外壳设计

　　摘要：

外壳设计随着我国国民经济的快速发展，各模具设计相关行业对塑料模具的需求不断增加，模具设计要求也不断提高。预计到2020年底，仅汽车行业模具设计手册将需要36万吨各种塑料产品；冰箱模具设计、洗衣机加工模具设计、空调制造工艺模具设计年产量将超过1000万台。到2035年，建筑建材行业的制造工艺模具设计，塑料门窗渗透率为30%，塑料管道渗透率将达到50%，这将大大增加对模具的需求。虽然我国塑料模具行业的技术水平有了很大的进步，但与发达工业国家相比仍存在较大差距。专家认为，落后的制造理念是其发展滞后的直接原因。加快技术进步，调整产品结构，提高高端模具比重，减少对进口模具的依赖，是塑料模具加工制造业的发展方向。而在未来的模具市场中，塑料模具在总模具中的比重将逐步提高，发展速度将高于其他模具。近年来，作为未来模具设计行业的主要发展方向，全球制造业正以垂直整合的模式向中国和亚太地区转移。中国正在成为世界制造业的重要基地。制造模型的变化必然会对新技术产生需求，也将导致CAD/CAM技术的发展。从我国国情出发，面对模具产业发展现状，加快模具CAD/CAM技术推广，建立软件开发和使用评估维护体系，形成区域规模优势，相互交流合作，形成产业集群。国际一体化和参与国际竞争。我们有理由相信，随着中国经济的不断发展，模具行业将逐步与国际CAD/CM行业相结合，适应国内CAD/CM的要求，创造出具有中国特色的模具设计制造模式。

　　关键字：外壳设计制造模型塑料模具

　　1.工程塑料

　　1.1工程塑料的发展前景

与通用塑料相比较，工程塑料在诸如力学性能、耐久性、耐腐蚀性、耐热性等很多方面可以满足更高要求，加工更加方便，可替代金属材料。工程塑料广泛应用于电工电子、汽车、建筑、办公设备、机械加工、航空航天等行业。取代钢铁和塑料已成为国际趋势。工程塑料已成为世界塑料工业发展最快的领域。它的发展不仅支持了国家相当多的基础产业和现代高新技术产业，而且促进了传统产业和产品结构的转型。

由于中国汽车、电子和建筑业的快速发展，中国已经成为了世界上对工程塑料需求增长最快的国家。据CIC分析，未来随着国内经济的不断发展，对工程塑料的需求将进一步增加，中国工程塑料产业的发展前景十分广阔。在家电行业，冰箱、冰箱、洗衣机、空调、各种小家电等工程塑料的年需求量将达到60万吨/年。在交通基础设施和铁路、公路建设中使用的工程塑料的数量更令人担忧。预计未来几年总需求量将达到450万吨。据《中国工程塑料行业产销需求与投资预测分析报告前瞻》数据显示，2010年，我国工程塑料消费达到了244.3万吨，同比增长了11%，是全球需求总量增长最快速的国家；2011年我国工程塑料消费量272万吨，同比增长11.34%。预计到2020年我国工程塑料消费量将达到337万吨，2025年达到417万吨。

　　1.2工程塑料的主要品种

工程塑料是一种高性能高分子材料，可作为结构材料，在较宽的温度范围内受较大的机械应力，在恶劣的化学和物理环境中状态稳定。一般来说，它能承受一定的外力，具有优秀的力学性能以及尺寸稳定性。它能在高温和低温下保持优异的性能，可作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚氟橡胶等。

