1.5 塑料制件设计
1.5.1 塑料制件设计的基本原则
注射制品的形状结构、尺寸大小、精度和表面质量要求与注射成形工艺和模具结构的适应性称为制品的工艺性。如果制品的形状结构简单、尺寸适中、精度低、表面质量要求不高，则制品成形起来就比较容易，所需的注射工艺条件比较宽松，模具结构比较简单，这时可以认为制品的工艺性比较好；反之，则可以认为制品的工艺性较差。为设计出工艺性良好且满足使用要求的塑料制件，必须遵守以下基本原则。
（1）在设计塑件时，应考虑原材料的成形工艺特性，如流动性、收缩率等。
（2）在保证制品使用要求（如使用性能、物理性能与力学性能、电性能、耐化学腐蚀性能和耐热性能等）的前提下，应力求制件形状、结构简单和壁厚均匀。
（3）设计制品形状和结构时，应尽量考虑如何使它们容易成形，考虑其模具的总体结构，使模具结构简单、易于制造。
（4）设计出的制品形状应有利于模具分型、排气、补缩和冷却。
（5）制品成形前后的辅助工作量应尽量减少，技术要求应尽量放低，同时在成形后最好不再进行机械加工。
1.5.2 塑件的形状和结构设计
塑件形状和结构设计的主要内容包括塑件形状、壁厚、斜度、加强筋、支撑面、圆角、孔、嵌件、文字、符号及标记等内容。
1．塑件形状
塑件的形状在不影响使用要求的情况下，都应力求简单，避免侧表面凹凸不平和带有侧孔，这样就容易从模腔中直接顶出，避免了模具结构的复杂性。对于某些因使用要求必须带侧凹、凸或侧孔的塑件，常常可以通过合理的设计，避免侧向抽芯，如图1-1所示。图1-1（a）所示的是侧面带凹凸纹的塑件，主要是为了旋转时增加与人手的摩擦力（如家用电器、仪器仪表的旋钮），可以采用方案（b）直纹，以避免方案（a）菱形纹造成模具结构复杂；图1-1（c）所示的塑件侧面下端带有孔，主要是为了排放液体用，可采用设计方案（d），避免方案（c）造成侧向抽芯。
1-4 塑件的结构设计原则
2．脱模斜度
为便于塑件从模腔中脱出，在平行于脱模方向的塑件表面上，必须设有一定的斜度，此斜度称为脱模斜度。斜度留取方向对于塑件内表面是以小端为基准（即保证径向基本尺寸），斜度向扩大方向取；对于塑件外表面则应以大端为基准（保证径向基本尺寸），斜度向缩小方向取，如图1-2所示。脱模斜度随制件形状、塑料种类、模具结构、表面精加工程度、精加工方向等而异。一般情况下，脱模斜度取1/30～1/60（2°～1°）较适宜。
图1-1 可避免抽芯的侧凹、侧孔塑件示例
图1-2 塑件上斜度留取方向
设计塑件时，如果未注明斜度，则模具设计时必须考虑脱模斜度。模具上脱模斜度留取方向是：型芯是以小端为基准，向扩大方向取；型腔是以大端为基准，向缩小方向取。这样规定斜度方向有利于型芯和型腔径向尺寸修整。斜度大小应在塑件径向尺寸公差范围内选取。当塑件尺寸精度与脱模斜度无关时，应尽量地选取较大的脱模斜度；当塑件尺寸精度要求严格时，可以在其尺寸公差范围内，确定较为适当的脱模斜度。
塑件上脱模斜度可以用线性尺寸、角度、比例等3种方式来标注，如图1-3所示。用线性尺寸标注脱模斜度的图例如图1-3（a）所示，用角度表示脱模斜度如图1-3（b）所示，用比例标注法如图1-3（c）所示。
表1-3～表1-5所示的是常用塑料的脱模斜度推荐值，可供设计塑件时参考。
图1-3 脱模斜度的标注
表1-3 常用热塑性塑料的脱模斜度
表1-4 常用热固性塑料件上孔的脱模斜度
表1-5 常用热固性塑料件外表面的脱模斜度
3．防止塑件变形的措施
（1）在转角处加圆角R。因为塑件容易产生内应力，绝对强度又比较低，所以为了使熔料易于流动和避免应力集中，应在转角处加设圆角R，且圆角R的值应比金属件的圆角大。应力集中系数与R/A之间的关系如图1-4所示。
图1-4 应力集中系数与R/A的关系
1-5 圆角的结构设计原则
（2）设置加强筋。塑件上增设加强筋的目的是在不增加塑件壁厚的情况下，增加塑件的刚性，防止塑件变形。对加强筋设计的基本要求是筋条方向应不妨碍脱模，筋的设置不应使塑件壁厚不均匀性明显增加，筋本身应带有大于塑件主体部分的脱模斜度等。图1-5所示的是加强筋设计的两个典型方案比较，其中图1-5（a）所示的设计方案较好，而图1-5（b）所示的方案会使筋底与塑件主体连接部位壁厚增加过多，同时使A处容易产生凹陷等缺陷，因而不可取。
