塑料卡鉤的設(shè)計原理與分析

摘要：本文介紹了塑料卡鉤的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用空間和材料選擇原則及計算校核方法。塑料卡鉤結(jié)構(gòu)類似于金屬彈簧原理，由于塑料材料特點，其塑料卡鉤結(jié)構(gòu)又不同于金屬彈性結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)其獨特的功能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上使用塑料卡鉤結(jié)構(gòu)，裝配簡單可靠，可減少螺釘使用量，減低成本和節(jié)省資源，有利于保護環(huán)境，而先進的CAE計算手段更助于復(fù)雜塑料卡鉤結(jié)構(gòu)件的設(shè)計制造。

關(guān)鍵詞：塑料卡鉤結(jié)構(gòu)；CAE

在設(shè)計中使用塑料材料制造塑料卡鉤結(jié)構(gòu)能夠簡化結(jié)構(gòu)、節(jié)省費用。塑料卡鉤結(jié)構(gòu)的原理相似于金屬彈簧性結(jié)構(gòu)，但不能簡單地套用金屬彈簧性結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。一般來說，塑料卡鉤只能用于不需瞬時恢復(fù)的彈簧。塑料卡鉤最好是間歇工作，即對卡鉤部分產(chǎn)生一個短時間規(guī)定的力，而其他時間處于松弛狀態(tài)。塑料卡鉤的彈性恢復(fù)時間應(yīng)至少等于處于載荷下的時間。但是，塑料卡鉤結(jié)構(gòu)的應(yīng)用并未因此而受到限制，因為大多數(shù)塑料卡鉤結(jié)構(gòu)都是非連續(xù)使用的。在著手塑料產(chǎn)品設(shè)計時，必須考慮這個問題。雖然如此，塑料卡鉤結(jié)構(gòu)在某些產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用是非常成功的。如下圖1，鈕扣電池安裝原理圖所示意：按箭頭方向，鈕扣電池安裝后，不能脫落（圖2）；按箭頭方向，鈕扣電池可從電池托盤底座中拆出。

根據(jù)圖1和圖2內(nèi)容，僅靠鈕扣電池托盤和電池托盤底座上的塑料卡鉤結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鈕扣電池安裝和拆卸，在這種情況下采用塑料卡鉤是十分合理的。

1塑料卡鉤結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點:

金屬的特性對塑料來說是不可比擬的。例如，鋼的彎曲模數(shù)是常用注塑成型塑料件的30到100倍[2]。 塑料卡鉤結(jié)構(gòu)在其特定的應(yīng)用空間，它與金屬彈簧相比其優(yōu)點如下：

零件整體化：在這一點上可與金屬彈簧競爭，金屬彈簧結(jié)構(gòu)與塑料卡鉤結(jié)構(gòu)存在著整合性差別。也就是說，設(shè)計師可以創(chuàng)造性地使用塑料卡鉤結(jié)構(gòu)。零件整體化意味著結(jié)構(gòu)簡化，可靠性高，易于安裝、成本更低，重量更輕。

形狀和尺寸穩(wěn)定性：帶有金屬彈簧的零件，受加工方法和熱處理工藝水平限制，形狀穩(wěn)定性差，量產(chǎn)部品的形狀和尺寸常常不能達到要求。塑料部品由注塑成型，形狀和尺寸靠模具保證，在生產(chǎn)工藝沒有變更情況下，量產(chǎn)部品的形狀和尺寸一致性好。

裝配性能：因塑料件表面質(zhì)量自然光順 ，摩擦系數(shù)小，自潤滑性能好，在有粉塵存在的惡劣條件下，能正常工作。

包裝及倉儲：塑料件包裝和運輸較為容易，倉儲條件要求不高，金屬彈簧的零件因為易變形和氧化，在包裝和運輸方面要求較高。

環(huán)保方面: 塑料件的原料只要符合環(huán)保要求，其制品也能滿足環(huán)保要求，因金屬彈簧的零件須熱處理和表面處理，存在廢水排放等方面的環(huán)保要求。

抗蠕變方面[3]: 比起金屬來，用樹脂做的制品在持續(xù)載荷下會很快老化失效。ABS在1000小時（大約6周）后失去原有彈力的10%，10，000小時后（大約1年），失去原有彈力的15%，而100，000小時后（大約11年）失去原有彈力的三分之二。通常，聚本醚、聚碳酸酯、聚砜等塑料比聚乙烯和ABS有更好的抗蠕變性。如果模具溫度過低的話，在注塑成型過程的最后階段，材料的蠕變率將顯著上升。需要使用使用計算機軟件模擬注塑成型過程，計算出合適的模具溫度。

2塑料卡鉤結(jié)構(gòu)材料的選擇

對于塑料卡鉤部品的材料選擇取決于所需要的特性。需考慮的因素有抗蠕變性、載荷、疲勞極限和耐化學(xué)侵蝕性。要注意金屬和塑料的彎曲模數(shù)的差異，材料的經(jīng)濟性是重要的選擇因素。在材料中使用填充物可改善塑料材料特性。在材料中填充玻璃纖維增加了剛性和強度，但其撓度受到限制。環(huán)境溫度也影響塑料的性能。多數(shù)塑料在室溫下特性最好，如使用環(huán)境溫度高，必須使用耐高溫的樹脂原料，如聚苯醚（PPO）；聚砜。此外，要考慮防紫外線問題。如果塑料卡鉤部品安裝在產(chǎn)品內(nèi)部，或者安裝在背光處，可以避免紫外線輻射引起的塑料老化問題。對那些戶外使用的產(chǎn)品，例如園林工具和體育運動設(shè)備，紫外線的照射可以破壞彈簧功效。 在這種條件下，必須根據(jù)材料的抗紫外線典型數(shù)據(jù)決定所選材料能否在紫外線暴露下工作?？晒┻x擇的樹脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜、尼龍和ABS?？捎貌牧霞八鼈兊奶匦匀缦拢?/p>

聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）成型溫度：150～300℃，成型收縮率:1.5～4%，密度0.9～0.965克／立方厘米，抗彎強度：42～56MPa。價格便宜，但拉伸恢復(fù)性差，抗蠕變性差。它們只能用于短期負荷，其疲勞響應(yīng)中等，抗化學(xué)侵蝕性好。

聚碳酸酯（PC）成型溫度：250～300℃，成型收縮率:0.5～0.8%，密度1.18～1.20克／立方厘米，抗彎強度：94～130MPa。 耐沖擊性能好，加工性能好，不需要添加劑就具有UL94 V-0級阻燃性能。主要缺點：價格高，制品易應(yīng)力開裂，易和其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用（與氧化鈉和其它鹼清潔劑，能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生Bisphenol-A （C15H16O2）， 一種已知的內(nèi)分泌干擾素 (影響生殖系統(tǒng))）。PC在電子、電器工業(yè)被應(yīng)用在接線盒、插座、插頭及套管、墊片，通訊電纜的連接件，電閘盒、電話總機、配電盤元件，繼電器外殼等。

聚苯醚（PPO）成型溫度：280～340℃，成型收縮率:0.5～0.8%，密度1.06～1.36克／立方厘米，抗彎強度：57～97MPa，最突出優(yōu)點是高度耐水和耐蒸汽性。在 132 ℃的高壓蒸汽容器內(nèi)處理 200 次，抗拉和抗沖擊強度沒有顯著變化。此外它還具有尺寸穩(wěn)定性好 、蠕變小 、高絕緣性等特點 。主要缺點是熔融流動性差，價格高，加工成型困難，耐無機酸、堿、耐芳香烴、鹵代烴、油類等性能差，易溶脹或應(yīng)力開裂，主要用于：醫(yī)療器械代替不銹鋼，能承受蒸汽消毒；有高絕緣性和耐高溫要求電子零部件。

尼龍（PA）成型溫度：230～300℃，成型收縮率:1.5～2.2%，密度1.14～1.15克／立方厘米，抗彎強度：60～110MPa， 尼龍在干燥條件下比較耐磨，但當它暴露在50%的相對濕度下時，其剛性下降達25%。

聚砜（PSU），成型溫度：315～400℃，成型收縮率:0.4～0.7%，密度1.24～1.61克／立方厘米，抗彎強度：99～106MPa。一般說，聚砜的熱變形溫度為175℃，長期使用溫度控制在160℃以下。主要缺點：耐紫外線和耐疲勞強度較差。成型加工后宜進行熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力。主要用于：各種接觸器、接插件、變壓器絕緣件、可控硅帽 ，絕緣套管、線圈骨架、接線柱 ，印刷電路板、軸套、罩等。

丙烯腈、丁二烯和苯乙烯（ABS）成型溫度：200～240℃，成型收縮率:0.4～0.7%，比重:1.26～1.67克/立方厘米，抗彎強度：62～97MPa。。ABS樹脂是目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，具有優(yōu)良的綜合性能，有極好的沖擊強度、尺寸穩(wěn)定性好、電性能、耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性，成型加工和機械加工較好，耐水、無機鹽、堿和酸類，不溶于大部分醇類和烴類溶劑工程塑料的缺點：熱變形溫度較低，可燃，耐候性較差。用途：適于制作一般機械零件，減磨耐磨零件，傳動零件和電訊零件。

對于塑料卡鉤結(jié)構(gòu)的彈簧來說，特別圖1所示制品，屬于電子產(chǎn)品，使用環(huán)境沒有高溫及紫外線存在，雖然ABS抗蠕變性沒有聚苯醚好，但對使用性能沒有影響，考慮到制品成本，選用ABS。

3.塑料卡鉤結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

在通常的機械設(shè)計中，金屬彈性零件往往是一個獨立的標準零件。不論是螺旋彈簧或板簧，其結(jié)構(gòu)較為簡單，有足夠的彈性變形量即可。與金屬彈簧生產(chǎn)方式不同，塑料卡鉤結(jié)構(gòu)的零件生產(chǎn)方法：注塑成型。從注塑成型使用模具制造難度上，塑料板型彈簧結(jié)構(gòu)比螺旋彈簧更易于制造。因此，塑料板型彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)先被選用。

塑料板型彈簧結(jié)構(gòu)，在力學(xué)結(jié)構(gòu)上可以簡化成兩類受靜載荷梁，如圖3：懸臂梁 和圖4：簡支梁。 在比較懸臂梁和簡支梁的載荷和應(yīng)力方程 (參見圖3和圖4 )時， 可以看到，相同的截面（W與t的乘積）和有效跨距（L）下，懸臂梁的應(yīng)力載荷為簡支梁的16倍。然而， 在同樣撓度下，簡支梁彈簧的應(yīng)力是懸臂梁彈簧的 4 倍。 在同樣的載荷下，簡支梁彈簧可以設(shè)計較大的跨距和較薄的截面。 但是，在塑料板型彈簧結(jié)構(gòu)上， 按懸臂梁原理設(shè)計出的結(jié)構(gòu)較為簡單，部品形狀也簡單，與之對應(yīng)模具制造難度小。

3.1 設(shè)計公式

懸臂梁載荷和應(yīng)力方程[2]：