2 塑料制品设计基础

内容提要

塑料制品设计首先要确定制品的功能和性能指标，再选择合适的材料，进而决定成形加工工艺，然后进行制品结构的设计和计算，绘制塑料制品生产图。完善的塑料制品设计还应包括制品的失效分析、成本核算、制品的功能和性能测试。因此，了解塑料材料各项性能的测试是十分重要的，使所设计的制品性能优良，从而实现力学、化学、电学和光学等使用要求。塑料制品应用场合众多，功能各异，品种万千，所以全面学习塑料件的设计原则和方法很有必要。本章主要介绍注塑制品的设计原则、材料选用和制件的结构设计等内容。

2.1 塑料制品设计基础

2.1.1 塑料性质

塑料是指以高分子合成树脂为主要成分，在一定温度和压力下具有塑性和流动性，可被塑制成一定形状，且在一定条件下保持形状不变的材料。常用塑料分为热固性塑料和热塑性塑料两类。热固性塑料的特点是在受热或其他条件作用下能固化成不溶性物料；热塑性塑料的特点是在特定的温度范围内能反复加热软化或冷却凝固。

塑料在性能上具有质量轻、强度好、耐腐蚀、绝缘性好、易着色、制品可加工成任意形状，且生产效率高、价格低廉等优点。

塑料的分子结构。塑料的主要成分是树脂，树脂有天然树脂和合成树脂两种。

塑料的成分如下：

· 树脂：主要作用是将塑料的其他成分加以黏合，并决定塑料的主要性能，如机械、物理、电和化学性能等。树脂在塑料中的比例一般为40%～65%。

· 填充剂：又称添料，正确地选择填充剂，可以改善塑料的性能并扩大它的使用范围。

· 增塑剂：有些树脂的可塑性很小，柔软性也很差，为了降低树脂的熔融黏度和熔融温度，改善其成形加工性能，改进塑料的柔韧性、弹性以及其他各种必要的性能，通常加入能与树脂相容的不易挥发的高沸点的有机化合物。这类物质称为塑剂。

· 着色剂：又称色料，主要起美观和装饰作用，包含涂料部分。

· 稳定剂：凡能延缓塑料变质的物质统称为稳定剂，如分光稳定剂、热稳定剂和抗氧剂等。

· 润滑剂：改善塑料熔体的流动性，减少或避免对设备或模具的摩擦和粘附，以及改进塑件的表面光洁度。

2.1.2 常用塑料介绍

表2-1为热塑性塑料缩写代号与中文对照。

不同成分的塑料体现了它们不同的使用价值，表2-2是常用热塑性塑料的使用性能及用途。

表2-3为常用塑料的特性及识别。

塑料制件的选材应当考虑以下几个方面：

· 塑料的力学性能：如强度、刚性、韧性、弹性、弯曲性能、冲击性能以及对应力的敏感性。

· 塑料的物理性能：如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。

· 塑料的化学性能：如对接触物的耐性、卫生程度以及使用上的安全性等。

· 必要的精度：如收缩率的大小及各向收缩率的差异。

· 成形工艺性：如塑料的流动性、结晶性和热敏性。

对于塑料材料的这些要求往往是通过塑料的特性表进行选择和比较的。可选择《塑料成形加工与模具》或其他参考手册，如《树脂手册》中常用塑料特性表进行各种塑料的比较选择。

2.1.3 塑料件设计工艺要求

2.1.3.1热固性塑料

常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、酚醛）聚酯、聚邻苯二甲酸和二丙烯酯等，主要用于压塑、挤塑和注射成形。硅酮和环氧树脂等塑料目前主要作为低压挤塑封装电子元件及浇注成形等用。其成形工艺性能主要包括如下内容。

1.成形收缩率

塑件自模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩这种性能称为收缩性。由于收缩不仅是树脂本身的热胀冷缩，而且还与各成形因素有关，所以成形后塑件的收缩应称为成形收缩。

（1）成形收缩的形式。成形收缩主要表现在下列几方面。

· 塑件的线尺寸收缩：由于热胀冷缩，塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小，为此型腔设计时必须考虑予以补偿。

· 收缩方向性：成形时分子按受力方向排列，使塑件呈现各向异性，沿料流方向（即平行方向）则收缩大、强度高，与料流直角方向（即垂直方向）则收缩小、强度低。另外，成形时由于塑件各部位密度及填料分布不匀，故使收缩也不匀。产生收缩差使塑件易发生翘曲、变形和裂纹，尤其在挤塑及注射成形时则方向性更为明显。因此，模具设计时应考虑收缩方向性，塑件形状和料流方向选取收缩率为宜。

