Basov N.I. i dr. Raschet i konstruirovanie formiruyushchego instrumenta dlya izgotovleniya izdelij (1991
.pdfЬb'(0,7-0,8)s
Рис. 1.14. Рекомендуемые соотношения размеров элементов ребер жесткости изделий из пластмасс
При конструировании изделий с ребрами жесткости следует либо вообще избегать замкнутых контуров, либо стремиться к тому, чтобы периметр замкнутых контуров ребер жесткости был по возможности минимальным, так как пластмасса, находящаяся внутри контура, не имеет возможности свободно усаживаться, что приводит (особенно при малой толщине стенок) к появлению трещин.
Рекомендуемые соотношения размеров элементов ребер жесткости приведены на рис. 1.14. Ребра следует располагать на прямых участках диагонально или диаметрально так, чтобы они работали при эксплуа тации изделия на сжатие, а не на растяжение. Для увеличения жест кости крышек, днищ крупногабаритных изделий, боковых стенок, если допустимо конструктивно, применяют мелкие ребра (высотой 0,5- 1,0 их ширины)- нервюры.
Отверстия и углубления в пластмассовых изделиях, их расположе ние и число влияют на величину усадки и точность размеров; в изде лиях из пластмасс можно получить отверстия любой конфигурации. Однако следует принимать во внимание трудоемкость изготовления соответствующих знаков форм, исходя из чего предпочтительнее более простые конфигурации отверстий; они же легче поддаются точному измерению. Любой тип отверстия может быть сквозным и глухим, ступенчатым. Возможная конфигурация и соотношение размеров сквозных отверстий приведены на рис. 1.15.
Отверстия в изделиях из пластмасс могут быть выполнены пол ностью во время формования, частично в форме с последующим сверлением, сверлением после формования.
Соотношения расстояний между отверстиями (величина перемыч ки) и расстояний от края отверстия до края изделия должны быть такими, чтобы исключить возможность поломки, растрескивания.
Наиболее целесообразно отверстия располагать в направлении приложения усилия замыкания формы. Однако иногда они необхо димы в плоскостях, перпендикулярных направлению приложения усилия формования.
Наибольшую длину глухих отверстий, расположенных в направле-
30
Рис. 1-15. Возможная конфигурация и соотношения размеров сквозных отверстий в изде лиях из пластмасс
нии, перпендикулярном направлению формования, можно определить по формуле
/=<рл/тах/(8р0)]1/4,
где 2—длина отверстия; d—диаметр отверстия; Е— модуль упругости материала формую щего знака; / т а х — величина допускаемого прогиба; ро_ удельное давление на материал в процессе формования.
Приведенная формула пригодна для определения длины только цилиндрических отверстий (при величине одностороннего уклона, не превышающей -1:50).
Допускаемую длину сквозных отверстий, также расположенных перпендикулярно направлению формования, можно определять по формуле:
/=d[6£n/max/(5p0)F4.
Номограмма на рис. 3.16 построена по приведенным формулам при Е=2- 10s МПа; /т а х = 0,005 см. Наклон линий 1-7 связан с заданным удельным давлением PQ: 20,30, 40, 50, 60,70,80 МПа.
В отдельных случаях при конструировании изделий можно допус кать расположение отверстия под углом к вертикали, на разных осях и т. д., причем сами отверстия могут иметь различную конфигурацию. При этом изделия из пластмасс нужно конструировать обязательно с совмещенными центрами отверстия и радиуса закругления края наружной поверхности.
Изделия с отверстиями под крепежные болты следует конструиро вать так, чтобы использовать прокладочные шайбы для увеличения опорной поверхности.
Минимально возможные размеры отверстий в изделиях из слоистых пластиков, получаемых штамповкой или вырубкой, зависят от формы отверстий и составляют для круглых отверстий d=0,50 s, для квадрат ных отверстий d> 0,455 (где s— толщина листа, a d- соответственно диаметр круглого отверстия, размер стороны квадрата или размер наименьшей стороны прямоугольного отверстия). Практически все отверстия по технологическим причинам следует изготавливать с
31
Рис. 1.16. Номограмма для определения максимально допустимых длины !и высоты h
отверстий — сквозных (/) и глухих (Я)
технологическими уклонами, направление которых соответствует направлению формы.
