第2章：塑料件设计
2.1 产品开发过程
模具设计只是更为庞大的产品开发过程中的一项重要活动。由于产品设计与模具设计相互依存，产品设计工程师和模具设计工程师都有必要了解塑料件的开发过程，以及模具设计和模具制造在其中所扮演的角色。图 2.1 给出了一个典型的产品开发过程，其中包含产品定义、产品设计、业务与生产开发、产能爬坡以及产品发布等不同阶段。
图 2.1：一种产品开发过程（图略。图中自上而下依次为：产品定义阶段——市场分析、组建团队、概念开发/销售预测/预算编制，随后是审批关口；产品设计阶段——装配设计、配合与公差、制造设计、几何与材料，中间为详细设计、性能分析、快速原型与初步测试，随后是审批关口；开发阶段——业务开发、工装制造、生产计划，随后是成型试模与设备组合就绪，随后是审批关口；产能爬坡阶段——能力研究、质量与培训计划，随后是审批关口；发布阶段——生产放行。图左侧还标出了贯穿各阶段的模具报价、模具设计与模具制造活动。）
尽管产品开发过程有多种形式，但大多数都具有两个关键特征：
- 一份结构化的开发计划 [1]，用以协调各项并行设计活动，确保设计与制造工作按照进度和性能要求得到跟踪并完成；
- 一个阶段关口式的管理流程 [2]，通过在项目里程碑处进行重大评审之后才拨付更大额度的预算，从而降低风险。
图 2.1 所示的产品开发过程被划分为多个阶段，各阶段之间由审批关口（toll-gate）隔开。下面对每个阶段进行概述。
2.1.1 产品定义
产品开发过程通常从产品定义开始 [3, 4]，其内容包括对市场的正式分析、对竞争对手的基准比对、产品规格的定义，以及对潜在盈利能力的评估。如果管理层同意开发新产品，则会组建一支合适的团队来开展早期的概念设计和业务开发。在这第一阶段中，需要估算产品的大致尺寸、性能和成本。可以制作草图、模型和原型，以便传达概念并评估其可行性。
在盈利能力方面，产品开发早期的市场研究将力图预测产品在不同价格点下的潜在销量。与此同时，人工和项目成本估算将确定开发该产品并将其推向市场所需的预算。管理层通常会对概念设计、销售预测和预算进行评审，以评估继续进行产品开发取得商业成功的可能性。此时，所提议的产品开发项目可能被批准、否决、搁置或做相应修改。
2.1.2 产品设计
如果项目获得批准并拨付了预算，产品开发过程便会继续推进，通常会投入更多资源以开展进一步的分析和设计。在这第二阶段中，产品中的每个零部件都要进行详细设计。塑料零部件的设计可能需要考虑美学、结构、热学、制造等多方面的要求。可以采用面向制造的设计方法 [5] 来识别可能妨碍零部件有效制造的问题；可以采用面向装配的设计方法 [6] 来减少零部件数量、规定关键尺寸的公差，并确保成品能够经济地完成装配。
产品设计初始阶段（即通过图 2.1 中的第二次管理层审批）的成果是一份详尽且经过验证的产品设计。所谓”详细设计”，意味着每个零部件在材料、几何形状、表面光洁度、公差、供应商和成本等方面都已完全确定。如果需要定制的塑料零部件，通常会在这一阶段就这些模塑件进行询价。这些成本将与详细设计一并提交管理层审批。如果产品设计和成本均可接受，则拨付所需预算，产品开发的重点随之转向制造。
2.1.3 开发
虽然模具设计和模具制造是塑料行业从业者关注的重点，但在图 2.1 中，所有这些活动都被归入名为”工装制造”（Tooling Fabrication）的单一活动之中。与此同时，至关重要的业务开发和生产规划也在同步进行。具体而言，业务开发需要完整定义供应链并建立初始订单，以支持产品发布；生产规划则需要布置装配线、确定用工需求并构建制造基础设施。
模具工装完成后，将生产、测试并组装”阿尔法”（alpha）样件。这种”首件检验”包含一系列测试，用以验证性能水平、法规符合性和用户满意度。如果单个零部件或组装后的阿尔法产品不能令人满意，则需酌情调整制造工艺、相关工装以及零部件的详细设计。在这一阶段发现的典型问题包括 [7]：
- 刚度、抗冲击性、热性能、颜色、装配配合或其他属性方面的性能不达标。这些问题往往源于材料性能的不确定性、未能识别出的客户偏好（因而需要更改设计规格），或是产品性能分析与仿真中的错误。
- 因模具设计或工装问题而生产出缺陷产品。常见的例子包括：因收缩和翘曲导致尺寸超出规格，以及因熔接线、浇口设置不当或表面光洁度不佳导致产品外观不良。
