литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

6.Сборка изделий, изготовленных литьем под давлением

6.1. Общие положения

Многие детали, изготовленные литьем под давлением, представляют собой эле­ менты более крупных сборочных узлов. Они сочетаются друг с другом или с деталя­ ми из других материалов. Метод крепления или сборки должен обеспечить меха­ ническую связь между различными деталями, которые дополняют друг друга в конструкции. Во многих случаях процесс сборки осуществляется в процессе допол­ нительной обработки, хотя в некоторых случаях сборку изделия выполняет заказчик деталей. Иногда возникает необходимость уменьшить количество деталей и матери­ алов, входящих в состав изделия, чтобы упростить его конструкцию или уменьшить затраты, связанные со сборкой и изготовлением [1,2]. Главной целью при конструи­ ровании большинства пластмассовых изделий является минимизация количества сборочных операций за счет объединения их функций и формования элементов кре­ пежа заодно с пластмассовой деталью. Пластмассовые детали, изготовленные литьем под давлением, должны идеально соответствовать требованиям сборки, так как они могут иметь очень сложную геометрию. Эти требования относительно просты. Необ­ ходимо минимизировать число деталей, входящих в сборочный узел и изделие в це­ лом. Нужно как можно реже использовать винты, вставки и аналогичные им крепеж­ ные элементы (особенно это касается механического крепежа, требующего при сборке вращения). Необходимо уменьшить количество таких технологических процессов, как, например, склеивание или сварка. К сожалению, это трудно осуществить на практике.

и за один цикл, в ходе которого сердцевина из эластомера отливается внутри форму­ ющей полости литьевой формы, затем происходит впрыск расплава термопласта, ко­ торый создает оболочку. Сердцевина мяча изначально фиксируется с помощью опор­ ных штифтов, которые последовательно извлекаются в ходе процесса или в конце заполнения формующей полости.

Этот вариант процесса устраняет необходимость вторичной обработки: сварки или формования, но при этом возникает необходимость значительно более трудоем­ кого и дорогого процесса первичной обработки (литья за один цикл).

Качество изделий, изготовленных с использованием конкурирующих систем крепления, не может быть одинаковым. Использование самонарезающих винтов или других крепежных механических элементов легко заменяется введением в конструк­ цию отлитых заодно целое с деталями крючков. Винтовые и замковые соединения не конкурируют друг с другом в качестве используемых средств фиксации, поскольку готовые изделия будут совершенно разными. Если замок в процессе эксплуатации ломается, то все изделие поступает в отходы. Если повреждается резьба, то соедине­ ние может быть отремонтировано с помощью винтов большего диаметра или боль­ шей длины. В некоторых случаях, когда ни один из методов сборки не удовлетворяет требованиям, используют комбинированное соединение. Согласно этому методу на начальном этапе сборки применяют склеивание, а затем в наиболее нагруженных ме­ стах, для повышения надежности, размещают механические крепежные элементы.

В этой главе будут рассмотрены различные методы сборки. К ним относятся:

•прессовые соединения;

•замковые соединения;

•механическое крепление;

•сварка;

•клеевые соединения;

•соединение с помощью растворителей.

Выбор метода сборки, который максимально соответствует данному изделию, осуществляется с учетом ряда требований, и прежде всего экономических.Очень большое значение имеют материалы, из которых изготавливают сборочные единицы. Например, для деталей из Г1Э лучше использовать прессовые или замковые соедине­ ния, поскольку'с го химическая стойкость и низкая поверхностная энергия затрудня­ ют применение клеевых соединений. Сварные соединения предпочтительны для термопластов, но не для реактопластов. Если соединяемые детали изготовлены из разнородных материалов, или в процессе сборки вовлекается третий материал, как это имеет место при склеивании или механическом креплении, нужно уделять повы­ шенное внимание КЛТР.