Углубления, пазы и подобные специфические конструктивные элементы различного назначения, позволяют выравнивать толщины стенок и дна, массу изделия. Иногда возникает конструктивная, функциональная необходимость выполнять их как поднутрения, т. е. располагать оси углублений, пазов, выемок материала под углом к основному направлению формования изделия. Это всегда связано с усложнением конструкции формующего инструмента (применяют разъемные вставки, знаки, требующие закреплениям т. д.).
Резьба в изделиях из пластмасс получается, как правило, непосред ственно в процессе формования. При изготовлении резьбы необходимо считаться с усадкой материала и спецификой изготовления формую щих знаков и колец. Прессованием или литьем под давлением могут быть получены резьбы на внутренней и наружной поверхностях диаметром 2,8-3 мм и более и с шагом не менее 0,7 мм. Профиль резьбы может быть любым, но предпочтительнее метрическая резьба по ГОСТ 11709-81 (если по условиям эксплуатации для образования
32
резьбового соединения не требуется иной резьбыкруглой, крепеж ной, трапецеидальной)-см. разд. 1.2.4 и гл. 2 (табл. 2.7). Указанный стандарт регламентирует нормы взаимозаменяемости резьбовых пластмассовых изделий.
Резьбовыми кольцами (или матрицами) оформляются резьбы на наружной поверхности изделия. В зависимости от конструкции изде лия матрицы или кольца могут быть цельными или разборными, состоящими из двух или более секторов. Разборные кольца рекомен дуются как обязательные при формовании наружной резьбы на изде лиях из хрупких пластмасс, например из полистирола. Использование такой разборной оснастки полностью Исключает повреждения поверх ности резьбы при вывинчивании деталей из формы. Однако при этом требуется зачистка облоя по плоскостям разъема, ухудшающая ка чество поверхности.
Если в резьбовом соединении используется болт (винт) металличес кий, то пластмассовую гайку целесообразно выполнять с запрессован ной металлической резьбовой арматурой (втулкой), поскольку при многократном свинчивании пластмассовая резьба относительно быстро разрушается.
Соотношения диаметров и длин рабочей части резьбовых знаков (т. е. глубина формования) могут быть приняты такими же, как для гладких стержней, оформляющих отверстия. Обычно в большинстве случаев не требуется глубоких резьбовых отверстий, и глубина фор мования назначается равной 1,5-2 диаметрам резьбового знака. Перемычку между резьбовыми отверстиями и расстояние от отверстий до краев детали следует увеличивать примерно в 1,5 раза по сравне нию с гладкими отверстиями.
Примеры оформления резьб на деталях из пластмасс приведены на рис. 1.17. Если резьба на поверхности изделия имеется в двух или более различных местах, она должна иметь одинаковый шаг. Заходная часть резьбы выполняется так, чтобы на длине (0,5-Н,0)р (р-шаг) не было нарезки, что облегчает свинчивание в начальный момент. На другом конце резьбы также может быть предусмотрен участок без нарезки, если это не мешает извлечению изделия из формы.
Резьбовые поверхности изделий из слоистых пластмасс обычно нарезают метчиками, что позволяет получать как сквозные, так и глухие отверстия. В последнем случае необходимо предусмотреть возможность для выхода стружки. Известны и широко распространены способы нарезания резьбы самонарезающими гайками в предваритель но отформованных отверстиях.
Резьба в изделиях из пластмасс должна конструироваться (выби раться) на основании расчетов. В резьбовом соединении, как известно, возникает осевая сила, создающая растягивающие осевые напряжения в стенках изделия и сжимающие напряжения на поверхности резьбы. При большом числе витков резьбы сжимающие напряжения уменьша ются, а растягивающие-увеличиваются, и возрастает опасность разрушения изделия от их действия.
зз
Р и с . 1.17. Оформление резьб на поверхностях изделий из пластмасс:
й — одно- и многозаходная резьба; б — резьба одинакового шага на двух последовательно расположеных участках; в, с, д — неправильные; е, ж, з — правильные конструкции резьбовых изделий
Из условия равнопрочности стенки изделия на растяжение (ор) и резьбы на смятие (ош) рассчитывают число витков резьбы:
п1= (°р/°см)(°М
где h — высота резьбы; 6 — толщина стенки изделия, определенная по впадинам резьбы.