- 与材料消耗或加工时间相关的生产成本过高。遇到质量问题时，往往可以通过提高温度、压力或延长周期时间等工艺策略加以补救，但这又会增加加工成本。类似地，也可能出现抽样产品中只有一部分合格的情况，从而增加材料和检验成本。
模具设计师将与产品设计师和注塑厂商合作，以优化模塑产品的质量。与此同时，运营人员会制定质量控制和工人培训的详细计划。
2.1.4 产能爬坡与产品发布
管理层通常会进行评审，以验证已开发的产品设计和生产计划是否令人满意。在商业销售之前，每个制造基地都可能实施一次试生产，以中等批量生产产品，验证质量并定义标准作业流程 [8]。这些制造出来的”贝塔”（beta）产品通常会提供给市场部门、销售队伍和关键客户，以确保产品的可接受性。同前所述，为解决任何遗留问题，产品的设计和制造仍可能被修改。当所有利益相关方（市场、销售、制造、关键供应商和关键客户）都满意之后，试生产过程便开始爬坡放量，建立起产品的初始库存（称为”铺货填渠”），随后产品正式投放市场销售。
2.1.5 模具设计的角色
模具报价、模具设计和模具制造为上述更大的产品开发过程提供支撑。模具和/或模塑件成本报价的请求，通常出现在概念设计阶段末期或详细设计阶段初期附近。此时，注塑厂商或模具制造商很少能拿到完全详细的设计图，原因在于：1）在开发程度较低的产品设计基础上，大部分模具设计工作本就可以并行开展；2）模具工程过程本身可能会就产品的可制造性或塑件性能提出重大的设计变更建议。
模具开发过程（最初在图 1.9 中介绍）往往始于一个缺乏细节的初步设计，如果直接照此实施，将会得到不能令人满意的产品。开始模具概念设计所必需的关键塑件设计信息包括：塑件尺寸、壁厚和预期产量。仅凭这些信息，模具设计师就可以着手制定初步的模具布局、成本估算和产品设计改进方案 [9]。为了加速产品开发过程，模具设计可以与模具零部件的采购和定制并行进行。
无论好坏，模具制造和调试都发生在产品开发过程接近收尾的阶段。正因如此，模具供应商和注塑厂商可能面临巨大压力，被要求尽快提供高质量的模塑产品。考虑到产品设计早期阶段可能已经埋下错误，这项任务可能极具挑战性。因此，模具设计师可能需要重新设计并修改模具的部分结构，并与注塑厂商紧密合作，使模具通过生产验证。
2.2 设计要求
注塑件有许许多多的要求，需要在模具设计过程中加以考虑。图 2.2 提供了一份工作表，用于记录模塑件的各项要求，进而指导材料选择和模具设计。
本节所讨论的设计文档主要出于两方面考虑。第一，详尽且可随时调用的文档将改进设计并降低模具工程的成本。第二，ISO 及其他监管机构通常要求对产品开发进行正式的文档记录和审批。因此，塑料产品设计师和模具设计师不应把这些工作表视为静态的纸面文件，而应将其看作”活文档”——它们与设计决策及决策过程相关联，并在相关同事之间流转，以获取信息和批准。
图 2.2：模具应用工程工作表（图略。该工作表按板块组织如下：）
模具设计应用——项目 ______（编号 ______）
| 客户： | 注塑厂： |
|---|---|
| 技术联系人： | 技术联系人： |
| 项目经理： | 项目经理： |
生产规划（PRODUCTION PLANNING）：计划模具数；每模型腔数；成型周期；生产工时；年产量；目标产量。
目标塑件成本（TARGET PART COSTS）：材料/件；模具/件；成型/件；二次加工/件；间接费用/件；总成本/件。
计划日期（SCHEDULED DATES）：项目启动；所需型腔；模具检验；成型试模；首件批准；生产开始。
塑件要求（PART REQUIREMENTS）：一般公差（%）；关键公差；温度范围；最大挠度；最大应力；抗蠕变性；抗疲劳性；抗冲击性；耐化学性；备注。
设计标准（DESIGN STANDARDS）：图纸标准：ANSI／ISO／DIN／JIS／GB／其他；ANSI/ASTM；FDA；IEC；ISO；Milspec；UL；颜色：DIN／RAL／NCS／Pantone／其他；光泽度等级；颜色匹配。
模具要求（MOLD REQUIREMENTS）：模具寿命；SPI 模具等级；目标注塑机；每型腔浇口数；☐ 家族模具 ☐ 精密模具；☐ 两板模 ☐ 三板模 ☐ 热流道；☐ 滑块 ☐ 斜顶 ☐ 型芯；☐ 互锁机构 ☐ 模内传感器；☐ 其他；表面处理；SPI 表面光洁度；表面纹理。