· 后收缩：塑件成形时，由于受成形压力、剪切应力、各向异性、密度不匀、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀和塑性变形等因素的影响，引起一系列应力的作用，在黏流态时不能全部消失，故塑件在应力状态下成形时存在残余应力。当脱模后由于应力趋向平衡及贮存条件的影响，使残余应力发生变化而使塑件发生再收缩称为后收缩。一般塑件在脱模后10小时内变化最大。24 小时后基本定型，但最后稳定要经过30～60 天。通常热塑件塑料的后收缩比热固性大，挤塑及注射成形比压塑成形的大。

· 后处理收缩：有时塑件按性能及工艺要求，成形后需进行热处理，处理后也会导致塑件尺寸发生变化。故模具设计时对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的误差并予以补偿。

（2）收缩率计算。塑件成形收缩数值可用收缩率来表示，如公式（2-1）和（2-2）所示。

公式中

S P——实际收缩率（%）；

S——计算收缩率（%）；

a——塑件在成形温度时单向尺寸（mm）；

b——塑件室温下单向尺寸（mm）；

c——模具在室温下单向尺寸（mm）。

实际收缩率表示塑件实际所发生的收缩，因其值与计算收缩相差很小，而塑件在成形温度时的尺寸很难测试，此时的尺寸基本与模具型腔尺寸相同，（此时忽略金属的形变尺寸）所以模具设计时以计算收缩率为设计参数来计算型腔及型芯尺寸。

（3）影响收缩率变化的因素。在实际成形时不仅不同品种塑料其收缩率各不相同，而且不同批的同品种塑料或同一塑件的不同部位其收缩值也经常不同，影响收缩率变化的主要因素有如下几个方面：

· 塑料品种：各种塑料都有其各自的收缩范围，同种塑料由于填料、分子量及配比等不同，则其收缩率及各向异性也不同。

· 塑件特性：塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及布局对收缩率大小也有很大影响。

· 模具结构：模具的分型面及加压方向，浇注系统的形式，布局和尺寸对收缩率及方向性影响也较大，尤其在挤塑及注射成形时更为明显。

· 成形工艺：挤塑、注射成形工艺一般收缩率较大，方向性明显。预热情况、成形温度、成形压力、保压时间对收缩率都有影响。

如上所述，模具设计时应根据各种材料说明书中所提供的收缩率范围，并按塑件形状、尺寸、壁厚、有无嵌件情况、分型面及加压成形方向、模具结构及浇口形式尺寸及位置、成形工艺等诸多因素综合考虑选取收缩率值。对挤塑或注射成形时，则常根据塑件各部位的形状、尺寸、壁厚等特点选取不同的收缩率数值。

2.流动性

塑料在一定温度和压力下填充型腔的胶的能力称为流动性。这是模具设计时必须考虑的一个重要工艺参数。流动性太大易造成溢料过多，填充型腔不密实，塑件组织疏松，树脂、填料分头聚积，易造成粘模、脱模及清理困难、硬化过早等弊病。但流动性小则会出现填充不足，不易成形，成形压力大等问题。所以选用塑料的流动性必须与塑件要求、成形工艺及成形条件相适应。

模具设计时应根据流动性能来考虑浇注系统、分型面及进料方向等。热固性塑料流动性通常以拉西格流动值（以mm计）来表示，数值大则流动性好。每一品种的塑料通常分为三个不同等级的流动性，以供不同塑件及成形工艺选用。一般塑件面积大、嵌件多、型芯及嵌件细弱、有狭窄深槽及薄壁的复杂形状对填充不利时，应采用流动性较好的塑料等级。挤塑成形时应选用拉西格流动性150mm以上的塑料，注射成形时应用拉西格流动性200mm以上的塑料。

为了保证每批塑料都有相同的流动性，在实际中常用并批方法来调节，即将同一品种而流动性有差异的塑料加以配用，使各批塑料流动性互相补偿，以保证塑件质量。常用塑料的拉西格流动件值可参考相关热固性塑料性能手册，但必须指出塑料的流动性除了决定于塑料品种外，在填充型腔时还常受各种因素的影响，使塑料实际填充型腔的能力发生变化。如粒度细匀（尤其是圆状粒料）、湿度大、含水分及挥发物多，预热及成形条件适当，模具表面粗糙度好，模具结构适当等都有利于改善流动性；反之，预热或成形条件不良、模具结构不良、流动阻力大或塑料贮存期过长、超期、贮存温度高（尤其对氨基塑料）等都会导致塑料填充型腔时实际的流动性能下降而造成填充不良。