　　1.3工程塑料主要性能

热性质：玻璃化温度及熔点；热变形温度高；长期使用温度高）；使用温度的范围大；热膨胀系数比较小。

机械性质:稳定强度、高机械模数、低潜变性、强耐磨损和耐疲劳性。

其它:耐化学药品腐蚀性、抗电性、耐燃性、耐候性以及尺寸安定性佳。

　　2.外壳设计的选材

　　2.1ABS塑料简介

ABS塑料未丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）三种单体的三元共聚物。三种单体的相对含量任意改变，能制备各种树脂。ABS共有三种成分，A使其耐化学腐蚀、耐热，并具有一定的表面硬度。B使其具有很高的弹性以及韧性，具有热塑性塑料的加工特性，提高了电性能。因此，ABS塑料是一种“硬、硬、硬”材料，容易获得原材料，综合性能优异，价格便宜，用途广泛。ABS塑料已广泛应用于机械、电气、纺织、汽车、飞机和造船等制造业和化工行业。塑料ABS树脂是应用最广泛、应用最广泛的聚合物。它有机地结合了Pb、PAN和PS的各种性能，具有优良的韧性、硬度和刚性相平衡等力学性能。实际使用后，发现：ABS制成的塑料管无法耐受硫酸腐蚀，遇硫酸会被磨碎破碎。

由于它有三种成分，所以具有优秀的性能；丙烯腈使ABS树脂具有化学稳定以及耐油性、一定的刚性和硬度；丁二烯提高了韧性、抗冲击性以及耐寒性；苯乙烯使其具有优秀的介电性能和优异的加工性能。

大多数ABS无毒，不透水，但对水蒸气有轻微的渗透性，吸水性低。室温下吸水率不大于1%，物理性能不变。ABS树脂产品的表面可以抛光以获得高光泽的产品。比普通塑料强度高3-5倍

　　2.2ABS塑料的用途

ABS树脂的最大应用是汽车、电子以及建筑材料。汽车行业包括非常多部件，如汽车仪表板、外部面板、内部装饰板、转向板、隔音板、门锁、保险杠以及风道。在电器方面，广泛应用于冰箱、电视机、洗衣机、空调、电脑、复印机等电子电器。在建筑材料方面，ABS管材、ABS卫浴、ABS装饰板在建筑材料行业得到了广泛的应用。此外，ABS还广泛应用在包装、家具、运动和娱乐产品、机械和仪表行业。

ABS树脂广泛应用在汽车工业、电器仪表工业和机械工业，常用于齿轮、汽车零部件、挡泥板、扶手、冰箱衬里、刀片、轴承、手柄、管道、接头、仪表箱、仪表盘、面盆、安全帽等：在家用电器和家用电器中的应用前景电子设备更为广泛，如电视机、录音机、冰箱、冰箱、洗衣机、空调、真空吸尘器以及各种小家电：日用品、鞋、包、各种旅行箱、办公设备、玩具以及各种容器等，低发泡的ABS可替代木制品，适用于建筑材料，家具和家居用品。

　　2.3ABS的性能检测

性能检测：

塑料性能检测技术服务应用于化工行业，从原材料鉴定、化工产品配方分析，到产品生产中的工业问题诊断、产品应用失效分析、产品可靠性检测，都能提供最专业的分析技术服务。ABS树脂结合了三种单体的优良性能，即：光泽、电性能、苯乙烯的成型性；丙烯腈的耐热性、刚性和耐油性；丁二烯的抗冲击性。塑料ABS的性能检测要注意。性能测试是通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对系统的各项性能指标进行测试。

（1）一般性能：

ABS的外观是不透明的象牙色颗粒。无毒、无味、吸水性低。其产品可制成各种颜色，光泽度高达90%。ABS与其他材料粘合优秀，易于表层打印、涂层和涂层。ABS的氧指数为18.2，是一种易燃聚合物。火焰是黄色的，有黑烟，燃烧但不滴，散发出一种特殊的肉桂味。

ABS是一种综合性能优异的树脂。在较宽的温度范围内具有较高的冲击强度和表面硬度。热变形温度高于PA和PVC，尺寸稳定性好。

ABS熔体的流动性比PVC以及PC优秀，但比PE、PA以及PS差，与POM以及HIPS相似。ABS的流动特性为非牛顿流体，其熔体粘度与加工温度以及剪切速率有关，但对剪切速率更为敏感。（2）力学性能

ABS有优良的力学性能，其冲击强度较好，可以在极低的温度下使用。即使ABS制品被破坏，也只能是拉伸破坏而不会是冲击破坏。ABS的耐磨性能优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷以及转速下的轴承。ABS的蠕变性比PSF及PC大，但比PA以及POM小。ABS的弯曲强度以及压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。

