如下幾點：

溫度：通常物料溫度高高則流動性增大，但不同塑料也各有差異，如聚苯乙烯（尤其耐沖擊型及MI值較高的）、聚丙烯、尼龍、有機玻璃、改性聚苯乙烯（ABS，AS）、聚碳酸酯、醋酸纖維素等塑料的流動性隨溫度變化較大，通常稱為熱敏性塑料。

壓力：一般情況下注射壓力增大則物料受剪切作用大，剪切黏度降低，流動性也增大，特別像聚乙烯、聚甲醛等塑料的流動性對剪切應力更敏感，所以成形時宜調節注射壓力來控制物料流動性。常稱為剪敏性塑料。

塑件結構：塑件結構對熔融物料的流動性影響很大，特別是壁厚的變化，通常壁厚越大，流動阻力越小，壁厚越薄，流動阻力越大，因此塑件設計過程中應使壁厚設計盡量一致，以減少壁厚的不均勻對物料流動性的影響，制件出現短射等工藝質量問題。

模具結構：澆注系統的形式、尺寸、布置，冷卻系統設計，熔融物料的流動阻力（如型面光潔度，料道截面厚度，型腔形狀和排氣系統）等因素都直接影響物料在型腔內的實際流動過程，凡使融料降低溫度、增加流動阻力的因素均會使物料流動性降低。

模具設計時應根據所用塑料的流動性，選用合理的結構。成形時也可控制料溫，模溫及注射壓力、注射速度等因素，適當地調節填充情況以滿足成形需要。

3.結晶性

熱塑性塑料按其冷卻凝固過程中是否會出現結晶現象劃分為結晶型塑料與和無定型型塑料兩大類。

所謂結晶型塑料是指塑料由熔融狀態冷卻凝固時，分子或鏈段由于熱運動的作用局部由無序狀態變為有序狀態，使塑料的內部原子結構按相對固定的位置排列成規則結構傾向的現象。高分子材料由于結構的復雜性，結晶往往是不完整的，而在無定型結構中又常常出現局部有序的現象。

判別這兩類塑料的外觀標準可通過塑料的厚壁制件的透明性而定，一般結晶性料為不透明或半透明（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等），無定形料為透明（如有機玻璃、聚碳酸酯等）。但也有例外情況，如聚（4）甲基戊烯為結晶型塑料卻有高透明性，ABS為無定形料但卻并不一定透明。

通常熔融狀態的密度和冷卻凝固態的密度相差越大，成形收縮越大，易發生縮孔、氣孔等現象，所以結晶聚合物的收縮性要比無定型大，工程技術人員在產品和模具設計過程中要注意制件的尺寸要求和選材之間的協調。

4.熱敏性及水敏性

（1）熱敏性塑料系指某些塑料對熱量較為敏感，在高溫下受熱時間較長或進澆口截面過小，剪切作用過大時，料溫增高易發生氧化變色、降聚和分解等傾向，具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、酯酸乙烯共聚物、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等塑料品種。熱敏性塑料在分解時易產生單體、氣體、固體等副產物，特別是有的分解氣體對人體、設備、模具都有刺激、腐蝕作用或毒性。因此，模具設計、選擇注射機及成形時都應注意，應選用螺桿式注射機，澆注系統截面宜大，模具和料筒應鍍鉻，不得有死角滯留物料，必須嚴格控制成形溫度、模溫、加熱時間、螺桿轉速及背壓等。如有物料分解現象應立即洗清設備及模具，必要時應在熱敏性塑料中加入熱穩定劑，減弱熱敏性能，提高熱穩定性。

（2）有的塑料像尼龍、聚碳酸酯等即使含有少量水分，在高溫、高壓下也會發生分解，這種性能稱為水敏性，對此必須預先檢測原料水分是否在許可標準范圍之內，如果超出標準，應通過合理的加熱干燥方式至安全水分含量之下，并要注意后期使用過程中的吸潮，采取一定的防潮措施。

5.應力開裂或溶劑破裂，熔融破裂

（1）有的塑料材料對應力非常敏感，成形時容易產生內應力使制件出現質脆易裂的現象，有的制件在外力作用或在溶劑作用下即發生開裂現象，前者稱為應力開裂，后者為溶劑開裂。為避免或減輕此種現象的發生，應選擇合理的塑件形狀，嵌件設置與否或設置的具體位置，形狀等，以減少應力開裂現象。分析制品使用過程中是否會接觸到敏感溶劑，避免溶劑開裂現象。也可在原料內加入助劑以提高抗裂性，對原料干燥處理，并合理地選擇適當的成形條件，如調節料溫、模溫、注射壓力及冷卻時間等工藝條件，以減少內應力和增加抗裂性。模具設計時應增大脫模斜度，選用合理的澆口及頂出機構，盡量避免塑件過于冷脆時脫模，成形后塑件還宜進行后處理提高抗裂性，消除內應力并禁止與溶劑接觸。