图1-5 塑件上加强筋设计比较
1-6 加强筋与防变形机构设计原则
4．壁厚及壁厚均匀性
塑件壁厚设计的基本依据是塑件的使用要求，例如强度、刚度、绝缘性、重量、尺寸稳定性和与其他零件的装配关系。壁厚设计也须考虑到塑件成形时的工艺性要求，如对熔体的流动阻力，顶出时的强度和刚度等。在满足工作要求和工艺要求的前提下，塑件壁厚设计应遵循如下两项基本原则。
（1）尽量减小壁厚。减小壁厚不仅可以节约材料，节约能源，也可以缩短成形周期，因为塑料是导热系数很小的材料，壁厚的少量增加会使塑件在模腔内冷却凝固时间明显增长。塑件壁厚减小，也有利于获得质量较优的塑件，因为厚壁塑件容易产生表面凹陷和内部缩孔。
热塑性塑件的壁厚一般在1～4mm，表1-6列出了热塑性塑件最小壁厚及推荐壁厚。热固性塑件的壁厚一般在1～6mm，表1-7为根据外形尺寸推荐的热固性塑件壁厚值。
表1-6 热塑性塑件最小壁厚及推荐壁厚 单位：mm
表1-7 热固性塑件壁厚 单位：mm
（2）尽可能保持壁厚均匀。塑件壁厚不均匀时，成形中各部分所需冷却时间不同，收缩率也不同，容易造成塑件的内应力和翘曲变形，因此设计塑件时，应尽可能减小各部分的壁厚差别，一般情况下，应使壁厚差别保持在30%以内。
对于由于塑件结构所造成的壁厚差别过大情况，可采取如下两种方法减小壁厚差。
①可将塑件过厚部分挖空，如图1-6（b）、（d）、（f）所示。
图1-6 挖空塑件过厚部分使壁厚均匀
②可将塑件分解，即将一个塑件设计为两个塑件，在不得已时采用这种方法。
5．塑件的支撑面
当采用塑件的整个底平面作为支撑面时，应将塑件底面设计成凹形或设置加强筋，这样不仅可提高塑件的基面强度，而且还可以延长塑件的使用寿命，如图1-7（b）、（c）所示，支撑面设置加强筋的，筋的端部应低于支撑面约0.5mm。
图1-7 塑件的支撑面
1-7 支撑面的设计原则
6．塑件上的孔
塑件上的各种形状的孔，如通孔、盲孔、螺纹孔等，尽可能开设在不减弱塑件机械强度的部位，孔的形状也应力求不使模具制造工艺复杂化。
孔的成形方法与其形状和尺寸大小有关。对于较浅的通孔，可用一端固定的型芯成形，如图1-8（a）所示。而对于较深的通孔，则可用两个对接的型芯成形，如图1-8（b）所示，但这种方法容易使上、下孔出现偏心，避免的方法是将上、下任何一侧的孔径增大0.5mm以上。对于比较复杂的孔形，可采用图1-9所列的方法成形。
图1-8 通孔的成形方法
图1-9 复杂孔形的成形方法
7．嵌件
由于应用上的要求，塑件中常镶嵌不同形式的金属嵌件。塑件上嵌件设计的基本要求是塑件在使用过程中，嵌件不被拔脱。
金属嵌件的种类和形式很多，但为了在塑件内牢固嵌定而不致被拔脱，其表面必须加工成沟槽或滚花，或制成多种特殊形状。图1-10中所示的就是几种金属嵌件的典型形状。
金属嵌件设计的基本原则如下。
图1-10 嵌件的典型形状
（1）金属嵌件嵌入部分的周边应有倒角，以减少周围塑料冷却时产生的应力集中。
（2）嵌件设在塑件上的凸起部位时，嵌入深度应大于凸起部位的高度，以保证应有的塑件机械强度。
（3）内、外螺纹嵌件的高度应低于型腔的成形高度0.05mm，以免压坏嵌件和模腔。
（4）外螺纹嵌件应在无螺纹部分与模具配合，避免熔融物料渗入螺纹部分。
（5）嵌件高度不应超过其直径的两倍，高度应有公差要求。
（6）嵌件在模内应定位准确并防止溢料。
常见嵌件与塑件的连接形式如图1-11和图1-12所示。
图1-11 圆柱形嵌件的定位结构
8．标记、符号、图案、文字
