复杂塑料薄壳件工艺设计

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摘要：以笔记本电脑外壳件为例，针对复杂塑料薄壳件的典型零件，从塑件原材料及塑件壁厚、脱模斜度、凹孔、凸台、卡扣等方面展开工艺分析，然后进行结构优化及工艺设计，从而获得较好的制品结构，生产出更优质的产品，分析方法及工艺设计对复杂塑料薄壳件的生产有一定的借鉴作用。

关键词：塑料薄壳件；结构优化；工艺设计

随着塑料工业的迅速发展，塑料制品在生活中日益广泛应用，壳体轻薄化已成为发展趋势，特别是在手持通讯和计算机设备应用中更为突出。如在笔记本电脑产品中，更新换代速度快，对使用寿命、外观等其它方面要求越来越高，设计理念朝着“轻、薄、短、小”方向发展，对塑料外壳厚度要求越来越薄，因而生产难度越来越大。良好的塑件结构工艺性，不仅可以使成型工艺得以顺利进行，而且能够得到最佳的经济效益[1]，结构工艺性设计要根据塑件的使用性能、成型的难易性，并兼顾外形造型美观等进行。

1工艺分析

图1所示为某企业开发的一款笔记本电脑底座外壳件初步样件造型，塑件外形尺寸为166mm×273.5mm×16.5mm，最小壁厚为0.6mm，与上壳件的尺寸相匹配，塑件成型之后要求外观不能有凹陷、毛刺等缺陷，内部不得有导电杂质，表面需进行皮纹处理。从图1可知，样件内外表面有多处侧孔、卡扣等，结构复杂且属于一种薄壳件。为能制造出获得满足客户需求的产品，需对样件进行结构优化和工艺设计。

2塑件原材料的选择

塑件原材料的选择主要考虑塑料的适应性（如力学性能、物理性能、流动性、收缩性和化学性能等）、制品的使用性能、塑料的加工性能、塑料制品的成本、塑料原料的来源等。笔记本电脑外壳件是整个笔记本电脑的“外衣”，具有“保护、散热、美观”作用，因此要求其材料具有高强度、高稳定性、良好导热性等。目前，笔记本电脑外壳采用的材料主要有金属和非金属两类，金属材料主要由镁铝合金、钛合金等构成的合金材料。非金属材料有ABS工程塑料、聚碳酸酯、碳纤维复合材料等[2]。经生产经验比较，选用ABS/PC塑料，即塑料合金。因其具有PC的优良耐热性、尺寸稳定性和抗冲击性，又兼有ABS的易加工性、良好的耐磨性、抗化学药品性、染色性、成型加工和机械加工性，这些特性很适合用作笔记本电脑外壳材料[3]。