3.比容及压缩率

比容为每一克塑料所占有的体积（cm3/g或ml/g）。压缩率为塑粉原料与塑件两者体积或比容之比值（其值恒大于1）。它们都可被用来确定压模装料室的大小，数值大则要求装料室体积大，同时说明塑粉内充气多、排气困难、成形周期长和生产率低。比容小则情况反之，而且有利于压锭和压制。但比容值也常因塑料的粒度大小及颗粒不均匀而有误差。各种塑料的比容值可查相关手册。

4.固化特性

热固性塑料在成形过程中在加热受压下软化转变成热塑性熔流状态，随之流动性增大填充型腔，与此同时发生缩合反应，交联密度不断增加，流动性迅速下降，融料逐渐固化。模具设计时对硬化速度快、保持流动状态短的物料应注意便于装料、方便装卸嵌件及选择合理的成形条件和操作等，以免过早硬化或硬化不足导致塑件成形不良。

硬化速度一般可从热固性工艺特性表中的保持时间来分析，它与塑料品种、壁厚、塑件形状和模温有关，但还受其他因素的影响。尤其与预热状态有关，适当的预热应保持在使塑料能发挥出最大流动性的条件下，尽量提高其硬化速度。一般预热温度高、时间长（在允许范围内）则硬化速度加快，尤其预压锭坯料经高频预热的，其硬化速度显著加快。另外，成形温度高、加压时间长则硬化速度也随之增加。因此，硬化速度也可通过调节预热或成形条件予以适当控制。

硬化速度还应适合成形方法要求，如在注射、挤塑成形时要求塑化、填充过程化学反应、硬化速度慢，应保持较长时间的流动状态，而当充满型腔后在高温、高压下应快速硬化成形，缩短成形时间，提高生产效率。

5.水分及挥发物含量

各种塑料中含有不同程度的水分和挥发物，过多时导致流动性增大、易溢料、保持时间长、收缩增大，且易发生波纹、翘曲等弊病，影响塑件机电性能。但当塑料过于干燥时也会导致流动不良、成形困难，所以不同塑料应按要求进行预热干燥。对吸湿性强的，尤其在潮湿季节即使对预热后的物料也应防止再吸湿。

由于各种塑料中含有不同程度的水分及挥发物，同时在缩合反应时要发生缩含水分，这些成分都需在成形时变成气体排出模外，有的气体对模具有腐蚀作用，对人体也有刺激作用。为此在模具设计时应对各种塑料的此类特性有所了解，并采取相应措施，如预热、模具镀铬防腐蚀，开排气槽或成形时设计排气工序等。

6.工艺成形特性

常用热固性塑料的工艺特性、工艺条件及成形特性可查相关手册。各种塑料成形特性与各种塑料品种有关，还与所含填料品种力度及颗粒均匀度有关。细料流动性好，但预热不易均匀，充入空气多不易排出、传热不良、成形时间长。粗料塑件光泽差，易发生表面不均匀。颗粒过粗、过细还直接影响比容及压缩率、模具加料室容积，颗粒不均匀则成形性不好、硬化不均匀，同时不宜采用容量法加料。填料品种对成形特性也有影响，具体可查阅相关塑料模具设计手册。

2.1.3.2. 热塑性塑料

热塑性塑料是指以具有线型或支链型结构的有机高分子化合物为主体树脂，添加各类助剂形成的的混合物，它们具有可反复受热软化（或熔化）和冷却硬化的性质。在软化状态下可以进行模塑加工。热塑性塑料种类丰富，即使同一种塑料也会由于树脂分子量及添加助剂配比不同而使其使用和工艺特性不同。另外，为了改变原有品种的特性，常用共聚、交联等各种化学聚合方法在原有的树脂结构中导入一定含量的异种单体或高分子等树脂，以改变原有树脂的结构，成为具有新的使用性能及工艺持性的改性品种。热塑性塑料品种多、性能复杂，即使同种类的塑料也有供挤出、注射或吹塑级别的分类，这里主要介绍各种注射级热塑性塑料成形过程中的工艺性能。