注塑成型设计（DESIGN FOR MOLDING）：壁厚；流动长度；公差；无尖角 ☐；有效的加强筋设计 ☐；有效的凸台设计 ☐；已施加脱模斜度 ☐；避免倒扣 ☐；已知浇口位置 ☐。
装配设计（DESIGN FOR ASSEMBLY）：零件数最少化 ☐；自上而下装配 ☐；卡扣/胶粘 ☐；统一紧固件 ☐；零件（不）对称 ☐；顶出/搬运 ☐；备注。
塑件材料规格（PART MATERIAL SPECS）：商品名；通用牌号；填料；成本；熔体温度；模具温度；密度；热变形温度（DTUL）；屈服应变；模量；屈服应力；热膨胀系数（CTE）；收缩率（%）；最大剪切速率；备注。
模具材料规格（MOLD MATERIAL SPECS）：商品名；通用牌号；合金；密度；模量；屈服应力；疲劳极限应力；布氏硬度；屈服应变；密度；比热；热导率；切削速度；每齿进给量；备注。
2.2.1 应用工程信息
模具设计工程师应了解整体应用情况和开发进度。如图 2.2 顶部所示，模具设计师应知道针对塑件设计及其要求相关问题应联系的合适技术联系人。理想情况下，该联系人应了解模塑件的关键要求，或者能够将模具设计师引荐给其他更了解情况的人。另一种做法是，模具设计师可以联系内部负责支持该客户的项目经理或应用经理，以避免就可能被视为琐碎的问题不断打扰客户。模具设计师还应了解注塑厂商的技术联系人和项目经理，以核实成型偏好、设备规格和项目协调事宜。
如图 2.2 右上方所示，有几个关键里程碑需要跟踪，包括：项目启动、型腔加工完成、模具检验、成型试模、首件检验/批准以及批量生产的日期。这些日期往往需要协商确定，因为它们关系到技术可行性、市场成功以及付款条件。
2.2.2 生产规划
图 2.2 左上方所要求填写的生产规划数据，对于模具布局和模具技术的选择非常重要。特别是，产品应用寿命和总产量与工装类型（Class 101 等）的确定相关，进而关系到模具材料及其处理工艺的规格确定以及模具的详细设计。给定的最大月产量取决于可用的生产时间、模具型腔数和估算的成型周期。随后可将这一生产能力与目标产量进行比较，以确定需要制造的模具数量，或者反过来就型腔数和成型周期要求来指导模具设计。
需要注意的是，图 2.2 中的成型周期和其他模具设计数据在模具设计过程开始时可能尚不可得。事实上，这些数据是模具设计过程的中间结果。不过，有些客户会把这些细节作为模具设计师必须满足的规格来提供。如果客户没有给出这些项目，模具设计师就应进行初步的分析和设计，并附成本分析，从而向客户提出一份合理高效的模具设计方案。
塑件成本估算在许多塑料件设计应用中至关重要。产品设计师、模具设计师和注塑厂商都清楚模具成本、材料成本和加工成本之间的权衡。在图 2.2 上方中部记录这些内容，将有助于模具设计师理解塑件设计师在成本方面的意图，并引导模具设计走向合适的解决方案。目标成本与实际成本之间的潜在偏差，应在设计评审时以及项目结束时加以讨论，以便持续改进。
2.2.3 最终使用要求
一个典型的模塑件实际上可能有几十条、甚至上百条规格。图 2.2 中部左侧列出了一些常见的最终使用要求。其中一些要求决定了塑件的几何形状、材料选择和其他设计细节，模具设计工程师对此似乎没有多少控制力。即便如此，模具设计师也应当了解这些要求，因为它们会影响模具材料的选择、表面光洁度与表面处理、模具设计，以及对成品模具的性能评估。
制造商通常被要求采用设计标准，以确保所设计和制造的产品在商业销售后能够按预期发挥作用。在塑料行业的许多细分领域（例如医疗器械），监管机构已经制定了涵盖塑料产品设计、制造和测试的大量标准。对法规符合性的详细讨论超出了本书的范围。但是，模具设计师应当了解任何可能影响模具工程的法规符合性问题。图 2.2 中部列出了一些常见的监管机构及其合规计划，包括：美国国家标准学会（ANSI，http://www.ansi.org/）、ASTM 国际（http://www.astm.org/）、美国食品药品监督管理局（FDA，http://www.fda.gov/）、国际电工委员会（IEC，www.iec.ch/）、美国国防部规格与标准索引（MIL-SPEC，http://stinet.dtic.mil/）、国际标准化组织（ISO，http://www.iso.org/）、美国保险商实验室（UL，http://www.ul.com/）以及其他许多机构。
