литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

404 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 6.40. Классический отклоняющийся шарнир часто используется вместе с крючками для закрепления крышек на корпусе контейнера, имеющего форму ракушки

Соединения с использованием крючков универсальны. Замковые соединения, особенно кольцевые, часто используются совместно с петлями и стяжками. Сочета­ ние этих методов обеспечивает оптимальный способ крепления.

6.4.Механические крепежные элементы

6.4.1.Общие положения

В настоящее время для сборки пластмассовых изделий применяются достаточно разнообразные механические крепежные элементы (детали). Многие из таких эле­ ментов изначально были разработаны для крепления металлических или деревянных деталей, а затем просто были адаптированы для крепления пластмассовых деталей. Другая группа крепежных элементов была специально разработана для соединения деталей из пластмасс. К механическим крепежным элементам относятся машинные винты, самонарезающие винты, металлические вставки, вставные фиксаторы, скоро­ стные зажимы и гайки, заклепки, шпильки, штифты, скобки, шарниры и большой набор жестких специальных крепежных деталей. Некоторые типы крепежных эле­ ментов могут быть использованы для постоянных или разъемных соединений, кото­ рые дают возможность осуществлять ремонт деталей или их замену. Крепежные эле­ менты пригодны для прочного и эффективного соединения деталей из термопластов и реактопластов с деталями из подобных или разнородных материалов. Они отлича­ ются разнообразием размеров и материалов, и в большинстве случаев предназна­ чены для традиционных методов соединения.

Почти все механические крепежные элементы изготавливаются из металла, а зна­ чит их размеры и свойства практически не зависят от температуры, времени и влаж­ ности. Крепежные элементы, изготовленные из коррозионностойкой стали или из

полимерных материалов, могут быть использованы при очень высокой влажности и даже в коррозионно-активной среде. Машинные (стандартные) винты и самонаре­ зающие винты идеально подходят для изделий, в которых нужно контролировать затяжку, например, для сосудов с жидкостью, закрывающихся с помощью комбина­ ции прокладок и винтов. Другое преимущество механического крепления заключа­ ется в том, что предельная прочность соединения достигается сразу же, чего нельзя сказать о клеевых соединениях. Механические крепежные элементы иногда исполь­ зуются вместе с клеями для соединения пластмассовых деталей больших размеров. Крепежные элементы удерживают соединение в нужном положении, а клей при за­ твердевании добавляет конструкции прочность.

Вместе с тем механическими крепежными элементами необходимо пользоваться осторожно, поскольку они, в большинстве случаев, являются точечными элементами и создают напряжение в ограниченной области изделия. Кроме того, для многих из них необходимо создавать отверстия, являющиеся концентраторами напряжений. При проектировании нужно учитывать, что стальные крепежные элементы и пласт­ массовая деталь имеют разные КЛТР. С помощью одних только крепежных элемен­ тов без дополнительных герметиков (или прокладок) невозможно получить газоне­ проницаемое соединение.

6.4.2. Винты

Винты относятся к широко распространенному виду крепежных элементов для сборки пластмассовых изделий. Они обычно используются для разъемных конструк­ ций. Существует большое количество разновидностей конфигураций и винтов, ко­ торые могут быть пригодны для соединения деталей из пластмасс. Применительно к последним сборку изделий осуществляют с помощью:

•машинных (стандартных) винтов и гаек (то есть болтов);

•машинных винтов и металлических резьбовых вставок или резьб, изготовлен­ ных литьем под давлением;

•самонарезающих винтов.

Каждая из этих разновидностей будет рассмотрена отдельно.

Использование механического крепления винтами позволяет выполнять повтор­ ную переработку деталей из пластмасс. Для этого детали должны быть простыми, недорогими и сделанными из повторно перерабатываемых материалов [17,18].

Количество винтов, используемых для сборки и разборки конкретного изделия, должно быть минимальным и их размеры и типы должны быть, по возможности, стандартными. Винты могут быть быстро удалены с помощью специальных пневмати­ ческих отверток [18]. Самонарезающие винты — наиболее предпочтительный для сборки вид соединения, так как они не требуют введения металлических резьбовых вставок или применения гаек. Металлические вставки трудно удалить при разборке. Они создают ряд проблем при гранулировании и отделении пластмассы во время повторной переработки. Большинство металлических вставок производится из та­ ких немагнитных металлов, как латунь и удалить их из пластмассового «лома» с по­ мощью магнита невозможно.

