材料性質(zhì)與塑件設(shè)計詳解說明資料

1、材料性質(zhì)與塑件設(shè)計5-1 材料性質(zhì)與塑件設(shè)計 塑膠材料的多樣性使得塑膠射出成形比金屬成形更具有設(shè)計的自由度。然而，塑件的機(jī)械性質(zhì)受到負(fù)荷種類、負(fù)荷速率、施加負(fù)荷期間長短、施加負(fù)荷的頻率、以及使用環(huán)境溫度變化與溼度變化等因素的影響，所以設(shè)計者必須將這些使用條件列入考慮。5-1-1 應(yīng)力-應(yīng)變行為材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為決定其強(qiáng)度或勁度。影響材料強(qiáng)度的因素包括塑件的幾何形狀、負(fù)荷、拘束條件、成形製程導(dǎo)致的殘留應(yīng)力和配向性。根據(jù)施加在塑件的負(fù)荷或拘束條件的不同，必須考慮不同種類的強(qiáng)度性質(zhì)，包括拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度、撓曲強(qiáng)度和剪變強(qiáng)度等。設(shè)計塑件時，應(yīng)該根據(jù)塑件承受的主要負(fù)荷來決定材料相關(guān)的強(qiáng)度。

2、將其使用環(huán)境溫度及應(yīng)變率下的主要負(fù)荷所相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變行為列為重要考慮。然而，由於拉伸試驗(yàn)以外的其他測試程序先天上都有準(zhǔn)確性的問題，使得塑膠材料往往只提供短期的拉伸試驗(yàn)(tensile test)結(jié)果。讀者如果有其他負(fù)荷狀態(tài)的應(yīng)用，應(yīng)參閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料。圖5-1說明拉伸試驗(yàn)棒和預(yù)設(shè)固定負(fù)荷下的變形量，其中，應(yīng)力()與應(yīng)變()的定義為：圖5-1 (a) 拉伸實(shí)驗(yàn)棒截面面積A，原始長度L0；(b) 於固定負(fù)荷下拉長至長度L。圖 5-2熱塑性塑膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以獲得楊氏模數(shù)、比例極限，彈性極限、降伏點(diǎn)、延展性、破壞強(qiáng)度和破壞之伸長量等材料性質(zhì)。圖5-2 典型熱塑性塑膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖楊氏模數(shù)是應(yīng)力

3、應(yīng)變曲線起始直線部份的斜率。定義為：楊氏模數(shù)經(jīng)常被用作材料強(qiáng)度指標(biāo)。楊氏模數(shù)實(shí)際上是材料剛性(rigidity)的指標(biāo)，它可以應(yīng)用於工程上簡化的線性運(yùn)算，例如決定塑件的勁度(stiffness)。比例極限是圖 5-3上的 P 點(diǎn)，曲線從這點(diǎn)開始偏離其線性行為。彈性極限是圖 5-3的 I 點(diǎn)，它是材料承受應(yīng)變而仍能夠回復(fù)原形的最大限度。假如應(yīng)變量超過彈性極限，並且繼續(xù)增加，則材料可能發(fā)生拉伸現(xiàn)象而無法回復(fù)原形，或者可能發(fā)生破壞，如圖 5-2所示。圖 5-3 局部之應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中，P點(diǎn)是比例極限， 經(jīng)常用作設(shè)計上的應(yīng)變限度。I 點(diǎn)是彈性極限。圖 5-4顯示相同基底樹脂材料的兩種熱塑性複合物之應(yīng)

4、力應(yīng)變曲線，其中一者添加了30%玻纖，另一者無填充料。玻纖填充料使得塑料的破壞強(qiáng)度、降伏應(yīng)力、比例極限應(yīng)力及楊氏模數(shù)都明顯地提昇，並且承受較低的應(yīng)變量就產(chǎn)生破壞。無填充料的熱塑性塑膠在降伏點(diǎn)以上產(chǎn)生拉伸現(xiàn)象，使應(yīng)力減小。拉伸造成剖面面積的縮小量可以根據(jù)蒲松比計算。負(fù)荷速率（或應(yīng)變率）及溫度對於塑膠的應(yīng)力應(yīng)變行為有很大的影響。圖 5-5是半結(jié)晶塑膠受負(fù)荷速度及溫度影響時之拉伸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線。通常，在高負(fù)荷速率和低溫條件時，塑膠材料顯得剛且脆；低負(fù)荷速和高溫條件時，受到其黏滯性的影響，塑膠材料較具有撓性和延展性。從圖 5-5可以觀察到，高負(fù)荷速率使得材料的破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力大幅提高。然而，提高溫