1.成形收缩率

热塑性塑料成形收缩的定义及计算如前所述热固性塑料中所介绍的，在热塑性塑料中影响成形收缩的因素如下。

（1）塑料品种。热塑性塑料成形过程中不但存在由于温度的变化导致的热胀冷缩引起的收缩，对于结晶聚合物还存在结晶化引起的相态变化引起的体积收缩，成形后材料内残余应力大，分子取向性强等因素，因此与热固性塑料相比则成形收缩率较大，收缩率范围宽、方向性明显。另外成形后的收缩、退火或调湿处理过程收缩一般也都比热固性塑料大。

（2）塑件特性。塑料注射成形时高温熔融物料与冷的型腔表面接触，物料外层立即冷却形成低密度的固态外壳。由于塑料的导热性差，形成的固体层起到隔热的作用，使塑件内层缓慢冷却而形成收缩较大的高密度固态层，所以塑件壁厚、冷却速度慢、高密度层厚的塑件收缩更大。另外嵌件及嵌件布局、数量也会直接影响熔融料流的方向、料层密度分布及收缩阻力大小等，所以塑件本身的特征对收缩大小和方向性影响也较大，这就要求塑件设计人员在进行塑件设计过程中注意进行补偿设计。

（3）模具浇口形式、尺寸、分布的设计。由于浇口是熔融物料从浇注系统进入型腔成形的关键结构，它的结构尺寸和分布直接影响型腔内料流的方向、密度分布、保压补缩作用及成形时间。一般情况下直接进料口、浇口截面大（尤其截面较厚的）则收缩小，但方向性大；浇口宽及长度短的则方向性小；距进料口近的或与料流方向平行的则收缩大。因此根据塑件结构特点，模具结构综合考虑设计合理的浇口对减小塑料制品的收缩变形非常重要。

（4）工艺成形条件。成形过程中模具温度高，熔融物料冷却速度慢、制品密度高、收缩较大，尤其对于结晶型聚合物料，因高温有助于结晶度的提高、体积变化大，故收缩更大。模具温度分布直接影响塑件内外冷却速度，导致塑件内部体积或密度均匀性不同，直接影响各部分收缩量大小及取向性。此外注射过程中的保压压力及保压时间对塑件收缩也影响较大，保压压力大、时间长则塑件收缩小但取向大。注射压力低，融料黏度小，层间剪切应力小，脱模后弹性回跳大，故收缩也可适量的减小，料温高、收缩大，但方向性小。因此在成形过程中合理调整模具温度、注射及保压压力、时间、速度，冷却时间等因素也可适当改变塑件收缩情况。

模具设计时要根据各种塑料的收缩范围、塑件壁厚、形状特征、浇口形式尺寸及分布情况，按经验确定塑件不同部位，不同方向的收缩率，据此计算型腔尺寸。对高精度塑件及难以掌握收缩率时，一般可通过是在设计时留出一定的修正余量，然后通过试模按实际收缩情况修正模具。

2.流动性

（1）热塑性塑料流动性大小，一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米德螺旋线长度、表观黏度及流动比（流程长度/塑件壁厚）等一系列指数进行分析。分子量小，分子量分布宽，分子结构规整性差，熔融指数高、螺旋线长度长、表观黏度小，流动比大的则流动性就好，对同一品系的塑料使用之前必须检验其技术参数，确定其流动性是否适用于注射成形。按模具设计要求大致可将常用塑料的流动性分为三类：

高流动性塑料 ：如尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酯酸纤维素、聚（4）甲基戊烯。

中等流动性塑料：改性聚苯乙烯（ABS，AS）、有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、聚甲醛、聚氯醚。

流动性差的塑料：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

（2）影响塑料流动性的因素。

塑料的流动性影响因素比较复杂，主要有如下几点：

温度：通常物料温度高高则流动性增大，但不同塑料也各有差异，如聚苯乙烯（尤其耐冲击型及MI值较高的）、聚丙烯、尼龙、有机玻璃、改性聚苯乙烯（ABS，AS）、聚碳酸酯、醋酸纤维素等塑料的流动性随温度变化较大，通常称为热敏性塑料。

压力：一般情况下注射压力增大则物料受剪切作用大，剪切黏度降低，流动性也增大，特别像聚乙烯、聚甲醛等塑料的流动性对剪切应力更敏感，所以成形时宜调节注射压力来控制物料流动性。常称为剪敏性塑料。