406 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

6.4.2.1. Машинные винты и гайки

Машинные винты, гайки и шайбы широко используются для крепления деталей из пластмассы. Их применение ограничено соединениями, требования к внешнему виду которых не являются решающими, так как гайка и головка болта выступают над поверхностью и легко заметны [15,19-21]. Головку болта и гайку обычно заглубляют ниже уровня поверхностей деталей (или раззенковывают отверстие), чтобы улуч­ шить его внешний вид. В некоторых случаях в процессе литья под давлением в одной из поверхностей делают выемки гексагональной формы для установки гайки таким образом, чтобы не дать ей вращаться и тем самым упростить операцию сборки. Для улучшения внешнего вида сборочного узла иногда используют декоративные кре­ пежные элементы, например, колпачки для гаек. Машинные винты и гайки относятся к наиболее распространенным и доступным видам крепежных деталей соединений. Основной недостаток, связанный с их использованием, заключается в необходимо­ сти доступа к верхней и нижней поверхностям (левой и правой сторон) изделия в про­ цессе сборки. Это, в сочетании с необходимостью вращения, делает процесс сборки и его автоматизацию при использовании машинных винтов достаточно трудным.

Соединения плоских (листовых) пластмассовых деталей или фланцев с помо­ щью болтов можно осуществлять, используя отлитые или просверленные отверстия. Если соединяемые детали изготовлены из различных материалов с разными КЛТР, то необходимо использовать температурные компенсаторы, пазы или эластичные втулки, чтобы согласовать различные расширения (рис. 6.41).

Если машинные винты и гайки применяют для крепления деталей с тонкими стен­ ками (например, крышек корпусов бытовых приборов), в этих деталях должны быть оформлены полые цилиндрические бобышки для повышения прочности материала в области вокруг винта, чтобы исключить чрезмерное искривление поверхностей, возникающее в процессе затягивания болтового соединения (рис. 6.42). Зазор между бобышками и винтами должен быть приблизительно равен 0,25 мм, чтобы упростить соединение и компенсировать температурные изменения и разницу в размерах [15]. Толщина стенок бобышек должна обеспечивать сопротивление сжатию и конструк­ ционную стабильность изделия.

Впроцессе сборки болты затягиваются предварительно (то есть после достиже­ ния начального контакта, они дополнительно затягиваются). Это необходимо для компенсации разности между КЛТР деталей, отклонения размеров и минимизации появления зазоров в результате релаксации напряжений и вибраций. Стальные бол­ ты могут повредить пластмассовое изделие, если крутящий момент будет избыточ­ ным. Вероятность этого особенно высока при повторной сборке, когда невозможно контролировать усилия затяжки. Чтобы ограничить деформирование полимерного материала, используют цилиндрические металлические втулки вокруг болтов. Эти втулки могут быть просто вставлены, запрессованы или заформованы в пластмассо­ вую деталь [21].

Втаких соединениях нужно дополнительно использовать шайбы, способствую­ щие более равномерному распределению нагрузки как под головкой болта, так и под гайкой, что приводит к уменьшению концентрации напряжений [16,19,21].

В качестве примера рассмотрим изделие из ПК (рис. 6.44). Оно собрано при ком­ натной температуре с помощью машинных винтов и гаек 1/4-28 ТР1( 1/4 дюйма диа­ метр, 28 витков на дюйм). Каждая бобышка имеет длину 1,0 дюйм в осевом направ­ лении и суммарная их длина 2,0 дюйма. Как только завершается предварительное завинчивание гайки и сопрягаемые поверхности соприкасаются, болты затягиваются на 1/4 оборота, что приводит к созданию предварительного натяга за счет сжатия пластмассовых деталей и натяжения болта. Деформация при сжатии определяется с помощью уравнения:

Если у ПК модуль сжатия Е при комнатной температуре равен 0,35 • 106 фун­ тов/дюйм2, то напряжение сжатия составит:

Со временем эти значения уменьшаются из-за эффекта релаксации напряжений в деталях.