5、度會使得破壞應(yīng)力和降伏應(yīng)力降低。圖5-4 添加30%玻纖與無添加物之熱塑性樹脂的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖5-5 負(fù)荷速率與溫度對於典型聚合物之應(yīng)力應(yīng)變圖的影響加熱半結(jié)晶性塑膠使之通過玻璃轉(zhuǎn)移溫度（Tg），則負(fù)荷速度、溫度等相關(guān)的效應(yīng)更加明顯，結(jié)果導(dǎo)致塑料產(chǎn)生全然不同的運(yùn)動行為。不定形塑膠通過軟化區(qū)後呈現(xiàn)黏性流。5-1-2 潛變與應(yīng)力鬆弛設(shè)計承受長期負(fù)荷的塑件時，應(yīng)非常注意潛變效應(yīng)及應(yīng)力鬆弛。不論所施加負(fù)荷的大小，只要持續(xù)地施加一定量負(fù)荷在塑膠材料上，塑膠材料就會連續(xù)地變形，這種長期間、永久性的變形稱為潛變(creep)，如圖5-6所示。圖5-6 典型的潛變曲線，其潛變量根據(jù)負(fù)荷及時間而變化。要設(shè)計承受長

6、期負(fù)荷的塑件，必須使用潛變數(shù)據(jù)以確保塑件不會在壽命週期內(nèi)產(chǎn)生破壞、產(chǎn)生降伏、裂縫或是過量的變形。雖然大多數(shù)塑料擁有在相當(dāng)時間內(nèi)、特定應(yīng)力及溫度條件下的潛變數(shù)據(jù)，但是每個塑件設(shè)計仍需對其特定的負(fù)荷與使用條件來調(diào)整設(shè)計值。由於要針對各別設(shè)計塑件進(jìn)行長期間的試驗(yàn)並不可行，而且塑件將來使用期間的應(yīng)力與環(huán)境條件不容易進(jìn)行長期間的預(yù)測，所以，往往必須從較短的潛變試驗(yàn)數(shù)據(jù)執(zhí)行內(nèi)插和外插。通常，工程師使用樹脂供應(yīng)商提供的潛變資料庫獲得應(yīng)變相對於時間之?dāng)?shù)據(jù)，再進(jìn)行內(nèi)插和外插，以獲得同一時間之應(yīng)力應(yīng)變非線性曲線，如圖 5-7。這些曲線將取代短期的應(yīng)力應(yīng)變曲線，應(yīng)用於長期靜負(fù)荷之塑性設(shè)計。圖5-7 在固定應(yīng)變下，應(yīng)

7、力隨著經(jīng)歷時間而遞減的情形。潛變模數(shù)(creep modulus, Ec)可以應(yīng)用於固定應(yīng)力或應(yīng)力鬆弛計算。潛變模數(shù)與時間、溫度有關(guān)係，它與固定應(yīng)力()以及隨時間、溫度變化的應(yīng)變(t, T)之間的關(guān)係式定義如下： 其他與潛變有關(guān)連的因素包括：隨著溫度的上升，潛度速率與應(yīng)力鬆弛速率都會上升。只要施加負(fù)荷的時間夠久，就可能發(fā)生破壞，此稱為應(yīng)力破裂(stress crack)。內(nèi)壓力（殘留應(yīng)力）應(yīng)該與外應(yīng)力一併考慮。應(yīng)力鬆弛是潛變的一種推論現(xiàn)象。假如變形量固定，則抵抗變形的應(yīng)力會隨著時間而遞減。塑膠材料發(fā)生潛變的物理機(jī)構(gòu)也可以應(yīng)用於應(yīng)力鬆弛。圖 5-7說明在固定應(yīng)變下，應(yīng)力隨著經(jīng)歷時間而遞減的情形。

