復(fù)雜塑料薄殼件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)

魏清蘭

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復(fù)雜塑料薄殼件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)

魏清蘭

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，福建 漳州 363000）

以筆記本電腦外殼件為例，針對(duì)復(fù)雜塑料薄殼件的典型零件，從塑件原材料及塑件壁厚、脫模斜度、凹孔、凸臺(tái)、卡扣等方面展開工藝分析，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝設(shè)計(jì)，從而獲得較好的制品結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，分析方法及工藝設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜塑料薄殼件的生產(chǎn)有一定的借鑒作用。

塑料薄殼件；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工藝設(shè)計(jì)

隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料制品在生活中日益廣泛應(yīng)用，殼體輕薄化已成為發(fā)展趨勢(shì)，特別是在手持通訊和計(jì)算機(jī)設(shè)備應(yīng)用中更為突出。如在筆記本電腦產(chǎn)品中，更新?lián)Q代速度快，對(duì)使用壽命、外觀等其它方面要求越來(lái)越高，設(shè)計(jì)理念朝著“輕、薄、短、小”方向發(fā)展，對(duì)塑料外殼厚度要求越來(lái)越薄，因而生產(chǎn)難度越來(lái)越大。良好的塑件結(jié)構(gòu)工藝性，不僅可以使成型工藝得以順利進(jìn)行，而且能夠得到最佳的經(jīng)濟(jì)效益[1]，結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)要根據(jù)塑件的使用性能、成型的難易性，并兼顧外形造型美觀等進(jìn)行。

1 工藝分析

圖1所示為某企業(yè)開發(fā)的一款筆記本電腦底座外殼件初步樣件造型，塑件外形尺寸為166mm×273.5 mm×16.5mm，最小壁厚為0.6mm，與上殼件的尺寸相匹配，塑件成型之后要求外觀不能有凹陷、毛刺等缺陷，內(nèi)部不得有導(dǎo)電雜質(zhì)，表面需進(jìn)行皮紋處理。從圖1可知，樣件內(nèi)外表面有多處側(cè)孔、卡扣等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且屬于一種薄殼件。為能制造出獲得滿足客戶需求的產(chǎn)品，需對(duì)樣件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)。

圖1 筆記本電腦底座外殼

2 塑件原材料的選擇

塑件原材料的選擇主要考慮塑料的適應(yīng)性（如力學(xué)性能、物理性能、流動(dòng)性、收縮性和化學(xué)性能等）、制品的使用性能、塑料的加工性能、塑料制品的成本、塑料原料的來(lái)源等。筆記本電腦外殼件是整個(gè)筆記本電腦的“外衣”，具有“保護(hù)、散熱、美觀”作用，因此要求其材料具有高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、良好導(dǎo)熱性等。目前，筆記本電腦外殼采用的材料主要有金屬和非金屬兩類，金屬材料主要由鎂鋁合金、鈦合金等構(gòu)成的合金材料。非金屬材料有ABS工程塑料、聚碳酸酯、碳纖維復(fù)合材料等[2]。經(jīng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)比較，選用ABS/PC塑料，即塑料合金。因其具有PC的優(yōu)良耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和抗沖擊性，又兼有ABS的易加工性、良好的耐磨性、抗化學(xué)藥品性、染色性、成型加工和機(jī)械加工性，這些特性很適合用作筆記本電腦外殼材料[3]。

3 塑件結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝設(shè)計(jì)

塑件工藝性關(guān)系到塑件成型、塑件質(zhì)量以及模具結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)成本，塑件工藝性的好壞主要取決于塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)塑件時(shí)不僅要滿足使用要求，而且要符合實(shí)際成型工藝特點(diǎn)，且盡可能簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)，從而保證成型工藝順利實(shí)施，提高生產(chǎn)率，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

