4.2.2. Сопряжения и примыкания стенок и ребер жесткости

200
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
4.2.2. Сопряжения и примыкания стенок и ребер жесткости
Сопряжения стенок оказывают влияние на прочность и долговечность деталей,
поскольку, образуя разнотолщинности, являются причиной дефектов. Наружные дефекты проявляются в виде коробления, усадочных раковин, образования трещин. Внутренние дефекты проявляются в виде структурной неоднородности термопластов по
глубине сопряжения, образования микротрещин, уменьшения усталостной прочности
детали. Внутренние дефекты проявляются в процессе эксплуатации.
Сопряжения стенок могут иметь разнообразную конфигурацию. При их конструировании следует минимизировать отклонения по толщине сопряженных стенок. Известен метод графического определения размеров зон утолщения (рис. 4.2). Возрастание массы узла существенно замедляет процесс затвердевания детали из термопласта
и сопровождается образованием внутренних дефектных зон.
б)
D
2
=
5,3
2
в)
d
D
4
4
4
D
d
d
4
D
4
d
2
= 1,75
D
d
2
=
6,0
4
D
г)
4
4
2
= 2,25
D
d
d
4
а)
2
=
7,2
4
2
= 3,24
D
d
2
=
7,7
4
2
= 3,70
Рис. 4.2. Графический метод определения зон утолщения сопряжений и увеличения массы
полимера в узле: а — на 75%; б — на 125%; в — на 224%; г — на 270%; ??? — внутренние дефектные объемы
Определенный положительный эффект достигается уменьшением толщины
примыкающих стенок по сравнению со стенками основного элемента конструкции
(рис. 4.3).
Неправильно
L > 1,5S
S1 = 0,7S
S1
L
S1
S1 = S
Правильно
S
Рис. 4.3. Примыкание стенок пластмассовой детали
S
201
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
Радиусы закруглений поверхностей изделий, образующих угол, влияют на равномерность течения расплава при заполнении формы и, таким образом, на возможные
внутренние напряжения в деталях и на их точность. Кроме того, наличие закруглений
способствует прочности изделия, его долговечности, упрощает изготовление оснастки
и уменьшает ее износ. Любые острые кромки на изделии, в том числе желательные по
конструктивным соображениям, должны быть закруглены (рис. 4.4).
S1
S1
r
При S = S1
r=S
R = 2S
R
r
R
При S > S1
S
r=
S + S1
2
R = 2S
S
Рис. 4.4. Радиусы закруглений
Со свойствами пластмасс значение радиусов закруглений связано простым качественным соотношением — чем больше твердость и хрупкость пластика, тем больше
должен быть радиус закругления R.
Рекомендуются наименьшие значения R, мм:
ПЭВП, ПП
1,02–0,8
ПА, ПФА
0,3–1,0
ПС, ПММА, ПК
1,0–1,6
ФП, АП
1,6–1,5
Значения R согласуют с высотой h стенки (ребра); ориентировочно R ≈ 0,05h.
Минимальное значение радиусов закруглений острых кромок 0,2–0,3 мм.
Ребра жесткости широко применяются в конструкциях разнообразных по назначению деталей машин и приборов (зубчатые и червячные колеса, шкивы, корпусные
детали и пр.).
Они позволяют уменьшить толщину стенок детали при сохранении ее жесткости
и прочности, уменьшают или даже исключают коробление, способствуют размерной
стабильности изделия.
Толщина ребер жесткости всегда является частью толщины стенки S. Ее значение составляет: для ПЭ, ПП — (0,3–0,6)S; для ПА — (0,15–0,35)S; для ПС и ПК —
0,5S. Рекомендуемая высота ребер при отсутствии конструктивной необходимости
до (3–5)S.
Ребро жесткости ориентируется по направлению течения расплава в форме.
Сечение ребер жесткости должно иметь треугольную или трапецеидальную форму с закругленной вершиной и плавным переходом к основанию (рис. 4.5).