8、5-1-3 疲勞當(dāng)設(shè)計的塑件承受週期性的負(fù)載時，就應(yīng)考慮疲勞效應(yīng)(fatigue)。承受週期性負(fù)荷之塑料應(yīng)該使用比例極限進(jìn)行設(shè)計。假如施加時間間距短，而且為長期的反覆性負(fù)荷，應(yīng)該使用S-N曲線進(jìn)行設(shè)計。S-N曲線是在固定頻率、固定溫度和固定負(fù)荷條件下，施加彎矩、扭力和拉伸應(yīng)力於材料，測試而得。隨著反覆性負(fù)荷的頻率數(shù)目增加，造成塑件因疲勞而破壞所須的應(yīng)力會降低。許多材料存在一特定的應(yīng)力忍受限度，在應(yīng)力低於忍受限度時，材料不會因反覆性負(fù)荷造成疲勞而破壞，參閱圖 5-8。即使只施加很小的應(yīng)力，根據(jù)施加應(yīng)力的大小，材料承受反覆性負(fù)荷時，可能在週期結(jié)束後無法恢復(fù)原狀。當(dāng)施加負(fù)荷與解除負(fù)荷的頻率增加，或是

9、施加負(fù)荷與無負(fù)荷的間隔時間縮短，塑件表面可能應(yīng)為疲勞而產(chǎn)生微小裂縫或其他瑕疵，造成韌性降低。圖5-8 典型的撓曲疲勞S-N曲線具有一個應(yīng)力忍耐限度，在此限度以下的應(yīng)力不會造成破壞。5-1-4 衝擊強(qiáng)度因?yàn)樗苣z具有黏彈性，其性質(zhì)與使用時間、負(fù)荷速率、負(fù)荷頻率、施加負(fù)荷期間長短、使用溫度都有密切的關(guān)係。塑膠的衝擊強(qiáng)度（或韌性）表示其抵抗脈衝負(fù)荷的能力。圖 5-5顯示塑膠材料的衝擊強(qiáng)度隨著負(fù)荷速率的增加而增大。塑膠材料承受高速的負(fù)荷時，會表現(xiàn)出脆性而沒有拉伸的傾向。低溫時，塑膠應(yīng)亦呈現(xiàn)脆性。塑膠材料承受衝擊時，對於凹痕很敏感。尖銳的轉(zhuǎn)角半徑會造成應(yīng)力集中，也會降低其衝擊強(qiáng)度，如圖 5-9所示。圖5-

10、9 塑料應(yīng)力集中是其厚度與圓角半徑的函數(shù)5-1-5 熱機(jī)械行為熱膨脹係數(shù)是溫度從一特定值上升時，材料尺寸變化的量度。塑膠的熱膨脹係比金屬大510倍。溫度變化對於塑件的尺寸和機(jī)械性質(zhì)會造成可觀的影響，所以設(shè)計塑件時必須考慮到使用塑件的最高溫度和最低溫度。假如使用於大溫度範(fàn)圍大的塑件與金屬件緊密結(jié)合，強(qiáng)度較差的塑件會因熱膨脹或收縮而破壞。根據(jù)塑件強(qiáng)度及上升溫度情況，此破壞可能立刻發(fā)生或延後發(fā)生，所以設(shè)計塑件與金屬元件組合時，必須將其尺寸變化的安全裕度列入考慮。使用於室溫以上的塑件應(yīng)考慮下列因素：塑件尺寸增長的傾向正比於其長度、溫度上升量、及熱膨脹係數(shù)。當(dāng)塑件溫度從室溫上升時，其強(qiáng)度及楊氏模數(shù)會降低

