降低塑料件成本的设计要点

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1.设计多功能的零件

注射模具通常比较昂贵,设计多功能的塑胶件,能够分担模具成本,从而降低零件开发成本;同时,由于塑胶件可以具有复杂形状和内部结构,一个塑胶件往往可以替代两个甚至多个传统工艺方法加工的零件,而多个塑胶件在有些时候也可以合并成一个塑胶件以节省成本。

例如,在电子电器产品中,合理的电缆线走向和固定对产品的散热和电磁干扰等至关重要。电缆线固定一般通过专用的束线带或线夹来完成,而在塑胶件中增加一些简单的特征即可实现电缆线的固定,如图3-67所示,从而减少束线带或线夹的使用。

2.合理选材，降低零件材料成本

塑胶材料是石油工业的产品之一。随着石油资源储备的不断减少,塑胶材料的价格也在不断上涨。在前几年石油价格飙升的时候,塑胶材料价格的飙升甚至造成中国家电企业不得不提高家电产品的价格。下图是塑料材料的性能金字塔，通常的情况是越往上面越贵，越往上面用得越小，购买渠道越少。

所以，在进行设计的时候，只要能满足使用要求，尽量选普通的，一般性能的塑料。能用ABS满足要求的就不要去用PC、或者PA6(PA66)，能用普通塑料满足要求的，就不要去用改性塑料或者专用塑料。

这里还涉及一个问题，塑料材料的比重(相对水的密度)，ABS的比重为1.07，PA6的比重为1.2。同样的尺寸用不同的材料，材料重量会不一样，就算同一样的材料价格，也会涉及到不同的成本。

另外，在保证产品功能等的要求下,零件设计应尽可能使用较少的材料。较少的材料能够降低零件成本,同时避免零件注射时增加注射时间,从而增加注射成本。在减少零件材料的使用时,需要注意:

1)通过增加加强筋而不是增加壁厚的方法来提高零件的强度。

2)零件较厚的部分去除材料。

3.简化零件设计，降低模具成本

在面向装配的设计(DFA)章节中讨论过KISS原则,KISS原则也适用于单个零件的设计,塑胶件的设计也是越简单越好。复杂的塑胶件形状和结构不但会增加模具结构的复杂性,增加模具的成本,同时会影响零件的质量和性能。

塑胶件应尽可能地设计成多功能的零件,但多功能的零件并不意味着复杂的零件。如果塑胶件多功能的设计反而造成了产品整体成本的上升,这恰恰违反了塑胶件多功能的目的,因为塑胶件多功能的目的之一就是降低产品成本。

4.避免零件严格的公差

可以看出,塑胶件尺寸公差越严格,对模具精度、模具穴数、注射成型工艺、检验等要求就更高,塑胶件成本就越高。产品设计工程师应当意识到严格的塑胶件尺寸公差对塑胶件零件成本和模具成本的巨大影响。因此,在产品设计时,在保证零件功能等前提下,通过优化的产品设计,尽量避免使用严格的塑胶件尺寸公差。

除了在公差分析章节中提到的一些公用措施外,对于塑胶件,还有一些措施包括:

①在尺寸精度要求较高的应用场合,选择收缩率低的塑料。

②模具型腔与嵌件、斜销和滑块等配合处存在着额外的对齐误差,避免在该区域提出严格的公差要求。

③预测塑胶件翘曲变形区域,避免在该区域提出严格的公差要求;通常可通过增加加强筋等方式来降低翘曲变形。

5.零件设计避免倒扣，避免侧向抽芯机构

倒扣是指零件无法正常脱模的特征,例如位于模具开模方向上侧的开口和侧面的凸台等。在模具中,倒扣是通过侧向分型与抽芯机构来实现的,而侧向分型与抽芯机构是模具中比较复杂的结构之一,同时也是增加模具成本的个重要因素。常用的侧向分型与抽芯机构包括斜销和滑块。

为降低模具成本,零件设计避免倒扣是一个重要的手段。

(1)有些外侧倒扣可以通过重新设计分型面来避免

如图3-68所示,重新设计分型面可避免零件外侧倒扣而不能顺利脱模。

(2)重新设计零件特征避免零件倒扣

很多零件倒扣特征可以通过特征的优化设计而去除,从而避免使用侧向抽芯机构,降低零件模具成本,如图3-69所示

如图3-70所示,原始的设计中,零件存在倒扣,需要通过斜销或滑块等侧向抽芯结构来脱模;通过零件特征的重新设计,可以避免使用侧向抽芯机构,在改进的设计中提供了四种方法,见图3-70b、c、d和e。

如下图所示，是一个零件及其模具的设计图。这个零件由于其特殊的结构，需要使用侧向抽芯机构。这不仅会增加模具的复杂程度，增加模具的成本。同时，由于模具尺寸的增加，在注塑的时候，也可能需要更大吨位的注塑机。所以，在设计的产品的时候，要尽量避免侧向抽芯。

6.降低模具修改成本

当一副塑胶件注射模具制造完成后,再进行模具修改的成本非常高,不正确的塑胶件设计往往会增加模具修改次数,提高模具成本,从而增加零件和产品的成本。因此,塑胶件的设计需要尽量减少甚至避免模具的修改。

