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嵌件注塑工艺的概念、优缺点、应用及设计指南

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本文介绍了金属与塑胶的嵌件注塑工艺的概念、优缺点、应用、嵌件注塑的设计指南、以及螺母嵌件的设计指南。



 1     
   

什么是嵌件注塑    


   
塑料内部镶嵌有金属、玻璃、木材、纤维、纸张、橡胶或已成型的塑胶件等称为嵌件,最常见的嵌件为金属。    
嵌件注塑(Insert Molding)是一种将嵌件预先固定在注塑模具中适当的位置,然后再注入塑料成型,开模后嵌件被冷却固化的塑料包紧埋在塑料内得到带有如螺纹、电极等嵌件的制品的工艺。    

   
   

  嵌件注塑时,嵌件在模具中的放置有两种方法:    
1)人工放置;这会大幅增加注塑成型周期,适用于小批量生产或者复杂结构的产品;    
2)自动化放置;这是大批量生产的更佳选择,有利于减少人工失误、提高效率、缩短注塑成型周期和提高产品的可靠性。    


   

   
 2     
   

嵌件注塑的优缺点    


   
2.1 嵌件注塑的优点
   
1)塑料的易成型性、弹性性与金属的刚性、強度及耐热性的相互组合补充可结实地制成复杂精巧的金属塑料一体化产品;减小产品的尺寸和重量;    

2)利用塑料的绝缘性和金属的导电性的组合,制成的成型品能满足电气产品的基本机能;还可以满足某些特殊要求,如导磁、耐磨和紧固等;

3)塑料中加入金属嵌件,可以提高塑胶件的强度;

4)嵌件注塑增加了产品设计灵活性,给塑料和金属及其它零件的结合提供了新的可能;

5)避免热熔、焊接和铆接等二次工序,有机会缩短装配时间和成本;

6)嵌件不仅限于金属,也有布、纸、电线、塑料、玻璃、木材、线圈类、电气零件和塑胶件等多种;

7)对于刚性成型品、橡胶密封垫板上的弯曲弹性成型品,通过基体上注塑成型制成一体化产品后,可省去排列密封圏的复杂作业,使得后工序的自动化组合更容易;

8)因为是熔融塑料与金属嵌件等结合,与压入成型法等相比较,金属嵌件间隙可以设计得更狭窄,产品可靠性更高;更容易通过振动等测试;

9)选择适当的塑料和成型条件,即是对于易変形破损的产品(如玻璃、线圈类、电气零件等),通过塑料也可密封固定;

10)选择适当的模具构造,嵌件品也可完全封入塑料内。

11)立式注塑机与机械手、嵌件品整列装置等的组合,嵌件成型工程大都可实现自动化生产。


2.2 嵌件注塑的缺点
   
1)嵌件的放置往往使模具结构复杂化,注塑成型周期延长,制造成本增加,加大自动化生产难度;    
2)嵌件与塑料的热膨胀系数不一致,容易使得最终的产品产生内应力,而造成产品破裂;这一点,在螺母嵌件的注塑成型中显得特别明显;    


   
3)或者因为嵌件与塑料的热膨胀系数不一致,造成产品发生变形;    

4)嵌件(特别是螺母嵌件)往往需要预热或干燥处理等,以减小内应力;

5)嵌件必须在模具中很好的固定,否则很容易在溶料的冲击下发生移位或变形;

6)嵌件注塑一旦产生不良品例如注塑不良、嵌件遗漏、位置不良等,会造成整个产品报废,代价巨大;

7)嵌件注塑不利于产品回收与报废。


   


   

   

 3    
 

嵌件注塑的应用  


 
嵌件注塑广泛应用汽车、医疗、电子产品和连接器等各行业  

   
 



 


   