11、，如圖 5-5所示。低模數(shù)材料可能會呈現(xiàn)橡膠般的拉伸現(xiàn)象。分子鏈的配向性和添加纖維的配向性會造成塑件尺寸不等向的變化，其在流動方向比截面方向具有更大的熱膨脹係數(shù)。當(dāng)塑件長期存在於高溫，應(yīng)考慮：存放時承受內(nèi)應(yīng)力或外應(yīng)力的塑件，應(yīng)考慮潛變和應(yīng)力鬆弛。塑件因分子裂解而變脆。有些複合物會釋放成分。塑件長期存放於低溫時，應(yīng)考慮因素：塑件尺寸縮減正比於其長度、溫度下降量、及熱膨脹(熱收縮)係數(shù)。模數(shù)上升。塑件變脆。5-2 塑件強(qiáng)度設(shè)計設(shè)計塑件時，其破壞性質(zhì)控制的成功與否，往往取決於對於塑件強(qiáng)度（或勁度）的準(zhǔn)確預(yù)測。根據(jù)塑件承受負(fù)荷或拘束條件的不同，可以區(qū)分為拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度，撓曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度

12、。塑件的強(qiáng)度與材料、幾何形狀、拘束條件、成形的殘留應(yīng)力和配向性有關(guān)。表 5-1列出五種典型的負(fù)荷條件及設(shè)計者應(yīng)考慮的材料性質(zhì)。表5-1 典型的負(fù)荷條件及設(shè)計者應(yīng)考慮的材料性質(zhì)負(fù)荷條件設(shè)計者應(yīng)考慮的材料性質(zhì)短期負(fù)荷應(yīng)力-應(yīng)變行為長期負(fù)荷潛變反覆性負(fù)荷疲勞高速和衝擊性負(fù)荷衝擊強(qiáng)度極端溫度之負(fù)荷熱應(yīng)力應(yīng)變行為5-2-1 短期負(fù)荷短期負(fù)荷是指塑件於搬運(yùn)、組合、和使用時，偶而施加的負(fù)荷，其設(shè)計應(yīng)採用應(yīng)力-應(yīng)變圖的比例極限值。使用肋或角板等強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，可以改善塑件的強(qiáng)度。應(yīng)考慮使用寬幅的肋，以提昇結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；增加肋的高度或減小肋的間距也會改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，在需要的方向添加強(qiáng)化玻璃纖維也可以改善結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。5-

13、2-2 長期負(fù)荷長期負(fù)荷指在比例極限以內(nèi)，塑件長時間承受高外力負(fù)荷，以及塑件在成形和組合製程中造成的高內(nèi)應(yīng)力或殘留應(yīng)力。其於設(shè)計上應(yīng)考慮：使用潛變模數(shù)，以避免應(yīng)力破裂破壞，維持接點(diǎn)緊密結(jié)合和塑件功能。設(shè)計壓合連接或搭扣連接之組合，以減少組裝造成的應(yīng)力。使用固定元件(fasteners)以減低應(yīng)力，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。設(shè)計塑件與塑件接合時，使用幾何特徵或保留安全裕度，以防止塑件因 組合而過度緊密配合。5-2-3 反覆性負(fù)荷當(dāng)塑件承受反覆性負(fù)荷，應(yīng)考慮在其壽命內(nèi)預(yù)計承受負(fù)荷的次數(shù)，下列數(shù)字提供典型反覆性負(fù)荷的範(fàn)例。負(fù)荷 種 類負(fù)荷 次 數(shù)反覆組合和拆解少於 1,000 次 齒輪之各齒承受反覆性負(fù)荷 大於 1

14、0,000 次 彈簧元件 大於 10,000 次塑件承受反覆性負(fù)荷時，應(yīng)考慮下列建議：長間距之週期性負(fù)荷可以採用比例極限進(jìn)行設(shè)計。塑件承受短間距和長期間的反覆性負(fù)荷，應(yīng)使用S-N曲線進(jìn)行設(shè)計。高度拋光的光滑模面可以降低產(chǎn)生微小裂縫的傾向。注意圓角的設(shè)計以避免應(yīng)力集中。塑件承受高頻或高振幅的週期性負(fù)荷時，會生熱而縮短壽命。改用薄壁 設(shè)計和耐疲勞的導(dǎo)熱性材料可以改善塑件的散熱功能。5-2-4 高速負(fù)荷及衝擊負(fù)荷高速負(fù)荷指施加負(fù)荷的速度高於1 m/s，衝擊性負(fù)荷指負(fù)荷速度高於 50 m/s。應(yīng)避免在高應(yīng)力區(qū)施加高速負(fù)荷和衝擊性負(fù)荷。當(dāng)設(shè)計之塑件承受此類負(fù)荷時必須牢記以下建議：在預(yù)期的負(fù)荷速率之內(nèi)，使