3.1壁厚

塑件的壁厚是重要結(jié)構(gòu)要素之一，壁厚降低具有減小制品質(zhì)量及外形尺寸、縮短生產(chǎn)周期、節(jié)約材料、降低成本和便于集成設(shè)計(jì)及裝配等優(yōu)點(diǎn)，已成為塑料制品輕薄化的研究熱點(diǎn)。但若壁厚過(guò)小，將導(dǎo)致成型時(shí)流動(dòng)阻力大，大型復(fù)雜塑件就難以充滿型腔。塑件壁厚的最小尺寸應(yīng)滿足這方面要求：具有足夠的強(qiáng)度和剛度；脫模時(shí)能經(jīng)受推出機(jī)構(gòu)的推出力而不變形；能承受裝配時(shí)的緊固力。此外，壁厚應(yīng)盡量均勻。若不均勻，可能會(huì)因冷卻速度不同產(chǎn)生附加內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致塑件產(chǎn)生縮孔、翹曲、裂紋甚至開裂，壁厚較大處內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣泡，外表可能會(huì)出現(xiàn)凹痕[4]。

圖2所示利用CAD/CAE、Moldflow技術(shù)對(duì)樣件進(jìn)行壁厚分析，結(jié)果顯示①處“壁厚太小”，容易引起產(chǎn)品破裂，須將此處加厚或者掏空；②處 “壁厚不均”，會(huì)導(dǎo)致收縮不均，尤其是過(guò)渡處局部縮水過(guò)大；③處原則上應(yīng)減小此處的壁厚。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品的使用性能要求，對(duì)以上壁厚不合理處進(jìn)行優(yōu)化，②處將其形狀改為圖3所示結(jié)構(gòu)；②處在滿足使用要求的前提下將厚壁處適當(dāng)減小厚度；③處因此處為孔位，若減小壁厚，將影響到使用性能，所以此處不進(jìn)行修改，在模具上稍作局部處理。

圖2 樣品壁厚分析圖

圖3 壁厚不均處結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

3.2 凹孔、凸臺(tái)、卡扣

從樣件分析得知，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有多處凹孔、凸臺(tái)、卡扣。凹孔設(shè)計(jì)依裝配件的不同形狀各異，設(shè)計(jì)時(shí)孔的形狀大小和位置具體的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其裝配件的大小來(lái)定。凸臺(tái)是用來(lái)增強(qiáng)孔或裝配附件用的，設(shè)計(jì)時(shí)為保證凸臺(tái)有足夠的強(qiáng)度，又因與凸臺(tái)裝配的零件為旋入式的，零件壁厚取適當(dāng)取大值，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)此處壁厚應(yīng)為0.7 mm以上，為便于成型一般應(yīng)設(shè)置2°脫模斜度。因產(chǎn)品需與上蓋件裝配使用，內(nèi)部應(yīng)設(shè)置卡扣，結(jié)合產(chǎn)品使用性能及裝配可靠性，在塑件的內(nèi)部邊緣設(shè)置卡扣，卡扣設(shè)置還應(yīng)考慮脫模的難易程度。圖4箭頭所示位置為優(yōu)化設(shè)計(jì)的卡扣，采用斜頂機(jī)構(gòu)成型，箭頭方向表示脫模時(shí)斜頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)方向。

圖4 卡扣設(shè)計(jì)

為放置便攜電池，在塑件殼體上設(shè)計(jì)有凹槽，圖5a）是外殼與電池連接固定處，該結(jié)構(gòu)需設(shè)置側(cè)孔成型機(jī)構(gòu)來(lái)成型，不利于塑件脫模，優(yōu)化為圖5b）所示結(jié)構(gòu)，可采用碰穿面成型，有利于塑件脫模。

圖5 殼體側(cè)孔優(yōu)化

3.3脫模斜度

為了便于從塑件中抽出型芯或從型腔中脫出塑件，防止脫模時(shí)擦傷塑件，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在塑件內(nèi)外表面沿著脫模方向留有足夠的斜度。PC/ABS塑料脫模斜度的參考值為型腔35′~1°30′、型芯30′~40′[4]。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合moldflow軟件對(duì)零件進(jìn)行內(nèi)外表面脫模的分析，該產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，脫模困難。為保證模具開模時(shí)不產(chǎn)生粘?，F(xiàn)象，適當(dāng)增大拔模角，取其拔模角為2°。