   
 4    
 

嵌件注塑的设计指南  


 
在设计嵌件注塑时,必须充分考虑到嵌件注塑的工艺特点,进行DFM的设计;  
嵌件注塑的设计指南包括:  
1)嵌件材料的选择。铜、铝、钢、硬质异种塑件、陶瓷、玻璃和塑料等都可作为嵌件材料,其中,黄铜不生锈、耐腐蚀、易加工且价格适中,是嵌件的常用材料。  
2)嵌件形状。尽可能采用圆形或轴对称形,不允许存在尖角或锐角,以利均匀收缩和防止产生局部应力,甚至应力集中现象;  
3)嵌件本身需要考虑自身DFM。金属嵌件采用切削或冲压加工而成,因此嵌件形状必须有良好的加工工艺性。      

嵌件本身DFM设计

   
 
4)为便于在模具中放置与定位,嵌件的外伸部分(即安放在模具中的部分)应设计成圆柱形,因为模具加工圆孔最容易;  

嵌件外伸部分的设计


5)嵌件应有密封凸台等结构,以防止注塑成型时防止溢料;  

嵌件凸台的设计


6)为避免塑料底部过薄出现波纹形缩痕而影响外观及强度,应取嵌件底面距塑料壁面的最小距离T>D/6;  

嵌件与底部的距离


当距离过小时,可以采用下图所示的设计

保证壁厚均匀


7)嵌件与产品侧壁的间距不能过小,以保证模具有一定的强度;  

嵌件与侧壁的距离


8)凸台中设置嵌件时,为保证嵌件结合稳定以及塑料基体的强度,嵌件应伸人到凸台的底部(需保证最小底厚),嵌件头部作成圆角;  

凸台中的嵌件


9)小型圆柱形嵌件可用中间开槽或表面菱形滚花结构植于塑料基体之中,滚花槽深1~2mm;  

小型圆柱形嵌件的固定


10)板、片状嵌件可用孔窗固定法固定,但薄形嵌件(厚度小于0.5mm)宜用切口或打弯的方法固定;  

板、片状嵌件的固定


11)杆形嵌件可用将头部打扁、冲缺、压弯、劈叉等形式固定,也可用将圆杆的中间部分压扁的方法固定;  

杆形嵌件的固定(头部变形)


管形嵌件的固定(中间变形)


12)管形冲压嵌件,可在冲压时加工出膨凸部分,用以增强紧固力;  

管形冲压件的固定(中间变形)


 

13)在连接器中,端子嵌件在塑料中固定的牢固性是每一位产品设计工程师优先要考虑的问题,常用的方法有以下几种,可极大的增强端子在塑料中的牢固性;

  • 塑料中端子打孔;
  • 塑料中端子异形;
  • 塑料中端子折弯;
  • 塑料中端子增加粗糙度,凹凸点;
  • 增加塑料壁厚。

端子嵌件打孔、异形、折弯




 

   
 5    
 

螺母嵌件的设计指南  


 
螺母嵌件是最常见的嵌件之一,螺母嵌件及对应的塑胶件支柱必须正确的设计,否则会出现拔出力不够、支柱破裂等质量问题。  
5.1 螺母的三种埋入方式  

把螺母埋入塑胶件中有三种方式:

1)热熔螺母

热熔埋置是最常见、最通常的埋入方式,一般以热熔机及手工电烙铁埋钉;  
2)嵌件注塑螺母  
注塑成型埋置一般对螺母支柱的孔径要求很严格,孔径管控在0.05mm以内,因为产品以ModingPin固定后放置于射出成型模具中,螺母孔径要以注塑成型机的PIN针的大小来管控;  
3)超声波螺母  
超声波埋置是一种通过超声振动,使螺母与工件表面及内在分子间的磨擦而使传处到接口的温度升高,当温度达到此工件自身的软化温度时,将螺母埋植于胶件中,当震动停止,工件同时在一定的压力下冷却定形。    
三种方式各有优缺点,本文讨论的是嵌件注塑螺母。  