（2）當一定融熔指數的聚合物熔體，在恒溫下通過噴嘴孔時其流速超過某值后，熔體表面發生明顯橫向裂紋稱為熔融破裂，有損塑件外觀及物性。故在選用熔融指數高的聚合物時，應增大噴嘴、澆道、進料口截面，降低注射速度和提高料溫。

6.熱性能及冷卻速度

（1）各種塑料有不同熱容、熱傳導率、熱變形溫度等熱性能參數。熱容高的塑料塑化時需要熱量大，應選用塑化能力大的注射機，耗能高。熱變形溫度高塑料注射過程中冷卻時間短，脫模溫度高，但要注意脫模后防止制件冷卻變形。熱傳導率低的塑料冷卻速度慢（如離子聚合物等冷卻速度極低）必須給予充分冷卻，模具設計過程中要加強模具冷卻效果。熱流道模具適用于熱容低、熱傳導率高的塑料。熱容大、熱傳導率低、熱變形溫度低、冷卻速度慢的塑料則不利于高速成形，必須選擇適當的注射機并加強模具冷卻。

（2）各種塑料按其品種特性及塑件形狀，要求必須保持適當的冷卻速度。所以模具必須按成形要求設置加熱和冷卻系統，以保持一定模溫。當料溫使模溫升高時應給予冷卻，以防止塑件脫模后變形，縮短成形周期，降低結晶度。當塑料余熱不足以使模具保持一定溫度時，則模具應設有加熱系統，使模具保持在一定溫度，以控制冷卻速度，保證流動性，改善填充條件或用以控制塑件使其緩慢冷卻，防止厚壁塑件內外冷卻不勻及提高結晶度等。對流動性好、成形面積大、料溫不勻的則按塑件成形情況，有時需加熱或冷卻交替使用或局部加熱與冷卻并用，為此模具應設有相應的冷卻或加熱系統。

7.吸濕性

根據塑料本身結構中是否含有極性基團以及添加的各種添加劑的吸水性，使其對水分具有不同的親疏程度，所以塑料大致可分為吸濕黏附水分及不吸水也不易黏附水分的兩種類型，物料中含水量必須控制在允許范圍內。否則在高溫、高壓下水分變成氣體或發生水解作用，制件中出現起泡、短射、外觀不良及綜合性能下降的現象。所以對吸濕性塑料必須按要求采用適當的加熱方法及規范進行預熱，在使用時還需用防止再吸濕。

2.2 注塑件設計要點

2.2.1 塑件工藝設計

塑料制品結構的工藝性能就是塑料制品結構在成形時的適應性能，即制品的成形、制品的質量及其成形模具的結構、成形模具制造的好壞和制品最終總成本的高低。塑料制品結構工藝性能的好壞是塑料制品設計者設計出來的，由于工藝性與成形模具有緊密的聯系，因此，必須分析塑件的工藝適應性。慎重考慮塑件的工藝結構，才能設計出合理的模具結構，最終得到滿意的產品。根據成形加工的工藝要求設計塑料制件，不僅能保證塑料的順利成形和防止缺陷，還能達到提高生產率和降低成本的目的。所以設計者在設計制品時必須充分考慮并很好掌握下述各項制品成形的要素和原則。

塑料制品結構的工藝性能包括塑料的成形特性、制品的成形方法和成形工藝的特點，以及成形模具的結構和制造方法等。設計原則如下。

（1）首先根據設計制品的使用要求確定塑件的力學性能，如強度、剛度、韌性、彈性、吸水性以及對應力的敏感性，不同塑料品種性能各異，各有所長，在設計塑件時要充分發揮材料的優點，避免或補償其缺點或不足之處。

（2）在保證制品的各項性能指標的前提下，選擇價廉且成形性能好的塑料，并要求制品結構簡單、壁厚均勻，而且成形方便。

（3）在設計塑料制品的同時，應考慮塑料原料的成形工藝性，如流動性、收縮性、結晶性、取向性、吸濕性、硬化性等，同時其制品形狀應有利于分型、排氣、補縮和冷卻。

（4）在設計制品時，塑件結構應能使模具總體結構盡可能簡化，還要考慮模具的總體結構合理，使模具型腔易于制造，模具的抽芯和推出機構簡單，特別是避免側向分型抽芯機構和簡化脫模機構，使模具零件符合制造工藝的要求。

（5）當制品的外觀要求較高時，應先通過造型后逐步繪出樣圖。

塑件成形方法很多，成形方法不同制件設計原則亦有差別，應注意區別。塑件設計主要內容包括形狀、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚、斜度，以及塑件上的加強筋、圓角、空、螺紋等工藝設計要點。