15、用比例極限進(jìn)行設(shè)計之計算。使用較大的圓角半徑及較和緩的肉厚寬度變化，以避免應(yīng)力集中。長時間處於高熔融溫度的樹脂會裂解變脆。要使高溫對於熔膠的影響最 小化，就必須選用適當(dāng)熔點(diǎn)的塑料和適當(dāng)?shù)纳涑隽贤瞾磉M(jìn)行射出成形。5-2-5 極端溫度施加負(fù)荷塑件之儲存、搬運(yùn)和使用溫度很容易就高出或低於室溫2030，應(yīng)用於極端溫度的塑件必須能適應(yīng)環(huán)境。設(shè)計塑件將應(yīng)用於極端溫度條件，建議注意事項如下：應(yīng)用比例極限進(jìn)行計算，以避免塑件永久變形。避免將不同熱膨脹係數(shù)之材料設(shè)計為緊迫組合，而且應(yīng)該在自由端面保 留允許塑件膨脹之裕度。常見的高於室溫之極端溫度條件的應(yīng)用包括：熱液體的容器、熱水管線元件、含有加熱元件之裝置、直接

16、曝於日光之下的搬運(yùn)工具、儲存在無空調(diào)建築之塑件。常見的於低於室溫的應(yīng)用包括：冷凍之塑件和以飛機(jī)運(yùn)載之塑件5-3 塑件肉厚設(shè)計塑件所需考慮的因素眾多，包括功能與尺寸的需求、組合之公差、藝術(shù)感與美觀、製造成本、環(huán)境的衝擊、以及成品運(yùn)送等等。在此，我們將考慮塑件肉厚對於成形週期時間、收縮與翹曲、表面品質(zhì)等因素的影響，以討論熱塑性塑膠射出成形之加工性。塑件於射出成形後，必須冷卻到足夠低的溫度，頂出時才不會造成變形。肉厚較厚的塑件需要較長的冷卻時間和較長的保壓時間。理論上，塑件射出之冷卻時間與肉厚的平方成正比，或者與圓形物件直徑的1.6次方成正比。所以粗厚件會延長成形週期時間，降低單位時間所射出塑件的數(shù)

17、量，增加每個塑件的製造成本。另外，塑膠射出成形先天上就會發(fā)生收縮，然而，剖面或整個元件的過量收縮或不均勻收縮就會造成翹曲，以致於成形品無法依照設(shè)計形狀呈現(xiàn)。請參閱圖5-10。 圖5-10 (左邊)粗厚件會導(dǎo)致(中間)塑件的收縮和翹曲， 應(yīng)該將塑件設(shè)計為具有均勻肉厚的(左邊)塑件。塑件同時具有薄肉區(qū)和厚肉區(qū)時，充填熔膠傾向於往厚截面部分流動，容易產(chǎn)生競流效應(yīng)(race-tracking effect)，導(dǎo)致包風(fēng)(air traps)和縫合線(weld lines)，在塑件表面產(chǎn)生瑕疵。假如厚肉區(qū)沒有充足的保壓，就會造成凹痕(sink marks)或氣孔(voids)，所以應(yīng)該儘可能設(shè)計薄且肉厚均