 
5.2 嵌件螺母的外形结构      


5.3 嵌件螺母的规格示例    
 


5.4 塑胶件支柱设计与螺母选择
 
1)螺母基本尺寸和塑胶件支柱基本尺寸  


  • d尺寸为螺母底座,也称导向定位部分,在埋入前与塑胶C部分配合,因此螺母底端d部分要比塑胶件支柱内孔径C尺寸小,以方便定位;
  • D尺寸为螺母外径,它与塑胶件支柱内孔径C尺寸相配,一般手机螺母塑胶内孔径比螺母外径小约0.25-0.3mm;
  • L尺寸为螺母长度,它与塑胶件支柱孔深度Y尺寸配合,一般塑胶孔深比螺母高(长)度大0.5-1.0mm的深度用于储胶;
  • W为塑胶孔壁厚,一般塑胶件支柱孔肉厚为0.8-1.0mm以上,螺母尺寸规格越大,肉厚越大。(见下表参数)

螺牙Thread

外径D

长度L

塑胶件支柱孔径

塑胶壁厚W

直径C

深度Y

M1.2*0.25

2.3

2.0

2.0

3.0

0.8

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

M1.2*0.25

2.5

2.0

2.2

3.0

0.8

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

M1.4*0.3

2.3

1.8

2.0

2.8

0.8

2.0

3.0

2.5

3.5

3.0

4.0

M1.4*0.3

2.35

2.0

2.1

3.0

0.8

2.5

3.5

3.0

4.0

4.0

5.0

M1.4*0.3

2.5

2.0

2.2

3.0

0.8

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

M1.4*0.3

2.7

2.0

2.3

3.0

0.8

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

M1.6*0.35

2.5

1.8

2.2

2.8

1.0

2.0

3.0

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

4.0

5.0

M1.6*0.35

2.7

2.0

2.3

3.0

1.0

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

4.0

5.0

M1.6*0.35

3.0

2.0

2.6

3.0

1.0

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

4.0

5.0

M1.7*0.35

3.0

2.0

2.6

3.0

1.2

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

4.0

5.0

M1.8*0.35

3.0

2.0

2.6

3.0

1.2

2.5

3.5

3.0

4.0

3.5

4.5

4.0

5.0


 
5.5 常见问题及解决方案
 
1)正确的塑胶件支柱孔尺寸至关重要。塑胶件支柱孔太大,螺母埋入塑胶后吃不到胶,会产生扭拉力不足现象;塑胶件支柱孔太小,会产生溢胶或者破裂现象;  



2)如螺母尺寸与塑胶尺寸都没有问题,还有异常现象发生,那通常会考虑通过一些优化设计来改善;  


由于塑胶件支柱深度较浅,如选择双斜纹的螺母,在螺母各尺寸比例调配下,特别是压花上,压花段差较短,这样的螺母埋入塑胶后,压花吃胶面的塑胶太少,会产生扭拉力不足现象,所以一般建议,将塑胶件支柱孔深设在2.5mm以上,螺母尺寸长度一般建议做2.0mm以上。
改善方案:类似这种情况,在不方便改模情况下,可建议将螺母花形改为单斜BS1,如右图所示,这样将压花段差加大,压花吃胶面的塑胶增大,从而增加扭拉力。
 

 

3)塑胶件支柱孔溢胶或者破裂;


由于选择左图样式螺母,在埋入塑胶后,A1、A2处膨胀,B处却急剧收缩,造成塑胶排挤困难,螺母上下端容易产生溢胶现象,严重影响了产品外观;

改善方案:以“C”部分为导向定位,使螺母能稳妥地放入塑胶孔位中,提高了效率和良品率,由于加了C端导向部分,A2排挤一定的胶料后,也预留了足够的胶料给A1部分,同时因A1、A2部分是呈90°交角为45°的斜纹,并可交角形成高强度的节点,阻抗圆周上的扭动力,使扭拉力大大的增加。


 


 

 
最后的话    

   
嵌件注塑是相对比较复杂的工艺,其中的水还比较深,以上仅仅是做一个简单性的介绍;工程师在设计相关具体产品之前,建议去搜索、阅读更多的资料。    
以下是我搜集的与嵌件注塑有关的资料,欢迎下载。    