На метод сборки влияют упругие свойства материала. Самонарезающие винты используются вместе с глухими бобышками для крепления корпусных деталей с крышками, если высокие требования предъявляются к внешнему виду только од­ ной поверхности. Такое соединение недопустимо, если высокие требования предъяв­ ляются как к верхней, так и к нижней поверхностям корпуса. Параметры окружающей среды и конструкция изделия также влияют на выбор способа крепления. Если изделие из термопласта будет использоваться при повышенной температуре и влажности, меха­ ническое крепление и сварка предпочтительнее, чем клеевое соединение. Существует

376 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

ряд факторов, влияющих на выбор метода соединения. К ним относятся характери­ стики соединения при действии ударных, усталостных, статических нагрузок, а так­ же остаточных или термически индуцированных напряжений [3]. К одному из очень важных требований к соединению относится возможность осуществления его по­ вторной сборки или разборки для ремонта или замены какого-либо компонента из­ делия. Физико-химические процессы, которые протекают при выполнении клеевых или сварных соединений, не допускают повторную сборку, а замковое, прессовое или механическое крепление деталей такую возможность допускают. Изделие, собранное с помощью самонарезающих винтов, может быть собрано и разобрано один-два раза, но если предполагается собирать и разбирать изделие чаще, следует использовать винты для металлов в сочетании со вставками.

В последние годы получил распространение принцип конструирования, обеспе­ чивающий разборку, повторное использование материала и деталей изделий [4,5]. Сущность этого принципа очень проста:

1)снижение количества материалов и деталей, которые используются для изго­ товления изделия;

2)использование материалов, которые легко могут быть переработаны повторно:

3)использование технологии, допускающей повторную сборку.

При этом, по мере возможности, нужно избегать такие финишные операции, как окрашивание, печатание и металлизация поверхности. Метод крепления играет ре­ шающую роль в обеспечении разборки. Замковые соединения, элементы которых от­ литы вместе с деталями, или винты, допускающие обратный ход, позволяют осуще­ ствлять многократную сборку и разборку, и их применение предпочтительнее, чем склеивание или сварка. Электромагнитная сварка или временное клеевое соедине­ ние являются перспективными технологиями, но остатки клея могут оказывать отри­ цательное воздействие на эксплуатационные характеристики повторно используе­ мых полимерных материалов (в зависимости от совместимости клея с пластмассой).

6.2. Сборка с помощью прессового соединения

6.2.1. Общие положения

Простейшим видом соединения пластмассовых деталей является прессовое со­ единение, которое основано на использовании упругих или «пружинящих» свойств материала. Прессовые соединения часто применяют при сборке цилиндрических де­ талей. Примером может служить сборочный узел, состоящий из втулки и вала, кото­ рый показан на рис. 6.2. Но возможно и соединение деталей другой геометрической формы. В прессовых соединениях используется посадка с натягом двух деталей отно­ сительно друг друга. Напряжения и деформации, вызванные посадкой с натягом ци­ линдрических деталей, равномерно распределяются в зоне контакта соединяемых поверхностей [6,15].

На металлических или пластмассовых валах с помощью прессового соединения лег­ ко закрепляются шестерни, шкивы, подшипники и другие круглые детали. Основным

378 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕ:.'

Кроме этого, при изготовлении втулок, подвергаемых прессовой посадке, внима­ ние следует уделять углу наклона стенок внутреннего отверстия самой втулки. Углы наклона упрощают съем и извлечение отливки из литьевой формы, но они же приво­ дят к неравномерному распределению напряжений внутри втулки после прессового соединения. Можно изготавливать втулки с нулевыми или минимальными наклона­ ми стенок. Если для извлечения отливки изготовляют отверстия с уклонами, то не­ обходимо применить два оформляющих знака, один из которых расположен в фор­ мующей полости, а другой входит в первый (рис. 6.3). Это лучше, чем использование одного знака, поскольку уменьшаются углы наклона, и напряжения в детали после сборки становятся более сбалансированными. Отверстия, которые отлиты со слиш­ ком большими углами наклона, требуют перед сборкой развертывания до нужного размера.

6.2.2. Параметры, связанные с выбором материала

Сборку с использованием прессового соединения можно применять для дета­ лей из любого реактопласта или термопласта, но на практике этот способ целесооб­ разнее использовать для деталей из более эластичных пластмасс. Рассмотрим ти­ пичный пример применения литой под давлением пластмассовой детали, например, шестерни, выполняющей функцию втулки, установленной с помощью прессовой посадки на сплошной стальной вал. Сопротивление при кручении данного сбороч­ ного узла определяется свойствами материала и величиной натяга по диаметру. Жесткие стеклообразные полимерные материалы, такие как ПС, имеют разрушаю­ щую деформацию меньше 1,0 %. Расчет допустимых значений деформаций произ­ водится прежде всего при оценке долговечности изделий, когда может произойти релаксация напряжений. Деформация не должна превышать 10-40 % разрушаю­ щей деформации.