（3）热学性能

ABS为无定形聚合物，无明显熔点；熔体黏度较高，流动性比较差，耐候性较差，紫外线可使变色；热变形温度为70—107摄氏度，制品经过退火处理后还可提高10℃左右。对温度，剪切速率都非常敏感；ABS在－40℃时仍可以表现出一定的韧性，可以在-40℃到85℃的温度范围内长期地使用。

（4）电学性能

ABS的电绝缘性较好，可以几乎不受温度、湿度和频率的影响，可在大多数环境下使用。

（5）环境性能

ABS不被水、无机盐、碱醇类和烃类溶剂及多种酸而影响，但能溶于酮类、醛类及氯代烃，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。

　　2.4ABS发展前景

ABS为20世纪40年代发展起来的通用热塑性工程塑料，成为一种综合力学性能优异的塑料。它不仅具有优秀的刚度、硬度以及加工流动性，而且具有较高的韧性。它能够注塑、挤压或热处理。形成。大多数汽车零件都是通过注射成型加工的。ABS树脂具有耐冲击、隔音、耐刮擦、耐热、比PP更美观的优点，特别是在抗横向冲击以及使用温度方面。更严格的部分。ABS树脂是仅次于聚氨酯以及聚丙烯的第三大汽车用树脂。ABS树脂可用于汽车内外部、方向盘、导油管及手柄、按钮等小零件。汽车的外部包括前散热器格栅以及灯罩。

ABS树脂易于加工，具有优秀的尺寸稳定性以及表面光泽，易于涂抹以及着色，可用于金属喷涂、电镀、焊接以及粘接等二次加工。它能够广泛应用于电子以及电气领域，包括各种办公室。以及消费电子/电器、办公设备，包括电子数据处理器、办公设备。目前，在电子电器市场上，ABS树脂将保持其在电子/电器市场的地位，这需要阻燃和高耐热性。阻燃高耐热的ABS树脂与ABS/PC等工程塑料合金具有明显的竞争优势。

ABS树脂广泛用于各种消费品，如建筑材料、管道、片材或片材，现在正被更便宜的PVC树脂取代。ABS树脂用于建筑相关领域，挤塑片材用于浴室、游泳池衬里等卫生设备，以及注塑管材和配件，并生产少量挤塑电话电缆线路。

　　3.产品设计

　　3.1产品开发的结构设计原则：

a、结构设计需合理：装配间隙合理，所有的插入式的结构都应预留间隙；保证有足够的强度和刚度(安全规测试)，并适当设计合理安全系数。

b、塑件的结构设计要综合考虑模具的可制造性，尽量去简化模具的制造。

c、塑件的结构一定要考虑其可塑性，即零件注塑生产效率要高，尽量降低注塑的报废率。

d、考虑便于装配生产(尤其和装配不能冲突)。

e、塑件的结构应可能采用标准、成熟的结构，所谓的模块化设计。

f、可通用/公用的，尽量使用目前已有的零件，不新开发模具。

g、兼顾成本

　　3.2关于塑料零件的脱模斜度：

一般来看，对模塑产品任何一个侧面，都需要有一定量的脱模斜度，以便产品从模具中可以顺利脱出。脱模斜度的大小一般以0.5度至1度间居多。具体选择脱模斜度应注意以下几点：

a、塑件表面是光面的，尺寸精度要求高的，收缩率低的，要选用较小的脱模斜度，如0.5°。

b、较高、较大尺寸，根据实际计算得出较小的脱模斜度，比如双筒洗衣机大桶的筋板，计算后取0.15°~0.2°。

c、塑件的收缩率大的，要选用较大的斜度值。

d、塑件壁厚较厚时，会使成型收缩变大，脱模斜度应该采用较大的数值。

e、透明件脱模斜度应加大，以免导致划伤。一般情况下，PS料脱模斜度应不少于2.5°~3°，ABS及PC料脱模斜度应不小于1.5°~2°。

f、带皮纹、喷砂等外观处理的塑件侧壁需要根据具体情况来取2°~5°的脱模斜度，视具体的皮纹深度来定。皮纹深度越深，脱模斜度应越大。

g、结构设计成对插时，插穿面斜度一般为1°~3°

　　3.3关于塑件的壁厚确定以及壁厚处理

合理确定塑件的壁厚是非常重要的。塑料件的壁厚首先由塑料件的要求确定：包括强度、质量成本、电气性能、尺寸稳定性和零件的装配要求。一般壁厚具有经验值。铁一般厚2毫米，真空吸尘器厚2.5毫米。说明如下：

