工程塑料装配和后序加工1

82
1.3.7. 射频（或介电或高频）焊接
49
1.3.8. 感应（或电磁）焊接
50
3.5. 单位转换因子
83
1.3.9. 电阻焊接
51
1.3.10. 热气焊接
51
1.3.11. 铆焊接
53
2. 表面处理
55
2.1. 精整与装饰
55
2.1.1. 介绍
55
2.1.2. 涂料涂饰
55
2.1.3. 金属涂镀
二级加工指南
工程塑料的装配与后道加工
目录
1. 装配
2
2.1.10. 蒸汽抛光
74
2.1.11. 清洗
74
1.1. 机械紧固件
2
1.1.1. 介绍
2
2.2. 机械加工
76
1.1.2. 螺栓装配
2
2.2.1. 介绍
76
1.1.3. 成型螺纹
4
2.2.2. 钻削与铰制
76
1.1.4. 塑料螺钉的螺纹计算
型芯销 顶出脱模环块
固定模模腔
5
可拆型芯
可拆型芯用于较小的零件，如图10。由于 型芯分割成若干段，会出现分型线。可拆型 芯容易磨损。
图10 可拆型芯。
冷却孔
内螺纹旋退装置
使用旋退装置可以大批量地加工高质量的螺 纹，如图11。
手装螺纹嵌件
手装螺纹嵌件通常用于需要高精度的小批量 的加工。嵌件与零件一同从模具中取出。
长孔：
允许一个方向的 横向运动
压缩弹性垫圈：
补偿由于热膨胀系数不匹配产生的 压缩负载变化
大尺寸孔： 允许相对横向运动，但影响零件对准
弹簧垫片：
用于补偿由于热膨胀系数不匹配 产生的压缩负载变化
金属与塑料间的热膨胀量之差6L可以用以 下公式计算。
6L = (_塑料 - _金属) . L . 6T
其中
_塑料 = 塑料的线性热膨胀系数
_金属 = 金属的线性热膨胀系数
L = 螺栓头至螺母间的螺栓初始长度
6T = 温度升高
如果温度升高，两种材料的热膨胀将导致螺 栓的拉伸和塑料的压缩。这将增加螺栓和塑 料中的预紧力，如图5所示。
螺栓应拧紧至压缩负载和摩擦力足以防止相 对运动。
具有不同的热膨胀系数的不同材料制成的零 件，其连接可以通过膨胀接头、长孔或弹性 套管。参见图4，热膨胀不匹配问题的一些 解决方法可供选择。
图5 螺栓中预紧力的增加。
A) 塑料
B) 螺栓
C) 螺栓与塑料
螺栓头和螺母可以用沉孔的方式改善外观。 使用盖形螺母也是提高美观性较好的方法。 可在零件内模制六角形沉孔，防止螺栓头或 螺母转动，简化装配操作，同时可以改善装 配的外观。
1.1.3. 成型螺纹
力 力 螺栓预紧力 的增加
+
=
塑料压缩
螺栓拉伸
32
1.2.4. 双面胶粘接
36
3. 表格
81
1.3. 焊接
37
3.1. 介绍
81
1.3.1. 介绍
37
1.3.2. 振动焊接
40
3.2. 最大许用短时应变
81
1.3.3. 旋转焊接
42
1.3.4. 超声波焊接
44
3.3. 摩擦系数
82
1.3.5. 热板焊接
46
1.3.6. 激光焊接
48
3.4. 泊松比
8
2.2.3. 攻螺纹
77
1.1.5. 螺纹金属嵌件
9
2.2.4. 锯切
77
1.1.6. 凸块盖
12
2.2.5. 铣削
77
1.1.7. 压旋紧固件
12
2.2.6. 车削与镗削
78
1.1.8. 自攻螺钉
13
2.2.7. 冲压、落料与模切
78
1.1.9. 铆接
17
2.2.8. 激光加工
78
1.1.10. 搭扣连接
图3 应避免使用圆锥头螺栓。
有关螺栓的拧紧力矩和应力计算，参见 1.1.4.节。
嵌接
非频繁拆卸的连接 成型螺纹 压旋紧固件 铆钉 压接 自攻螺丝
挠曲
压缩
2
图4 热膨胀不匹配的一些解决方法。
塑料 （热膨胀系数高）
金属 （热膨胀系数低）
紧间隙： 相对横向运动受限，产生应力和弯曲
大尺寸孔与弹性套管： 允许相对横向运动，零件对准正确
. ro )
根据von Mises失效标准，等效应力mid为：
mid = ( 3 . o2 ) = 3 . F / ( 4 . / . p . ro )
同样，该等效应力必须小于或等于材料的最 大许用应力：
超声嵌入 使用以超声频率振动的尖角将嵌件压入塑料 中的孔内。超声能量将嵌件周围的塑料熔化。 嵌件压入后，塑料立即在嵌件周围均匀冻 结。
图15 螺钉。
Mh
R
+ + Mh = F . (
h.R+