При заданных средних значениях КЛТР для стали и ПК (здесь предполагается, что значения КЛТР не зависят от температуры), воздействие температуры на сбо­ рочный узел могут быть выражены следующим образом [22]:

Несовпадение значений КТЛР у этих двух материалов составляет 31,3- 10_ 6 дюйм / дюйм/ °Е Другими словами, деталь из ПК толщиной 1,0 дюйм будет увели­ чиваться или усаживаться (в зависимости от того, увеличивается или уменьшается температура) дополнительно на 31,3 • 10_6 дюйм на каждый 1,0 °F изменения темпе­ ратуры по сравнению со стальным болтом. Уровень напряжений сжатия в бобышке будет изменяться непрерывно вместе с изменением температуры. Температура изде­ лия должна достигнуть 74 °F, чтобы устранить несовпадение КЛТР между болтом и бобышкой. С другой стороны повышение температуры детали приводит к увеличе­ нию деформации сжатия.

Значение напряжений сжатия при высоких температурах может быть выше или ниже в зависимости от модуля упругости пластмассы. Релаксация напряжения пласт­ масс проявляется сильней при повышенных температурах.

Винты и болты, изготовленные из полиамида, полипропилена, полиформальдеги­ да, полиэфиримида, политетрафторэтилена и полиимида имеют стандартные разме­ ры. Пластмассовые винты могут изготавливаться со стальными сердечниками [24]. Пластмассовые крепежные детали незаменимы в изделиях, которые должны обла­ дать повышенной коррозийной стойкостью (особенно в присутствии кислот и ще­ лочей) или хорошими электроизоляционными свойствами [19, 23]. Использование

412 КОНСТРУИРОВАНИЕ'ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИЙ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

На рынке предлагается широкий набор этих винтов. Они имеют разные конфигу­ рации резьбы, размеры и типы головок. Диаметр стандартных самонарезающих вин­ тов составляет от 2 до 8,0 мм. Наиболее часто используются винты 4, б, 8 и 10 разме­ ров. Создающие резьбу винты уменьшают количество элементов, необходимых для изготовления сборочного узла, устраняя необходимость использования гаек и шайб или вставок с внутренней резьбой. Эти винты часто изгатавливают за одно целое с шай­ бами под готовками.

Узлы, собранные с помощью санонарезающих винтов, не имеют такого продолжи­ тельного срока службы, как узлы, собранные с использованием резьбовых металли­ ческих вставок. Однако самонарезающие и формующие винты представляют собой быстрое, дешевое и эффективное средство для соединения пластмассовых деталей. Детали, соединенные такими винтами, очень легко разбирать для повторной перера­ ботки материала с помощью высокоскоростных пневматических инструментов, по­ скольку в этих соединениях не используются вставки и гайки.

Многие из создающих резьбу винтов для пластмасс имеют стандартную конст­ рукцию. Они в течение многих лет применялись для крепления деталей из других материалов. Некоторые из этих винтов хорошо сочетаются с пластмассой, но есть винты, которые не годятся для этой цели. Кроме того, существуют специальные кре­ пежные детали, разработанные именно для соединения пластмасс [25-28].

Создающие резьбу винты можно классифицировать на нарезающие и формиру­ ющие. Самонарезающие винты создают резьбу по мере своего продвижения в пласт­ массовую бобышку, а винты формирующие просто смещают материал по мере своего движения. Тип винта, его размер и конструкция зависят от требований к изделию и параметров его эксплуатационных характеристик, к которым относятся:

•сопротивление усилию извлечения винта;

•усилие затяжки и ожидаемый период ослабления затяжки;

•возможность повторной сборки;

•сохранение усилия затяжки и устойчивость по отношению к вибрации;

•окружные напряжения в бобышке;

•отношение крутящего момента при срыве резьбы к крутящему моменту при завинчивании.

К области сборки с помощью создающих резьбу винтов относят ряд понятий [16.

25, 29, 30]:

Направляющее отверстие

Отлитое или высверленное отверстие в бобышке, которое соответствует разме­ рам винта. Диаметр направляющего отверстия больше минимального (корневого) диаметра винта, но меньше, чем основной (наружный) диаметр винта.

Крутящий момент при завинчивании

Крутящий момент при формировании резьбы.

Момент, необходимый для продвижения винта внутрь направляющего гладкого отверстия

Максимальный формирующий резьбу крутящий момент получают при завинчи­ вании винта на полную длину, когда соприкасаются сопрягаемые поверхности.