Допустимые значения натяга напрямую зависят от расчетных значений деформа­ ции. Разница между внутренним диаметром втулки и наружным диаметром вала может быть меньше, чем сумма допусков на изготовление втулки и вала. Если ис­ пользуются пластичные полимерные материалы, такие как неармированные поли­ этилен, полиамид или полиформальдегид, расчетные значения деформации могут быть достаточно большими. В этом случае прессовое соединение является пригод­ ным для применения на практике (рис. 6.4).

При прессовом соединении втулка растягивается, а вал сжимается. Проектиро­ вание таких соединений требует учитывать свойства материалов, из которых изго­ товлены вал и втулка, особенно если вал изготовлен из пластмассы. При расчете втулки следует учитывать напряжения растяжения. Уровень напряжений растяже­ ния во втулке должен быть минимизирован, чтобы обеспечить более надежное дол­ госрочное соединение. Если значения напряжения низки, ослабление соединен::

возникающее в результате релаксации напряжений, будет незначительным. Низкие напряжения уменьшают вероятность разрушения из-за появления волосяных тре­ щин, растрескивания, из-за влияния линий спая или воздействия химически ак­ тивных веществ. Прочность прессового соединения в осевом направлении или при

Рис. 6.4. Типичные зависимости напряжение-деформация для жестких и пластичных поли­ мерных материалов. Многие жесткие пластмассы слишком хрупки, что не допу­ скает их использование в прессовых соединениях. В этом случае более предпочти­ тельны пластичные полимерные материалы

кручении зависит от контактного давления, а следовательно, и от уровня напряже­ ний при растяжении.

Сила F, необходимая для того чтобы сдвинуть втулку вдоль вала, может быть определена с помощью уравнения:

(6.1)

где р — коэффициент трения между валом и втулкой; Р — контактное давление (зави­ сит от расчетного напряжения); /1 — площадь поверхности контакта.

Коэффициент трения для пары втулка-вал постоянный (в действительности за­ висит от уровня напряжений и качества поверхности). Оптимальную конструкцию прессового соединения получают, если при выбранной величине натяга имеет место низкий уровень напряжений, по поверхность контакта деталей максимальна (рис. 6.2). По-возможности при этом следует использовать валы максимального диаметра. До­ бавки, снижающие коэффициент трения пластмассы, уменьшают прочность соедине­ ния при кручении, поэтому они должны быть исключены. Соединяемые поверхности должны быть чистыми и свободными от химических веществ, которые со временем могут привести к разрушению соединения [16J. Если изделия, собранные с помощью прессового соединения, эксплуатируются при различных температурах, материалы деталей, которые в нем участвуют, должны иметь одинаковые КЛТР.

380 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.2.3. Проектирование прессовых соединений

Собранный узел должен быть стойким при нагружении на кручение в осевом на­ правлении, при этом уровень напржений должен оставаться в диапазоне приемлимых значений. Уровень допустимых напряжений растяжения для комбинации мате­ риалов втулки и вала определяется геометрией этих деталей и величиной натяга. В большинстве случаев наружные размеры втулки и диаметр вала выбираются в со­ ответствии с эксплуатационными требованиями. Диапазон приемлемых значений натяга можно получить, обратившись за консультацией к производителям материа­ ла, которые могут представить графическую зависимость предельного значения на­ тяга от отношения диаметров вала и внешнего диаметра втулки, подобно той, которая приведена на рис. 6.5.

Рис. 6.5- Величина натяга в прессовом соединении может быть определена с помощью урав­ нений или графика, аналогичного графику, показывающему рекомендуемое макси­ мальное значение натяга для данного материала

Информация, приведенная на графиках такого типа, отражает специфические свойства материала и применима только в ограниченном диапазоне параметров ок­ ружающей среды. С помощью этих сведений (см. рис. 6.5), могут быть определены предельные значения натяга г для полиамидной втулки и стального вала.

Рассмотрим следующий пример.

Стальной вал диаметром 05 = 0,400 дюйма и полиамидная втулка с наружным диаметром 0О = 1,000 дюйм;

тогда соотношение 0</0о = 0,400 дюйма / 1,000 дюйм = 0,40.

Из графика предельное значение i будет равно 0,0036 дюйм/дюйм. Величина натя­ га для вала диаметром 0,400 дюйма составит:

i = 0,400 дюйм х 0,0036 дюйм/ дюйм диаметр вала = 0,0014 дюйм.

