1.4.5 加强筋设计规范
加强筋在塑胶部件上是不可或缺的功能部分。加强筋如“工”字铁将有效地增加产品的刚性和强度,而无需大幅增加产品切面面积,但没有“工”字铁将出现倒扣难以成型的形状问题。对一些经常受到压力、扭力、弯曲的塑胶产品尤其适用,如图1-8所示。此外,加强筋更可充当内部流道,有助于模腔充填,对帮助塑料流入部件的支节部分有很大的作用。
图1-8 加强筋的设计
加强筋一般被放在塑胶产品的非接触面,其伸展方向应跟随产品最大应力和最大偏移量的方向。选择加强筋的位置应考虑一些生产上的要求,如模腔充填、缩水及脱模等。加强筋的长度可与产品的长度一致,两端相接产品的外壁,或只占据产品部分的长度,用于局部增加产品某部分的刚性。要是加强筋没有接上产品外壁的话,末端部分也不应突然终止,应该渐次地将高度降低,直至完结,从而减少出现困气、填充不满及烧焦痕等问题,这些问题经常发生在排气不足或封闭的位置上。
加强筋最简单的形状是一条附在产品的表面上的长方形柱体,不过为了满足一些生产上或结构上的考虑,加强筋的形状及尺寸如图1-9所示。
图1-9 加强筋的形状及尺寸
加强筋的两边必须加上拔模角以降低脱模顶出时的摩擦力,底部相接产品的位置必须加上圆角以消除应力过分集中的现象,圆角的设计也形成流道渐变的形状使模腔充填更为流畅。此外,底部的宽度应比相连外壁的厚度小,产品厚度与加强筋尺寸的关系如图1-10 (a)所示。图中加强筋尺寸的设计虽然已按合理的比例,但当从加强筋底部与外壁相连的位置作一圆圈R1时,图中可见此部分相对于外壁的厚度增加大约50%,因此,此部分出现缩水纹的机会相当大。如果将加强筋底部的宽度相对产品厚度减少50%如图1-10(b)所示,相对位置厚度的增幅减至大约20%,缩水纹出现的机会也大为减少。由此引伸出使用两条或多条矮的加强筋比使用单条高的加强筋较为优越,但当使用多条加强筋时,加强筋之间的距离必须比相接外壁的厚度大。加强筋的形状一般是细而长,一般的加强筋设计图说明设计加强筋的基本原则。留意过厚的加强筋设计容易产生缩水纹、空穴、变形挠曲及夹水纹等问题,也会加长生产周期,增加生产成本。
图1-10 产品厚度与加强筋尺寸的关系
除了以上的要求外,加强筋的设计也与使用的塑胶材料有关。从生产的角度看,材料的物理特性(如熔胶的黏度和缩水率)对加强筋设计的影响非常大。此外,塑料的蠕动(Creep)特性从结构方面来看也是一个重要的考虑因数。例如,从生产的角度看,熔胶的流动及脱模顶出的特性(缩水率、摩擦系数及稳定性)影响着加强筋的高度,较深的加强筋要求胶料有较低的熔胶黏度、较低的摩擦系数和较高的缩水率。另外,增加长的加强筋的拔模角一般有助于产品顶出,不过,当拔模角不断增加而底部的阔度维持不变时,产品的刚性、强度,以及可顶出的面积随着减少。顶出面积减少的问题可从产品加强筋部分加上数个顶出凸块或使用较贵的扁顶针得以解决,同时在顶出的方向打磨光洁也有助于产品顶出。从结构方面考虑,较深的加强筋可增加产品的刚性及强度而无需大幅增加质量,但与此同时,产品的最高点和最低点的屈曲应力随着增加,产品设计员须计算并肯定此部分的屈曲应力不会超出可接受的范围。
从生产的角度考虑,使用大量短而窄的加强筋比使用数个深而阔的加强筋优越,如图1-11所示。模具生产时(尤其是首办模具)。加强筋的阔度(也有可能是深度)和数量应尽量留有余额,当试模时发现产品的刚性及强度有所不足时可适当地增加,因为在模具上去除钢料比使用烧焊或加上插入件等增加钢料的方法更简单及便宜。
图1-11 加强筋增强塑胶件强度的方法
加强筋被置于塑胶部件边缘的地方可以帮助塑料流入边缘的空间,如图1-12所示。
图1-12 置于塑胶部件边缘地方的加强筋
不同材料的设计要点有以下几种。
1.ABS
尽量避免在主要的部件表面上出现缩水情形,肋骨的厚度不可能是相交的胶料厚度的50%以上,在一些非决定性的表面肋骨厚度可最多达到70%。在薄胶料结构性发泡塑胶部件中,肋骨可达相交面料厚的80%。厚胶料肋骨可达100%。肋骨的高度不应高于胶料厚的3倍。当超过两条肋骨时,肋骨之间的距离应不小于胶料厚度的2倍,如图1-13所示。肋骨的拔模角应介乎单边以便于脱模。
图1-13 ABS加强筋的设计要点
2.PA
单独的肋骨高度不应是肋骨底部厚度的3倍或3倍以上。在任何一条肋骨的后面,都应该设置一些小肋骨或凹槽,因肋骨在冷却时会在背面造成凹痕,用那些肋骨和凹槽作装饰而消除缩水的缺陷,如图1-14所示。
图1-14 遮盖缺陷
3.PBT
厚的肋骨尽量避免产生气泡、缩水纹和应力集中。方式的考虑会限制肋骨尺寸。在壁厚3.2mm(1/8in)以下,肋骨厚度不应超过壁厚的60%。在壁厚超过3.2mm的肋骨不应超过40%。肋骨高度应不超过骨厚的3倍。肋骨与胶壁两边的地方以一个0.5mm(0.02in)的R来相连接,使塑料流动顺畅和降低内应力,如图1-15所示。
图1-15 设置圆角连接减小内应力
4.PC
一般的肋骨厚度取决于塑料流程和壁厚。若很多肋骨应用于补强作用,薄的肋骨比厚的要好。PC肋骨的设计可参考图1-16所示PS的肋骨设计要点。
图1-16 PS材料筋位的设计要点
5.PS
肋骨的厚度不应超过其相接壁厚的50%。违反以上指引在表面上会出现光泽不一现象。图1-16所示为PS材料筋位的设计要点。