模具设计工程师通常不需要了解这些规格的每一个细节，因为它们一般针对的是模塑产品的使用，而非专门针对注塑模具。但是，模具设计师应当询问是否存在可能影响模具设计的管辖性法规。理想情况下，客户应提供此类法规的副本，并标出与模塑产品设计相关的具体要求。
尺寸和公差的规定对模具设计师和注塑厂商都至关重要。产品设计中的尺寸通常以绝对公差来标注。图 2.3 给出了四种不同的公差标注方法示例。最常用的是一般公差，通常在图纸标题栏中给出，适用于任何未明确标注公差的尺寸。在本例中，25 mm 的宽度偏距没有标注公差，因此受 ±0.2 mm 的一般公差约束。20.0 mm 的高度偏距标注了 ±0.1 mm 的双向公差，这实际上与对一位小数尺寸所规定的一般公差 ±0.1 mm 相重复。如果高度偏距标注了不同的公差，则该明确标注将覆盖一般公差。
图 2.3：公差标注方法（图略。图中展示同一零件上四种标注：25 mm 尺寸未注公差，由一般公差控制；20.0 mm 尺寸标注双向公差 ±0.1 mm；直径 18 mm 的孔标注极限尺寸 17.90～18.00 mm；轴径标注单向公差，即 18～18.10 mm。）
直径为 18 mm 的孔采用极限尺寸标注，即孔径必须在 17.90 mm 与 18.00 mm 之间。两位小数的精度并不反映公差上任何额外的精度，而是表示孔径可接受的绝对范围。最后，轴径采用单向公差标注，即轴径必须在 18 mm 与 18.10 mm 之间。产品设计师和模具设计师都能从这些公差标注中明白：该轴在名义上要与孔形成过盈配合，两者之间没有径向间隙。
产品设计师通常会按图 2.3 所述以绝对方式看待公差，而注塑厂商则倾向于以相对方式看待公差。原因在于，模塑塑料会按其长度的百分比收缩，因此随着塑件长度尺寸的增大，严格的绝对公差将变得越来越难以实现。例如，典型的公差可以认为是名义尺寸的 ±0.4%，即 100 mm 的长度标注为 100 ± 0.4 mm；严格的公差可以认为是 ±0.1%，即 10 mm 的直径可以标注为 10 ± 0.01 mm。
要实现非常严格的公差，需要精心的模具设计、工艺工程以及稳定的材料性能。因此，鼓励产品设计师用单一的一般公差来控制大部分尺寸，只对少数对产品有重要影响的关键尺寸标注较严格的公差。标注了公差并不意味着该公差就一定能够实现。事实上，产品设计师对许多尺寸的公差要求过高的情况并不少见 [10]。模具设计师应与产品开发团队讨论这些严格公差的规定，并告知：此类规格可能需要通过原型试模来表征收缩行为、在模具不同区域对收缩率进行非均匀的差异化设定，以及在模具调试期间进行模具修改。
产品设计师通常还会就外观提出规格要求，包括对颜色、多部件之间的颜色匹配以及光泽度等级的要求。产品设计中规定模具表面光洁度和模具表面纹理的做法也很常见，这可能显著增加注塑模具的成本。此外，还应让模具设计工程师知晓哪些是关键的外观表面，在这些表面上应避免出现外观缺陷（如熔接线、浇口痕、缩痕、分型线痕迹等）。
2.2.4 面向制造与装配的设计
理想情况下，模具设计工程师应从概念设计的早期阶段就参与产品设计。这种参与往往能带来显著改进的塑料件设计，使其功能更强、效率更高。遗憾的是，模具设计师经常拿到的是”已完成”的产品设计，而这些设计在注塑成型和装配设计方面其实并不达标。模具设计师不应想当然地认为产品设计已经完成且不可更改，而应检查塑件是否确实是专门针对注塑成型设计的。图 2.2 左下方列出了一些最常见的面向制造的设计准则 [11, 12]；这些准则能够显著改善模塑产品的功能并降低成本，因此将在 2.3 节中讨论。
关于面向装配的设计准则 [13, 14]，模具设计师应审查所提供的塑件设计，检查其装配设计是否合理。这项任务有两个目标：第一，通过整合多个零部件、便于自上而下装配等方式，有可能改进产品的整体设计；第二，通过确认此类设计考量已经落实，模具设计师可以减少耗费金钱和时间的后期设计变更。
