Особенности конструкций соединения для полимерных композиций

Широкое применение находят сборные конструкции, получаемые различными способами соединения деталей и узлов из пластмасс. Использование этих способов целесообразно в тех случаях, когда требуется изготовить сложное по конструкции и крупное по размерам изделие с однородными физико-химическими и механическими свойствами. Эти способы также успешно могут быть применены, если в одной конструкции необходимо сочетать пластические массы различных видов или пластические массы с другими материалами.

Метод крепления и сборки должен обеспечить механическую связь между различными деталями, которые дополняют друг друга в конструкции. Во многих случаях процесс сборки осуществляется в процессе дополнительной обработки. Иногда возникает необходимость уменьшить количество деталей и материалов, входящих в состав изделия, чтобы упростить его конструкцию ил уменьшить затраты, связанные со сборкой и изготовлением. Главной целью при конструировании большинства пластмассовых изделий является минимизация количества сборочных операций за счет объединения их функций и формования элементов крепежа заодно с пластмассовой деталью.

Для изделий, изготовленных литьем под давлением существуют определенные требования сборки, поскольку они могут иметь очень сложную геометрию:

- необходимо минимизировать число деталей, входящих в сборочный узел и изделие в целом;

- нужно как можно реже использовать винты, вставки и аналогичные им крепежные элементы (особенно это касается механического крепежа, требующего при сборке вращения)

- нужно уменьшить количество таких технологических операций, как, например склеивание и сварка.

Различают следующие виды сборки:

- прессовые соединения;

- замковые соединения;

- механические крепления (болтовые, винтовые, окантовка);

- сварка;

- клеевые соединения;

- соединение с помощью растворителей.

Выбор метода сборки, который максимально соответствует данному изделию, осуществляется с учетом требований, и прежде всего экономических.

Очень большое значение имеют материалы, из которых изготавливают сборочные единицы. Например, для деталей из ПЭ лучше всего использовать прессовые или замковые соединения, поскольку его химическая стойкость и низкая поверхностная энергия затрудняют применение клеевых соединений. Сварные соединения предпочтительны для термопластов, но не для реактопластов. Если соединяемые детали изготовлены из разнородных материалов, или в процессе сборки вовлекся третий материал, как это имеет место при склеивании или механическом креплении, нужно уделять повышенное внимание коэффициенту линейного теплового расширения 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 одной поверхности. Такое соединение недопустимо, если высокие требования предъявляются 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, механическое крепление и сварка предпочтительнее, чем клеевое соединение. Существует. Ряд факторов влияющих на выбор соединения. К ним относятся:

- характеристики соединения при действии ударных, усталостных, статических нагрузок, а также остаточных напряжений или термически индуцированных напряжений;

- возможность осуществления его повторной сборки или разборки для ремонта или замены какого либо компонента изделия.

Физико-химические процессы, которые протекают при выполнении клеевых или сварных соединений, не допускают повторную сборку, а замковое, прессовое или механическое крепление такую возможность допускают. Изделие собранное с помощью самонарезающих винтов, может быть собрано и разобрано один - два раза, но если предполагается собирать изделие чаще, следует использовать винты для металлов в сочетании со вставками.

Метод крепления играет решающую роль в обеспечении разборки.

- по мере возможности нужно избегать такие финишные операции, как окрашивание, печатание и металлизация поверхности.

В последние годы получил распространение принцип конструирования, обеспечивающий повторное использование материала и деталей изделий. Сущность этого принципа проста:

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

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

3) использование технологии, допускающей повторную сборку.

Прессовые соединения

Является простейшим видом соединения, которое основано на использовании упругих или «пружинящих» свойств материала. Прессовые соединения часто применяют при сборке цилиндрических деталей. Примером может служить сборочный узел, состоящий из втулки и вала, который показан на рис. 1. Но возможно и соединение деталей другой геометрический формы. В прессовых соединениях используется посадка с нятягом двух деталей относительно друг друга. Напряжение и деформации, вызванные посадкой с натягом цилиндрических деталей, равномерно распределяются в зоне контакта соединяемых поверхностей.

Рис. 1. Втулка крепится на вал с помощью прессового соединения

На металлических или пластмассовых валах с помощью прессового соединения легко закрепляются шестерни, шкивы, подшипники и другие круглые детали. Оно применяется для деталей, отлитых без поднутрений, и не требует дополнительного использования винтов или шпонок. При расчете соединения необходимо учитывать релаксационные свойства материала, считаться с возможностью возникновения в этих условиях трещин или волосяного растрескивания.

Сборку с использование прессового соединения можно применять для деталей из любого реактопласта или термопластма, но на практике этот способ целесообразно использовать для деталей из более эластичных пластмасс.

Преимущества:

1. Возможность использования деталей из пластических масс, изготовленных литьем под давлением или прессованием, без дополнительной механической обработки.

2. Простата и надежность конструкции.

При конструировании и выполнении соединений деталей из пластических масс прессовой посадкой необходимо учитывать физико-механические свойства материала (модуль упругости, чувствительность к концентрации напряжений, термические коэффициенты линейного расширения, ползучесть полимерной фазы).

Чтобы исключить перенапряжение деталей, нужно избегать местных ослаблений сечения и резких переходов по толщине, создавать равномерный натяг по всей поверхности соединяемых участков.