链接:https://pan.baidu.com/s/1hYRpe_Jzl9LZ-DOtNS_k-A?pwd=cost


   
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来源:降本设计

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首次发布时间:2024-06-29
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钟元
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"白 痴指数"的概念、意义和应用 2.1 “白 痴指数”的概念 “白 痴指数”,是指某个零部件的总成本与其原材料成本的比值。 例如,一个金属保护罩,如下图所示,包含三种零件(底板、折弯板和两个螺母),通过等离子切割+数控折弯+焊接螺母+电弧焊接+喷漆等工艺加工而成。 保护罩的总成本为14.6元,原材料成本(底板钢材+折弯板钢材+2个螺母+漆)约为3.8元,则保护罩的白 痴指数为3.85。 2.2 “白 痴指数”的意义 “白 痴指数”意味着制造成本过高。 如果零部件的“白 痴指数”过高,说明那么很可能就是设计过于复杂或制造过程效率太低导致的。 马斯克原话是这么讲的:“如果你做的东西白 痴指数很高,那你就是个白 痴。” “白 痴指数”并非字面意义上的贬低,而是借指企业内部那些不创造价值,甚至阻碍价值创造的活动和流程。这些低效、冗余的环节就像是企业机体中的“白 痴细胞”,它们不仅消耗资源,还拖慢了整个组织的运转速度。 2.3 “白 痴指数”的应用 随着《埃隆·马斯克传》出版,“白 痴指数”得到了广泛传播,其应用甚至超过了当初马斯克所定义的范畴。 1)应用一:通过白 痴指数识别降本对象 通过白 痴指数,快速识别一个产品中制造成本过高的零部件,找到降本对象,从而找到降本机会点;马斯克就是这样应用“白 痴指数”去降本的。 2)应用二:判断有没有被供应商割韭菜 如果一个零部件是外购,“白 痴指数”很高,说明供应商有可能给你报了一个过高的价格,这意味着你被割韭菜了,“白 痴指数”在这里就是“韭菜指数”;或者说明供应商的制造水平低,那么你应该去换一家新的供应商。 3)应用三:判断一个供应商的制造水平和能力 如果一个企业整体的“白 痴指数”比较低,说明这家企业的制造水平和能力比较高,可以选择这家企业作为供应商。 从一个企业的财务报表中,找出其销售收入,然后再找到其同期采购的材料成本,其比值就是“白 痴指数”。 我们在选供应商时,就应该选择那些白 痴指数比较低的供应商。 马斯克从与松下的合作,到改为与宁德时代、比亚迪合作,就是从这一点出发。 根据公开资料,特斯拉与松下在2014年合资建立的电池超级工厂,到2020年的“白 痴指数”为2。2023年,宁德时代的白 痴指数为1.35,特斯拉向宁德时代、比亚迪采购动力电池,说明这两家产品的“白 痴指数”被马斯克认可。4)应用四:作为自研和外购的判断指标如果你依然对供应商的白 痴指数不满意,觉得有空间降低,那么就可以选择自研、自己生产。为什么特斯拉的零部件绝大多数都是自研?就是因为马斯克觉得外购供应商的“白 痴指数”过高。 — 3— 产品进化规律之一:"白 痴指数"越来越低 如果你在一个更高的维度,去观察任何一个行业的产品进化过程,你会发现,产品一步一步向前进化和迭代的过程(在功能等保持不变的情况下),就是“白 痴指数”不断降低的过程。 这就是产品进化规律之一:产品的“白 痴指数”越来越低。 我们以新能源汽车动力电池的“白 痴指数”为例来说明。 2007年,马斯克查询伦敦金属交易所的电池材料价格后,算出动力电池的 “白 痴指数” 是7:当时每千瓦时电池的锂、钴、镍等材料的成本只有82美元,但动力电池售价却超过600美元,这一数字已是索尼、松下等电池公司努力20年的结果。