有些模具设计师虽然察觉到了产品设计问题，却选择直接按所提供的塑件设计来实施模具。例如，模具设计师可能明白，只要稍微改变某个表面的角度即可消除倒扣，从而降低模具成本，但却保持沉默，以便保留侧抽芯机构的必要性，从而报出更高的模具价格。虽然这种策略可能在短期内为模具设计师带来额外的工作和利润，但从长远来看，这是一个失败的策略。相反，最成功的模具设计师会努力为客户创造价值，通过提供服务来提高客户产品的质量并降低其成本。
2.2.5 塑料材料性能
塑料材料通常不是由注塑厂商或模具设计师指定的，而是由客户、原始设备制造商（OEM）或原始设计制造商（ODM）指定的。但是，模具设计师需要了解塑料的某些特定性能（见图 2.2 底部中部），因为这些性能将决定模具的功能。附录 A 提供了一些通用牌号塑料的示例数据。获取此类信息的其他来源包括树脂供应商和数据库供应商（例如 http://www.ulprospector.com/、http://www.matweb.com 和 http://www.campusplastics.com/）。
模具制造所用的材料通常由模具设计师指定。鉴于注塑厂商在成型目标塑料树脂方面的既往经验，他们往往会对模具材料提出大量意见。模具材料的选择将在第 4 章讨论；附录 B 提供了一些常用金属的示例数据。模具设计师应在模具材料供应商的协助下，将图 2.2 右下方列出的模具材料性能记录下来，因为这些数据稍后将用于模具设计的分析。
2.3 面向注塑成型的设计
在注塑模具的设计和制造之前，应对塑料件设计进行详细审查。设计审查应考虑塑料件设计的基本原理，以及与模具设计具体相关的其他问题。下面讨论一些最基本的塑件设计考量。
2.3.1 均匀的壁厚
应避免壁厚不均的塑件，其原因同时涉及成本和质量。根本问题在于：厚薄不同的壁面部分会以不同的速率冷却——较厚的部分比较薄的部分需要更长的冷却时间。顶出时，壁厚不均的塑件在厚壁处附近温度较高，在薄壁处附近温度较低。鉴于塑料的热膨胀系数较高，这些温度差异以及相应的差异收缩会导致塑件产生显著的几何变形。应尽可能避免壁厚的极端差异，因为即使延长保压和冷却时间，厚壁部分的过度收缩仍可能在塑件内部形成内部缩孔。（当然也有例外，例如嵌件成型和气辅/水辅成型有意设计了厚壁部分，其中一些将在 13.3 节和 13.4 节中讨论。）
图 2.4 给出了几种壁厚不同的塑件设计。左上方所示的是最差的塑件设计：熔体从薄壁处进浇，然后流向厚壁处，且壁厚之间存在突变过渡。这种设计可能导致模塑产品表面光洁度差（熔体流动不均匀所致），同时由于薄壁处成型的塑料过早凝固，厚壁处的表面复制性和尺寸控制也很差。如上方中间所示，模塑产品的质量将得到极大改善：仅仅改为从较厚部分进浇，模塑产品就会获得好得多的外观和尺寸稳定性，因为较厚的部分能够在自身凝固之前对较薄部分进行保压补缩。若再让厚壁部分向薄壁部分逐渐过渡，设计还能进一步改善。即便如此，任何壁厚存在显著变化的产品设计，都会出现冷却时间延长以及厚薄部分收缩率不同的问题。
图 2.4：壁厚设计（图略。图中展示六种设计对比：左上——薄壁进浇、壁厚突变（最差）；上中——厚壁进浇；右上——壁厚渐变过渡；中左——整体加厚名义壁厚；中右——薄壁加竖直加强筋；底部——薄壁配细密短筋阵列，以及两面压凹减薄有效壁厚的厚壁截面。）
一种标准做法是增大模塑件的名义壁厚，从而消除局部区域出现厚壁部分的必要，如图 2.4 中左所示。增大壁厚的决定会消除许多与塑件质量相关的问题，但会导致材料消耗过多和冷却时间延长。基于这些原因，最佳设计可能是采用较薄的壁厚，并在需要更大刚度和强度的区域设置竖直加强筋，如图 2.4 中右所示。可以改变加强筋的高度和/或密度，以调整塑件各处的相对刚度 [15]。
与其他成型工艺相比，注塑成型工艺的独特之处在于它能够经济地实现非常复杂的结构。图 2.4 底部的两种塑件设计展示了日益常见的替代策略。左下是带有细密短筋阵列的较薄壁面；右下是同一较厚壁面，但其两侧被压出凹坑以减小有效壁厚。这两种策略都能在减小壁厚的同时，使更多材料远离塑件弯曲时的中性轴，从而在不增加材料消耗的情况下显著提高刚度。此外，两种策略都显著增加了表面积，这将改善模具冷却并提高成型生产率。
2.3.2 加强筋设计
