根据要求的性能选材
聚合物材料在不同应用场合下,会经受各种外力和环境的综合作用。因此首先要详细了解使用条件及其对材料性能的要求,然后根据性能要求选材并进行设计。但是根据材料性能数据选材时,制品设计者应该注意,塑料和金属之间有明显的差别,对金属而言,其性能数据基本上可用于材料的筛选和制品设计,然而,粘弹性的塑料却不一样,各种测试标准和文献记载的聚合物性能数据是在许多特定条件下的,通常是短时期作用力或者指定温度或低应变速率下的",这些条件可能与实际工作状态差别较大,尤其不适于预测塑料的使用强度和对升温的耐力,因此,所有的塑料选材都要把全部功能要求转换成与实际使用性能有关的工程性能,并根据要求的性能进行选材。通常根据性能选材的方法有:对塑料性能分项考虑、比较的选材;同时考虑多项性能综合评价的选材。
(1)对塑料性能分项考虑、比较的选材
①相对密度塑料基材的相对密度一般都在0.91(聚丙烯)到2.2(聚四氟乙烯)的范围内。但若制成泡沫塑料,相对密度就会减少到0.04或更低;填充无机材料或金属等材料能使相对密度达到3左右。塑料比金属的相对密度小(铝2.7,钢7.8),这是塑料的优点之一。用它们来制造水上运输船舶和漂浮物,飞机和宇宙飞行器、导弹等就是利用这一优异特性以及其它性能。
列出各种工业材料和各种塑料的相对密度比较。
②色泽与透明度塑料有可能在很广的范围内着色,而且有的塑料表面有光泽,不需机械加工就能得到成型制品,这对简化工艺、降低成本是很有利的。此外,由于有些非结晶性的树脂是透明的,所以适于在光学上和装饰上应用。若使用填料掺混,则会失去透明性。对于层压塑料,可用表面有光泽的树脂制作塑料装饰板;还可在塑料表面组合金属箔和其它塑料膜或通过表面电镀、喷镀、蒸镀、表面陶瓷化和表面涂饰、改质等技术来获得各种用途的表面,改善表面性能。分别列出各种材料的折射率、透明塑料的光学性能以及各种塑料的光弹性常数;
③硬度
塑料的硬度比-般金属差得多,而且目前还没有一种能通用于金属和塑料的硬度测定计,所以不能作定量比较。一些材料的硬度的近似比较。尽管塑料表面比金属软,但对于许多方面的应用,塑料的耐磨损性还是令人满意的,例如热固性的三聚氰胺甲醛树脂和酚醛树脂层压板可用作桌面,俞者的棉纤维增强塑料可用作轴承滚珠等。为了进一步提高塑料的表面硬度和耐磨性,以适应某些应用如光学材料和制品的需要,可以通过表面处理和改性技术,如有机与无机的表面涂层或表面镀层,表面陶瓷化等,其表面性能将会大大改善。
④机械性能
因为塑料与金属的特性不同,设计受力的塑料零部件时,必须考虑塑料的特点,并认真进行结构设计和合理选材。一般塑料的特点是:
a.塑料受热膨胀,线胀系数比金属大很多;
b.一般塑料的刚度比金属低一数量级;
c.塑料的力学性能在长时间受热下会明显下降;
d.一般塑料在常温下和低于其屈服强度的应力下长期受力,会出现永久形变;
e.塑料对缺口损坏很敏感;
f.塑料的力学性能通常比金属低的多,但有的复合材料的比强度和比模量高于金属,如果制品设计合理,会更能发挥起优越性;
g.一般增强塑料力学性能是各项异性的;
h.有些塑料会吸湿,并引起尺寸和性能变化;
i.有些塑料是可燃的;
j.塑料的疲劳数据目前还很少,需根据使用要求加以考虑.