6 .1 零件的可注射性设计

塑胶件设计的时候应当充分考虑零件的可注射性。零件可注射性好,零件注射成型后质量高,模具修改次数就少,模具修改费低。如果塑胶件设计不考虑零件的可注射性,零件可注射性差,零件注射成型后质量低,模具修改次数多,模具修改费用就高。因此,塑胶件设计必须遵循本章所涉及的塑胶件设计指南。

6.2 减少产品设计修改次数

当然,模具修改还可能是因为塑胶件在整个产品中不能实现其应有的功能,因此在模具开发之前,产品设计工程师需要通过CAE分析和运动仿真、样品制作等手段来完善和优化零件的设计,确保零件设计万无一失后,再进行模具的设计和开发,从而减少模具制造完成后的产品设计修改。

6.3 避免添加材料的模具修改

模具去除材料比较容易,修改费用低;模具添加材料比较复杂,修改费用高。因此,塑胶件的设计修改最好是使得模具去除材料而不是添加材料,那么塑胶件的设计修改就应当是添加材料,而不是去除材料。在零件设计时,如果对零件的设计没有把握,则可以对零件尺寸保留一定的余量,然后通过去除材料来验证零件的设计。

7.使用卡扣代替螺丝等固定结构

塑胶件的固定方式包括卡扣、螺钉、热熔和超声波焊接等,卡扣能够快速装配和快速拆卸,同时卡扣的成本最低,在满足产品装配以及功能的前提下,使用卡扣能够降低零件的成本。

8.合理选择模具穴数和冷/热流道系统

模具穴数影响塑胶零件的加工效率。模具穴数越多,模具越复杂,但塑胶件的加工效率越高,加工成本就越低,同时单个零件分摊的流道材料越低。在预期的塑胶件产能要求情况下,通过计算塑胶件成本(材料成本、模具成本分摊和加工成本),可合理选取模具穴数。

另外,合理选择流道系统也有助于降低塑胶件成本。传统的冷流道系统存在着流道材料耗损的缺点,特别是对于昂贵的塑胶材料。而热流道系统则基本不存在流道材料耗损,而且由于没有流道系统,塑件的冷却时间和模具的开模行程都可缩短,从而可以缩短成型周期,另外无须修剪浇口及回收加工浇道等工序,有利于生产自动化;但其缺点是价格较传统的冷流道模具贵。

9.其他

1)零件外观装饰特征及零件上的文字和符号宜向外凸出,模具加工时为下凹,加工容易。

2)设计零件和模具使得浇口能够自动切除,或者把浇口隐藏在产品内部,避免对浇口的二次加工。

3)把分型面隐藏在产品内部,避免对分型面的二次切除加工。

3.11 脱模斜度

塑胶材料从熔融状态转变为固体状态将产生一定量的尺寸收缩，零件因此而围绕凸模和型芯产生收缩而包紧。为了便于塑胶件从模具中顺利脱模，防止脱模时划伤零件表面，与脱模方向平行的零件表面一般应具合理的脱模斜度，如图3-27所示。

决定脱模斜度的因素如下：

1)零件若无特殊需求，脱模斜度一般取1°~2°;

3d建模时，除非是有重要的设计要求，零件一般不会去特别绘制脱模斜度。但模具设计后开模前，模具审核时需要注意零件内外的脱模斜度是否合理。

2)对于收缩率大的塑胶件应选用较大的脱模斜度。

3)尺寸精度要求高的零件特征处应选用较小的脱模斜度。

4)凸模侧脱模斜度一般小于凹模侧脱模斜度,以利于零件脱模。

5)塑胶件壁厚较厚时,成型收缩增大,因此脱模斜度应取较大值。

6)咬花面和复杂面脱模斜度应取较大值,咬花的大小决定脱模斜度的大小。

7)对于玻璃纤维增强塑料,脱模斜度宜取较大值。

8)脱模斜度的大小与方向不能影响产品的功能实现。

例如,两个零件具有运动关系时,需要考虑配合处的脱模斜度大小和方向,否则会影响产品功能实现。某电器产品上按钮与面板的结构剖面图如图3-28所示,按钮的功能是触发电器开关。

产品设计要求按钮在运动过程中不会被面板卡住,否则按钮不能触发开关,以至于不能正确行使功能,同时要求按钮在运动过程中不会左右摇晃,手感好。这就要求按钮的运动路线是垂直的直线运动,按钮与面板的配合面处必须保证上下间隙致。在原始的设计中,因为面板脱模斜度方向的错误,按钮与面板配合面处上侧间隙大、下侧间隙小,按钮在运动方向上始终只是依靠很小的一个平面与面板接触导向,于是按钮在按动过程中会摇摇晃晃,严重时会使得按钮卡在面板中造成按钮不能触发开关;在改进的设计中,面板脱模斜度方向修改,按钮与面板配合面处上侧和下侧间隙始终一致,按钮的运动路线是垂直的直线运动,按钮手感好,也不会发生按钮被面板卡住而失效的状况。

9)零件某些平面因为功能需要可以不设置脱模斜度,但模具则需设计侧抽芯结构,模具结构复杂,成本高。

10)在零件功能和外观等允许情况下,零件脱模斜度应尽可能大。

较小的脱模斜度会增加零件在顶出过程中表面划伤及损坏的可能性;同时,较小的脱模斜度要求模具表面抛光处理或复杂的模具顶出机构,增加模具成本。