塑料以其質(zhì)量輕、設(shè)計(jì)空間大、制造成本低、性能優(yōu)異的顯著特點(diǎn)，成為了二十一世紀(jì)汽車、電子、家電等工業(yè)領(lǐng)域最好材料的選擇之一。尤其是工程塑料，以其較高的拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量、耐熱性，在有承載要求的結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用日益廣泛。為達(dá)到預(yù)期使用壽命，工程師采用傳統(tǒng)的思路一安全系數(shù)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。但塑料注塑件設(shè)計(jì)的失敗通常發(fā)生在設(shè)計(jì)者不明白不同載荷條件下的安全系數(shù)與塑料的行為(呈現(xiàn)與時(shí)間、溫度相關(guān)的黏塑性)的關(guān)系，以及注塑加工過程對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響，從而導(dǎo)致注塑件斷裂、變形的各種失效。

　　1 注塑件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及預(yù)測(cè)

　　1.1 注塑件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

　　安全系數(shù)是衡量產(chǎn)品能達(dá)到預(yù)期使用壽命的能力，它給出了零件在任意操作條件下都不會(huì)失效的保證。與金屬零件不同，對(duì)于塑料注塑件而言，其安全系數(shù)的設(shè)計(jì)不僅僅要考慮材料本身的性能，還應(yīng)該能補(bǔ)償零件從加工到成型整個(gè)過程的缺陷，以及后續(xù)使用過程的波動(dòng)。

　　材料性能安全系數(shù)，用于在零件設(shè)計(jì)初期階段的材料選擇。在快速裝配(如卡扣)和壓力裝配的應(yīng)用場(chǎng)合，主要利用塑料的彈性變形性能，要求塑料發(fā)生彈性變形但不能發(fā)生塑性變形，因此，材料安全系數(shù)可基于屈服應(yīng)力來計(jì)算，即n快速裝酊肝力裝配=6屈服/6許用。而對(duì)于柔性鉸鏈的應(yīng)用場(chǎng)所，失效形式表現(xiàn)為斷裂，此時(shí)，材料安全系數(shù)是基于極限應(yīng)力來計(jì)算，即17,柔性鉸鏈=6板限/8許用。在許用應(yīng)力一定情況下，材料的屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力越高，其安全性能越好。

　　設(shè)計(jì)安全系數(shù)，不僅與載荷類型有關(guān)，還與塑料的力學(xué)特性(呈現(xiàn)與時(shí)間、溫度相關(guān)的黏塑性)有關(guān)。典型載荷類型、塑料的相關(guān)性質(zhì)與安全系數(shù)的不同分類如表1。

　　表1 塑料特性、載荷特點(diǎn)與安全系數(shù)

　　1)靜態(tài)安全系數(shù)：當(dāng)外部載荷為短時(shí)載荷時(shí)，比如組裝或使用時(shí)偶爾短時(shí)加載，該種載荷下零件強(qiáng)度主要與材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線中的屈服強(qiáng)度有關(guān)，此時(shí)的安全系數(shù)體現(xiàn)為靜態(tài)安全系數(shù)。

　　2)時(shí)間安全系數(shù)：當(dāng)零件在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受較大外載荷，比如過盈配合、扣位或螺紋緊固，此時(shí)，載荷表現(xiàn)出長(zhǎng)期性特點(diǎn)。對(duì)于塑料材料而言，隨著時(shí)間變化，將發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，零件承受這種載荷時(shí)應(yīng)考慮塑料材料的蠕變特性來進(jìn)行零件的安全系數(shù)計(jì)算，以避免發(fā)生應(yīng)力斷裂，或者發(fā)生應(yīng)力松弛而導(dǎo)致配合松動(dòng)。

　　3)動(dòng)態(tài)安全系數(shù)：當(dāng)零件在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)承受間斷或周期的外部載荷時(shí)，就需要利用塑料材料的S-N特性來設(shè)計(jì)零件的安全系數(shù)。

　　4)沖擊安全系數(shù)：對(duì)于高速或沖擊載荷(高速載荷是指速度大于1 m/s;而沖擊載荷指的是速度大于50 m/s)，需要避免載荷施加在殘余應(yīng)力或裝配應(yīng)力大的區(qū)域，應(yīng)采用屈服強(qiáng)度來設(shè)計(jì)零件的安全系數(shù)。當(dāng)寬度、厚度發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)采用光滑的大圓角設(shè)計(jì)來避免應(yīng)力集中;

　　加工過程安全系數(shù)，主要用來補(bǔ)償注塑成型缺陷所導(dǎo)致的強(qiáng)度降低，這些注塑成型缺陷包括熔接痕、氣泡、應(yīng)力集中等。

　　操作條件安全系數(shù)，主要用來補(bǔ)償特殊的操作條件，如儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和使用過程中的過熱、過冷或過高的相對(duì)濕度、紫外線照射、鹽水浸泡、腐蝕介質(zhì)環(huán)境，也就是說，耐候性條件對(duì)操作條件安全系數(shù)影響很大。對(duì)于應(yīng)用在過高或過低溫度的場(chǎng)合，應(yīng)避免零件問的熱膨脹系數(shù)差異過大，給與零件較大的間隙以容納材料隨溫度變化的伸縮。

　　1.2注塑件的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

　　塑料件的強(qiáng)度不僅依賴于材料本身，也與零件幾何形狀、施加在零件上的載荷特點(diǎn)、注塑成型缺陷等有關(guān)。制造商對(duì)最終出貨產(chǎn)品的檢驗(yàn)驗(yàn)證，包括耐久性驗(yàn)證、承載能力、高溫高濕測(cè)試等，非常重視。但這些性能若等到試模樣品才能進(jìn)行，則風(fēng)險(xiǎn)高得多。因此，需要對(duì)注塑件的強(qiáng)度及其加工過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，而傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法對(duì)復(fù)雜零件幾乎難于應(yīng)用。

