塑料制品厚度设计

塑料制品壁厚设计
摘要塑件的厚度对其质量有很大的影响，壁厚过小难以满足使用强度和刚度要求，对于大型复杂件难以充满型腔；厚度太大，不但浪费原材料，而且在塑件内部易产生气泡，外部易产生凹陷等缺陷，同时还会增加冷却时间，所以，从经济的角度出发塑件的薄壁化很重要的
关键词设计壁厚塑料制品
设计塑料模具时，应考虑塑料制品的厚度是否符合成型工艺要求。

制品壁厚过薄，注射时流动阻力大，成型困难，有时无法充满型腔；制品壁厚过厚，不仅造成原料浪费，延长成型周期，而且容易产生气泡、凹痕、翘曲等缺陷。

一，壁厚设计的基本原则：
要求塑件的壁厚尽可能均匀。

以避免造成收缩不一致而导致变形或开裂。

如果一个制品厚度相差悬殊，制品在成型冷却过程中必然收缩不均，不仅造成气泡、凹痕和翘曲，同时制品内部存在较大的内应力，影响制品的外观和内在质量。

在实际生产中，塑料制品的设计要使厚壁完全均匀是有困难的，一般要求制品厚度不均匀度不超过50%。

二，影响制品壁厚设计的因素
塑料制品的基本结构是根据制品的使用要求规定的。

制品厚度的设计是依据所选用的原料来定的。

因此在一般情况下，当塑料制品厚
壁设计时，应当考虑使用条件和塑料制造条件这两大因素。

使用条件包括：结构、重量、强度、绝缘性能；塑料制造条件包括：材料流动性、冷却时间、顶出强度以及装配强度尺寸精度等因素。

具体归纳以下三点：
1，结构因素：
塑料制品的基本结构主要指形状及大小，它是根据制品的使用要求决定的，由于塑料成型的收缩特性不同于金属，当金属件改用塑料时或新设计塑料零件时，必须将金属零件的结构及壁厚作相应的改变，使其符合塑料制品壁厚的均匀性原则，对厚壁部分要挖空和该形，使其达到壁厚均匀，例如表1中几种制品的合理结构设计。

表1 塑料塑件壁厚合理结构设计实例
2,强度因素：
塑料制品的强度在一定结构条件下，由原料的物理、机械性能决定。

塑料与金属相比具有较低的机械强度、质脆、冲击强度较低、质量轻，所以特别要注意塑料制品壁厚的设计要满足强度要求。

虽然有时制品在使用中需要的强度很小，但制品从模具型腔脱模时要经受脱模机构的冲击和震动，必须保证有一定脱模强度，同时还要考虑制品装配式可能承受的锁紧力，设计制品相应的壁厚，使满足脱模和装配强度的要求。

3，塑料流动性因素：
塑料制品在成型过程中熔融后具有一定流动性，由于塑料的品种
和牌号不同，它们所具有的流动性也不同，塑料的流动性一般可用熔融指数和阿基米德螺旋线流动性试验方法作相对比较，熔融指数越高，表示流动性越好。

因此对不同材料的制品壁厚应考虑最有利于流动的设计，不仅能使注满型腔，而且能够使塑料各个方向流动速度一致，流动方向上碰到阻力最小，对于流动性好的塑料如尼龙、聚乙烯、聚丙烯等壁厚可薄一些，对于流动性差的塑料如聚碳酸酯、聚砜等壁厚可厚一些。

三，各种塑料的常用壁厚
建议一般塑料制品壁厚采用1—6mm，最大可达8毫米。

最常用壁厚值为1.8—3mm，这都随塑件类型及大小而定。

表2、表3为各种塑料成型条件下的常用壁厚参数。

四，壁厚设计对熔接痕及排气的影响
塑料流动总是沿着阻力最小的途径进行，当制品设计有孔、嵌件和个别厚度较小的部位都产生阻力，使塑料形成两股或几股物料流动，在几股料流的汇合处就是熔接痕，熔接痕部位强度较差，示图1。

壁厚的设计也应该考虑料流的方向，例如电表表盖，材料选372有机玻璃，图2所选用壁厚处理不当a<b,料流沿着流动阻力小的方向分成两股，最后在表盖面上形成明显的熔接痕，影响外观。