塑件结构：塑件结构对熔融物料的流动性影响很大，特别是壁厚的变化，通常壁厚越大，流动阻力越小，壁厚越薄，流动阻力越大，因此塑件设计过程中应使壁厚设计尽量一致，以减少壁厚的不均匀对物料流动性的影响，制件出现短射等工艺质量问题。

模具结构：浇注系统的形式、尺寸、布置，冷却系统设计，熔融物料的流动阻力（如型面光洁度，料道截面厚度，型腔形状和排气系统）等因素都直接影响物料在型腔内的实际流动过程，凡使融料降低温度、增加流动阻力的因素均会使物料流动性降低。

模具设计时应根据所用塑料的流动性，选用合理的结构。成形时也可控制料温，模温及注射压力、注射速度等因素，适当地调节填充情况以满足成形需要。

3.结晶性

热塑性塑料按其冷却凝固过程中是否会出现结晶现象划分为结晶型塑料与和无定型型塑料两大类。

所谓结晶型塑料是指塑料由熔融状态冷却凝固时，分子或链段由于热运动的作用局部由无序状态变为有序状态，使塑料的内部原子结构按相对固定的位置排列成规则结构倾向的现象。高分子材料由于结构的复杂性，结晶往往是不完整的，而在无定型结构中又常常出现局部有序的现象。

判别这两类塑料的外观标准可通过塑料的厚壁制件的透明性而定，一般结晶性料为不透明或半透明（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等），无定形料为透明（如有机玻璃、聚碳酸酯等）。但也有例外情况，如聚（4）甲基戊烯为结晶型塑料却有高透明性，ABS为无定形料但却并不一定透明。

通常熔融状态的密度和冷却凝固态的密度相差越大，成形收缩越大，易发生缩孔、气孔等现象，所以结晶聚合物的收缩性要比无定型大，工程技术人员在产品和模具设计过程中要注意制件的尺寸要求和选材之间的协调。

4.热敏性及水敏性

（1）热敏性塑料系指某些塑料对热量较为敏感，在高温下受热时间较长或进浇口截面过小，剪切作用过大时，料温增高易发生氧化变色、降聚和分解等倾向，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料，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种。热敏性塑料在分解时易产生单体、气体、固体等副产物，特别是有的分解气体对人体、设备、模具都有刺激、腐蚀作用或毒性。因此，模具设计、选择注射机及成形时都应注意，应选用螺杆式注射机，浇注系统截面宜大，模具和料筒应镀铬，不得有死角滞留物料，必须严格控制成形温度、模温、加热时间、螺杆转速及背压等。如有物料分解现象应立即洗清设备及模具，必要时应在热敏性塑料中加入热稳定剂，减弱热敏性能，提高热稳定性。

（2）有的塑料像尼龙、聚碳酸酯等即使含有少量水分，在高温、高压下也会发生分解，这种性能称为水敏性，对此必须预先检测原料水分是否在许可标准范围之内，如果超出标准，应通过合理的加热干燥方式至安全水分含量之下，并要注意后期使用过程中的吸潮，采取一定的防潮措施。

5.应力开裂或溶剂破裂，熔融破裂

（1）有的塑料材料对应力非常敏感，成形时容易产生内应力使制件出现质脆易裂的现象，有的制件在外力作用或在溶剂作用下即发生开裂现象，前者称为应力开裂，后者为溶剂开裂。为避免或减轻此种现象的发生，应选择合理的塑件形状，嵌件设置与否或设置的具体位置，形状等，以减少应力开裂现象。分析制品使用过程中是否会接触到敏感溶剂，避免溶剂开裂现象。也可在原料内加入助剂以提高抗裂性，对原料干燥处理，并合理地选择适当的成形条件，如调节料温、模温、注射压力及冷却时间等工艺条件，以减少内应力和增加抗裂性。模具设计时应增大脱模斜度，选用合理的浇口及顶出机构，尽量避免塑件过于冷脆时脱模，成形后塑件还宜进行后处理提高抗裂性，消除内应力并禁止与溶剂接触。

（2）当一定融熔指数的聚合物熔体，在恒温下通过喷嘴孔时其流速超过某值后，熔体表面发生明显横向裂纹称为熔融破裂，有损塑件外观及物性。故在选用熔融指数高的聚合物时，应增大喷嘴、浇道、进料口截面，降低注射速度和提高料温。