18、勻的塑件，以縮短成形週期時間，改善塑件尺寸穩(wěn)定性，和去除塑件之表面瑕疪，塑件肉厚設(shè)計通則是：使用肋可以提高塑件的剛性和強(qiáng)度，並且避免厚肉區(qū)的結(jié)構(gòu)。塑件尺寸的設(shè)計，應(yīng)將使用塑膠之材料性質(zhì)和負(fù)荷類型、使用條件之間的關(guān)係列入考慮，也應(yīng)考慮元件的組合需求。圖 5-11 提供一些設(shè)計範(fàn)例的比較。 (not recommended) (recommended)圖5-11 塑件之設(shè)計範(fàn)例。左邊為不良設(shè)計，右邊是典型的塑件設(shè)計。5-4 肋之設(shè)計塑件設(shè)計之結(jié)構(gòu)完整性的主要考量是：塑件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須足以抵抗預(yù)期負(fù)荷。如果藉由增加肉厚以強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，有下列的缺點(diǎn)：塑件重量及成本相對地增加。加長塑件所需的冷卻時間。增加產(chǎn)生

19、凹痕與氣孔的機(jī)會。肋(ribs)是達(dá)成所需剛性和強(qiáng)度，並且避免粗厚剖面的有效方法。設(shè)計良好的肋，僅僅增加低百分比的重量，就足以提供必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。假如還需要更高的剛性，可以縮小肋的間距，以便添加更多的肋。肋的典型用途包括：蓋子、箱子、及需要有良好外觀和重量輕的寬大表面。必須有圓柱形表面之送紙用滾輪和導(dǎo)軌。齒輪的軸和齒廓。塑件的支撐與構(gòu)架。肋的厚度、高度和開模斜角是相互關(guān)連的。太粗厚的肋會在塑件的另一面造成凹痕；太薄的肋和太大的開模斜角會造成肋的尖端充填困難。肋之各邊應(yīng)有 1的開模斜角，最小不得低於 1/2，而且應(yīng)該將肋兩側(cè)之模面精密拋光。開模斜角使得從肋頂部到根部增加肉厚，每一度開模斜角會使一

20、公分高肋的根部增加0.175公厘肉厚。建議根部的最大厚度為塑件肉厚的0.8倍，通常取肉厚的0.50.8倍，如圖5-12所示。圖5-12 設(shè)計肋之截面規(guī)範(fàn)將肋設(shè)計在開模方向，可以降低模具的加工成本。使用角板(gussets)也可以強(qiáng)化肋的結(jié)構(gòu)，如圖5-12所示。使用凸轂(bosses)時，不應(yīng)該凸轂將連接到平行之塑件壁面，必須和壁面維持一段間距。凸轂也可以使用角板強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。如圖5-13所示，肋可以設(shè)計成波浪狀(corrugations)以維持均勻壁厚，並且將開模斜角加工到兩側(cè)的模具，這種作法可以避免肋的頂面太過薄。就結(jié)構(gòu)的剛性而言，相互連接的蜂巢式六面矩陣結(jié)構(gòu)，如圖 5-14，比正方形結(jié)構(gòu)更具有

21、材料的使用效率，加設(shè)蜂巢狀的肋是防止平坦表面彎曲的好方法。 圖5-13 波浪形強(qiáng)化結(jié)構(gòu) 圖5-14 平坦表面加設(shè)蜂巢狀的肋5-5 組合之設(shè)計使用塑膠成形的一項重要優(yōu)點(diǎn)是可能將先前的好幾個元件連接成為單一元件，這包括許多功能性元件和固定元件。然而，在現(xiàn)實(shí)的考量上，為了成形與模具的限制、功能需求、及經(jīng)濟(jì)考量，仍有些塑件會製作成分離的元件，再予組合。由於塑件從熔膠狀態(tài)冷卻到固態(tài)會發(fā)生大量收縮，使得成形塑件不像沖孔和機(jī)械加工元件般可以製作成精密配合。況且大多數(shù)的情況，熔膠之凝固不具有等向性，所以塑件無法以單一的收縮率去估計其最終尺寸，互相組合的塑件也必須仔細(xì)設(shè)計各配合元件之公差。塑件與塑件間的配合應(yīng)注

22、意： 兩種相同材質(zhì)塑件之間的配合，可以參考塑料供應(yīng)商提供的公差值。兩種不同材質(zhì)塑件之間，或者從不同供應(yīng)商獲得的材料，可以將供應(yīng)商 提供之公差值再增加 0.001mm/mm。假如流動方向具有強(qiáng)烈的配向性，必須對等向收縮之外再增加0.001 mm/mm到整個元件的公差。將兩個塑件之接合面設(shè)計成臺階式，作為相接的唇板與溝槽，以提供元 件間對齊機(jī)制，並減低大尺寸元件的公差問題，如圖5-15。圖5-15 使用唇板與溝槽提供良好的配合塑件與金屬件之間的配合，應(yīng)確定在塑件與金屬件之接合處保留有足夠的膨脹裕度給塑件，如圖 5-16。圖5-16 塑件與金屬元件之組合，應(yīng)在塑件的端面預(yù)留較大的膨脹裕度。 壓入配合

23、連接 簡易的干涉配合(interference fits)可以用連接元件，將金屬軸心與塑膠轂壓入配合連接(press-fit Joints)是最常使用的方法。從塑料供應(yīng)商提供的設(shè)計圖表或干涉計算公式可以用來設(shè)計壓入配合連結(jié)的元件尺寸，獲得必要的壓合應(yīng)力，而不致因?yàn)檫^量的應(yīng)力造成裂縫，或是過低的應(yīng)力而造成鬆脫。圖 5-17畫出最大干涉極限圖。此干涉圖將根據(jù)不同材料而異，其最大干涉極限是根據(jù)轂與插入軸的直徑比和材料而定。建議的最小干涉插入深度為插入軸直徑的 2倍。如果相關(guān)的設(shè)計圖表並不存在，則可以針對插入軸直徑 d與轂內(nèi)徑d1計算允許的干涉值。圖5-17 金屬軸件壓入塑膠轂的最大干涉極限。此干涉圖

24、依照材料而異，其為最大干涉百分比(d-d1)/d100%相對於軸徑比（D/d）。，其中，l = 徑向干涉，d-d1，單位 mm。Sd = 設(shè)計應(yīng)力，單位 MPa。D = 轂外緣直徑，單位 mm。d = 插入軸直徑，單位 mm。Eh = 轂之拉伸彈性模數(shù)，單位 MPa。Es = 插入軸彈性模數(shù)，單位 MPa。h = 轂材料之浦松比。s = 插入軸材料之浦松比。W = 幾何因子。設(shè)計壓入配合連接，應(yīng)檢查於配合當(dāng)中和配合後所累積的公差是否會造成過量的應(yīng)力，而組合後的配合公差是否適當(dāng)。此外，在金屬軸與塑膠轂之間不應(yīng)該設(shè)計錐度之配合件，否則會造成過量的應(yīng)力。5-5-2 搭扣配合連接 搭扣配合連接(sna

25、p-fit Joints)由倒勾(undercut)結(jié)構(gòu)取代干涉，應(yīng)用塑膠材料在比例極限內(nèi)的變形能力進(jìn)行連接，並且在完成組合後立即回復(fù)原始的形狀。完成搭扣配合連接時，搭扣兩邊的配合件都不承受應(yīng)力，而連接過程中的最大應(yīng)力也不超過比例極限；完成連接之後，元件承受的負(fù)荷亦須在材料限度以內(nèi)。搭扣配合連接的設(shè)計包括：圓形搭扣、懸臂搭扣和扭曲式搭扣。圓形搭扣連接 圓形搭扣連接(annular snap-fit joints)如圖 5-18，根據(jù)插入軸直徑和回復(fù)角的選定，圓形搭扣可以設(shè)計成可分離式、難分離式或不可分離式。圖5-18 典型的圓形搭扣配合連接。組裝力 W與導(dǎo)角、倒勾量 y有密切的關(guān)係。塑膠轂直徑

