2.1 设计的准备和程序

2.1.1 设计前的准备

由于塑料品种繁多、性能优异、用途广泛，塑件的设计更具有丰富的工程内容。通常，准备工作从以下两方面着手：

1.设计的总体思想

塑件与任何工业产品一样，结构和造型的设计应是相继性和创造性的对立与统一，并且要符合工程设计的原理。相继是经验的运用，创造是追求目标的体现。新的产品应满足更全、更新、更方便使用的要求，在这个基础上而具有新颖性和独特性。随着工业技术的进展和人们生活水平的提高，精密、小巧、雅致的产品更有市场，更符合人们的要求。

2.信息收集与方案确定

信息收集主要是了解市场和生产技术两方面的情况。市场情况不仅是单纯的销售经营情况，而且还包含应用前景。例如，采用轻盈的塑料结构交通工具，可降低能耗，带来巨大的社会效益和经济效益，其前景不可估量。

生产技术方面的信息是指技术性的详细资料，如照片、实物样品、说明书、技术文件（图样、工艺、成本、技术指标等）、原材料品种和价格、生产设备的配置和能力、模具和各类辅助工装的设计以及制造条件等。设计时，对各种资料进行收集、分析、研究之后，提出结构合理、现有生产条件胜任、切实可行的方案。

设计方案的确定可按照对所绘制的各种简图分析、对比、评价等程序进行，即主要是从基本结构、材质与加工、造型与价格、生产与使用以及现有生产条件等方面着手，筛选出较为理想的简图，然后再作进一步完善和修改，形成最优秀的设计方案。

2.1.2 设计的程序

塑件的设计大致可以按如下步骤进行：

1.功能设计

功能设计是要求塑件应具有满足使用目的之功能，并达到一定的技术性指标。例如，结构件是用来构造某一整机的；传动件是用来传递运动的；光学件是用于成像的等。这些功能的考虑要与物质条件和使用环境结合起来。物质条件包括塑件的几何形状与结构、材质、成型方法和设备等。使用环境指使用状态下客观现场的情况，如力、热、化学物质等的影响。通常，塑件性能指标有以下三方面的要求：

（1）承受外力的要求 它包括静态、动态、冲击载荷、振动、摩擦、磨损、剪切、弯曲等状态下的强度。

（2）对工作环境的要求 这是由于塑料的热性能较差，塑件的工作温度不能过高，脆化温度、热变形温度、分解温度等都要认真掌握（分解温度为塑件成型时的极限温度）。此外，对耐化学药物和溶剂，对耐阳光和其他辐射，对环境气候的作用都提出要求。

（3）其他的要求 例如成本方面、使用年限和电气性能方面的专门要求。

上述的各项性能指标均有各种国家、行业等制定的标准，并可以由专用仪器加以测定。这些标准在设计的过程中均应予以遵循和合理标注，并有利于制造和验收。此外，有时企业也可自行制定技术标准。

2.材料选择

通常，选择塑件材料的依据是它所处的工作环境及使用性能的要求，以及原材料厂家提供的材料性能数据。通过对它们进行分析、对比、评价，筛选出综合性能比较理想的材料。

图2-1 典型的高聚物拉伸应力-应变曲线

对于常温工作状态下的结构件来说，要考核的数据主要是材料的力学性能。这可以通过下述的塑料应力-应变曲线来说明。将玻璃态高聚物制成适当形状和尺寸的试件（一般为哑铃形），在拉伸试验机上，以一定的速度拉伸，直到断裂。典型的高聚物拉伸应力-应变曲线如图2-1所示。起始段曲线的斜率是弹性常数，一般称为弹性模量。A点称为比例极限点。过A点之后，应力增大，应变也增加，但不再为比例关系。当到达B点，如果继续拉伸，应力保持不变甚至下降的情况下，应变可以在相当大的范围内增加。B点称为屈服强度或屈服点。当到达D点后，应力再次增大，应变也增加，一直到E点断裂为止。E点称为断裂点，又称拉伸强度。图中用σ_y表示屈服强度，σ_E表示拉伸强度。

图2-2 应力-应变-时间三维图

然而，塑料还具有特殊的力学性能，在长期静载荷作用下，其应变和断裂对时间和温度有明显的依赖性。尤其是在恒应力下，应变为时间的函数——蠕变。蠕变模量是塑料考核的关键数据。图2-2是塑料的应力-应变-时间三维图，它形象地把应力、应变、时间、温度（三维体的上表面即特定温度面）因素都表征出来。

换言之，塑料的工程特性参数可由特定温度面上的等时应力-应变曲线和蠕变曲线描述。有关数据可由塑料材料手册查阅。

下面提供的参数对结构件设计时的力学计算是有用的：

1）从短时慢速的拉伸曲线上，可知屈服应力、极限强度、弹性模量，以及试验速度下的断裂伸长率。

2）常温下各种应力值的蠕变曲线族和使用期内最高温度下的蠕变曲线。

3）玻璃化温度（无定型聚合物）或熔化温度（结晶型聚合物）、热变形温度和线膨胀系数。

4）其他力学性能，如冲击强度、弯曲强度、剪切强度、表面硬度等。

3.结构设计

塑件的结构要考虑功能、工艺性及造型三项因素。在满足功能的基础上，尽量使结构工艺性良好，造型新颖美观。

结构设计具体要完成的工作有：规划出几何形状；标注出应有的尺寸、公差和表面粗糙度数值等。

4.品质评价和性能估算

塑件的质量是生产过程的核心目标，在设计阶段就要考虑到最终质量的评估。首先，由材料的性能大致可预计到其使用性能；其次，塑件的性能不仅受到几何结构制约，而且与成型方法和工艺条件（压力、温度、冷却）以及模具因素关系甚大。因此，比较可靠和行之有效的办法是对试制样品进行性能测试，从而达到品质控制的目的。就这一点来说，产品的图样上应有技术条件和检验要求。

5.绘制图样、制作模型、试生产及定型

绘制产品图样最好经过设想简图→草图→立体图→模型→立体效果图→正式产品图的过程。效果图能全面地反映出产品形状、颜色和材质。正式图样应该是视图完整，布局合理，投影正确，内、外各结构要素表达清楚，尺寸和技术条件齐全，还要说明材料、件数和检验方法等内容。

对样品性能测试、试验的数据，可作为正式图样试生产过程中品质控制的指标。试生产是在对原材料进行严格的性能检验和预处理之后，按照预定的成型方法和设备及模具，采用一定的工艺而实施的，从而建立起完整的工艺流程和性能检验标准。必要时还需对产品进行实际使用的考验。