Из условия равнопрочности на растяжение и изгиб стенки резьбо вого изделия рассчитывают число витков резьбы:
n2=3(6+h)/6,
причем всегда П2>щ.
Из условия равнопрочности в осевом и тангенциальном направле ниях число витков определяют по формуле n3=c//(2ptga), где й- диа метр резьбы; a - угол наклона боковой поверхности витка резьбы (для упорных и круглых резьб a=90° и п = 0).
При максимальной осевой нагрузке вследствие деформации резьбы образуется радиальный зазор:
A3=(op/£)[c/2/(4nptga)3.
Если ^3=h, то происходит выдергивание болта или гайки (при условии, что пластмасса достаточно эластична и не разрушается при напряжении ор).
Вместо резьбы в соединениях типа „пластмассапластмасса" в последние годы применяют различные замковые конструкции, исполь зуя эластичные свойства материалов. На рис. 1.18 показан пример такой конструкции. Здесь важно точно определить размеры уступа и канавки. При разъеме соединяемых изделий осевое усилие должно отогнуть конец изделия с уступом и вывести его без повреждения из канавки^ для этого угол должен быть в пределах 3040°, а высота
34
Рис. 1.18. Вариант конструкции замкового соединения двух изделий
/=(0,2-г 0,3)6; размеры а и h целесообразно принимать равными для обеих соединений изделий: di < dx; р = 15+20° - обозначения см. на рис. рис. 1.18.
Конструкции пластмассовых изделий с металлической или другой арматурой- это неразъемные соединения, образующиеся непосредст венно в процессе формования-за счет усадки материала, разности коэффициентов теплового линейного расширения пластмассы и метал ла (или другого материала) арматуры.
Необходимость применения арматуры появляется в следующих случаях: когда без нее нельзя' повысить прочность или жесткость отдельных участков изделия; для повышения точности и определен ности сопряжения изделия с другими, особенно металлическими; для повышения стойкости к износу из-за истирания или заедания пласт массы; для создания более плотного резьбового соединения и крепле ния других изделий болтами или заклепками.
Арматура бывает трех видов: втулочная, стержневая, листовая (плоская), причем для любого из этих видов-сквозная и глубокая (т. е. выходящая из изделия).
Известны способы образования сборно-разборной конструкции, когда арматура устанавливается в заранее'- изготовленное изделие сразу после извлечения его из формы. И в этом случае соединение происходит за счет усадки материала, который плотно охватывает арматуру.
Наконец, может быть осуществлено неподвижное или разъемное соединение пластмассового изделия с арматурой после охлаждения изделия. При этом неподвижное соединение создается, как правило, с помощью клея, развальцовкой и т. д.
Конструкции изделий с запрессованной арматурой обеспечивают относительно высокую прочность крепления арматуры в пластмассе (при правильно выбранной форме и конструкции арматуры) и высокую
точность координации арматуры. Однако такие конструкции облада ют и рядом существенных конструктивных ограничений: возможно появление значительных трещин в материале изделия из-за различ ных коэффициентов линейного расширения пластмассы и металличес кой арматуры; повышается вероятность выхода из строя изделий с запрессованной арматурой во время эксплуатации, особенно в усло виях резкой перемены температур и в тропических условиях из-за наличия микротрещин в пластмассе вокруг арматуры; увеличивается продолжительность загрузки горячей формы, особенно при больших партиях изделий и малых размерах запрессованной арматуры, удли няется цикл изготовления таких изделий; возрастает процент брака из-за арматуры (происходит затекание массы на арматуру при формо вании); увеличивается процент вероятного брака готовых изделий с арматурой из-за повреждения арматуры при эксплуатации (срыв резьбы, повреждение слоя гальванического покрытия и т. д.); возни кают дополнительные источники неравномерного охлаждения изде лия после формообразования и, как следствие, внутренние напряже ния, приводящие к образованию трещин; значительно увеличивается стоимость и сложность изготовления форм для изделий с металличес кой арматурой; затрудняется осуществление автоматизации процесса изготовления изделий.