202
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
r
5–8°
R = (0,5–0,6)S
20–30°
R
h = (0,7–1,0)S
5–9°
h
R
S
b = (0,7–0,8)S
h = (1–3)S
R > 1,5 мм
R = (0,25–0,35)S
b
h
4
R = 3S
h = 3S
S
R
S
S
r=
h
S
h
r
hmax = 2,5S
Рис. 4.5. Рекомендуемые формы сечений ребер жесткости
Ребра жесткости не должны достигать плоскости опорной или габаритной поверхности детали, но отступать от нее на 1–2 мм; предпочтительно плавное примыкание
ребра жесткости к стенке (рис. 4.6, а). В случае примыкания к стенке нескольких ребер жесткости их следует располагать в шахматном порядке (рис. 4.6, б).
б)
Правильно
Неправильно
1,0–2,0
а)
Трещины
Рис. 4.6. Рекомендации по конструированию примыкания ребер жесткости к стенкам
Для предотвращения прогибов значительных по площади стенок используют прием изготовления мелких декоративных ребер-нервюр, высота которых не превышает
их ширины. Геометрические оси нервюр должны быть, как и для ребер, параллельны
направлению съема детали из формы (рис. 4.7).
а)
б)
в)
г)
Рис. 4.7. Примеры использования внутренних (а, в) и наружных (б, г) нервюр для увеличения
жесткости днищ (а, б) и боковых стенок (в, г)
Зиги являются своеобразной разновидностью ребер жесткости. Они применяются, как правило, в тарных емкостях, например, в канистрах, для увеличения жесткости
203
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
стенок. Зиги — это гребнеобразные округлой конфигурации выступы, образованные
изгибом стенки изделия без изменения ее толщины S (рис. 4.8). Зиги могут быть одиночными (рис. 4.8, а) и пересекающимися (рис. 4.8, б), располагаться на стенке гребнями вовнутрь и наружу. Чаще встречается первый вариант, так как в этом случае не
затрудняется извлечение изделия из раскрытой формы.
l
B
h
S
S
h
S
S
l
h = (0,3–0,5)b
Рис. 4.8. Зиги, схема устройства
Утолщения, бобышки, приливы служат для создания необходимых при соединении нескольких деталей опорных поверхностей, для размещения гладких и резьбовых
отверстий, установки арматуры, для реализации других конструктивных особенностей
(проушины, петли, крюки). Основное требование к перечисленным элементам — плавность геометрических переходов между сопрягаемыми поверхностями, что достигается подбором закруглений, уклонов, ребер, рациональных конфигураций элементов
изделия при минимальном отклонении от равнотолщинности (рис. 4.9).
Неправильно
Правильно
ребро
Бобышки
Приливы
Утолщения
Рис. 4.9. Схемы устройства бобышек, приливов, утолщений
Бобышки не должны сливаться со стенками изделий, но должны сопрягаться с ними
ребрами; над торцевой поверхностью изделия они выступают на величину до 0,5 мм.
204
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
Приливы, как правило, играют роль опорных поверхностей, декоративных и функциональных буртов. Необходимо стремиться к уменьшению непрерывной длины приливов, заменяя ее прерывистой.
Утолщения используют для размещения отверстий, а также в качестве технологических выступов для упора в них толкателей, особенно применительно к тонкостенным изделиям сложной конфигурации.
Отверстия в пластмассовых деталях обычно изготавливаются в процессе формования, в связи с чем их конфигурация и устройство могут быть весьма разнообразными: сквозные и глухие, цилиндрические и конические, гладкие и резьбовые (если
это целесообразно технологически), по форме сечения: круглые, эллиптические, квадратные, треугольные и т. д.
Отверстия располагают в бобышках, фланцах, выступах или специальных утолщениях. Глубина сквозного отверстия, а также его длина по оси не должна превышать
10 диаметров, глубина глухого отверстия — до 4 диаметров. Расстояние между стенками соседних отверстий составляет не менее 2,5–5,0 мм. Сечение глухого отверстия
должно иметь конусность вовнутрь с углом 1 град. Расстояние между его дном и торцевой поверхностью детали назначают не менее 1,5 диаметров.