2014年,特斯拉与松下合资建立电池超级工厂,期望以此降低电池成本。到 2020年,动力电池的“白 痴指数” 降低为2。2023年,宁德时代动力电池原材料成本占销售收入的74.1%,白 痴指数仅为1.35。从动力电池的进化,我们可以看出,动力电池的“白 痴指数”越来越低。 任何产品都逃不开进化规律。 因此,要降本,我们必须坚信这一条规律,然后想方设法去降低产品的“白 痴指数”,从而在未来的市场竞争中占有一席之地。 就像马斯克在特斯拉、在SpaceX上所做的事情一样。 — 4 — 降低"白 痴指数"的方法 每当遇到一个白 痴 指数过高的部件,特斯拉就会重新思考流程、革新制造方式以降低成本,使该指数尽量回归 “1”。 例如,马斯克追求让汽车的制造成本无限接近汽车所用的钢铁、铝、硅、锂等材料的成本之和。 无论采用那种方法,马斯克都要去降低白 痴指数,使得零部件总成本尽可能接近原材料成本。 4.1 宏观维度上降低“白 痴指数”的方法 宏观维度,包括研发、设计、生产、制造、采购和供应链等,马斯克降低白 痴指数的方法有:1)重新优化设计,尽可能的去删除零部件;例如,特斯拉一体化压铸,把一个后地板70多个零部件合并为1个零件。2)删除或简化工艺过程,或者重新去开发一下新的工艺。例如,特斯拉使用干法电极技术,而不是传统的湿法电极技术,从而去掉烘干等步骤,从而把整个电池制造流程简化 50%。2)更换供应商。4)自研。与传统车企不一样,特斯拉电动汽车的绝大多数零部件,特斯拉都是自研。5)规模效应。特斯拉目前为止,仅仅开发了Model S、Model 3、Model Y等几款车型,同时不同车型之前,存在着大量的零部件共用。通过规模效应,降低固定资产投资,从而尽可能把“白 痴系数”向1靠拢。4.2 微观维度上降低“白 痴指数”的方法 微观维度,主要是指从研发和设计出发,即研发降本。通过研发降本,降低白 痴指数,我们首先需要把白 痴指数的计算公式展开,如图所示。通过上述公式,我们知道,要降低白 痴指数,我们可以采取以下方法:1)选择合适的制造工艺,降低 制造成本。在三维降本中,这是降本十法之四,制造工艺选择。 2)减少零部件的种类和数量,继而减少零部件的装配复杂度、从而减少装配成本;在三维降本中,这是降本十法之一,减少原则。 3)选择合适的紧固工艺,使得装配效率提高,缩短生产节拍,从而降低装配成本。在三维降本中,这是降本十法之五, 紧固工艺选择。 4)通过DFMA的设计,提高零部件的制造和装配效率、提高零部件质量,从而降低 制造和装配成本。在三维降本中,这是降本十法之六 DFM、降本十法之七 DFA。 5)通过标准化、以及相似零部件合并等,增加零部件的批量,从而减小固定资产的分摊;在三维降本中,这是降本十法之一,减少原则。 可以看出,三维降本中的诸多降本方法,本质上就是在降低零部件的“白 痴指数”。 在三维降本中,降低零部件“白 痴指数”的步骤是: 第一步,列出产品中的每一个零部件的白 痴指数。 第二步,选取白 痴指数最高的一定数量零部件,作为降本重点关注对象。 第三步,针对选取的零部件,通过三维降本中的降本十法,降低其白 痴指数。 — 5— 马斯克使用"白 痴 指数"降本案例 在猛禽发动机的成本分析中,马斯克就是从“白 痴指数”最高的零部件入手,找到有问题的零部件,进而找到可以改善的地方。 本节以下内容摘自《埃隆·马斯克传》: “⽩ 痴指数最⾼的五个零部件是什么?”⻢斯克质问道。休斯看着他的电脑,试图计算出⼀个答案。“不!不要看你的屏幕,”⻢斯克说,“只要说出⼀个来就⾏。你应该知道有问题的零部件都有什么。” “有⼀个喷管半护套……”,休斯试探性地说了⼀个,“我想它的成本是13000美元。” 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