嵌件成型 | 过程, 材料 & 应用领域

现代产品越来越多地将塑料与金属结合起来, 电导体, 螺纹组件, 磁铁, 及其他功能材料.

传统上, 这些部件是单独制造的，然后使用螺钉组装, 按拟合, 铆, 粘合剂, 或焊接.

尽管这些方法仍然有用, 他们添加了组装步骤, 增加零件数量, 并可能引入对准和可靠性问题.

嵌件成型 提供了一种替代方法，在注塑过程中将预成型嵌件直接集成到模制聚合物部件中.

而不是在成型后组装嵌件和塑料部件, 首先将嵌件放置在模具内, 之后，熔融聚合物在其周围流动并固化，形成机械集成部件.

这篇文章解释了原理, 材料, 制造过程, 设计注意事项, 优势, 限制, 嵌件成型及其应用, 特别关注决定最终零件质量的工程因素.

1. 什么是嵌件成型?

嵌件成型是一种 注入成型 预制部件的过程, 称为插入物, 放置在模腔内，随后被熔融塑料封装或部分包围.

插入件可以由金属制成, 塑料, 陶瓷制品, 导电材料, 或其他刚性基材.

一旦聚合物被注入并冷却, 嵌件永久集成到模制部件中.

简化的过程可以表示为:

镶件准备→镶件定位→合模→注塑→保压冷却→开模→顶出

因此，所得组件是 在一次成型操作中制造的多材料组件.

嵌件成型与标准注塑成型有何不同

嵌件成型如何实现机械集成

嵌件和模制聚合物之间的关系可以通过多种方式设计.

对于螺纹金属嵌件, 例如, 聚合物可以在专门设计的外部特征（例如滚花）周围流动, 凹槽, 底切, 或排骨.

冷却后, 这些特征创造了 机械联锁, 使刀片难以旋转或拔出.

对于电气端子, 聚合物可以包围导电元件的限定部分，同时使功能接触区域暴露.

然后模制聚合物提供绝缘, 结构支撑, 和位置稳定性.

因此，集成机制取决于应用程序. 它可能涉及:

1. 机械互锁 通过凹槽, 咕噜声, 肋骨, 或底切.
2. 聚合物收缩产生的干扰 围绕插入件.
3. 化学或粘合剂粘合 当使用兼容的材料和表面处理时.
4. 几何封装, 其中聚合物物理包围插入件并防止移动.

在要求苛刻的应用中, 多种机制可以同时工作.

2. 嵌件注塑如何工作?

嵌件成型由多个受控阶段组成, 从准备插入件开始，到检查成品集成部件结束.

典型的嵌件成型工作流程

嵌件制造 → 清洁和准备 → 尺寸检查 → 嵌件装载 → 合模 → 聚合物注射 → 包装 → 冷却 → 开模 → 顶出 → 尺寸和功能检查

2.1 插入准备

该过程从制造和准备刀片开始.

用于金属嵌件, 这可能涉及数控加工, 冲压, 转动, 冷镦, 线材成型, 磨削, 或其他金属加工工艺.

嵌件必须满足成型设计定义的尺寸和表面要求.

表面状况尤为重要. 油, 氧化物量表, 加工切屑, 和其他污染物可能会干扰聚合物粘合或导致成型缺陷.

取决于申请, 因此，插入件可能会经历:

• 除油和清洁
• 表面粗化
• 电镀
• 钝化
• 化学处理
• 预热
• 维度检查

还应检查刀片是否有毛刺和锐边. 过多的毛刺可能会损坏模具或在模制聚合物中产生局部应力集中.

2.2 插入放置和定位

准备后, 将嵌件放置在模具内的专用位置.

这可以手动执行, 半自动, 或通过自动装载系统.

对于简单的组件, 操作员可以将镶件直接放入模具型腔中.

大批量生产通常受益于自动插入, 特别是当每个零件有多个刀片或需要精确的重复性时.