塑件上常带有产品型号、名称、某些文字说明以及为了装饰美观所设计的花纹图案。所有这些文字图案以在塑件上凸起为好，一是美观，二是模具容易制造，但凸起的文字图案容易磨损。如果使这些文字图案等凹入塑件表面，虽不易磨损，但不仅不美观，模具也难以加工制造，因为成形凹下的文字图案要求模具上的文字图案必须凸起，这很难加工出来。解决的方法是仍使这些文字图案在塑件上凸起，但塑件带文字图案的部位应低于塑件主体表面。模具上成形文字图案的部分加工成镶件，镶入模腔主体，使其高出型腔主体表面。文字图案的高度一般为0.2～0.5mm，线条宽度一般为0.3～0.8mm。
图1-12 板片形嵌件与塑件的连接
1.5.3 螺纹塑件设计
塑件上的螺纹可以在模塑时直接成形，也可以用后加工的办法机械切削，在经常装拆和受力较大的地方则应该采用金属的螺纹嵌件。为了防止螺孔最外圈的螺纹崩裂或变形，应使内螺纹始端有一台阶孔，孔深0.2～0.8mm，并且螺纹牙应渐渐凸起，如图1-13所示，图1-13（a）是错误的，图1-13（b）是正确的。同样制件的外螺纹其始端也应下降0.2mm以上，末端不宜延长到与垂直底面相接处，否则易使脆性塑件发生断裂，如图1-14所示，图1-14（a）是错误的，图1-14（b）是正确的。同样，螺纹的始端和末端均不应突然开始和结束，而应有过渡部分l，其值一般取2～8mm。
1-8 塑料螺纹的设计原则
图1-13 塑件内螺纹的正误形状
图1-14 塑件外螺纹的正误形状
1.5.4 塑件的尺寸精度
（1）塑件的尺寸。塑件尺寸在这里指的是塑件的总体尺寸，而不是壁厚、孔径等机构尺寸。塑件尺寸大小与塑件流动性有关。在注射成形中，流动性差的塑料，如玻璃纤维增强塑料及薄壁塑件等的尺寸不能设计得过大。大而薄的塑件在塑料未充满型腔时已经固化，或勉强能充满但料的前锋已不能很好融合而形成冷接缝，影响塑件的外观和结构强度。注射成形的塑件尺寸还受注射机的注射量、锁模力和模板尺寸的限制。
（2）塑件的尺寸精度。塑件的尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度，即所获塑件尺寸的准确度。影响塑件尺寸精度的因素很多，首先是模具的制造精度和模具的磨损程度，其次是塑料收缩率的波动以及成形时工艺条件的变化，塑件成形后的时效变化和模具的结构形状等，因此，塑件的尺寸精度往往不高，应在保证使用要求的前提下，尽可能选用低精度等级。
塑件的尺寸公差可依据标准GB/T 14486—2008《塑料模塑件尺寸公差》确定，见表1-8。该标准将塑件分成7个精度等级，表1-8中MT1级精度要求较高，一般不采用。表1-8只列出了公差值，基本尺寸的上、下偏差可根据工程的实际需要分配。表1-8还分别给出了受模具活动部分影响的尺寸公差值和不受模具活动部分影响的尺寸公差值。此外，对于塑件上的孔的公差可采用基准孔，可取表中数值冠以“+”号；对于塑件上轴的公差可采用基准轴，可取表中数值冠以“-”号。在塑件材料和工艺条件一定的情况下，应参照表1-9合理的选用精度等级。
表1-8 塑料模型件尺寸公差表（GB/T 1448-2008） 单位：mm
表1-9 常用材料模塑件公差等级的选用（GB/T 14486—2008）
检验方法：模塑件的检验应在成型之后，在GB/T2918—1998规定的标准温度（23℃±2℃）和湿度（50%±5%）状态下放置24h或经“后处理”后，在此温度和湿度条件下用千分尺或精度不低于0.02mm的游标尺按GB/T17037.4—2003进行测量，对于超小型或大型塑件还可用投影仪等光学方法测量，塑件上同一部位应随机抽样测量5次，取其平均值并提供附有制品图样的检验报告。
（3）塑件的表面粗糙度。塑件的外观要求越高，表面粗糙度值应越低。成形时要尽可能从工艺上避免冷疤、云纹等缺陷产生。除此之外，塑件的表面粗糙度主要取决于模具型腔表面粗糙度。一般模具表面粗糙度要比塑件的要求低1～2级。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，所以应随时予以抛光复原。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决定它们的表面粗糙度。塑件的表面粗糙度可参照GB/T 14234—1993《塑料件表面粗糙度标准》选取，一般Ra取0.2～1.6μm。