a.塑料件的壁厚应尽可能均匀，避免过薄、过厚和壁厚突变。如果塑件需要改变壁厚，应采用梯度或圆弧过渡，否则塑件会因收缩不均匀而变形。影响塑料件的强度，影响注塑过程中的流动性等成型过程。

b.塑料件的壁厚一般在1-5mm范围内。最常用的值是2-3毫米。

c.常用塑料件的最小壁厚和普通壁厚：（mm）

d.尽量不要设计肋和螺旋柱太厚。一般建议取车身壁厚的一半比较安全，否则会引起外观问题，如微观。

e.尽量不要将零件设计成单独的平板。尺寸小，否则变形会导致零件不均匀。

　　3.4关于塑件的加强：

为了确保塑件的强度和刚性，而又不致使塑件的壁厚过厚，可以在塑件的适当部位设置加强筋。加强筋还可以避免塑件的变形，在某些情况下，加强筋还能改善塑件成型过程中塑料流动地情况。

a、加强筋的厚度不应大于壁厚的1/2，以免引起塑件表面缩影；同时从成型流动性计算，最小不宜低于0.8mm。

b、在必须采用较大的加强筋时，在容易形成缩痕的部位考虑设计成纹理，来遮盖缩痕。

c、加强筋应加脱模斜度，筋应标注大端尺寸（但是考虑加工工艺，3D图上可以不做出，模具加工时EDM加工会自然产生斜度，高精度零件另论）

d、除特殊要求，加强筋应尽可能短，加强筋的高不要超过（3~4）*T（T为零件厚度）

　　3.5关于塑件的螺钉柱设计

塑件之间的连接往往采用自攻螺钉的连接方式，在螺钉柱的设计过程中应注意以下几点：

a、在允许的情况下，螺钉柱应尽量低一点

b、应加一字形或十字形斜筋加强螺钉柱的强度，并考虑防止缩影

c、外观要求严格的表面螺钉柱应做斜顶式的结构以防止缩影

d、螺钉柱内侧要加倒角，利于螺钉的安装，倒角大小一般为（1~1.5）X45°.

　　3.6关于嵌件设计：

在嵌件的设计过程中应注意以下几点：

a、嵌件周围塑料层厚度不能够太薄，否则会因收缩而破裂。

b、嵌件各尖角部位应倒圆角，这样能减少内应力。

c、嵌件在塑件中应固定牢固，可采用开槽、加凸台，或滚花结构。

d、在设计中应考虑嵌件在模具中便于安装，正确以及牢固定位，成型时有利于塑料流动，模具制造方便。在注塑成型时，塑件会发生紧缩，金属件不会收缩，所以嵌件周围会出现内应力，过大则塑件开裂，解决办法，其一是塑件包围嵌件的尺寸不能太薄，其次，选择弹性较好，收缩率较小的塑胶材料，比如ABS，PC等，而脆性材料则不适合嵌件，比如PS。

　　3.7外观要求及材料、收缩率、分型面

a、产品使用的材料

b、外观光洁度要求，如镜面、皮纹、喷砂、亚光、喷漆等，以及需处理的范围。

d、分型面的位置、滑块抽芯允许的分型线位置，允许设浇口的位置、哪些地方不允许有顶出痕迹…

e、若塑件上需要文字、符号等标识，应落实文字、符号的大小、深度、位置等。

f、对塑件成型后难以避免的缺陷如：融接痕、微量收缩等应尽量采取措施减轻缺陷。

g、修饰特征如logo，塑件上刻字等,宜设计先沉下然后凸起，模具加工时为下凹，加工容易实现。

　　4.塑料外壳在生活中的作用

塑料盒已经渗透到人们的生活和工作中，给我们带来了很多便利。塑料外壳对电子产品有一定的保护作用。普通塑料手机壳在使用寿命中不仅具有防坠落功能，而且具有一定的绝缘效果；GPS外壳能有效地保护GPS电路板，延长GPS定位器的使用寿命；防水箱能保护室外电表不受水的侵害。