定位系统必须防止嵌件在模具闭合和聚合物注射过程中移动. 取决于几何形状, 插入件可以使用保留:

• 定位销
• 模芯
• 空腔或口袋
• 磁性支架
• 真空保持
• 机械夹具
• 专用夹具

插入件定位对于电气连接器和精密机械部件尤其重要, 即使很小的位置误差也会影响装配兼容性或功能性能.

2.3 模具闭合

刀片定位后, 模具关闭，嵌件被封闭在模腔内.

在这个阶段, 模具设计必须在嵌件周围提供足够的间隙，同时保持所需的聚合物壁厚.

工具还必须防止刀片被压碎或移位.

用于精确应用, 模具可能包含专门的定位功能，可在注射过程中直接支撑插入件.

正确的模具闭合非常重要，因为嵌件周围的任何不匹配都会产生飞边或尺寸缺陷.

2.4 注塑

然后注射装置将选定的聚合物塑化并将熔融材料注射到模具型腔中.

当聚合物在嵌件周围流动时, 它填充可用的空腔空间并形成组件的外部几何形状.

此阶段是嵌件成型中技术最敏感的部分之一. 过程必须平衡:

• 注射压力
• 注射速度
• 熔融温度
• 模具温度
• 大门设计
• 流路
• 排气

注射压力过高可能会导致镶件移位, 而压力不足会导致填充不完全.

浇口位置不合适会产生熔接线, 滞留空气, 填充不均匀, 或刀片周围应力过大.

对于复杂的组件, 模流分析可用于在生产模具最终确定之前预测聚合物填充行为.

2.5 包装和冷却

空腔填满后, 施加保压或保压压力以补偿固化过程中聚合物的收缩.

然后部件在模具内冷却，直到达到足够的脱模刚度.

冷却在嵌件成型中尤为重要，因为嵌件和聚合物可能具有非常不同的热性能.

例如, 金属嵌件通常比大多数聚合物具有更高的导热率.

因此它可以充当局部散热器, 改变周围聚合物的冷却速率. 这可能会影响:

• 局部收缩
• 残余应力
• 半结晶聚合物的结晶度
• 翘曲
• 尺寸稳定性
• 接口完整性

最后, 应围绕关键嵌件考虑冷却通道设计和模具温度控制，而不是将整个部件视为热均匀的.

2.6 开模和零件顶出

一旦充分冷却, 模具打开，完成的嵌件成型部件被弹出.

必须仔细设计顶出，因为模制聚合物可能会紧紧抓住嵌件.

顶出力过大会使塑料变形, 损害脆弱的特征, 或改变插入位置.

对于具有复杂几何形状的部件, 喷出销, 袖子, 起重机, 或者可能需要其他机制.

二次加工及检验

取决于组件设计, 成型后操作可能包括修整, 去毛边, 加工, 螺纹清洁, 表面饰面, 电气测试, 或尺寸校正.

质量检查通常涵盖塑料体和插入接口.

关键特征包括插入位置, 同心, 暴露长度, 螺纹完整性, 拔出强度, 旋转阻力, 电气连续性, 和整体尺寸精度.

用于高可靠性组件, 功能测试通常比单独的尺寸检查更有意义.

螺纹插入件, 例如, 不仅必须正确定位，而且能够承受规定的安装和维修扭矩.

3. 嵌件成型中使用的嵌件类型

嵌件是功能核心，塑料部件围绕其模制而成.

它的材质, 几何学, 表面状况, 尺寸精度直接影响强度, 可靠性, 和成品零件的使用寿命.

螺纹嵌件

螺纹嵌件是注塑成型中最常用的嵌件之一.

它们通常由黄铜制成, 不锈钢, 碳钢, 或锌合金并嵌入塑料部件中以提供耐用的螺纹连接.

与直接用塑料制成的螺纹不同, 金属嵌件可以承受重复的组装和拆卸，并且螺纹脱落或蠕变的风险大大降低.