根据塑料的特性,不能简单地直接代用金属材料,必须按所选塑料的性能和特点, 重新设计。
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工程塑料制品大部分是用注射成型方法加工而成的,制件的设计必须在满足使用要求和符合塑 料本身的特性前提下,尽可能简化结构和模具、节省材料、便于成型。制件设计中应分别考虑如下 因素:
一、制件的形状应尽量简单、便于成型。
在保证使用要求前提下,力求简单、便于脱模,尽量避免或减少抽芯机构,如采用下图例中 (b)的结构,不仅可大大简化模具结构,便于成型,且能提高生产效率。
二、制件的壁厚确定应合理。
塑料制件的壁厚取决于塑件的使用要求,太薄会造成制品的强度和刚度不足,受力后容易产生 翘曲变形 ,成型时流动阻力大 ,大型复杂的制品就难以充满型腔。反之,壁厚过大,不但浪费材 料,而且加长成型周期,降低生产率,还容易产生气泡、缩孔、翘曲等疵病。因此制件设计时确定 制件壁厚应注意以下几点:
1.在满足使用要求的前提下,尽量减小壁厚;
2.制件的各部位壁厚尽量均匀,以减小内应力和变形;
3.承受紧固力部位必须保证压缩强度;
4.避免过厚部位产生缩孔和凹陷;
5.成型顶出时能承受冲击力的冲击。
国外的一些常用塑料的推荐壁厚如下表:
材料
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壁厚(mm)
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PA、POM
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0.45-3.2
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PC、PSV
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0.95-4.5
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ABS
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0.8-3.2
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三、必须设置必要的脱模斜度
为确保制件成型时能顺利脱模,设计时必须在脱模方向设置脱模斜度,其大小与塑料性能、制 件的收缩率和几何形状有关,对于工程塑料的结构件来说,一般应在保证顺利脱模的前提下,尽量 减小脱模斜度。
下表为根据不同材料而推荐的脱模斜度:
材料
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脱模斜度
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PA、POM、ABS 40'
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-10°30'
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PC、PSV
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50'-2°
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PE、PP
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30'-1°
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热固性塑料
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20'-1°
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具体确定脱模斜度时应考虑以下几点:
1.对于收缩率大的塑料制件应选用较大的脱模斜度;
2.对于大尺寸制件或尺寸精度要求高的制件应采用较小的脱模斜度;
3.制件壁厚较厚时,成型收缩增大,因此脱模斜度应取大;
4.对于增强塑料脱模斜度宜取大;
5.含自润滑剂等易脱模塑料可取小;
6.一般情况下脱模斜度不包括在制件公差范围内。
四.强度和刚度不足可考虑设计加强筋
为满足制件的使用所需的强度和刚度单用增加壁厚的办法,往往是不合理的,不仅大幅增加了 制件的重量,而且易产生缩孔、凹痕等疵病,在制件设计时应考虑设置加强筋,这样能满意地解决 这些问题,它能提高制件的强度、防止和避免塑料的变形和翘曲。设置加强筋的方向应与料流方向 尽量保持一致,以防止充模时料流受到搅乱,降低制件的韧性或影响制件外观质量。
五.在满足使用要求的前提下制件的所有的转角尽可能设计成圆角,或者用圆弧过渡。 圆角具有以下特点:
1、 圆角可避免应力集中,提高制件强度
在制件的转角处易产生应力集中,在受力或受冲击、振动时会发生破裂,尤其像常用的工程塑 料――聚碳酸酯,如果成型条件不当或制件结构不合理,则会产生很大的内应力,特别容易产生应 力开裂。实验数据证明,当圆角半径小于制件壁厚0.3倍/时应力集中急剧增大, 当大于壁厚0.8倍 /时,应力集中明显变小。
2、 圆角可有利于充模和脱模
对于一些流动性差的塑料或加入填料的塑料,制件设计圆角尤为重要,不仅可改善充模性能, 而且可提高制品使用性能。
3、 圆角有利于模具制造,提高模具强度
制件上设计了圆角,模具的对应部位也呈圆角,这就增加了模具的坚固性,模具在淬火或使用 时不致因应力集中而开裂,因而也增加了模具的强度。
六.应根据制件的使用要求和塑料材料的特性合理确定制件的尺寸公差。 影响塑料制件尺寸精度的因素很多而且十分复杂,归纳起来主要有以下几方面:
1、塑料原料本身的特性,一般结晶型和半结晶型的塑料的收缩率比无定型的大,范围也宽,因 此制件尺寸精度也就有差异。
2、成型工艺条件如料温、模温、注射压力、保压压力、塑化背压、注射速度、成型周期等都会 影响成型收缩率的大小和波动范围。
3、模具的结构如分型面选择、浇注系统的设计、排气、模具的冷却和加热等以及模具的刚度等 都会影响制件尺寸精度。
4、模具在使用过程中的磨损和模具导向部件的磨损也会直接影响制件的尺寸精度。因此在制件 设计中正确合理确定尺寸公差是非常重要的。对于工程塑料制件、尤其是以塑代钢的制件,设计者 往往简单地套用机械零件的尺寸公差,这是很不合理的,许多工业化国家都根据塑料特性制定了塑 料制件尺寸公差。我国也于1993年发布了GB/T14486-93 《工程塑料模塑塑料件尺寸公差》,设计 者可根据所用的塑料原料和制件使用要求,根据标准中的规定确定制件的尺寸公差。
七.工程塑料的制件设计除了要注意上述各点外,还应注意各种孔、侧凹(凸)、螺纹和嵌件的设 计,这里不再一一详述,如有需要了解,可参阅有关专业书利,也欢迎与我们交流讨论。
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