3. 4 加強(qiáng)筋

加強(qiáng)筋是復(fù)雜薄殼塑件不可缺少的一部分，在塑件的適當(dāng)位置上設(shè)置加強(qiáng)筋，不僅有助于提高塑件的強(qiáng)度和剛度及減薄塑件的壁厚，且還可以改善成型時(shí)熔體的流動(dòng)狀態(tài)。加強(qiáng)筋主要設(shè)置在塑件的內(nèi)表面，其厚度應(yīng)比塑件壁厚適當(dāng)小些。圖6所示，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋厚度為0.6mm，高度最小值為0.4mm。另外，在凸臺(tái)和凹槽的四周也適當(dāng)布置若干加強(qiáng)筋，用于加強(qiáng)它們的保護(hù)作用。

圖6 局部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

圖7 筆記本電腦外殼樣件

3.5 圓角

塑件除了使用上明確要求采用尖角外，從避免在塑件尖角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，有利于塑料充模時(shí)的流動(dòng)，減少使用時(shí)因應(yīng)力集中而開裂，塑件變得美觀等方面考慮，轉(zhuǎn)角處應(yīng)盡可能采用圓角過(guò)渡。綜合考慮以上因素，該產(chǎn)品圓角值設(shè)置為Rmin=0.2mm，Rmax=2mm。

4 塑件成型方法的選擇及制樣

在塑件工藝性分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)塑料原料的特性及塑件的工藝性要求確定塑件成型方法。表1列舉了不同成形方法與塑料的適應(yīng)關(guān)系[4]。本例塑件選用ABS/PC塑料屬熱塑性塑料，可選用注射成型或擠出成型方法來(lái)，對(duì)于筆記本這種復(fù)雜的薄殼零件，采用注射成型方法更適合。

圖7所示是通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后生產(chǎn)試制的筆記本電腦外殼樣件，經(jīng)工廠質(zhì)量檢測(cè)及客戶現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，該制品滿足客戶需求，符合實(shí)際生產(chǎn)，適合批量生產(chǎn)。

表1 成型方法與塑料的適應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜薄殼制品要求具有更高的使用性能和實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮制品工藝設(shè)計(jì)的各項(xiàng)因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，最終滿足制品生產(chǎn)需求。筆記本電腦外殼件是典型復(fù)雜薄殼件之一，針對(duì)這種典型零件，從塑件原材料及塑件壁厚、脫模斜度、凹孔、凸臺(tái)、卡扣等方面展開工藝分析，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝設(shè)計(jì)，可以獲得滿足客戶需求的產(chǎn)品。

[1] 沈言錦. 電腦主機(jī)外殼注塑模設(shè)計(jì)[J]. 工程塑料應(yīng)用,2013,10(41):68-70.

[2] 陳思. 碳纖維復(fù)合材料在筆記本電腦后蓋中的應(yīng)用研究[D]. 南京:東南大學(xué),2016.

[3] 施維德. 應(yīng)用于筆記本電腦外殼的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及性能研究[D]. 上海:東華大學(xué),2015.

[4] 李學(xué)峰. 塑料模具設(shè)計(jì)與制造[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

（責(zé)任編輯：馬圳煒）

Structural optimization and process design of complex plastic thin shell parts

WEI Qing-lan

（College of mechanical engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China）

The outer shell of the notebook computer case, for the typical parts of complex plastic shell, analysis of the process from the plastic raw materials and plastic parts wall thickness, taper, concave hole, convex buckle, etc., and to optimize the structure and process design, so as to gain a better product structure, produce more analysis of quality products, production method and process design of complex plastic shell has a certain reference.

plastic shell parts; structural optimization; process design

2018－01－15

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目（JA15696）。

魏清蘭（1981—），女，福建南靖人，講師，工程碩士，研究方向：模具CAD/CAE/CAM。

1673-1417（2018）01-0063-04

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2018.01.0014

TQ320.52

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