Любые отверстия в пластмассовых деталях являются концентраторами напряжений, влияющими на длительную прочность. В большей мере это относится к отверстиям, изготавливаемым механическим способом.
Конструкции отверстий должны предусматривать входные и выходные фаски или
закругления острых кромок (рис. 4.10).
Неправильно
Правильно
0,5×45
притупить ч = 0,5
?????
Рис. 4.10. Пример конструкции глухого отверстия
Технологические уклоны служат для облегчения съема деталей при их удалении
из формующей оснастки, их назначают на внешних и наружных поверхностях деталей, параллельных вектору смыкания и размыкания элементов формующей оснастки
и направлениям извлечения изделия. Отказ от технологических уклонов возможен,
но он сопровождается увеличением брака, замедлением технологического процесса,
влияет на производственный травматизм.
Условий отказа от уклонов два: первый — тонкостенность деталей (S < 1 мм) при
высоте стенки до 30 мм, и второй — уклоны не назначают на плоских монолитных
205
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
деталях толщиной до 6 мм. Угол технологического уклона внутренней поверхности
больше, чем у наружной, поскольку при усадке изделия происходит обжатие внутреннего оформляющего элемента, в то время как наружные поверхности отделяются от стенок формы (рис. 4.11).
Правильно
Неправильно
H
α
90°
90°
h
α
Рис. 4.11. Схема технологических уклонов
Рекомендуются минимальные угловые (a) значения уклонов.
Наружные поверхности: 15′; 30′; 1°.
Внутренние поверхности: 30′; 1°, 2°.
Ребра жесткости, выступы, бобышки: 2°, 3°, 5°, 10°, 15°.
Также технологические уклоны не назначают на элементах деталей, которые могут быть выполнены без уклонов. Например, уклоны не назначают на наружных поверхностях полых деталей высотой до 30 мм, на конусных деталях и деталях, имеющих сферическую форму.
При назначении уклона учитывается значение допустимой погрешности размера детали.
Величины уклонов нередко обозначают соотношением линейных размеров h/H.
Величина уклона оказывает существенное влияние на размерную точность элементов детали, лежащих в плоскостях, перпендикулярных направлению усилия замыкания
пресс-форм или направлению перемещения составных частей сложных пресс-форм.
Поэтому полная погрешность таких размеров и величина полного допуска должны
включать, кроме значения Sт, еще и значение Dук (рис. 4.12). Под Sт (технологический
допуск) понимают величину, ограничивающую все погрешности, возникающие при
изготовлении детали и ее охлаждении до нормальной температуры, а Dук — погрешность на технологические уклоны [1, 2].
Значения Dук зависят от высоты H детали и угла наклона a (рис. 4.11).
Полную погрешность размеров Dполн, на которую влияет технологической уклон,
определяют по формуле:
Dполн = D2 – D1 = Sт + Dук
Dук = 2Htga,
(4.1)
(4.2)
206
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
или
Dук = Hk,
(4.3)
где k — уклон в виде отношения.
б)
∆полн
2
D1
∆ук
2
Sт
α
2
H′
D2
а)
α
H
∆′ук
2
Sт
2
∆′полн
d1
2
d2
Рис. 4.12. Схемы технологического уклона: а — для внутреннего размера D1; б — для наружного d1 (D1 и d1 — номинальные размеры)
Значения погрешностей за счет одностороннего уклона для рекомендуемых углов
наклона a приведены в табл. 4.3 [2].
Для значений H, не приведенных в табл. 4.3, величину Dук вычисляют по приведенным формулам.
Наиболее рационально обозначать уклоны величинами отношений размеров.