6.热性能及冷却速度

（1）各种塑料有不同热容、热传导率、热变形温度等热性能参数。热容高的塑料塑化时需要热量大，应选用塑化能力大的注射机，耗能高。热变形温度高塑料注射过程中冷却时间短，脱模温度高，但要注意脱模后防止制件冷却变形。热传导率低的塑料冷却速度慢（如离子聚合物等冷却速度极低）必须给予充分冷却，模具设计过程中要加强模具冷却效果。热流道模具适用于热容低、热传导率高的塑料。热容大、热传导率低、热变形温度低、冷却速度慢的塑料则不利于高速成形，必须选择适当的注射机并加强模具冷却。

（2）各种塑料按其品种特性及塑件形状，要求必须保持适当的冷却速度。所以模具必须按成形要求设置加热和冷却系统，以保持一定模温。当料温使模温升高时应给予冷却，以防止塑件脱模后变形，缩短成形周期，降低结晶度。当塑料余热不足以使模具保持一定温度时，则模具应设有加热系统，使模具保持在一定温度，以控制冷却速度，保证流动性，改善填充条件或用以控制塑件使其缓慢冷却，防止厚壁塑件内外冷却不匀及提高结晶度等。对流动性好、成形面积大、料温不匀的则按塑件成形情况，有时需加热或冷却交替使用或局部加热与冷却并用，为此模具应设有相应的冷却或加热系统。

7.吸湿性

根据塑料本身结构中是否含有极性基团以及添加的各种添加剂的吸水性，使其对水分具有不同的亲疏程度，所以塑料大致可分为吸湿黏附水分及不吸水也不易黏附水分的两种类型，物料中含水量必须控制在允许范围内。否则在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用，制件中出现起泡、短射、外观不良及综合性能下降的现象。所以对吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热，在使用时还需用防止再吸湿。

2.2 注塑件设计要点

2.2.1 塑件工艺设计

塑料制品结构的工艺性能就是塑料制品结构在成形时的适应性能，即制品的成形、制品的质量及其成形模具的结构、成形模具制造的好坏和制品最终总成本的高低。塑料制品结构工艺性能的好坏是塑料制品设计者设计出来的，由于工艺性与成形模具有紧密的联系，因此，必须分析塑件的工艺适应性。慎重考虑塑件的工艺结构，才能设计出合理的模具结构，最终得到满意的产品。根据成形加工的工艺要求设计塑料制件，不仅能保证塑料的顺利成形和防止缺陷，还能达到提高生产率和降低成本的目的。所以设计者在设计制品时必须充分考虑并很好掌握下述各项制品成形的要素和原则。

塑料制品结构的工艺性能包括塑料的成形特性、制品的成形方法和成形工艺的特点，以及成形模具的结构和制造方法等。设计原则如下。

（1）首先根据设计制品的使用要求确定塑件的力学性能，如强度、刚度、韧性、弹性、吸水性以及对应力的敏感性，不同塑料品种性能各异，各有所长，在设计塑件时要充分发挥材料的优点，避免或补偿其缺点或不足之处。

（2）在保证制品的各项性能指标的前提下，选择价廉且成形性能好的塑料，并要求制品结构简单、壁厚均匀，而且成形方便。

（3）在设计塑料制品的同时，应考虑塑料原料的成形工艺性，如流动性、收缩性、结晶性、取向性、吸湿性、硬化性等，同时其制品形状应有利于分型、排气、补缩和冷却。

（4）在设计制品时，塑件结构应能使模具总体结构尽可能简化，还要考虑模具的总体结构合理，使模具型腔易于制造，模具的抽芯和推出机构简单，特别是避免侧向分型抽芯机构和简化脱模机构，使模具零件符合制造工艺的要求。

（5）当制品的外观要求较高时，应先通过造型后逐步绘出样图。

塑件成形方法很多，成形方法不同制件设计原则亦有差别，应注意区别。塑件设计主要内容包括形状、尺寸、精度、表面粗糙度、壁厚、斜度，以及塑件上的加强筋、圆角、空、螺纹等工艺设计要点。

