嵌件注塑工艺的概念、优缺点、应用及设计指南

嵌件注塑工艺的概念、优缺点、应用及设计指南

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。

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。

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。

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

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）

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。