滚花, 有棱纹的, 或底切外表面通常用于改善嵌件和周围聚合物之间的机械互锁.

典型的应用包括:

• 电子电气外壳
• 汽车内外饰件
• 消费产品
• 工业外壳
• 安装支架和紧固点

主要设计考虑因素是刀片保持力, 拔出阻力, 旋转扭矩阻力, 嵌件周围有足够的塑料壁厚.

电气触点和端子

当模制部件必须同时提供结构保护和电气连接时，使用电气嵌件.

常见材料包括铜, 黄铜, 磷青铜, 及其他导电合金, 有时含镍, 锡, 银, 或镀金.

典型示例包括连接器引脚, 终端, 母线元件, 接地触点, 开关组件, 和导电触点.

成型工艺必须防止嵌件移位并保护关键接触表面免受聚合物污染.

尺寸精度尤其重要，因为端子的位置可能决定最终组件的电气和机械兼容性.

关键考虑因素包括导电性, 接触电阻, 耐腐蚀性, 电镀完整性, 绝缘距离, 和成型过程中的尺寸稳定性.

冲压金属嵌件

冲压嵌件是通过级进冲压由金属板材制成的, 冲孔, 弯曲, 或放入注塑模具之前的成型操作.

当塑料部件需要局部加固或集成机械或电气功能时，它们特别有用.

钢, 不锈钢, 铝, 和铜合金是常用的.

冲压嵌件可用作:

• 结构加固元件
• 安装支架
• 接地组件
• 散热元件
• 电导体
• 加强筋或框架

因为冲压部件可以经济地大批量制造, 它们特别适合汽车和电气应用.

CNC 加工精密刀片

当嵌入式部件需要更严格的尺寸公差时，使用 CNC 加工刀片, 复杂的几何形状, 或特殊的表面特征.

不锈钢, 铝, 钛, 黄铜, 和工程合金可以在成型前加工成高精度嵌件.

这些插入件经常用于医疗设备, 航空航天组件, 精密仪器, 工业传感器, 和高性能机械组件.

CNC 加工可实现精密孔等功能, 线程, 凹槽, 定位面, 和复杂轮廓的控制独立于成型过程.

当某些功能表面无法仅通过注塑成型经济地达到所需的精度时，这一点尤其有价值.

陶瓷嵌件

陶瓷嵌件被选择用于需要传统金属和聚合物无法提供的性能的应用.

氧化铝和氧化锆因其耐高温性而成为常见选择, 电绝缘, 硬度, 并戴阻力.

它们可用于:

• 电绝缘成分
• 高温组件
• 耐磨组件
• 传感器外壳
• 专业医疗和工业设备

陶瓷本质上是脆性的, 然而, 所以模具装载, 插入处理, 热冲击, 和机械夹紧必须小心控制.

选择用于成型的聚合物还必须与陶瓷的热膨胀行为兼容.

玻璃嵌件

当光学透明时，玻璃可以合并到模制聚合物组件中, 耐化学性, 或需要目视检查.

硼硅酸盐玻璃因其相对较低的热膨胀系数以及良好的热稳定性和化学稳定性而特别有用.

典型应用包括观察窗, 光学组件, 液位指示器, 传感器, 以及专门的医疗或实验室产品.

模具设计必须保护玻璃免受过度的机械应力和热冲击. 当玻璃用作光学或密封表面时，准确定位也至关重要.

聚合物嵌件

嵌件成型不限于金属和无机材料. 当同一组件内需要不同的材料特性时，预成型聚合物部件也可以模制成另一种聚合物.

例如, 刚性工程塑料可以提供结构支撑，而较软的弹性体则提供密封或隔振.

PEEK 等材料, ptfe, 热塑性聚氨酯, 因此，其他工程聚合物可以根据应用作为插入物.

主要的技术挑战是在两种聚合物之间实现足够的界面粘合或机械保留.

熔化温度差异, 热膨胀, 化学兼容性, 材料选择和模具设计时必须考虑收缩率.