塑料外壳广泛应用于各种电子产品中，按其用途可分为GPS定位外壳、机电外壳、移动电源外壳、手机外壳等。虽然现在很多主流高端产品都是越来越多的金属，但金属本体显然是一种趋势。从外观上看，它质地更丰富，手感更舒适，能体现高端手机的品味。缺点，例如，金属材料会对信号造成干扰、油漆脱落等。然而，塑料套管的优缺点正逐渐被人们有效地推广和避免，使塑料套管的实用性最大化。塑料材质轻，柔韧，不易变形。其中，塑料外壳的配色、图案可通过喷油、丝印工艺实现，操作简单、成本低，更方便人们使用。

例如，常用的ABS工程塑料，即ABS工程塑料，即PCABS，化学工业中的中文名使塑料合金，因其具有PC树脂优异的耐热性和耐候性而得名PCABS。具有尺寸稳定性以及抗冲击性，并具有优良的ABS树脂加工流动性。因此，它被应用于薄壁以及复杂形状的制品，以保持其优良的性能，并保持塑料和由酯组成的材料的可成形性。ABS工程塑料的最大缺点是重量大，导热性差。一般来说，ABS工程塑料因为成本低而被大多数制造商所采用。目前，大多数塑料外壳是由ABS工程塑料制成的。

　　5.ABS塑料外壳与其他外壳相比的优点

该仪器的塑料外壳由ABS材料制成，具有优异的机械冲击强度，可处于极低的温度下使用。即使ABS产品被破坏，它也只能是拉伸损伤而不会有冲击损伤，ABS耐磨性好。性能优异，尺寸稳定性好，耐油性好。在中等载荷和速度下，轴承的蠕变均大于psf和pc，但小于pa和pom。塑料中ABS的弯曲强度和抗压强度较差。温度对ABS的力学性能影响很大。ABS的外观是不透明的象牙色颗粒。它无毒无味，可以制成各种风格，具有90度的高光泽。abs的相对密度为105abs。它很容易与其他材料结合。涂层ABS的氧指数为182可燃聚合物。火焰是黄色的，有黑烟和灼伤，但不滴落，给人一种特殊的肉味。ABS是一种综合性能很好的树脂。在较宽的温度范围内具有较高的冲击强度和表面硬度。热变形温度高于PAPVC，尺寸稳定性好。收缩率在04到08之间。纤维增强后，可减至02～04，塑性收缩后的收缩临界表面张力为3438mncm。

　　6.ABS的改进方法

ABS是一种易燃材料，根据UL94标准属于HB等级。ABS在着火时燃烧迅速，排放大量有毒气体和黑烟，不利于实际应用。随着科学技术的进步以及生活质量的提高，人们对安全的认识越来越高。国内外对汽车、建筑、家电、办公用品等塑料材料提出了严格的塑料阻燃要求，并制定了相应的技术。因此，对阻燃ABS的研究具有十分重要的意义。

降低ABS树脂可燃性的主要方法有三种：

1将阻燃聚合物与CPE、PVC等ABS共混；

2对现有的ABS进行化学改性，如加入三溴苯乙烯作为第四单体，制备四组分的ABS；

3通过一般的方法，我想给ABS添加阻燃剂，包括无机阻燃剂（如MoO3）和有机阻燃剂（如卤素化合物、磷阻燃剂）。阻燃型阻燃效果好，但其它性能较差（如老化、成本高）。化学改性ABS需要一个特定的生产工艺，工艺更为复杂。第三种方法平衡了成本和性能，在设计多功能材料时更加灵活。目前，ABS材料的阻燃改性主要是在添加高效含卤阻燃剂的基础上进行的。