При конструировании прессового соединения наиболее важным является правильный выбор натяга. Наиболее целесообразно принимать натяг 1,5 - 2,0 % или 3 – 4 % от диаметра сопряжения.

Существуют следующие способы соединения:

1. Продольно прессовое соединении.

Охватываемая деталь механически запрессовывается в охватывающую в продольном направлении.

2. Поперечно-прессовое соединение.

Сближение сопрягаемых поверхностей происходит в радиальном направлении. При этом предварительно нагревают охватывающие детали или охлаждают охватываемые.

В большинстве случаев наружные размеры втулки и диаметр вала выбираются в соответствии с эксплуатационными требованиями.

Иногда, чтобы упростить размещение втулки на валу, прессовое соединение втулок осуществляется с валами уменьшенного диаметра.

Рис. 2. Использование вала с поднутрением позволит точно установить вал в осевом направлении

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.

Когда втулка в процессе сборки запрессовывается на вал через участок с большим диаметром, значения напряжения могут превышать значение предела текучести при растяжении приблизительно на 40-60 %.

Валы, использующиеся в изделиях, сборка которых осуществляется с помощью прессового соединения, могут быть гладкими, текстурированными или даже с накаткой (рис. 3). У валов с гладкими поверхностями прочность при кручении может уменьшаться со временем из-за релаксации напряжения. Прочность при кручении для текстурироваппых или рельефных валов увеличивается за счет возникновения своего рода механического зацепления.

Рис. 3. Валы с гладкими, текстурированными поверхностями или даже с накаткой

Валы с гладкими поверхностями рекомендуется использовать для жестких аморфных термопластов, а валы с более грубыми поверхностями рекомендуется использовать в узлах с более податливыми частично кристаллизующимися термопластами, поскольку они менее чувствительны к концентрации напряжений. Применение шпонок и изменения геометрической формы вала увеличивают прочность при кру­чении соединения типа втулка-вал, но их использование противоречит принципу упрощения сборки.

Замковые соединения

Использование замковых соединений увеличивает скорость сборки, является экономически выгодным, поскольку необходимые знаки отливаются прямо с деталью (что устраняет необходимость использования крепежных элементов. Замковые соединения могут быть сконструированы таким образом, что их можно использовать многократно. Сборка с помощью замковых соединений характеризуется простотой и универсальностью.

Принцип действия замкового соединения не зависит от ее формы: выступающий элемент одной из детали, например, крючок, на короткое время отклоняется в процессе сборки, после чего возвращается в исходное положение за счет упругой релаксации. Прогиб в процессе сборки может быть довольно большим, но когда сборка завершается, напряжение пропадает (в отличие от фиксации с использованием прессового соединения).

Одним из серьезных недостатков использования замковых соединений является возможность разрушения деталей в процессе сборки или разборки изделия. Сборочные узлы с таким креплениями могут разрушиться из-за усталостных напряжений. Это особенно важно для сборочных узлов, изготовленных из хрупких и армированных волокнами пластмасс. Отремонтировать замки очень сложно или вообще невозможно. Другим недостатком замковых соединений является необходимость точного соблюдения допусков на детали. Контролируют геометрию замков и напряжение после сборки. Избыточный натяг или напряжение могут привести к разрушению соединения, а недостаток натяга может привести к неточному расположению деталей или ослабления их фиксации.

Типы замковых соединений

1) с помощью крючков (рис. 4);

2) с помощью кольцевых выступов и впадин (используются для сборки изделий цилиндрической формы) (рис. 5);

3) с помощью шаровой пяты и сферического углубления (рис. 6);

4) поворотные замковые соединения.

Кроме того, замковые соединения делятся на разъемные и неразъемные (рис. 7). Конструкцию соединения, позволяющую использовать повторную сборку и разборку называются разъемной. В разъемных соединениях используются установочные и обратные углы, что обеспечивает возможность введения одной детали в другую и их соединения. Неразъемное соединение самофиксируется, поскольку в нем обратный угол равен 90 град. Эти углы используются в качестве единственного средства для управления усилиями при надевании и съеме крышки с данной геометрии.

Рис. 4. Крючки, используемые для сборки пластмассовых изделий:

а – неразъемное; b – разъемное; с, d – с дополнительными элементами для облегчения разборки изделия

В разъемных соединениях используются установочные и обратные углы, что обеспечивает возможность введения одной детали в другую и их соединения. Неразъемное соединение самофиксируется, поскольку в нем обратный угол равен 90 град. Эти углы используются в качестве единственного средства для управления усилиями при надевании и съеме крышки с данной геометрией.

Рис. 5. Кольцевое соединение (посадка крышки на емкость)	Рис. 6. Сферическое замковое соединение

Рис.7. Разъемные и неразъемные замковые соединения

Проектирование замковых соединений не отличается от проектирования любого другого пластмассового изделия. При этом нужно учитывать как эксплуатационные требования, так и возможности изготовления. Особое внимание следует уделять конструкционным требованиями, поскольку:

1) элементы замка подвергаются значительному изгибу в процессе сборки и разборки,

2) элементы замка обеспечивают механическую целостность сборочного узла.