Угол наклона a
15′
30′
45′
1°
1°30′
2°
Высота детали H, мм
Высота детали H, мм
Таблица 4.3. Величины Dук/2, мм, в зависимости от высоты детали и угла наклона a
Угол наклона a
15′
30′
45′
1°
1°30′
2°
1
0,004 0,008 0,013 0,017 0,025 0,035
30
0,120 0,250 0,400 0,500 0,800 1,000
2
0,008 0,016 0,025 0,035 0,050 0,079
35
0,150 0,300 0,450 0,600 0,900 1,200
3
0,012 0,025 0,040 0,050 0,080 0,100
40
0,160 0,320 0,520 0,700 1,000 1,400
4
0,017 0,034 0,050 0,060 0,100 0,140
50
0,200 0,400 0,650 0,850 1,250 1,750
5
0,020 0,040 0,060 0,080 0,120 0,160
60
0,250 0,500 0,800 1,000 1,500 2,100
6
0,025 0,050 0,080 0,100 0,160 0,200
70
0,280 0,560 0,900 1,200 1,750 2,150
8
0,035 0,070 0,100 0,140 0,200 0,280
80
0,340 0,700 1,000 1,400 2,000 2,800
10
0,040 0,080 0,125 0,170 0,250 0,350
90
0,400 0,800 1,200 1,600 2,400 3,150
12
0,050 0,100 0,150 0,200 0,300 0,400
100 0,420 0,840 1,300 1,750 2,600 3,500
15
0,060 0,120 0,180 0,250 0,360 0,500
110 0,460 0,900 1,400 2,000 2,800
—
18
0,075 0,150 0,230 0,300 0,450 0,600
130 0,540 1,100 1,700 2,300
—
—
20
0,080 0,160 0,260 0,350 0,520 0,700
150 0,600 1,250 2,000
—
—
25
0,100 0,200 0,300 0,400 0,650 0,900
—
207
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
Углы уклонов и значения их тангенса применительно к ряду нормальных отношений [1,2] следующие:
Отношение
1:50
1:100
1:200
Угол уклона a
1°8′45′′
34′23′′
tg a
0,02
0,01
1:300
1:400
17′11′′
11′25′′
8′36′′
0,005
0,003333 0,0025
1:500
1:600
6′55′′
5′45′′
0,002
0,001666
При выборе оптимального угла технологического уклона следует учитывать характер поверхности детали: степень механической прочности элемента или детали в целом; механическую прочность применяемой пластмассы; способ выталкивания детали; степень чистоты формующих поверхностей.
Элементам деталей, имеющим лишь конструктивное значение (ребра жесткости,
перемычки, выступы, углубления), можно давать сколь угодно большие уклоны, величина которых определяется обычно внешним видом детали.
Минимально допустимые значения технологических уклонов для деталей из полистирола, этролов, аминопластов составляют 15′ и 30′, а для деталей из полиэтилена
30′ и 1° соответственно на внутренних и наружных поверхностях.
Минимальные значения технологических уклонов в зависимости от высоты различных участков детали приведены в табл. 4.4, а минимально допустимые значения
односторонних технологических уклонов элементов деталей из различных пластмасс
высотой (длиной) не более 100–120 мм — в табл. 4.5.
Таблица 4.4. Величина технологического уклона в одну сторону
Высота
детали, мм
Наружные Внутренние Высота детали, мм Наружные
Внутренние
поверхности поверхности
поверхности поверхности
до 10
1,0:100
1,5:100
свыше 100 до 200
0,5:100
0,8:100
свыше 10 до 50
0,8:100
1,2:100
свыше 200
0,3:100
0,6:100
свыше 50 до 100
0,6:100
1,0:100
Таблица 4.5. Минимально допустимые значения односторонних технологических уклонов
элементов деталей высотой (длиной) не более 100–120 мм [2,7]
Пресс-материал
Толстостенное изделие
Тонкостенное изделие
для внутренней для наружной для внутренней для наружной
поверхности
поверхности
поверхности
поверхности
Фенопласты, АГ-4
1:500
1:600
1:300
1:400
Аминопласты
1:400
1:500
1:200
1:300
Сополимеры стирола, СН,
СНП, МСН
ПК, ПЭТФ, ПСФ
1:300
1:400
1:100
1:200
1:200
1:300
—
—
Полистирол, полиамиды,
этролы, ПЭВП
ПЭНП
1:100
1:300
1:100
1:200
—
—
1:50
1:100
208
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
4.2.3. Детали с арматурой
Пластмассы, при всех перечисленных ранее достоинствах, обладают и существенными недостатками, среди которых чувствительность к концентраторам напряжений (резьбы, сопряжения поверхностей и др.), недостаточная жесткость как функция
упругопластичности развивающихся деформаций, возможная нестабильность размеров деталей вследствие релаксационных процессов, особенно в условиях повышенных нагрузок и температур. Все это заставляет конструкторов использовать приемы,
устраняющие или снижающие влияние перечисленных органических особенностей
полимерных материалов. Одним из таких приемов является конструирование пластмассовых деталей с вставками, арматурой из других материалов.