Изготовление армированных изделий путем последующей сборки частично устраняет отмеченные недостатки.
Там, где арматура является токопроводящей, ее необходимо рас полагать так, чтобы увеличить путь электрического разряда, макси мально удаляя контакты друг от друга или вводя дополнительные ребра и пазы.
При запрессовке арматуры во время формования требуются спе циальные гнезда для установки арматуры. Фиксирование арматуры должно осуществляться достаточно прочно, чтобы она могла противо стоять давлению течения массы материала и так, чтобы не происхо дило затекания массы в гнезда. Кроме того, необходимо, чтобы она удобно устанавливалась в гнезда и был достаточным слой пластмассы вокруг опрессовываемой части арматуры. Материал следует выбирать с учетом свойств контактируемой пластмассы. Например, недопустимо сочетание никелированной и посеребренной арматуры с пресс-мате риалами, содержащими сернистые соединения.
Металлическая арматура существенно влияет на точность изготов ления изделий из пластмасс, так как она затрудняет, сдерживает процесс усадки после извлечения ее из формы, что в равной мере относится как к гладким элементам изделия, так и к межосевым размерам. От рационального расположения арматуры во многом зависит правильная геометрическая форма изделий. Арматуру не следует располагать близко к поверхности, внутренней стенке и краю изделия, а также только с одной стороны изделия во избежание образования трещин, вздутий, коробления и других дефектов.
Минимальные толщины слоя пластмассы вокруг металлической
36
арматуры (от 0,5 до 5 мм) выбирают с учетом размера спрессовывае мой арматуры и физико-механических свойств пластмасс таким образом, чтобы предотвратить появление трещин от усадочных напря жений. Для образования тонких слоев пластмассы на металлических деталях должны применяться материалы, обладающие возможно меньшей усадкой и наиболее низким коэффициентом линейного расширения. Во избежание вспучивания пластмассы над арматурой расстояние Ь от ее края по поверхности детали должно быть не менее 1,5-2 мм. Эта рекомендация пригодна для аоматуры с наружным диаметром до 5 мм. Если диаметр арматуры d оказывается больше 5 мм, то расстояние увеличивается в соответствии с увеличением отношения d/b. Чтобы предотвратить осевое смещение штифтовой или втулочной арматуры (даже при условии, что на арматуре имеется накатка или насечка), следует предусматривать в изделии технологи ческое отверстие под опорный знак, расположенное на одной оси с арматурой.
Располагать металлическую арматуру перпендикулярно направле нию приложения усилия не рекомендуется, однако там, где такая арматура необходима, следует предусматривать возможность уста новки опорных знаков в форме.
Поперечное сечение металлической арматуры (включая и отверс тие в арматуре) должно быть меньше сечения пластмассы. Арматуру следует закреплять в форме, как правило, в одной половине, по возможности в нижней ее части. Варианты закрепления арматуры в пластмассовых деталях приведены на рис. 1.19. Для надежного удер жания и предотвращения проворачивания арматуры вокруг оси или вырыва ее из изделия применяются буксы, штифты, втулки, накатка наружной поверхности запрессовываемой части арматуры и кольце вые канавки. Накатка может быть прямой и сетчатой (кре,ст-накрест). При накатке необходимо подрезать посадочный буртик или не дово дить ее на 1,5-2 мм до торца, так как края арматуры во время обра ботки несколько приподнимаются.
Высота накатки, рифлений или насечки может быть рассчитана из условия, что наиболее опасными являются контактные напряжения (допустимые значения этих напряжений для пластмасс-3-8 МПа). Следует напомнить, что арматуру удерживает сила трения между соприкасающимися поверхностями, возникающая как следствие температурных напряжений; стремление снизить эти напряжения приводит к ослаблению связи арматуры с пластмассой, которую и усиливают неровностями поверхности соприкосновения.
Для предотвращения затекания массы на арматуру и в гнезда круглые гладкие буксы и втулки могут иметь сквозные отверстия, которые, даже если в них попадает пластмасса, легко зачищаются. Используются также специальные резьбовые буксы.