图3所示，对a>b，情况如何采用合理壁厚设计，即可避免熔接
痕的出现。

有时壁厚设计不当会造成流速不一，如图4a所示壁厚S<H,这样两股料流汇合使空气无法从模腔中逸出，使制品中存在空气泡，而且在两股料流汇合处的表面显示不丰满，而且有烧焦现象。

当采用图4b壁厚S>H时，可避免缺陷。

五，最小壁厚的设计
在满足性能及成型的情况下，塑件壁厚尽量薄一些为好，因为对塑件壁薄对于成型周期更为有利，且节省原料。

对于不同塑料的不同制品，怎样选择可以成型的最小壁厚是一个急需解决的问题。

影响最小壁厚的因素很多，主要是流程长短与物料流动性。

厚壁与流程大小的关系：
当塑料制品的结构确定以后，壁厚与料流距离有一定的函数关
系，从壁厚与流程的关系中，可求出模具设计适合工艺要求的依据，H为塑料制品的壁厚，L为流程长度，即为料流走的距离，也就是熔融体在模腔内从浇口到最远点熔接痕出的长度，如图5所示。

L=L1+L2
图5
例如制品结构设计如图6，壁厚为0.9毫米，材料选用尼龙1010，模具采用侧浇口二端进料，由图可知最长流程为120毫米，那么从表中查得最小壁厚1.4毫米，因此制品设计0.9毫米壁厚成型困难，改为大于等于1.4毫米较为合适。

图6
表4 壁厚与流程的函数关系
六，冷热水用聚丙烯管材壁厚设计的举例
1，从影响制品壁厚设计的因素考虑聚丙烯管材壁厚设计：
（1），结构因素：聚丙烯管材的形状和尺寸。

因此考虑管材公称外径
d e 、管材系列S值。

（2），强度因素：聚丙烯管材在通冷热水时，所承受的压力、压强。

因此考虑设计应力σs、设计压力P D 。

（3），流动性因素：聚丙烯塑料用挤出机加工成型为管材时，在考虑聚丙烯的流动性时，一般而言，即使在聚丙烯塑料中加入各种添加剂，它的流动性还是比较好的，对制造管材并没有什么影响，因此聚丙烯塑料很适合制造管材。

2，实际的壁厚设计
根据ISO/DIS 15874：1999标准，在冷热水用聚丙烯系列管材中只规定了管材系列S值。

在执行标准时，根据使用级别和设计应力，
查得到S值，再用下式计算管材的公称厚度：
e n =d e /(2S+1) ， S=σs /P D
式中：
e n——公称壁厚（mm）；
d e ——管材公称外径（mm）；
S——管系列；
σs ——设计应力（MPa）；
P D ——设计压力（MPa）。

例：有一北方地域的民用商宅区需安装热水管道，该使用哪种规格的塑料管材？
解：（1）北方地域天气寒冷，使用级别宜选择2级；
（2）塑料管材宜选用无规共聚聚丙烯PP-R；
（3）管道常用规格为Φ63 Φ50 Φ32 Φ20
（4）设计压力宜选择0.6MPa
(5)计算
根据ISO/DIS 15874：1999得出σs =2.13MPa；
S max =σs /P D=2.13/0.6=3.55, 径圆整S=3.2 （S max 管系列最大值）
σ0 =SP D =3.2*0.6=1.92MPa；
e n20 =d e /(2S+1)=20/(2*3.2+1)=2.7mm
e n32 =d e /(2S+1) =32/(2*3.2+1)=4.3mm
e n50 =d e /(2S+1) =50/(2*3.2+1)=6.8mm
e n63 =d e /(2S+1) =63/(2*3.2+1)=8.5mm
或：
e n20 = d e P D/(2σ0 + P D)=20*0.6/(2*1.92+0.6)=2.7mm
同样方法算得
e n32 =4.3mm e n50 =6.8mm e n63 =8.5mm
壁厚的偏差按ISO/DIS 15874：1999中表7执行。

即：
e n20 =2.7mm，允许偏差：e n32 =4.3mm，允许偏差：e n50 =6.8mm，允许偏差：e n63 =8.5mm，允许偏差：+0.4 0
+0.6 0
+0.8 0
+1.0 0
参考资料：
“塑料管道工程”中国建材工业出版社“塑料成型工艺及模具设计”机械出版社
“塑料模具设计实用教程”化工工业出版社“海南大学中文数据库”。