对比图 2.5 中部所示的带筋塑件设计与左图所示壁厚更大的均匀壁厚塑件。在该带筋设计中，加强筋根部厚度为塑件壁厚 H 的 70%，筋高为塑件壁厚的 4 倍，两根筋之间的间距为塑件壁厚的 10 倍。对该设计的分析表明，其刚度与壁厚增加 30% 但无筋的塑件相当。然而，壁厚增加 30% 的塑件将多消耗约 15% 的材料，且成型周期比带筋薄壁件长 70%。因此，增设加强筋能够带来显著的性能和经济优势。
图 2.5：有效的加强筋设计（图略。左图为均匀厚壁截面；中图为带两根加强筋的截面，筋根厚度 0.7H、筋高 4H、筋间距 10H；左下图展示短筋可采用零脱模斜度的情形。）
产品设计师往往倾向于通过使筋厚等于塑件名义壁厚 H、同时尽量减小脱模斜度，来使加强筋的刚度最大化。筋厚超过壁厚 70% 时，筋在冷却时往往会将对面壁面中部的材料”拉走”。该区域的体积收缩可能导致塑件在筋的相反一侧出现内部缩孔或缩痕。对于使用低收缩、高填充材料的非外观件应用，筋厚可以增大；否则，对于使用未填充材料的成型应用，应采用小于名义壁厚 70% 的筋厚 [16]。类似地，通常采用每侧 1° 的脱模斜度以便于模塑筋的顶出。对于较深的筋或使用重填充树脂成型的塑件，这一斜度可能不足；相反，筋非常短的塑件（如图 2.5 左下所示）往往可以采用零脱模斜度。
2.3.3 凸台设计
凸台通常用于借助自攻螺钉将多个零部件紧固在一起。图 2.6 给出了几种不同的凸台设计。最左侧的设计在靠近拐角处设置凸台，配有两根加强筋和一片呈 120° 布置的三角加强板。中间的设计将凸台设在加强筋上，配有两片呈 90° 的三角加强板。最右侧的设计是一个独立式凸台，通过带加强板的筋提供一个抬高的装配面。所有这些凸台设计都采用凸台、筋和三角加强板厚度为名义壁厚 70% 的做法。与加强筋设计准则类似，三角加强板的壁厚和脱模斜度可根据其高度和所成型的材料进行调整。
设计好的凸台必须能够承受自攻螺钉拧入时施加的扭矩，以及最终使用期间可能施加的拉伸拔出力。但与此同时，凸台不应设计成壁厚过厚的结构，否则可能需要延长成型周期或引起外观问题。在图 2.6 的设计中，凸台和三角加强板上均未使用脱模斜度。这些设计特征对塑件的结构完整性至关重要，但相对于整个塑件的尺寸而言很小。因此，在这些特征上使用较小的脱模斜度，有助于提高模塑件的刚度和强度，而不会显著增大顶出力。不过，凸台的顶出在注塑成型中仍可能成为问题，因此对于需要较大顶出力的高凸台，可以采用脱模斜度和顶出套筒来辅助顶出。
图 2.6：有效的凸台设计（图略。三种凸台设计：靠近拐角、两根筋加 120° 三角加强板；凸台位于筋上、两片 90° 三角加强板；独立式凸台配带加强板的筋，形成抬高的装配面。）
2.3.4 圆角设计
产品设计中经常采用尖角，以最大化零部件的内部容积、便于零部件之间的配合，或改善外观。然而，出于与产品性能、模具设计和注塑成型相关的诸多原因，模塑产品中应避免尖角：
- 就产品性能而言，尖角会产生应力集中，可能导致许多材料（尤其是脆性材料）在载荷下失效。此外，尖角高壁的箱体，其扭转刚度可能不及圆角矮壁的箱体。
- 就模具制造而言，尖角可能非常难以加工，需要采用电火花加工，或者用尺寸递减的刀具进行多次切削。
图 2.7 给出了一些关于圆角和倒角处理的常用准则。如图所示，外角处的圆角半径应为壁厚的 150%。为使转角周围保持相同壁厚，内角处的圆角设为壁厚的 50%。在大多数现代的基于实体的 CAD 系统中，只需在对塑件抽壳之前先对外侧棱边倒圆角，即可轻松实现这些圆角。这些圆角建议仅为指导性准则。事实上，还可以采用更大的圆角来促进更均匀的模具冷却。在所有情况下，模具设计师都应建议采用与现成刀具几何形状相对应的圆角半径，从而避免定制专用刀具。
图 2.7：圆角设计对比（图略。对比尖角设计与圆角设计：外圆角半径为壁厚的 150%，内圆角半径为壁厚的 50%。）
倒角常用于消除尖角，即以单个斜面连接外表面，通常呈 45°。如图 2.8 所示，外角处通常采用小于壁厚一半的浅倒角，以提供足够的过渡缓解，同时避免与熔体流动和塑件强度相关的潜在负面影响。与圆角类似，较大的倒角（如图 2.8 右侧所示）可在抽壳之前施加，以改善转角附近的塑件刚度和传热效果。
图 2.8：倒角设计对比（图略。左侧为小于壁厚一半的浅倒角；右侧为抽壳前施加的较大倒角。）
2.3.5 表面光洁度与纹理
表面光洁度和纹理通常由塑件设计师规定，但对模具设计和成本有重大影响。大多数模具制造公司都有能力提供高质量的表面光洁度，不过，由于抛光工序的人工含量高，可以将其外包给成本较低的公司和国家。表面纹理处理需要更高的技能和技术水平，模具纹理表面有相当一部分由相对少数的公司提供。
表面光洁度通常根据美国塑料工业协会（Society of the Plastics Industry，http://www.plasticsindustry.org）的标准来评定。这些光洁度等级从具有喷砂外观的 D3，到镜面效果的 A1 不等。表 2.1 列出了一些常见的 SPI 光洁度等级、相应的加工方法以及可测量的表面粗糙度。
表 2.1：SPI 表面光洁度与粗糙度
| SPI 光洁度 | 加工方法 | 微精整（µm） | 表面粗糙度（µm） |
|---|---|---|---|
| A1 | #3 金刚石抛光 | ~1 | ~0.01 |
| A3 | #15 金刚石抛光 | ~2 | ~0.04 |
| B3 | #320 砂布 | ~6 | ~0.12 |
| C3 | #320 油石 | ~12 | ~0.3 |
| D2 | #240 氧化砂喷砂 | ~30 | ~0.8 |
| D3 | #24 氧化砂喷砂 | ~160 | ~4 |
模塑件的成本会随着表面光洁度等级的提高而大幅增加。原因在于，要获得某一等级的表面光洁度，模具制造商必须依次完成所有较低等级的表面加工。例如，要获得 SPI C3 级光洁度，模具需先经过粗、细两级喷砂处理，然后再用 #320 油石抛光。正因如此，较高等级的表面光洁度成本远高于较低等级。此外，具有高光洁度的模具所生产出的模塑件，其缺陷会非常明显，从而增加注塑成型过程的成本和模具维护要求。
作为光滑表面光洁度的替代方案，许多产品设计规定采用纹理表面。一个常见原因是，纹理可以赋予塑件木材、皮革或其他材料的外观，如表 2.2 所示。因此，纹理可以提升最终用户对塑料模塑件的感知价值 [17]。另一个原因是，纹理表面具有一定的不均匀深度，可用于掩盖熔接线、瑕疵或其他缺陷。此外，纹理还可用于改善产品功能，例如提供易于握持的表面，或在使用期间掩盖划痕。
纹理处理确实会显著增加模具成本。为施加纹理，模具表面必须先完成表面加工：浅纹理（纹理深度为数微米量级）通常需达到 SPI B 级，粗糙纹理需达到 C 级；否则，施加纹理后底层的粗糙表面缺陷仍会显现。表面加工完成后，再采用化学蚀刻或激光加工工艺将纹理赋予模具表面。由于需要专门的加工设备，模具开发过程必须为模具纹理处理留出充足的时间和资金。
表 2.2：纹理示例
| 纹理 | 纹理深度 | 所需 SPI 光洁度 |
|---|---|---|
| 砂面 | 50 µm | B |
| 皮革纹 | 125 µm | C |
| 网纹 | 150 µm | C |
| 木纹 | 250 µm | D |
2.3.6 脱模斜度
脱模斜度是指塑料模塑件的竖直表面与模具开模方向之间所设置的倾斜角。设置脱模斜度通常是为了便于模塑件从模具中顶出。产品设计师往往不愿意采用较大的脱模斜度，因为它会改变设计的美学形态并减小模塑件的内部容积。即便如此，为避免顶出问题和极其复杂的模具设计，塑料模塑件上通常还是会设置脱模斜度。
加强筋上的脱模斜度必须仔细规定。例如，在前面图 2.5 所示的加强筋设计中，施加了 2° 的脱模斜度，以便于模塑件从模具中顶出。从产品功能的角度看，较小的脱模斜度可能更为理想，因为它允许采用更高、更厚、刚度更大的加强筋。遗憾的是，较小的脱模斜度（如 ½° 或 1°）可能导致塑件过度粘模。当使用云母填充和/或玻璃纤维填充材料成型时，由于这类材料收缩率低且表面粗糙度高，塑件顶出时的粘模问题会更加严重。因此，允许的脱模斜度是材料行为、工艺条件和表面光洁度的复杂函数。
表 2.3：脱模斜度示例
| 表面光洁度 | 树脂 | 粗糙度（µm） | 脱模斜度 |
|---|---|---|---|
| A1 级 | 丙烯酸（Acrylic） | 0.01 | 0.5° |
| B3 级 | ABS | 12 | 1.5° |
| 砂面纹理 | 20% 玻纤 PC | 12 | 2° |
| 皮革纹理 | 软质 PVC | 125 | 4° |
| 皮革纹理 | ABS | 125 | 7.5° |