2.2.2 塑件材料選擇

塑料制件的選材應當考慮以下幾個方面。

（1）塑料的力學性能，如強度、剛性、韌性、彈性、彎曲性能、沖擊性能，以及對應力集中的敏感性。

（2）塑料的物理性能，如對使用環境溫度變化的適應性、光學特性、絕熱或電氣絕緣的程度、精加工和外觀的完美程度等。

（3）塑料的化學性能，如對接觸物的耐性、衛生程度及使用上的安全性等。

（4）必要的精度，如收縮率的大小及各向收縮率的差異。

（5）成形工藝性，如塑料的流動性、結晶性和熱敏性。

對于塑料材料的這些要求往往是通過塑料的特性表進行選擇和比較的。可選擇《塑料成形加工與模具》或其他參考手冊如《樹脂手冊》中常用塑料特性表進行各種塑料的比較。

2.2.3 塑件形狀和結構設計

塑件形狀和結構設計應從以下幾方面考慮。

1.易于模塑，盡量避免側孔與側凹等側向分型抽芯結構

如果在塑件內外表面上存在與開合模方向垂直的孔（通孔、盲孔）、凹陷部、突起部，則把這些孔、凹陷部、突起部稱為側孔、側凹、側凸。帶有側孔、側凹、側凸的模塑件，成形后脫模困難，需要先抽出成形這些部分，側向運動的模具零件應在不妨礙塑件脫模的位置，才能把塑件由模具中頂出。下一次成形之前，必須使側向抽出的模具零件回復至成形位置。這必然導致模具結構復雜、成形周期增長、塑件成本提高等一系列問題。因此，在不妨礙使用要求的前提下，應盡量避免把塑件設計成帶有側孔、側凹、側凸的結構。通常，只要適當改變塑件的結構，就可使模具結構大為簡化。

塑件的形狀應便于模塑，用注塑或傳遞模塑成形的制品在加工的充模階段能順暢充滿型腔，為此塑件沿料流方向應設計成流線型或具有大的曲率半徑，避免流動死角，以免在死角處形成氣泡、縮孔。

2.塑件應便于脫出

為簡化模具結構應盡可能不采用復雜的瓣合對開結構模具或側抽芯結構。帶有整圓式斷續內側凹槽的塑件或內螺紋塑件，如果采用內側抽芯的辦法成形，則模具結構頗為復雜，但當內側凹槽較淺且在脫模溫度下該塑料具有足夠的彈性時，則可采用強制脫模的辦法，這時塑件的內側凹應設計成帶有圓角的或梯形斜面，使在強制脫出時能產生使側壁橫向膨脹的分力。例如，聚甲醛塑件當模具型芯有5%的凹陷時，可成功地強制脫出。這些塑料常用的有聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。但大多數情況下的塑件的側向凸凹是不能強制脫模的，必須采用側向分型抽芯機構。

2.3 塑料制品設計基本流程

塑料制品設計首先要確定制品的功能和性能指標，再選擇合適的材料，進而決定成形加工工藝，然后進行制品結構的設計和計算，繪制塑料制品生產圖。完善的塑料制品設計還應包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能測試。因此，了解塑料材料各項性能的測試是十分重要的，使所設計的制品性能優良，以實現力學、化學、電學和光學等使用要求。

塑料件的設計一般可分成三個階段。在一項塑料制品生產過程中，制品設計起著龍頭作用。

1.擬訂設計方案

在接受設計任務后，需全面收集有關各種資料和技術數據，進行綜合和分析后進行以下工作。

第一步是科學地確定制品的功能和性能。塑料件所具有的功能包括使用功能和環境功能。在一定時間、空間和環境下需要完成諸如結構支撐、機械傳動和電氣絕緣等功能。塑料件的性能有力學、熱力學、物理和化學、光學、電學等性能。要注意塑料材料的性能不等于塑料件的性能。大多數塑料經加熱熔融和冷卻固化成形，其原材料的性能會下降，或出現新的內在缺陷，影響塑料件的性能。像塑料管材等制品的功能和性能指標及測試方法是較為完整的。其他常用塑料制品在一定使用場合都有適合的專業指標和測試標準。

第二步是選擇合適的塑料材料。不僅要保證制品的功能和性能，同時要考慮可加工性和生產成本。

第三步是確定制品的加工方法。各種不同的塑料加工方法適用于一定形狀和尺寸，具有一定的加工精度和生產率，要有相應成形模具和設備，同時根據制品的具體要求確定塑料件的裝配方法和表面修飾等要求。

第四步是對塑料件進行失效分析。針對塑料件對時間、溫度和環境的敏感性，為保證使用期限里塑料件功能和性能的可靠，必須按主要失效形式進行預測性的理論計算和相應的實驗測試，如在塑料件壓力裝配后，計算溫度升高和應力松弛后的傳遞力矩。又如塑料齒輪在彎曲疲勞、接觸點蝕、齒面磨損或熱膨脹下的模數和中心距的理論計算。在重要的場合需對制品進行沖擊或疲勞、耐候或抗滲透等性能測試。