3塑件结构优化与工艺设计

塑件工艺性关系到塑件成型、塑件质量以及模具结构经济成本，塑件工艺性的好坏主要取决于塑件的结构设计，设计塑件时不仅要满足使用要求，而且要符合实际成型工艺特点，且尽可能简化模具结构，从而保证成型工艺顺利实施，提高生产率，降低成本，提高产品质量[4]。3.1壁厚。塑件的壁厚是重要结构要素之一，壁厚降低具有减小制品质量及外形尺寸、缩短生产周期、节约材料、降低成本和便于集成设计及装配等优点，已成为塑料制品轻薄化的研究热点。但若壁厚过小，将导致成型时流动阻力大，大型复杂塑件就难以充满型腔。塑件壁厚的最小尺寸应满足这方面要求：具有足够的强度和刚度；脱模时能经受推出机构的推出力而不变形；能承受装配时的紧固力。此外，壁厚应尽量均匀。若不均匀，可能会因冷却速度不同产生附加内应力，导致塑件产生缩孔、翘曲、裂纹甚至开裂，壁厚较大处内部会产生气泡，外表可能会出现凹痕[4]。图2所示利用CAD/CAE、Moldflow技术对样件进行壁厚分析，结果显示①处“壁厚太小”，容易引起产品破裂，须将此处加厚或者掏空；②处“壁厚不均”，会导致收缩不均，尤其是过渡处局部缩水过大；③处原则上应减小此处的壁厚。根据生产经验和产品的使用性能要求，对以上壁厚不合理处进行优化，②处将其形状改为图3所示结构；②处在满足使用要求的前提下将厚壁处适当减小厚度；③处因此处为孔位，若减小壁厚，将影响到使用性能，所以此处不进行修改，在模具上稍作局部处理。3.2凹孔、凸台、卡扣。从样件分析得知，该产品结构有多处凹孔、凸台、卡扣。凹孔设计依装配件的不同形状各异，设计时孔的形状大小和位置具体的尺寸设计应根据其装配件的大小来定。凸台是用来增强孔或装配附件用的，设计时为保证凸台有足够的强度，又因与凸台装配的零件为旋入式的，零件壁厚取适当取大值，根据生产经验此处壁厚应为0.7mm以上，为便于成型一般应设置2°脱模斜度。因产品需与上盖件装配使用，内部应设置卡扣，结合产品使用性能及装配可靠性，在塑件的内部边缘设置卡扣，卡扣设置还应考虑脱模的难易程度。图4箭头所示位置为优化设计的卡扣，采用斜顶机构成型，箭头方向表示脱模时斜顶的运动方向。为放置便携电池，在塑件壳体上设计有凹槽，图5a）是外壳与电池连接固定处，该结构需设置侧孔成型机构来成型，不利于塑件脱模，优化为图5b）所示结构，可采用碰穿面成型，有利于塑件脱模。3.3脱模斜度。为了便于从塑件中抽出型芯或从型腔中脱出塑件，防止脱模时擦伤塑件，在设计时，应在塑件内外表面沿着脱模方向留有足够的斜度。PC/ABS塑料脱模斜度的参考值为型腔35′~1°30′、型芯30′~40′[4]。根据实际生产经验，结合moldflow软件对零件进行内外表面脱模的分析，该产品内部结构较复杂，脱模困难。为保证模具开模时不产生粘模现象，适当增大拔模角，取其拔模角为2°。3.4加强筋。加强筋是复杂薄壳塑件不可缺少的一部分，在塑件的适当位置上设置加强筋，不仅有助于提高塑件的强度和刚度及减薄塑件的壁厚，且还可以改善成型时熔体的流动状态。加强筋主要设置在塑件的内表面，其厚度应比塑件壁厚适当小些。图6所示，结合实际生产经验设计加强筋厚度为0.6mm，高度最小值为0.4mm。另外，在凸台和凹槽的四周也适当布置若干加强筋，用于加强它们的保护作用。3.5圆角。塑件除了使用上明确要求采用尖角外，从避免在塑件尖角处产生应力集中，有利于塑料充模时的流动，减少使用时因应力集中而开裂，塑件变得美观等方面考虑，转角处应尽可能采用圆角过渡。综合考虑以上因素，该产品圆角值设置为Rmin=0.2mm，Rmax=2mm。

4塑件成型方法的选择及制样

在塑件工艺性分析的基础上，根据塑料原料的特性及塑件的工艺性要求确定塑件成型方法。表1列举了不同成形方法与塑料的适应关系[4]。本例塑件选用ABS/PC塑料属热塑性塑料，可选用注射成型或挤出成型方法来，对于笔记本这种复杂的薄壳零件，采用注射成型方法更适合。图7所示是通过优化设计后生产试制的笔记本电脑外壳样件，经工厂质量检测及客户现场验收，该制品满足客户需求，符合实际生产，适合批量生产。

5结语

复杂薄壳制品要求具有更高的使用性能和实际生产要求，设计时应综合考虑制品工艺设计的各项因素，优化设计出合理的结构，最终满足制品生产需求。笔记本电脑外壳件是典型复杂薄壳件之一，针对这种典型零件，从塑件原材料及塑件壁厚、脱模斜度、凹孔、凸台、卡扣等方面展开工艺分析，然后进行结构优化及工艺设计，可以获得满足客户需求的产品。

参考文献：

[1]沈言锦.电脑主机外壳注塑模设计[J].工程塑料应用,2013,10(41):68-70.

[2]陈思.碳纤维复合材料在笔记本电脑后盖中的应用研究[D].南京:东南大学,2016.

[3]施维德.应用于笔记本电脑外壳的玻璃纤维/环氧树脂复合材料的设计及性能研究[D].上海:东华大学,2015.

[4]李学峰.塑料模具设计与制造[M].北京:机械工业出版社,2010.

作者:魏清兰 单位:漳州职业技术学院