通常采用的最小脱模斜度为 0.5°，而根据材料供应商的建议，常用值为 1°～2°。粗糙表面和纹理表面通常需要额外的脱模斜度，常见的做法是每 20 μm 的表面粗糙度或纹理深度增加 1° 的斜度。表 2.3 针对几种不同的表面光洁度和材料给出了一些推荐的脱模斜度；推荐的脱模斜度随表面粗糙度的增大而增大。就材料性能而言，对于玻纤填充和/或低收缩材料，脱模斜度应增大；而对于软质 PVC 等高柔性材料，脱模斜度可以减小。
2.3.7 倒扣
倒扣是产品设计中妨碍模塑件从模具中顶出的结构特征。图 2.9 展示了四种需要处理倒扣的典型设计特征，包括：侧壁上的窗口、悬伸于塑件底壁上方的凸缘、水平方向的凸台，以及卡扣梁或”卡爪”。
图 2.9：一些常见的带倒扣特征（图略。四种特征：侧壁窗口、底壁上方的悬伸结构、水平凸台、卡扣梁。）
为了说明这些特征为何通常要尽量避免，下面考察三种不同但都常见的卡扣梁成型模具设计策略：图 2.10 为顶出前模具闭合的状态，图 2.11 为活动侧后退、顶出机构向前伸出的状态。由于卡扣梁颈部比端部窄，模具中便存在倒扣，模具设计师必须意识到这一点，并使模具设计能够让塑件在开模后顺利顶出。请注意，所给出的这些设计并非建议在单副模具中同时使用全部三种策略，而仅为讨论提供基础。
图 2.10：生产卡扣梁的三种模具设计（模具闭合状态）（图略）
左侧的设计是三种中最简单的：在卡扣梁根部开设一个开口或窗口，使定模侧的凸起能够成型出倒扣下方型腔的区域。这是一种可靠的技术，但会在塑件上留下孔洞，从而改变其功能和外观。
右侧的设计也很常见，它采用一根顶杆，其靠近卡扣梁一侧带有仿形轮廓表面。顶杆上的这一仿形轮廓构成一个微型型腔，用于成型卡扣端头的形状。开模并推出顶出机构时，顶杆与塑件一起运动，直到塑件完全脱离模具型腔并能越过倒扣的高度。使用仿形顶杆时，必须采用定位销或其他设计特征来保持仿形表面相对于模具型腔的正确方位；否则，型腔表面将无法对齐，从而产生缺陷产品。
中间的设计同样是一种非常常见的设计：采用滑动的斜销或”斜顶”（lifter）来成型被困在倒扣下方的模具空间。开模后，斜顶作用在模具斜面上的向前运动使斜顶产生横向移动，从而在顶出时脱离倒扣。塑料件设计师和模具设计师在采用斜顶时应考虑三个问题：第一，实现该设计需要额外的设计时间和更高的复杂度；第二，斜顶本身的滑动面、模具表面以及顶出机构内部存在磨损、卡滞和维护增加的可能；第三，使用斜顶要求模塑件内部各特征之间有足够的间隙。如图 2.11 所示，这一特定设计可能没有提供足够的间隙——如果斜顶进一步伸出，就会与最右侧的卡扣梁发生干涉。
图 2.11：生产卡扣梁的三种模具设计（模具打开状态）（图略）
模具设计中如此的复杂性似乎意味着应当避免使用卡扣梁，但在实践中，对于经验丰富的模具设计师来说，这类设计通常并不构成问题。比这类倒扣特征更具挑战性的是图 2.9 中朝塑件内部取向、并设计成模塑内螺纹的水平凸台。这些设计特征合在一起，需要复杂的模具设计，在顶出产品之前按顺序定时驱动各个型芯。另一种方案是使用”消失型芯”（lost core）：成型塑件内部特征的模具型芯在塑件成型后被熔化去除，如 13.4.3 节所述。
在可能的情况下，应避免此类产品设计特征，因为必须为成型和顶出模塑件而设计和加工复杂的模具机构。这些额外的模具零部件会使模具更难使用，使用不当甚至可能损坏模具。基于这些原因，模具设计工程师应识别出有问题的特征，提醒客户注意，并与产品设计工程师合作消除倒扣。但是，如果带倒扣特征所提供的功能对产品至关重要，或者消除倒扣将需要增加成型后加工工序、或将单个塑件重新拆分为多个零件，那么就不应将这些倒扣从产品设计中去掉 [18]。
2.4 本章回顾
读完本章后，你应当理解：
- 模塑件开发过程的基本阶段，包括管理层评审的作用；
- 开始模具设计过程需要哪些信息；
- 应用于模塑产品的常见规格；
- 到哪里寻找与产品和模具设计相关的更多信息；以及
- 面向注塑成型的基本塑件设计准则。
在下一章中，将针对关键的模具设计决策分析模具成本和塑件成本。该分析的结果将用于设计模具的布局。在后续章节中，将对模具的各个子系统进行设计和分析。
2.5 参考文献
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