4. 嵌件成型材料

嵌件成型的材料选择涉及两个独立但相互关联的决策: 插入材料 和 成型树脂.

这两种材料必须承受成型温度和压力，同时提供足够的机械保持力, 维稳定性, 和, 适用的地方, 化学或电气兼容性.

常见刀片材料

嵌件成型用热塑性树脂

热塑性塑料是最广泛使用的成型材料，因为它们可以加热, 注射在插入件周围, 并凝固成形状精确的部件.

树脂的选择取决于机械负载, 温度, 化学暴露, 电气要求, 外貌, 和预期使用寿命.

材料兼容性至关重要

嵌件和聚合物并非简单地共存于成品部件内; 它们形成了一个经历热的复合系统, 机械的, 和整个使用寿命期间的环境压力.

最重要的因素之一是 热膨胀. 金属的热膨胀系数通常比许多聚合物低.

在成型和随后的冷却过程中, 这种差异会在嵌件-聚合物界面处产生残余应力. 应力过大会导致开裂, 经线, 界面间隙, 或保留强度降低.

成型温度还必须保持低于嵌件发生不良尺寸或冶金变化的温度.

反过来, 聚合物必须具有足够的熔体流动性，以完全包围插入物并填充狭窄区域，而不会产生空隙或不完全封装.

表面状况同样重要. 取决于申请, 刀片表面可能有滚花, 有凹槽的, 经过化学处理, 镀, 粗糙的, 或以其他方式进行修改以提高机械联锁或粘合力.

用于电气插件, 然而, 功能接触表面可能需要保持清洁且不受聚合物污染.

5. 嵌件成型制造工艺

根据零件的复杂程度，可以通过不同的生产配置来实施嵌件成型, 生产量, 刀片几何形状, 劳动力需求, 和尺寸准确性.

6. 嵌件成型设计注意事项

成功的嵌件成型始于设计而不是生产. 插入物, 聚合物, 模具, 和加工条件必须被视为一个集成系统.

刀片几何形状和机械保持力

嵌件的几何形状对模制组件的强度有直接影响.

光滑的圆柱形插入件可以提供相对有限的旋转或拉出阻力, 而滚花, 凹槽, 肋骨, 孔, 或其他机械锁定功能可以显着提高保持力.

例如, 塑料外壳中使用的螺纹黄铜嵌件不应仅依靠周围的聚合物来抵抗安装扭矩.

正确设计的外部滚花或底切几何形状将负载分散到聚合物中并减少刀片旋转的可能性.

因此，设计应区分:

• 轴向保持力, 防止插入件被拉出.
• 旋转保持力, 这可以防止刀片转动.
• 侧向固位, 控制模制部件内的运动.
• 位置准确性, 决定了功能接口的最终位置.

刀片周围的壁厚

插入物周围必须保持足够的聚合物厚度，以提供结构支撑并允许可靠的填充.

如果周围的墙太薄, 聚合物可能会过早冷却或产生过度应力. 如果太厚, 可能会出现局部收缩和缩痕.

作为一般设计原则, 聚合物应在嵌件周围逐渐过渡，而不是壁厚突然变化.

确切的尺寸取决于树脂, 刀片尺寸, 成型条件, 和机械要求.

拔模角和顶出

应尽可能将拔模纳入模具表面，以方便零件脱模.

拔模斜度不足会增加顶出力并可能导致划痕, 形变, 或插入件周围损坏.

由于金属和聚合物具有不同的收缩行为，插入件的存在也会使顶出变得复杂.

工具设计者必须确保顶针, 起重机, 幻灯片, 和其他机制不干扰插入.

浇口位置和聚合物流动

浇口位置在嵌件成型中尤其重要，因为嵌件会阻碍聚合物流动并产生熔接线, 空气陷阱, 或填充不均匀.

浇口的位置通常应使聚合物在嵌件周围顺利流动，而不是直接影响脆弱或支撑不良的特征.

对于复杂的组件, 可以考虑使用多个浇口或顺序注射来实现平衡填充.