　　通用數(shù)值模擬軟件如Ansys、Marc等，能夠利用零件的3維CAD模型，虛擬施加預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)合的載荷或其他條件后，預(yù)測(cè)出零件的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)強(qiáng)度，更為準(zhǔn)確地計(jì)算零件的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，以優(yōu)化零件設(shè)計(jì)。

　　注塑件的專用模流分析Moldflow、HSCAE及Moldex等軟件，能夠預(yù)測(cè)塑料在注塑模具內(nèi)的充填、冷卻情況和由此帶來的成型缺陷，包括：熔接痕、氣泡、應(yīng)力集中，更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)注塑缺陷所帶來的安全系數(shù)損失，以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)及工藝設(shè)定，從而減少零件差錯(cuò)，降低生產(chǎn)成本。

　　2 注塑件強(qiáng)度的預(yù)測(cè)、驗(yàn)證案例

　　2.1注塑件的斷裂驗(yàn)證

　　如圖1零件材料為ABS，在使用中偶爾發(fā)生斷裂，為分析斷裂原因，采用Ansys軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。首先測(cè)試獲得ABS的應(yīng)力應(yīng)變，彈性模量2.5GPa，拉伸強(qiáng)度約為44 MPa，采用Solidi87網(wǎng)格劃分模型，忽略沖擊影響，假設(shè)載荷為靜載。

　　圖1 斷裂實(shí)物圖樣

　　計(jì)算結(jié)果顯示零件受力區(qū)域較小，受力較為集中，危險(xiǎn)區(qū)域如圖2、圖3所示，第一危險(xiǎn)區(qū)域最大應(yīng)力5 MPa，第二危險(xiǎn)區(qū)域最大應(yīng)力4 MPa，危險(xiǎn)區(qū)域位置與實(shí)物斷裂區(qū)相吻合。在正常靜載下，不考慮Ansys本身的計(jì)算誤差，零件靜態(tài)(設(shè)計(jì))安全系數(shù)為8.5，似乎比較安全。

　　圖2 零件局部應(yīng)力分布圖

　　圖3 零件整體應(yīng)力分布圖

　　但實(shí)際注射成型中，因?yàn)樵搩蓚€(gè)危險(xiǎn)區(qū)域存在熔接線以及應(yīng)力集中，如圖4所示。研究表明：對(duì)于脆性聚合物的熔接線融合強(qiáng)度系數(shù)在最佳工藝條件下在0.6～0.7以下，典型材料如PS、SAN、PMMA;對(duì)于韌性聚合物的熔接線融合強(qiáng)度系數(shù)在最佳工藝條件下在0.7～0.8以上，典型材料如POM、PP、PC、ABS。

　　圖4 零件的熔接線分布

　　危險(xiǎn)區(qū)域熔接線、應(yīng)力集中的存在已經(jīng)削弱實(shí)際強(qiáng)度，再加實(shí)際成型加工工藝很難保證最佳，以及載荷偶爾過載和實(shí)際上的微小沖擊作用，導(dǎo)致零件發(fā)生斷裂，盡管其靜態(tài)設(shè)計(jì)安全系數(shù)設(shè)定比較充裕。

　　2.2注塑件的強(qiáng)度預(yù)測(cè)

　　為提高該零件的可靠性，曾依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，延長(zhǎng)加強(qiáng)筋長(zhǎng)度，如圖5所示，以期提高危險(xiǎn)區(qū)域的強(qiáng)度。但通過CAE結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，更改設(shè)計(jì)第一區(qū)域最大應(yīng)力5.3 MPa，比原始設(shè)計(jì)的更危險(xiǎn)，更改設(shè)計(jì)的第二區(qū)域更安全些，其最大應(yīng)力約1.8 MPa，如圖6、7所示。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)相反，通過CAE可以預(yù)測(cè)出更改設(shè)計(jì)方案未能顯示明顯的改善，并不可取。

　　圖5更改設(shè)計(jì)3D

　　圖6 更改設(shè)計(jì)局部應(yīng)力圖

　　圖7 更改設(shè)計(jì)整體應(yīng)力圖

　　該零件因在試產(chǎn)階段，模具已經(jīng)完成，零件幾何上的調(diào)整空間不大，因此，一方面，優(yōu)化注塑工藝參數(shù)設(shè)置(調(diào)整注塑壓力、速度、熔體溫度及模具溫度等)，增強(qiáng)熔接線的熔接強(qiáng)度;另一方面，更改零件設(shè)計(jì)，增加圓弧過渡，消除原始設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中，如圖8所示，可明顯加強(qiáng)零件強(qiáng)度，同時(shí)，模具的修模非常簡(jiǎn)單。

　　圖8 圓角設(shè)計(jì)

　　3 小結(jié)

　　從塑料材料、零件設(shè)計(jì)、注塑加工過程以及使用條件等層次，探討了注塑件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)分類，討論了零件承受載荷種類與塑料特性以及設(shè)計(jì)安全系數(shù)之間的關(guān)系，針對(duì)復(fù)雜注塑件，運(yùn)用結(jié)構(gòu)CAE軟件來預(yù)測(cè)注塑件的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，以優(yōu)化零件的幾何設(shè)計(jì);采用模流CAE軟件來預(yù)測(cè)注塑件的加工過程對(duì)安全系數(shù)的影響，以優(yōu)化零件的注塑加工，通過工程實(shí)例，綜合應(yīng)用結(jié)構(gòu)CAE及模流CAE軟件，來驗(yàn)證、預(yù)測(cè)注塑件的強(qiáng)度。