Внутренний диаметр втулки 0г- тогда будет:

0f = 0S - i = 0,400 дюйма - 0,0015 дюйма = 0,3985 дюйма.

Отлитая шестерня после усадки в литьевой форме должна иметь внутренний ди­ аметр не менее 0,3985 дюйма, чтобы соответствовать допустимым предельным де­ формациям от натяга, рекомендуемым производителем.

Из данных на рис. 6.5 видно, что допустимое значение натяга увеличивается при возрастании отношения толщины стенки втулки к диаметру вала. Зависимости на рисунке также показывают, что значение натяга возрастает, когда в качестве матери­ ала для вала используется полиамид, а не сталь. Это объясняется тем, что более пла­ стичный полиамидный вал будет деформироваться в процессе выполнения прессового соединения. Для комбинации полиамидная втулка / полиамидный вал по сравнению с комбинацией полиамидная втулка / стальной вал значения натяга и напряжения растяжения у пластмассовой втулки будут приблизительно одинаковыми.

Информация, приведенная на рис. 6.5, носит ограниченный характер, поскольку свойства материала обусловлены параметрами окружающей среды. Более точные значения натяга могут быть рассчитаны но уравнению (6.2), которое справедливо для любой комбинации материалов в системе втулка / вал:

(6.2)

где /— диаметральный натяг (дюймы); aD — проектные значения напряжения сжатия (фунты/дюйм2); 0 — наружный диаметр втулки (дюймы), 0S — диаметра вала (дюй­ мы); Eh — модуль упругости материала втулки (фунт/дюйм2); Es — модуль упругости материала вала (фунт/дюйм2); v^ — коэффициент Пуассона для материала втулки; vs — коэффициент Пуассона для материала вала; W= [1 + ( 0 s / 0 „ ) 2 ] / [ l - ( 0 S . / 0 O ) 2 ] .

Натяг может быть определен, если известны наружные диаметры вала и втулки и свойства материалов. Если вал и втулка изготовлены из одной и той же пластмас­ сы, уравнение (6.2) может быть сведено к следующему:

(6.3)

где Е — модуль упругости пластмассы (предполагается, что модуль упругости при растяжении пластмассы равен модулю пластмассы при сжатии).

Уравнение (6.2) может быть упрощено, если пластмассовая втулка устанавлива­ ется на металлический вал. Для варианта с металлическим валом Es» Е' и значение г может быть определено по формуле:

(6.4)

В этом виде уравнение используется чаще всего, поскольку пластмассовые втул­ ки обычно устанавливаются на стальные валы. Показатели свойств материалов, кото­ рые используются в данном уравнении, должны быть близки к показателям в услови­ ях эксплуатации изделии.

Значение отменяется вместе с изменением температуры, относительной влажности, наличием химически агрессивных веществ и времени. Рассмотрим сборочный узел, со­ стоящий из втулки и вала (рис. 6.6). Иногда, чтобы упростить размещение втулки на валу, прессовое соединение втулок осуществляется с валами уменьшенного диаметра.

382 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 6.6. Использование вала с поднутрением позволит точно установить вал в осевом на­ правлении

Внутренний диаметр вала и диаметр вала в том месте, где сделано поднутрение, должны быть рассчитаны с учетом значений натяга. Величина натяга должна быть значительно выше, когда втулка в процессе сборки запрессовывается на вал через участок с большим диаметром за короткое время. В этом случае при расчете должны использоваться допустимые значения кратковременных напряжении (или деформа­ ции). Значения напряжений растяжения, которые необходимы для оценки долговеч­ ности прессового соединения, определяются с учетом релаксационных характери­ стик. Эти напряжения на 20-25 % меньше, чем кратковременный предел текучести при растяжении для данного материала. Расчетные напряжения для изделий с боль­ шим эксплуатационным сроком должны быть максимально низкими, чтобы миними­ зировать релаксацию напряжений, а также снизить возможность преждевременного разрушения из-за смещения или растрескивания. Когда втулка в процессе сборки зап­ рессовывается на вал через участок с большим диаметром, значения напряжения могут превышать значение предела текучести при растяжении приблизительно на40-60 %.

Знание величины усилия, которое требуется для прессовой посадки втулки на вал, очень важно в силу нескольких причин. Величина силы F определяет характери­ стики сборочного узла, прочность при кручении и прочность в осевом направлении. Усилие запрессовывапия втулки может быть определено по уравнению:

(6.5)

где L — длина втулки в осевом направлении или ее высота.