26、 d，肉厚 t。圖5-19假設(shè)剛性軸（通常是金屬）插入或退出塑膠轂，並將之撐開，此插入或退出的極限應(yīng)力值不得超過塑膠材料的比例極限，而且造成軸的變形量不得超過軸的允許變形量(或倒勾的允許變形量 y)。圖5-19 搭扣組合時的應(yīng)力分佈最大之允許變形量決定於最大之允許應(yīng)變pm和轂徑d。以下計算公式假設(shè)配合件之一者是剛體，假如兩個配合件有相同的撓性，則應(yīng)變將減半，而倒勾可以兩倍大。y = pm d假如模心形成干涉環(huán)(interference ring)，則倒勾必須具有平滑的半徑和低淺的導(dǎo)角（lead angle），使退出時不會破損干涉環(huán)。於退出時，作用在干涉環(huán)的應(yīng)力必須維持在材料的比例極限之內(nèi)。懸臂

27、搭扣連接 懸臂搭扣連接(cantilever snap joints)是使用最廣泛的搭扣連接方式。通常，將它插進(jìn)孔內(nèi)或閂板時，勾子會撓曲；當(dāng)勾子通過孔緣後就回復(fù)原始形狀。從懸臂頂端到根部應(yīng)設(shè)計成錐度，使得作用應(yīng)力能夠均勻分佈。組合應(yīng)力不應(yīng)超過材料的比例極限懸臂搭扣的寬度或厚度都可以設(shè)計成斜度，如圖5-18。假如將其厚度從根部線性地縮減，則勾頂厚度可以是根部厚度的一半。另外在根部勾側(cè)加工靠破孔，可以簡化模具的加工和動作，如圖5-19所示。塑件與搭扣結(jié)合的根部應(yīng)加工圓角以防止應(yīng)力集中。圖5-18 典型之懸臂搭扣連接。勾子與孔緣之干涉量 y 代表其於組裝時應(yīng)產(chǎn)生的撓曲量。圖5-19 懸臂搭扣之特徵扭

28、曲搭扣連接扭曲搭扣連接 (torsion snap-fit joints)在支點(diǎn)處承受一剪應(yīng)力，它適合應(yīng)用在經(jīng)常組裝和分解的元件。其總共的扭曲角與撓曲值或的關(guān)係為：其中 = 扭轉(zhuǎn)角度；y1, y2 = 撓曲量；l1, l2 = 臂長(參閱圖5-20)。允許的最大扭曲角pm受限於允許的剪應(yīng)變pm，其中pm= 允許的最大扭曲角pm(度)；pm= 允許的剪應(yīng)變；l = 扭轉(zhuǎn)臂長度；r = 扭轉(zhuǎn)軸半徑。塑膠的允許最大剪應(yīng)變pm大約等於：pm = ( + )pmpm = 1.35pm其中pm = 允許之剪應(yīng)變；pm = 允許之應(yīng)變； = 浦松比(塑膠大約為0.35)。5-5-3 固定元件傳統(tǒng)上使用的固定

29、元件(fasteners)包括固定金屬元件的螺絲釘和鉚釘，它們也可以應(yīng)用於塑件，其應(yīng)用上考慮的重點(diǎn)如下列：過於緊迫的螺絲釘或鉚釘可能導(dǎo)致應(yīng)力。螺絲釘之螺紋可以預(yù)先加工，或是上螺絲釘時再產(chǎn)生。螺絲釘螺紋與頭部之毛邊、鉚釘毛邊等都可能造成應(yīng)力，導(dǎo)致塑件提早 破壞。螺絲釘和鉚釘塑件之模數(shù)低於200,000 psi時，可以使用成形螺紋螺絲釘(thread-forming screws)；模數(shù)高於200,000 psi時，則應(yīng)使用切削螺紋螺絲釘，否則可能造成應(yīng)力破裂。塑件上有需要多次上緊再卸下的螺絲釘，必須防止對塑件切出新螺紋，宜採用單螺紋的金屬螺絲釘。螺帽必須再塑件表面以下時，可以使用埋頭孔配合螺絲釘，使用平頭螺絲釘(pan-head screws)可以加墊圈，螺絲釘和鉚釘?shù)膲|圈在接觸塑件面不可以有毛邊或衝痕，否則會減低塑件壽命。必須永久固定的塑件應(yīng)該採用鉚釘。圖 5-20