t.r cos _
+
p
2./
)
其中 F = 螺钉中的轴向力 R = 螺钉头接触面的平均半径 p = 螺距 r = 螺纹节径 _ = 螺纹径向侧角
+h = 螺钉头下方接触面的摩擦系数 +t = 螺纹摩擦系数
该表达式的第一项表示螺钉头下方的摩擦 力，后两项表示螺纹的摩擦力。因此螺纹中 的力矩Mt为：
拔模组件
成型外螺纹
外螺纹的加工方式有：
- 螺纹在分型面内的模制成型， - 可从模具中拉拔螺纹， - 可使用旋退装置。
未拆 拆分段
剥离板
型腔
中心销
成型零件
已拆
图11 内螺纹旋退装置。
齿轮 驱动箱
型芯
齿条 2 齿条 1
模具可动部分 模具静止部分
6
图12 无旋退装置的模具。螺纹的中心线位于模具的分型面内。
60
2.1.3.a. 真空蒸镀
61
2.1.3.b. 阴极溅镀
62
2.1.3.c. 反应溅镀
62
2.1.3.d. 无电电镀
62
2.1.3.e. 选择性无电电镀
63
2.1.3.f. 一般电镀
63
2.1.3.g. 火焰与电弧喷镀
63
2.1.4. 贴花
66
2.1.5. 热转印
66
2.1.6. 烫印
66
2.1.7. 模内装饰
图16所示为专用于超声嵌入的嵌件，不同 型号与规格均有销售。
与成型嵌件相比，超声嵌入缩短了成型时间。 但它也是一种额外的制造工序。应随时注意 确保嵌件牢固地植入基材中。
mid < mmax
9
加热嵌件 一种特殊压力机使用预热的嵌件进行热压 入。当嵌件达到预定的温度时，将其压入孔 内。热传递将聚合物熔化，熔化的聚合物流 入切口，冷却后即可牢固地固定嵌件。
模具
外螺纹零件
图13 从模具中拉拔外螺纹。
拔模销 射出
凹型腔 成型零件
固定型芯销
螺纹位于分型面的模具
如果螺纹的中心线位于模具的分型面，模具 成本最低，如图12。在这种情况下，不需 要使用成本较高的外旋退装置。但零件表面 可以看见分型线。
如果不能这样设计，或者螺纹的中心线不能 位于模具的分型面，例如由于中心线位于开 模方向，必须将零件从模具中拉拔，或者必 须使用旋退装置。
Ip = 截面的极惯性矩 = / . (ro4 – ri4 ) / 2
ro = 螺钉芯的外径 ri = 螺钉芯的内径
max = F / A respectively o = r0 . Mt / lp
根据von Mises失效标准，等效应力mid为：
mid = (max2 + 3 . o 2)
该等效应力必须小于或等于材料的最大许用 应力： mid < mmax
18
2.2.9. 锉削
78
1.1.11. 压接
18
2.2.10. 打磨与磨削
78
1.1.12. 卡扣连接
21
2.2.11. 抛光
79
1.2. 胶接
30
2.3. 退火
79
1.2.1. 介绍
30
2.3.1. Stanyl 退火
79
1.2.2. 溶剂粘接
30
2.3.2. Xantar 退火
80
1.2.3. 胶粘剂粘接
- 避免锥形（管）螺纹，除非提供凸 缘，参见图8。
- 考虑成型填充和误差因素，应避免使 用螺距小于1mm的细牙螺纹。
- 特别应注意金属与塑料配合的结构。 热膨胀和刚度不同可能导致应力过大 或连接松脱。金属螺纹上的锐边可能 损坏塑料。
- 必须检查连接是否因拧紧而应力过 大，或因蠕变或应力松弛而松脱。
图7 避免锐边。
根部半径 r 螺距 P
1 mm
错误 错误
正确 正确
1 mm
4
图8 锥形（管）螺纹应提供凸缘。
错误
正确
图9 从模具中拉拔内螺纹。
射出
注塑件
成型内螺纹
内螺纹有多种成型方式：
- 从模具中拉拔， - 可拆型芯， - 旋退装置， - 手装螺纹嵌件。
拉拔式内螺纹
从型芯中拉拔内螺纹成型零件的可能性非常 有限，取决于塑料类型和螺纹形状。该方法 仅适用于弹性模量小、屈服应变大的热塑性 塑料。在拉拔过程中，从模具中拔模时不得 超 过 螺 纹 的 弹 性 极 限 （ 参 见 图 9 ）。 有 关 DSM热塑性塑料的螺纹的最大许用短时应 变，参见3.2节。圆形螺纹特别适用于该方 法。
拉拔外螺纹
图13显示了从模具中拉拔外螺纹的原理。 对于内螺纹也有相同的考虑事项。
外螺纹旋退装置
外螺纹旋退装置的示例如图14。
图14 外螺纹旋退装置。
齿轮 射出杆