2.2.2 塑件材料选择

塑料制件的选材应当考虑以下几个方面。

（1）塑料的力学性能，如强度、刚性、韧性、弹性、弯曲性能、冲击性能，以及对应力集中的敏感性。

（2）塑料的物理性能，如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。

（3）塑料的化学性能，如对接触物的耐性、卫生程度及使用上的安全性等。

（4）必要的精度，如收缩率的大小及各向收缩率的差异。

（5）成形工艺性，如塑料的流动性、结晶性和热敏性。

对于塑料材料的这些要求往往是通过塑料的特性表进行选择和比较的。可选择《塑料成形加工与模具》或其他参考手册如《树脂手册》中常用塑料特性表进行各种塑料的比较。

2.2.3 塑件形状和结构设计

塑件形状和结构设计应从以下几方面考虑。

1.易于模塑，尽量避免侧孔与侧凹等侧向分型抽芯结构

如果在塑件内外表面上存在与开合模方向垂直的孔（通孔、盲孔）、凹陷部、突起部，则把这些孔、凹陷部、突起部称为侧孔、侧凹、侧凸。带有侧孔、侧凹、侧凸的模塑件，成形后脱模困难，需要先抽出成形这些部分，侧向运动的模具零件应在不妨碍塑件脱模的位置，才能把塑件由模具中顶出。下一次成形之前，必须使侧向抽出的模具零件回复至成形位置。这必然导致模具结构复杂、成形周期增长、塑件成本提高等一系列问题。因此，在不妨碍使用要求的前提下，应尽量避免把塑件设计成带有侧孔、侧凹、侧凸的结构。通常，只要适当改变塑件的结构，就可使模具结构大为简化。

塑件的形状应便于模塑，用注塑或传递模塑成形的制品在加工的充模阶段能顺畅充满型腔，为此塑件沿料流方向应设计成流线型或具有大的曲率半径，避免流动死角，以免在死角处形成气泡、缩孔。

2.塑件应便于脱出

为简化模具结构应尽可能不采用复杂的瓣合对开结构模具或侧抽芯结构。带有整圆式断续内侧凹槽的塑件或内螺纹塑件，如果采用内侧抽芯的办法成形，则模具结构颇为复杂，但当内侧凹槽较浅且在脱模温度下该塑料具有足够的弹性时，则可采用强制脱模的办法，这时塑件的内侧凹应设计成带有圆角的或梯形斜面，使在强制脱出时能产生使侧壁横向膨胀的分力。例如，聚甲醛塑件当模具型芯有5%的凹陷时，可成功地强制脱出。这些塑料常用的有聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。但大多数情况下的塑件的侧向凸凹是不能强制脱模的，必须采用侧向分型抽芯机构。

2.3 塑料制品设计基本流程

塑料制品设计首先要确定制品的功能和性能指标，再选择合适的材料，进而决定成形加工工艺，然后进行制品结构的设计和计算，绘制塑料制品生产图。完善的塑料制品设计还应包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能测试。因此，了解塑料材料各项性能的测试是十分重要的，使所设计的制品性能优良，以实现力学、化学、电学和光学等使用要求。

塑料件的设计一般可分成三个阶段。在一项塑料制品生产过程中，制品设计起着龙头作用。

1.拟订设计方案

在接受设计任务后，需全面收集有关各种资料和技术数据，进行综合和分析后进行以下工作。

第一步是科学地确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环境功能。在一定时间、空间和环境下需要完成诸如结构支撑、机械传动和电气绝缘等功能。塑料件的性能有力学、热力学、物理和化学、光学、电学等性能。要注意塑料材料的性能不等于塑料件的性能。大多数塑料经加热熔融和冷却固化成形，其原材料的性能会下降，或出现新的内在缺陷，影响塑料件的性能。像塑料管材等制品的功能和性能指标及测试方法是较为完整的。其他常用塑料制品在一定使用场合都有适合的专业指标和测试标准。

第二步是选择合适的塑料材料。不仅要保证制品的功能和性能，同时要考虑可加工性和生产成本。

第三步是确定制品的加工方法。各种不同的塑料加工方法适用于一定形状和尺寸，具有一定的加工精度和生产率，要有相应成形模具和设备，同时根据制品的具体要求确定塑料件的装配方法和表面修饰等要求。

第四步是对塑料件进行失效分析。针对塑料件对时间、温度和环境的敏感性，为保证使用期限里塑料件功能和性能的可靠，必须按主要失效形式进行预测性的理论计算和相应的实验测试，如在塑料件压力装配后，计算温度升高和应力松弛后的传递力矩。又如塑料齿轮在弯曲疲劳、接触点蚀、齿面磨损或热膨胀下的模数和中心距的理论计算。在重要的场合需对制品进行冲击或疲劳、耐候或抗渗透等性能测试。