耐热（耐高温）级ABS

耐热ABS树脂的热变形温度一般是90～105℃，具有优秀的耐热性、韧性以及流动性。可用于汽车门、后轮罩、面板、面板等的生产，也可用于微波炉、电饭煲、吹风机等家用电器中，通过降低橡胶含量、增加SAN分子量以及丙烯腈含量，可提高ABS的耐热性，但采用DEVELO法。通过添加耐热单体或耐热添加剂对耐热ABS进行Ping，α-甲基苯乙烯（MS）、顺丁烯二酸酐在ABS树脂中的应用，引起了人们的更多关注。

其途径主要有两种：

1MS、MI等作为第三单体同苯乙烯、丙烯腈共聚，提高了基体树脂的刚性，提高了其热重。MA和AN共聚物的耐热性优于相同AN含量的SAN，维卡软化温度分别为123°C和103°C。两者的化学和物理性质相似，生产方法也多种多样。MS基材料颜色比苯乙烯基材料黄。在实际生产中，MS只是部分取代苯乙烯得到SMSAN共聚物。更换率取决于耐热性要求。

2将耐热苯乙烯-马来酸酐共聚物（SMA）或苯乙烯-马来酰亚胺共聚物（SMI）作为混合物添加到ABS树脂中。SMA的维卡软化点温度可到150°C，但在较高温度下，SMA不稳定。它会释放二氧化碳，所以必须释放以保持足够的稳定性，并且可以在260°C下加工，否则工件会受到辐射。添加1%的受阻酚类抗氧剂和硫酯增效剂使SMA稳定。SMI可用于高于SMA和MS的地方，以提供耐热性。苯乙烯和MI共聚的生产工艺与SAN相同。也可以通过使SMA与氨或胺反应来制备SMI。SMI在高温下具有优秀的热稳定性，不产生辐射。抗静电级ABS

SAN的电阻性能应AN极性性质而较PS稍微降低，但仍具有足够的绝缘性。ABS的表面静电荷在加工、运输、使用中导致吸附尘土、脱模困难、静电放电等问题。因此，ABS制品需要具有一定导电性，以防止内部放电，甚至可以屏蔽外界对精密电子元件的电磁干扰。添加抗静电剂可防止静电荷产生或消除静电荷，是制备抗静电级ABS的重要方法。抗静电剂可在ABS加工之前或加工的过程中添加。根据添加方式，抗静电剂的种类如下：

（1）在ABS产品表面以水或醇溶液的形式涂上外部抗静电剂，最常用的是季铵盐。季铵盐可以降低工件的表面电阻，但在使用、清洗等过程中容易去除，因此被广泛应用于短期使用，如防止显示部件积灰。

（2）ABS加工过程中加入了内抗静电剂，加入量小（0.1%~3%），与ABS有一定的相容性。内抗静电剂分为迁移抗静电剂以及永久性抗静电剂，迁移抗静电剂为离子或者非离子表面活性剂，疏水部分与abs有一定的相容性，亲水部分迁移到abs内表面，可吸附水以提高表面电导。Y.在去除抗静电剂的表面后，内部抗静电剂仍然可以迁移到表面，直到完全耗尽为止，因此使用时间比外部静电剂长。永久性抗静电剂迁移，包括高导电填料（如炭黑、金属涂层碳纤维、不锈钢丝）、亲水性聚合物材料（如聚氧乙烯共聚物）和导电性聚合物材料（如聚丙烯、聚噻吩）。其中，亲水性高分子材料含量少，主要用于办公自动化设备。导电填料不适用于指示颜色、透明度和电子产品。

　　7.ABS产品塑料外壳设计图

　　8.参考文献

[1]陈光.新材料概论[M].国防工业出版社

[2]江湘芸,刘建华.设计材料与工艺[M].机械工业出版社

[3]吕争青,卜乐宏.ABS塑料的湿热老化性能研究[J].上海第二工业大学学报,2000,

[4]彭锦芳.ABS塑料在汽车上的应用[J].汽车工艺与材料,1997

[5]朱炤男.ABS塑料及其加工[J].化学世界