流动模拟可以帮助预测:

• 灌装时间
• 熔接线形成
• 滞留空气
• 压力分布
• 纤维取向
• 插入位移
• 潜在的短镜头

这对于大型或高度工程化的嵌件成型组件尤其有价值.

热膨胀和残余应力

最重要的设计问题之一是嵌件和聚合物之间的热膨胀差异.

金属的热膨胀系数通常比许多热塑性塑料低.

当模制部件从加工温度冷却至室温时, 差异收缩会在界面周围产生应力.

用于精密装配, 工程师应该评估:

• 插入材料
• 聚合物热膨胀系数
• 加工温度
• 工作温度范围
• 刀片尺寸
• 封装厚度
• 预期的热循环

这在汽车领域变得尤为重要, 电子的, 和高温应用.

物质兼容性

嵌件和聚合物不仅必须在机械上兼容，而且在化学和热学上也必须兼容.

潜在问题包括腐蚀, 化学攻击, 粘附不良, 电相互作用, 吸湿性, 和成型过程中的降解.

例如, 对湿气敏感的工程聚合物，例如某些等级的尼龙和 PEEK，在加工前需要进行适当的干燥.

水分控制不当会导致水解, 机械性能降低, 表面缺陷, 或尺寸不稳定.

刀片的表面状况

嵌件表面状况强烈影响模制界面的质量和可重复性.

光滑表面可能适合需要受控组装或导电性的情况, 而纹理表面可以提供更好的机械联锁.

取决于申请, 插入物可能是:

• 滚花
• 沟槽式
• 穿孔
• 涂层
• 镀
• 粗糙化
• 经过化学处理

所选的表面处理应与聚合物和使用环境相兼容，而不是仅仅为了外观而选择.

模具排气

当聚合物在嵌件周围流动时，适当的通风至关重要. 嵌件和腔壁之间滞留的空气会导致灼伤, 空隙, 封装不完整, 或弱界面区域.

因此，通风口应设置在空气可能积聚的位置, 特别是靠近流路末端和复杂刀片几何形状的周围.

刀片公差和定位精度

嵌件的尺寸公差必须与模制塑料的公差一起考虑.

用于高精度装配, 插入位置可能需要在多个轴上进行控制，因为即使很小的位置误差也会影响连接器对准, 轴同心度, 紧固精度, 或电触点间距.

因此，实用的嵌件成型图纸应确定功能关键尺寸，而不是对每个特征应用不必要的严格公差.

自动化和大批量生产

用于批量生产, 设计应针对自动刀片装载和可靠的周期定位进行优化.

允许刀片仅沿一个方向定向的功能可以大大减少装配错误.

自动化系统可以使用机器人拾放设备, 碗喂食器, 视觉检查, 传感器, 和自动模具装载.

设计自动化刀片和工装可以显着提高生产一致性，同时减少劳动力需求.

7. 嵌件成型的优点

8. 嵌件成型的应用

当模制聚合物部件必须包含金属时，嵌件成型被广泛使用, 陶瓷制品, 玻璃, 或其他工程材料作为成品组件的组成部分.

汽车组件

这 汽车 工业是嵌件成型的主要应用领域之一.

金属嵌件可以提供结构加固或可靠的紧固点，而周围的聚合物减轻了重量并集成了附加功能.

典型的应用包括:

• 汽车电气连接器和端子
• 传感器外壳和安装组件
• 螺纹安装点
• 衬套和轴承支架
• 开关及控制元件
• 燃油和流体系统组件
• 引擎盖下的电气元件

电气和电子组件

嵌件成型对于电气元件特别有效，因为导电金属嵌件可以封装在电绝缘聚合物内.

铜, 黄铜, 磷青铜, 等导电合金常用于端子, 别针, 联系人, 和母线相关组件.

模制聚合物提供电绝缘，同时保持导电元件的精确位置.

