魏清蘭

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復雜塑料薄殼件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工藝設(shè)計

魏清蘭

（漳州職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院，福建 漳州 363000）

以筆記本電腦外殼件為例，針對復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、卡扣等方面展開工藝分析，然后進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝設(shè)計，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)計對復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

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用，殼體輕薄化已成為發(fā)展趨勢，特別是在手持通訊和計算機設(shè)備應用中更為突出。如在筆記本電腦產(chǎn)品中，更新?lián)Q代速度快，對使用壽命、外觀等其它方面要求越來越高，設(shè)計理念朝著“輕、薄、短、小”方向發(fā)展，對塑料外殼厚度要求越來越薄，因而生產(chǎn)難度越來越大。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行，而且能夠得到最佳的經(jīng)濟效益[1]，結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計要根據(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)部不得有導電雜質(zhì)，表面需進行皮紋處理。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，需對樣件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計。

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性（如力學性能、物理性能、流動性、收縮性和化學性能等）、制品的使用性能、塑料的加工性能、塑料制品的成本、塑料原料的來源等。筆記本電腦外殼件是整個筆記本電腦的“外衣”，具有“保護、散熱、美觀”作用，因此要求其材料具有高強度、高穩(wěn)定性、良好導熱性等。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、碳纖維復合材料等[2]。經(jīng)生產(chǎn)經(jīng)驗比較，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、抗化學藥品性、染色性、成型加工和機械加工性，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

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，設(shè)計塑件時不僅要滿足使用要求，而且要符合實際成型工藝特點，且盡可能簡化模具結(jié)構(gòu)，從而保證成型工藝順利實施，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)計及裝配等優(yōu)點，已成為塑料制品輕薄化的研究熱點。但若壁厚過小，將導致成型時流動阻力大，大型復雜塑件就難以充滿型腔。塑件壁厚的最小尺寸應滿足這方面要求：具有足夠的強度和剛度；脫模時能經(jīng)受推出機構(gòu)的推出力而不變形；能承受裝配時的緊固力。此外，壁厚應盡量均勻。若不均勻，可能會因冷卻速度不同產(chǎn)生附加內(nèi)應力，導致塑件產(chǎn)生縮孔、翹曲、裂紋甚至開裂，壁厚較大處內(nèi)部會產(chǎn)生氣泡，外表可能會出現(xiàn)凹痕[4]。

圖2所示利用CAD/CAE、Moldflow技術(shù)對樣件進行壁厚分析，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”，會導致收縮不均，尤其是過渡處局部縮水過大；③處原則上應減小此處的壁厚。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和產(chǎn)品的使用性能要求，對以上壁厚不合理處進行優(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、卡扣

從樣件分析得知，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有多處凹孔、凸臺、卡扣。凹孔設(shè)計依裝配件的不同形狀各異，設(shè)計時孔的形狀大小和位置具體的尺寸設(shè)計應根據(jù)其裝配件的大小來定。凸臺是用來增強孔或裝配附件用的，設(shè)計時為保證凸臺有足夠的強度，又因與凸臺裝配的零件為旋入式的，零件壁厚取適當取大值，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗此處壁厚應為0.7 mm以上，為便于成型一般應設(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)置還應考慮脫模的難易程度。圖4箭頭所示位置為優(yōu)化設(shè)計的卡扣，采用斜頂機構(gòu)成型，箭頭方向表示脫模時斜頂?shù)倪\動方向。

圖4 卡扣設(shè)計

為放置便攜電池，在塑件殼體上設(shè)計有凹槽，圖5a）是外殼與電池連接固定處，該結(jié)構(gòu)需設(shè)置側(cè)孔成型機構(gòu)來成型，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，防止脫模時擦傷塑件，在設(shè)計時，應在塑件內(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)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，結(jié)合moldflow軟件對零件進行內(nèi)外表面脫模的分析，該產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，脫模困難。為保證模具開模時不產(chǎn)生粘?，F(xiàn)象，適當增大拔模角，取其拔模角為2°。

3. 4 加強筋

加強筋是復雜薄殼塑件不可缺少的一部分，在塑件的適當位置上設(shè)置加強筋，不僅有助于提高塑件的強度和剛度及減薄塑件的壁厚，且還可以改善成型時熔體的流動狀態(tài)。加強筋主要設(shè)置在塑件的內(nèi)表面，其厚度應比塑件壁厚適當小些。圖6所示，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗設(shè)計加強筋厚度為0.6mm，高度最小值為0.4mm。另外，在凸臺和凹槽的四周也適當布置若干加強筋，用于加強它們的保護作用。

圖6 局部加強筋的設(shè)計

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)生應力集中，有利于塑料充模時的流動，減少使用時因應力集中而開裂，塑件變得美觀等方面考慮，轉(zhuǎn)角處應盡可能采用圓角過渡。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，對于筆記本這種復雜的薄殼零件，采用注射成型方法更適合。

圖7所示是通過優(yōu)化設(shè)計后生產(chǎn)試制的筆記本電腦外殼樣件，經(jīng)工廠質(zhì)量檢測及客戶現(xiàn)場驗收，該制品滿足客戶需求，符合實際生產(chǎn)，適合批量生產(chǎn)。

表1 成型方法與塑料的適應關(guān)系

5 結(jié)語

復雜薄殼制品要求具有更高的使用性能和實際生產(chǎn)要求，設(shè)計時應綜合考慮制品工藝設(shè)計的各項因素，優(yōu)化設(shè)計出合理的結(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雜薄殼件之一，針對這種典型零件，從塑件原材料及塑件壁厚、脫模斜度、凹孔、凸臺、卡扣等方面展開工藝分析，然后進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及工藝設(shè)計，可以獲得滿足客戶需求的產(chǎn)品。

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

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

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

[4] 李學峰. 塑料模具設(shè)計與制造[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2010.

（責任編輯：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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