Штампованная листовая арматура малоустойчива по отношению к давлению массы в форме, поэтому желательно так ее располагать, чтобы поток расплавленной массы на своем пути встречал ребро арматуры.
Рис. 1.19. Варианты закрепления арматуры в пластмассовых деталях: а — круглой; б — проволочной; е — лепестковой
Точность изготовления арматуры должна соответствовать ее конст рукции и условиям фиксации в форме. Наибольшие требования по точности предъявляются к штампованной листовой и сквозной арма туре. В первом случае это объясняется тем, что под плоскую арматуру необходимо изготовить в форме соответствующие пазы и окна, во втором случае-тем, что точность изготовления размеров изделий из пластмасс по высоте непосредственно зависит от точности изготовле ния открытой арматуры, т. е. выходящей на поверхность изделия. Если арматура будет иметь большую, чем предусмотрено, высоту, она расплющится, меньшуюона будет заливаться пластмассой. Рекомен дуется эти размеры арматуры выполнять по квалитетам ГГЭ-^10.
В случае необходимости запрессовка крупных металлических вставок (например, в деталях электрических машин) при небольшой толщине слоя пластмассы вокруг опрессовываемой арматуры (от 35 до 50% от диаметра арматуры) целесообразно применять метод соедине ния арматуры с изделием сразу после извлечения его из формы. Этим исключаются трудности, связанные с закреплением или фиксацией громоздкой арматуры в форме и т. д. При конструировании таких изделий размеры отверстий под запрессовку арматуры следует назна чать с учетом усадки пластмассы, размеров вставок и необходимого натяга. Первоначально натяг создается за счет усадки пластмассы при остывании изделия со вставленной в него арматурой. Кроме этого натяга для мелких металлических вставок требуется дополнитель-
38
ныйоколо 0,025- 0,050 мм, а для крупныхпримерно 50% от величи ны усадки.
Пластмассовые изделия с металлической арматурой необходимо рассчитывать на прочность, определяя растягивающие и сжимающие напряжения в стенке изделия (это можно выполнять с учетом или без учета релаксации напряжений в пластмассе; расчетные формулы учитывают также тип арматурывтулочный или стержневой).
Накатка и рифление (а также надписи)-осуществляются в процессе формования и на наружных поверхностях изделий из пластмасс. Часто накатка и рифление применяются в декоративных целях. На поверх ности изделий накатки, рифления и надписи необходимо располагать так, чтобы извлечение изделий из форм не требовало применения разъемных частей (знаков, вставок).
Рассмотрим некоторые особенности конструирования изделий из слоистых пластмасс.
Конструкции изделий из слоистых пластмасс отличаются анизотро пией механических и других свойств. Следовательно, при эксплуата ции они должны нагружаться главным образом в направлении их максимальной прочности. Прочность некоторых слоистых пластмасс сравнима с прочностью конструкционных сталей, но модуль упругости их значительно ниже. Это необходимо учитывать в первую очередь при конструировании изделий, от которых требуется достаточная жесткость.
Следует также учитывать, что гибкие конструкции из слоистых пластмасс могут терять свою устойчивость значительно раньше, чем будет исчерпана прочность материала. Поэтому при проектировании конструктивных элементов, работающих на изгиб, особо важно преду смотреть, чтобы направление приложения нагрузки соответствовало тому направлению, в котором модуль упругости материала имеет максимальное значение.
Концентрация напряжений в элементах конструкций из слоистых пластиков опасна, так как резерв пластичности этих материалов, как правило, очень мал и обнаруживается при растяжении в направлении, близком к 45° относительно осей упругой симметрии, в других же направлениях такого резерва практически не существует.
Опасность влияния концентрации напряжений на прочность изде лий из слоистых пластиков усиливается неизбежными дефектами структуры материала.
Значительное увеличение концентрации напряжений в элементах конструкций может возникнуть при резком увеличении числа слоев армирующих материалов; этого можно избежать путем постепенного уменьшения длины этих слоев. Указанный прием часто используют в клеевых соединениях, при армировании углов, создании водонепро ницаемых соединенийпримеры см. на рис. 1.20.
Постановка размеров на чертеже пластмассового изделия является важным этапом проектирования, создания технологичного изделия.
Характерныепримеры правильной простановки размеров приведены
39