成型零件
螺母
螺纹套筒
7
1.1.4. 塑料螺钉的螺纹计算
拧紧力矩和螺纹力矩
可用以下公式计算所需的拧紧力矩Mh。（所 用符号与单位另见图15。）
如果使用螺栓装配连接零件，在设计时必须 考虑装配的不同材料的热膨胀系数（CLTE）。 因为大多数塑料的热膨胀系数比钢材大，会 出现温度低时装配变松、温度高时装配变紧 的情况。在极限条件下（很高的温度），由 于塑料的膨胀程度大于螺栓，塑料中的压缩 应力可能升高至超过其屈服强度。
3
塑料结构与螺栓的力与位移关系图分别如图 A和B所示（参见图5）。图中直线的斜率由 螺栓和塑料结构的刚度决定。这两个图线在 图C中组合，两个曲线的原点间的距离等于 ΔL。从而确定产生的预紧力的增加量。
67
2.1.8. 水转印
68
2.1.9. 印刷
69
2.1.9.a. 移印
69
2.1.9.b. 丝网印刷
69
2.1.9.c. 升华印刷
70
2.1.9.d. 柔性版印刷
70
2.1.9.e. 干式胶版印刷
71
2.1.9.f. 激光印刷与标记
73
1
装配
1.1. 机械紧固件
图1 频繁装配与拆卸的可能性。
1.1.1. 介绍
图2 使用中空凸块限制挠曲。
螺栓和螺母通常均由钢制成。螺纹（外螺纹 和内螺纹）可以通过模具成形。
热塑性塑料生产的螺栓和螺母也适用于标准 的机加工螺纹。热塑性塑料的螺栓和螺母是 需要提高化学稳定性和电气绝缘性的应用的 理想选择。热塑性塑料的螺栓也可以避免使 用热膨胀系数相对较低的钢制螺栓连接热膨 胀系数较高的塑料零部件时可能出现的问 题。
ΔL
Hale Waihona Puke 塑料的附加压缩螺栓的附加拉伸
设计
在不需要频繁装配和拆卸时，可以使用成型 螺纹。这样就免去了机械式螺纹的加工。内 螺纹和外螺纹都很常用。
图6 典型的螺纹根部半径：r=0.14P至0.18P。
设计成型螺纹时，必须考虑以下规则：
- 最大化根部半径，以降低应力集中， 参见图6。
- 螺纹尾部最好应圆整，避免螺纹交叉 和损坏螺纹，参见图7。
8
图16 超声嵌入的嵌件。
A
A1
1.1.5. 螺纹金属嵌件
嵌入是可以方便地重复装配和拆卸的连接方 法。将金属件嵌入热塑性塑料中，使用标准 的螺钉或螺栓进行连接。
B
B1
4o
大多数情况下需要凸块。应合理设计凸块， 以避免出现凹痕、内应力和扭曲。在暗面、 亮色、加工表面和圆边上较难看见凹痕。
下面将详细探讨常用的不同的嵌入技术。
+ Mt = F . (
t.r cos _
+
p
2./
)
B B
P
A
AF
α
ri ro r
工程人员应注意摩擦系数的变化范围很大， 它取决于表面粗糙度、润滑条件和表面压力 等。有关摩擦系数，参见3.3节。
截面A-A中的应力 螺钉轴的截面A-A中的公称轴向拉伸应力max和剪 切应力o为：
其中
A = 轴截面的面积 = / . (ro2 – ri2 )
错误设计（无局部支承） 紧固件拧紧时挠曲或变形
改进设计带局部支承 （中空凸快）
设计间隙，确保零件 表面在凸快面接触和 压缩之前配合
为了避免螺栓拧紧时的过应力，可以设计中 空凸块承受预紧力，参见图2。这也可以避 免因弯曲应力过大导致壁板弯曲。
为了避免螺栓头和螺母下方的应力集中，应 使用垫片以较大的面积分散负载。圆锥头螺 栓会在螺栓头下方形成较大的拉伸应力，必 须加以避免，参见图3。
机械紧固件通常用于可以方便地装配和拆卸 的连接。
1.1.2. 螺栓装配
需要频繁装配和拆卸的零部件可以使用螺栓 连接。
可以频繁装配和 拆卸的连接
螺栓连接 螺纹金属嵌件 搭扣连接
螺栓连接成本较高；由于螺栓头和螺母暴露 在外，从美观上不是最精致的连接方式。因 为螺栓需要拧紧，必须使用拧紧工具，可用 空间可能成为制约条件，应在设计前予以考 虑。
截面B-B中的剪切应力 众所周知，螺钉的螺纹绕组上的载荷分布是 不均匀的。最前面的几个螺纹绕组承载轴向 载荷F的绝大部分。如果使用塑料螺钉和钢 制螺母，或反过来，塑料件的轴向刚度将比 钢制件低得多。因此第一个绕组将承受总载 荷的50％，因此还必须校核截面B-B的应 力水平。那么公称剪切应力o 为：
o = ( F / 2 ) / ( 2 . / . p . ro ) = F / ( 4 . / . p