擬定方案時，要遵循多個方案分析比較并逐步優化的方法。

2.結構設計

塑料件的結構基本上有功能結構、工藝結構和造型結構三方面。功能結構設計是結構設計的核心，可確定使用功能實現的制品形狀、尺寸和壁厚。塑料件結構設計要做靜載荷下短時和長期的形變校核；還要做動載荷下沖擊、疲勞、滯后熱和磨損等校核。

合理的工藝結構設計是制品生產的前提，關系到塑件質量、生產率和成本。聚合物流變學是工藝結構設計的理論基礎，用以考慮模塑成形的可行性。必須合理處理流動性、收縮率、嵌件和脫模等技術問題。塑料件的合理連接沒計，不但簡化了單個塑件，實現與非塑料件的連接，還保證了流水線上對塑件的高效裝配。

對于機殼、面板、儀表板和日用塑料制品，要通過外部造型設計予以裝飾和美化。滾花、拋光、彩飾、植絨、鍍覆金屬和紋理圖案等修飾與美術相結合，給人以美感。

結構設計要用工程制圖進行形體的空間思維，各種草圖、軸側圖和三視圖也是交流的工程語言。現代的電子計算機繪圖和三維造型，不但保證了設計質量，也為下一步計算機工藝模擬仿真分析準備了基礎數據。通過不同的快速成形工藝如光固化工藝，激光選擇燒結工藝，熔融沉積工藝和疊層實體，硅橡膠模具等快速成形工藝制作原型，以幫助制品結構設計、性能或裝配驗證等，設計中要跟各專職工程師和模具設計師及時進行協調交流。

現代計算機技術也為塑料件設計和工藝模擬仿真提供各種專業軟件與數據庫，如彈性卡夾、塑料鉸鏈和塑料齒輪等輔助設計軟件，在結構設計的最后階段，慎重確定塑料件的尺寸精度、形位公差和表面質量要求是重要的工作。

3.生產準備和定型

完成了塑料件的圖紙設計后，必須與工藝工程師和模具工程師交流合作，對制品進行計算機模擬和生產驗證，并進行修改，直至定型。

注射模塑制品有各種CAE/CAD分析軟件。對注塑件進行二維或三維造型后，數值模擬注射工藝過程，可獲知塑料熔體充模流動、保壓冷卻、固化收縮和翹曲變形的分析結果。在此過程中，需對塑料件設計進行修正和優化。擠出加工的塑料也有CAD軟件模擬擠出時熔體流動和冷卻定型過程。對復雜的吹塑、共擠和熱成形加工還必須進行專業的工藝設汁，預測和設計型坯。注射工藝有Moldflow工藝模擬仿真軟件，對制品的工藝設計，工藝參數的優化，塑料模具澆注系統，冷卻系統的設計和型腔的充填、保壓、冷卻等過程提供模擬仿真，進行優化設計或在此期間根據優化結果修改塑料件的原始設計。

塑料制品與金屬零件一樣有規模效應。由于成形模具成本很高，生產批量與每個塑件制造成本成反比。同樣，塑料件的創造周期決定了新產品的試制周期，而且塑料件生產周期還包括金屬模具的機械加工周期。專門的塑料件生產，還需設計和制造專用的成形機械。

開拓和進取的設計思想、嚴謹的科學作風應該為塑料件設計師所具備。在塑料制品的設計中，以下4條基本原理必須遵循。

（1）保證塑料件在使用期限中的功能和性能，在塑料件失效分析基礎上計算校核，以及實驗測試。

（2）在保證塑料件的功能和性能前提下選擇材料，必須考慮加工的可行和材料成本低廉。

（3）聚合物的流變和固化過程，及其形態變化對塑料制品影響必須考慮。

（4）大多數塑料件是各種裝置和設備中的組成元件，它的設計應統一在整體產品設計中。在保證整機質量前提下，降低塑料件的成本。

此外，塑料制品的標準化、系列化程度反映了塑料工業的發展水平。對各種電工線纜、吹塑容器、塑料門窗異型材、塑料管材膜材和接頭等系列產品的標準化工作，今后將有更大進展。

2.4 本章小結

注塑模具的設計離不開選擇對制件成形工藝的設計，了解常用工程塑料的特點和性質是模具設計成敗的關鍵。本章主要介紹常用的熱塑性和熱固性塑料的種類、性質，并從實用角度分析塑料制品的設計要點，包括注塑制品的設計原則、材料選用、制件的結構設計等方面的內容。通過本章學習，應掌握各種常用塑料的成形特性，并在成形分析（如Moldflow）時具體加以應用。