申请包括:

• 电连接器
• 接线端子
• 开关元件
• 传感器外壳
• 线圈和电机组件
• 电线电缆连接器
• 电子控制模块

医疗保健组件

医疗的 设备通常需要紧凑的组件，将精密机械功能与生物相容性或耐化学性聚合物相结合.

嵌件成型可以集成不锈钢部件, 精密销, 螺纹元件, 和其他功能性插件直接插入聚合物外壳中.

典型的应用包括:

• 手术和诊断仪器
• 医疗连接器
• 流体处理组件
• 设备外壳
• 一次性医疗组件
• 精密定位元件

工业设备和机械

工业产品经常需要螺纹金属嵌件, 耐磨衬套, 轴, 增强部件, 或聚合物结构内的精密安装元件.

申请包括:

• 机器外壳
• 工业手柄
• 齿轮和驱动部件
• 轴承和衬套
• 液压、气动元件
• 控制设备
• 工业传感器

消费品和家庭产品

消费品在外观上受益于嵌件成型, 装配效率, 和功能整合很重要.

示例包括:

• 电动工具外壳
• 电器组件
• 相机和电子外壳
• 手柄和握把
• 家具硬件
• 体育设备
• 个人护理产品

航空航天和高性能应用

航空航天应用对材料和制造一致性提出了特别苛刻的要求.

精密加工的金属嵌件可嵌入高性能工程聚合物，例如 PEEK 或增强热塑性塑料.

潜在的应用包括:

• 轻质结构部件
• 电连接器
• 传感器组件
• 飞机内部硬件
• 高温外壳
• 精密紧固部件

9. 嵌件成型与. 其他制造方法

嵌件成型并不普遍优于传统组装或其他成型技术. 其主要价值在于将多种制造功能集成到一个组件中.

适当的工艺取决于产量, 零件几何, 材料组合, 所需性能, 和总制造成本.

10. LangHe Tech 的定制嵌件成型解决方案

可靠的嵌件成型供应商应该提供的不仅仅是注塑能力.

最终部件的质量取决于刀片制造之间的相互作用, 模具设计, 聚合物选择, 注射参数, 维控制, 和成型后检查.

朗和科技 可以将定制嵌件成型作为集成制造工艺, 从客户的功能需求和工程图纸开始，并通过工具延伸, 成型, 检查, 和生产交付.

11. 结论

嵌件成型是一种高效的金属集成制造技术, 陶瓷制品, 玻璃, 或其他插入件直接插入热塑性或弹性体部件中.

其根本优势在于 功能整合: 多种材料和功能可以组合成单个模制部件，同时减少后续组装操作.

然而, 成功的嵌件成型不仅仅取决于将嵌件放入模具内.

刀片几何形状, 聚合物选择, 热膨胀, 模具设计, 注射压力, 填充行为, 冷却, 自动化, 和质量检验必须一起考虑.

因此，最可靠的方法是将嵌件成型视为集成的工程解决方案，而不是孤立的注塑操作.

正确的 DFM 分析, 受控刀片制造, 优化的工具, 经过验证的工艺参数, 和系统的检查是商业规模生产可靠的嵌件成型组件的基础.

 

常见问题解答

成型过程中嵌件如何保持就位?

可以使用模腔保留嵌件, 定位销, 内核, 凹槽, 咕噜声, 底切, 干涉特征, 磁系统, 真空保持, 或自动抓取机制.

适当的方法取决于刀片几何形状和生产要求.

嵌件成型和包覆成型有什么区别?

嵌件成型 通常涉及在预制嵌件周围模制聚合物, 通常是金属部件.

包覆成型 通常涉及在现有基材上模制一种材料, 这可能是另一种聚合物, 弹性体, 或先前模制的组件. 这两种技术在某些应用中可能会重叠.

嵌件成型可以与液体硅橡胶一起使用吗 (LSR)?

一个: 是的. LSR 可用于密封件的嵌件成型, 垫圈, 和医疗组件. 它具有优异的耐热性和生物相容性.