拟定方案时，要遵循多个方案分析比较并逐步优化的方法。

2.结构设计

塑料件的结构基本上有功能结构、工艺结构和造型结构三方面。功能结构设计是结构设计的核心，可确定使用功能实现的制品形状、尺寸和壁厚。塑料件结构设计要做静载荷下短时和长期的形变校核；还要做动载荷下冲击、疲劳、滞后热和磨损等校核。

合理的工艺结构设计是制品生产的前提，关系到塑件质量、生产率和成本。聚合物流变学是工艺结构设计的理论基础，用以考虑模塑成形的可行性。必须合理处理流动性、收缩率、嵌件和脱模等技术问题。塑料件的合理连接没计，不但简化了单个塑件，实现与非塑料件的连接，还保证了流水线上对塑件的高效装配。

对于机壳、面板、仪表板和日用塑料制品，要通过外部造型设计予以装饰和美化。滚花、抛光、彩饰、植绒、镀覆金属和纹理图案等修饰与美术相结合，给人以美感。

结构设计要用工程制图进行形体的空间思维，各种草图、轴侧图和三视图也是交流的工程语言。现代的电子计算机绘图和三维造型，不但保证了设计质量，也为下一步计算机工艺模拟仿真分析准备了基础数据。通过不同的快速成形工艺如光固化工艺，激光选择烧结工艺，熔融沉积工艺和叠层实体，硅橡胶模具等快速成形工艺制作原型，以帮助制品结构设计、性能或装配验证等，设计中要跟各专职工程师和模具设计师及时进行协调交流。

现代计算机技术也为塑料件设计和工艺模拟仿真提供各种专业软件与数据库，如弹性卡夹、塑料铰链和塑料齿轮等辅助设计软件，在结构设计的最后阶段，慎重确定塑料件的尺寸精度、形位公差和表面质量要求是重要的工作。

3.生产准备和定型

完成了塑料件的图纸设计后，必须与工艺工程师和模具工程师交流合作，对制品进行计算机模拟和生产验证，并进行修改，直至定型。

注射模塑制品有各种CAE/CAD分析软件。对注塑件进行二维或三维造型后，数值模拟注射工艺过程，可获知塑料熔体充模流动、保压冷却、固化收缩和翘曲变形的分析结果。在此过程中，需对塑料件设计进行修正和优化。挤出加工的塑料也有CAD软件模拟挤出时熔体流动和冷却定型过程。对复杂的吹塑、共挤和热成形加工还必须进行专业的工艺设汁，预测和设计型坯。注射工艺有Moldflow工艺模拟仿真软件，对制品的工艺设计，工艺参数的优化，塑料模具浇注系统，冷却系统的设计和型腔的充填、保压、冷却等过程提供模拟仿真，进行优化设计或在此期间根据优化结果修改塑料件的原始设计。

塑料制品与金属零件一样有规模效应。由于成形模具成本很高，生产批量与每个塑件制造成本成反比。同样，塑料件的创造周期决定了新产品的试制周期，而且塑料件生产周期还包括金属模具的机械加工周期。专门的塑料件生产，还需设计和制造专用的成形机械。

开拓和进取的设计思想、严谨的科学作风应该为塑料件设计师所具备。在塑料制品的设计中，以下4条基本原理必须遵循。

（1）保证塑料件在使用期限中的功能和性能，在塑料件失效分析基础上计算校核，以及实验测试。

（2）在保证塑料件的功能和性能前提下选择材料，必须考虑加工的可行和材料成本低廉。

（3）聚合物的流变和固化过程，及其形态变化对塑料制品影响必须考虑。

（4）大多数塑料件是各种装置和设备中的组成元件，它的设计应统一在整体产品设计中。在保证整机质量前提下，降低塑料件的成本。

此外，塑料制品的标准化、系列化程度反映了塑料工业的发展水平。对各种电工线缆、吹塑容器、塑料门窗异型材、塑料管材膜材和接头等系列产品的标准化工作，今后将有更大进展。

2.4 本章小结

注塑模具的设计离不开选择对制件成形工艺的设计，了解常用工程塑料的特点和性质是模具设计成败的关键。本章主要介绍常用的热塑性和热固性塑料的种类、性质，并从实用角度分析塑料制品的设计要点，包括注塑制品的设计原则、材料选用、制件的结构设计等方面的内容。通过本章学习，应掌握各种常用塑料的成形特性，并在成形分析（如Moldflow）时具体加以应用。