Для изготовления вставок применяют стали, чугуны, бронзы, латуни, керамику,
полимерные материалы со специальными свойствами (термостойкие, электро-, теплопроводящие, высокомодульные, трибопласты). Арматуру применяют также для
увеличения точности деталей, поскольку она аддитивно уменьшает величину усадки
и стабилизирует пределы ее колебаний.
Закрепление арматуры в пластмассовой детали, в подавляющем большинстве случаев, происходит в процессе ее формования из текучего расплава (литье под давлением,
прессование) или из вязкотекучей реакционно-способной массы (химическое формование). Вставка размещается в форме, которая затем заполняется расплавом (термопласты, пресс-материалы) или реакционно-способной массой (композиции на основе
олигомеров, компоненты поликонденсационных термопластов). Движение полимерной массы в заполняемой форме не должно изменять требуемое положение вставки.
Кроме технологии формования армированных деталей применяют, но значительно реже, методы запрессовки вставки в изготовленную деталь, постановку на резьбе,
укрепление при помощи штифтов и стопоров [1, 2].
Неразъемность соединения металлической арматуры с пластмассовым изделием достигается различными способами. Прежде всего, его плотность обеспечивается
усадкой полимерного материала при остывании и затвердевании расплава (термопласты) или при химическом отверждении полимерной массы (реактопласты), рис. 4.13.
Рис. 4.13. Соединение металлической арматуры в пластмассовом изделии
Отметим, что в этом случае вследствие релаксационных процессов, происходящих в полимере, плотность такого соединения с течением времени неминуемо будет
209
Глава 4. Основы конструирования пластмассовых деталей
снижаться (см. раздел 2.2), особенно при повышении температуры в процессе эксплуатации. Поэтому в конструкции вставок предусматривают элементы, предотвращающие утрату неразъемности. На цилиндрических или плоских поверхностях предусматривают рифление или накатку, в конструкции вставки предусматривают кольцевые
канавки, препятствующие ее осевому перемещению (рис. 4.14, а, б), глубокое параллельное оси вставки рифление (рис. 4.14, б); сечению вставки придается форма квадрата или прямоугольника (рис. 4.14, в; рис. 4.15, б).
г)
в)
б)
д)
а)
Рис. 4.14. Варианты крепления арматуры: а — втулочная; б — стержневая; в — стержневая
сквозная; г — плоская клеммная; д — кольцеобразная (к венцу зубчатого колеса)
D
б)
0,8D
A
H=D
0,3H
а)
0,75D
A
Mкр
Рис. 4.15. Крепление арматуры в пластмассовых деталях при: а — осевых нагрузках; б — действии вращающего момента
При использовании плоских вставок в них предусматриваются сквозные отверстия,
например, так, как показано на рис. 4.14, г. Наконец, в кольцевых вставках предусматривают кольцевые канавки (рис. 4.14, д), а при необходимости и канавки поперечные. Основные геометрические соотношения пары «стержневая вставка – пластмассовая деталь» показаны на схеме 4.14, а. Кроме того, многочисленные рекомендации
по проектированию и оформлению чертежей деталей с арматурой, выполненные с позиций конструирования переработочной оснастки, можно найти в [57, 59]. Заметим,
что для инженера-конструктора, являющегося разработчиком самой детали с арматурой и отвечающего за ее работоспособность, эти рекомендации не станут исчерпывающими, обеспечивающими ее кинематические, сборочные и эксплуатационные характеристики. Необходимо учитывать следующее: