литература / Konstruirovanie_plastmassovykh_izdeliy_dlya_litya_pod_davleniem

Рис. 6.87. Оборудование для ультразвуковой сварки может быть использовано для введения вставок в бобышки

Рис. 6.88. Латунные вставки с нарезанной внутренней резьбой, предназна­ ченные для ультразвуковой за­ прессовки могут быть различного размера и иметь разную геомет­ рическую форму

Вставка запрессовывается в бобышку холодным излучателем или волноводом, который вибрирует с низкой амплитудой на ультразвуковой частоте. Деталь в это время находится в фиксированном состоянии. Вибрация на границе вставка/стенка бобышки приводит к выделению теплоты трения, размягчающей пластмассу. По мере того как вставка запрессовывается, под влиянием вибрирующего излучателя (в зоне запрессовки) происходит расплавление пластмассы, которая заполняет поднутре­ ния в детали. После прекращения вибраций расплавленная пластмасса затвердева­ ет. Ультразвуковые инструменты должны быть изготовлены из закаленной стали или с наконечником из карбида титана. Для долгосрочной эксплуатации рекомен­ дуется применять инструмент со сменными наконечниками [51]. Процесс ультразву­ ковой запрессовки протекает быстрее, чем обычная горячая посадка, поскольку тепло выделяется только там, где это нужно: на поверхности соприкосновения металла с пластмассой. В результате этого сборочный узел характеризуется высокой прочно­ стью и имеет низкие остаточные напряжения.

Важнейший параметр процесса — глубина запрессовки. Слишком глубокого раз­ мещения вставки следует избегать, так как это уменьшает прочность сборочного узла (рис. 6.89). Ультразвуковая запрессовка вставок пригодна для введения в детали из всех разновидностей термопластов. Такой метод установки может быть использован для введения различных крепежных деталей, например, шпильки (рис. 6.91).

Установка расширяющихся вставок

Иногда в детали из пластмассы устанавливается латунная вставка с внутренней резьбой, которая сама фиксируется в формованном или просверленном отверстии за счет эффекта расширения. Продольные разрезы придают вставкам вид крепежного элемента, состоящего из нескольких консолей (рис. 6.92).

Рис. 6.92. Возможны различные конфигурации расширяющихся вставок. Во вставках ис­ пользуется специальная шайба, которая опускается и расширяет снабженную на­ каткой часть вставки (с разрешения Heli-coil Division, Emhart Fastening Group)

Вставки имеют на наружной поверхности накатку или зубцы. Они вводятся в от­ верстия с гладкими поверхностями. Если расширяющаяся вставка вводится в деталь из отвержденного реактопласта, приемное отверстие делают несколько большего раз­ мера, что позволяет вставке свободно опуститься до дна отверстия. Глубина отвер­ стия при этом должна быть равна длине вставки (радиус в основании отверстия не должен метать расширению), если же отверстие будет больше, следует использовать вставку с фланцем (рис. 6.93).

Для введения расширяющейся вставки используется специальный инструмент, который нажимает шайбу, вызывающую отклонение крючков вставки. В деталях из термопластов приемное отверстие может быть несколько меньшего размера, благодаря чему вставка после расширения оказывается запрессованной в отвер­ стие. Если расширяющиеся вставки используются в деталях из армированных реактопластов, нужно быть особенно внимательным к уровню окружных напря­ жений [19, 24, 52].

Процесс сварки включает в себя подготовку поверхности, ее смачивание и меж­ молекулярную диффузию [53]. Подвижность молекул в процессе сварки достигает­ ся использованием растворителей или нагрева. Различные методы сварки отличают­ ся способом генерирования тепловой энергии. При сварке нагретым инструментом передача теплоты осуществляется главным образом за счет теплопроводности, а при вибрационной сварке происходит счет вибрации происходит преобразование меха­ нической энергии колебаний в тепловую в результате трения поверхностей. Па вы­ бор метода сварки влияют тип материала, требования к конструкции, к герметично­ сти шва и внешнему виду изделия, форма и размеры деталей, наличие оборудования, требования к экономичности процесса. Выбор метода сварки должен быть сделан на самых ранних стадиях процесса проектирования изделия. Сварка термопластов счи­ тается необратимым процессом. Хотя индукционная сварка позволяет создавать разъемные сборочные узлы, для этих целей чаще используются замковые соединения и механическое крепление.

Ниже перечислены тепловые методы сварки термопластов:

•ультразвуковая сварка;

•вибрационная сварка трением;

•ротационная сварка;

•сварка нагретым инструментом;

•электромагнитная (индукционная) сварка;

•резисторпая сварка;

•сварка нагретым газом;

•экструзиогшая сварка

Более подробное описание приводится в последующих разделах этой главы. Также рассматриваются клеевые соединения и соединения с помощью раствори­

теля.

Нагретый газ обычно используется для сварки пластмассовых труб, листов или профилей, но не деталей, полученных литьем иод давлением. Тем не менее один из разделов посвящен именно этой технологии, поскольку многие литые под давлением изделия, особенно панели автомобилей, ремонтируются с помощью сварки нагретым газом. Кроме того, сварку нагретым газом иногда используют при изготовлении про­ тотипов пластмассовых деталей.

6.5.2. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка широко применяется для сварки деталей из термопластов, используемых в автомобильной промышленности, производстве изделий медицин­ ского назначения, а также при изготовлении игрушек и бытовой техники. Для осуще­ ствления сварки используется энергия высокочастотных (ультразвуковых) колеба­ ний малой амплитуды, которые вызывают поверхностное и межмолекулярное трение, сопровождающееся выделением теплоты. В этом процессе одна из двух соединяемых деталей прочно фиксируется с помощью стационарного зажима на столе, а другая подвергается воздействию синусоидальных ультразвуковых колебаний, нормальных к границе поверхности контакта (рис. 6.95).

448 КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЛАСТМАССОВЫХ ИЗДЕЛИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ

Рис. 6.95. * Схема типичной установки для ультразвуковой сварки. Ультразвуковая сварка ис­ пользуется для соединения деталей малого и среднего размера

Ультразвуковая сварка осуществляется при частотах от 20 до 50 кГц и при ампли­ туде колебаний в диапазоне 15-60 мкм [54]. Звуковые частоты в диапазоне ниже 15 кГц используются для сварки больших деталей или мягких материалов [43]. Про­ дольные колебания передаются сквозь верхнюю деталь к соединяемым поверхностям деталей, которые прижаты друг к другу. Как внешнее, так и внутреннее трение генери­ рует тепло избирательно, размягчая материал локально в зоне сварки. Как только | достигается нужная осадка в зоне сварного шва, ультразвук отключается, и сварному шву дают остыть и затвердеть. Процесс сварки занимает от 0,5 до 1,5 с [55,56]. Крупно­ габаритные детали соединяют с помощью нескольких сварочных аппаратов [54].

Установка для ультразвуковой сварки

Установка для ультразвуковой сварки (рис. 6.95) состоит из набора различных модулей [51, 54, 55].

Блок питания/генератор

Блок питания преобразует переменный ток частотой 50/60 Гц в ток частотой от 20 до 40 кГц.

Неудачная конструкция соединения встык Избыточное время сварки Избыточная энергия сварки Выдавливание расплава приводит к видимым дефектам

Улучшенная конструкция соединения встык Уменьшенное время сварки Уменьшенная энергия сварки Выдавливание расплава (видимое)

Оформление ловушки для наплыв-а расплава Уменьшение зоны сварки Выдавливание расплава не приводит к видимым дефектам

Повышенное сопротивле­ ния сдвиговому нагружению Выдавливание расплава не приводит к видимым дефектам Облегчает монтаж свари­ ваемых деталей

Рис. 6.96. Различные виды сварных швов и конфигураций стыков, использующихся при ультразвуковой сварке. Ступенчатые соединения и соединения встык подходят для большинства термопластов

приведены ниже, но перед сваркой все равно нужно проконсультироваться с изгото­ вителем материала.

Соединения встык

Различные виды соединений встык и cryi 1снчатых соединений приведены на рис. 6.96. Первая конструкция соединения на практике не используется, потому что она требу­ ет подведения слишком большой энергии для сварки и характеризуется неровным наплывом шва. Поэтому одну из двух поверхностей снабжают клинообразным или треугольным выступом, называемым концентратором энергии.

Острие концентратора энергии контактирует с сопрягаемой поверхностью в про­ цессе сварки и расплавляется. Под давлением расплавления пластмасса растекается по всей зоне сварки.

Правильно выбранная конструкция концентратора энергии обеспечивает дости­ жение оптимальной прочности и качество шва, как и продолжительность амплитуды колебаний и давление влияют па характеристики соединения. Расход энергии играет

конструкций соединяемых встык поверхностей [60]. На одной из деталей имеется обычный концентратор энергии, а вторая деталь имеет шероховатую или текстурированную поверхность, которая способствует повышению качества сварного шва и его прочности, а также упрощает процесс сварки. Существуют и другие конфигурации соединяемых участков с текстурированной поверхностью.

Наплыв, который показан на рис. 6.100, может быть уменьшен с помощью оформ­ ления ловушек на соединяемых участках деталей (рис. 6.96). Ловушки для расплава обычно конструируются с 10 %-иым запасом по объему [58J.

Рис. 6.100. Поперечное сечение стыко­ вого сварного шва. Показа­ но образование чрезмерного но размерам наплава

Рис. 6.101.Поперечное сечение стыко­ вого шва, в котором предус­ мотрены внутренние и внеш­ ние ловушки для наплава

Соединения с ограничением вытекания расплава (рис. 6.102) представляют со­ бой альтернативу стандартному соединению встык [61]. Детали для таких соедине­ ний сконструированы так, чтобы захватывать или удерживать расплав в зоне сварки. Они хорошо подходят для деталей из полиформальдегида или ПА, которые быстро переходят из твердого состояния в расплавленное в узком интервале температур. Для соединения деталей больших размеров требуются повышенные амплитуды колеба­ ний и энергия сварки по сравнению с деталями, для соединения которых использу­ ются треугольные концентраторы энергии [61].

Место расположения стыковых сварных швов обычно выбирают у наружной грани стенки или по периферии литой детали, а иногда вдоль внутренних ребер или выступов. Чтобы избежать образования дефектов в зоне пересечения швов, лежащих под углом в одной плоскости, концентратор энергии в этой зоне должен быть уменьшен и закруглен. Если от сварного соединения герметичность не требуется, в уголках соединяемая повер­ хность может быть вообще лишена концентратора энергии (рис. 6.103) [59].