Конструирование деталей из пластмасс

Конструирование деталей из пластмасс

Правила конструирования пластмассовых деталей, изготовляемых прессованием и литьем под давлением, близки к общим правилам конструирования литых и штампованных деталей. Основное внимание должно быть направлено на упрощение изготовления дорогостоящих пресс-форм, увеличение производительности операций формования, а также на обеспечение равномерности свойств материала во всех частях детали и устранение внутренних напряжений. Следует добиваться получения деталей из формы в готовом виде, не требующих дополнительной механической обработки (за исключением удаления заусенцев).

Проектирование деталей следует начинать с того, что необходимо наметить плоскость разъема, определяющую конфигурацию детали, направление формовочных уклонов, расположение отверстий и размещение арматуры.

Как правило, форма должна иметь только одну плоскость разъема. Разъем по нескольким плоскостям усложняет конструкцию. Особенно нежелательны дополнительные разъемы в направлении, перпендикулярном к направлению основного разъема.

Для облегчения изготовления пресс-формам следует придавать наиболее простые формы (цилиндрические, конические и тому подобные, получаемые точением).

Изготовление фасонных форм сложных очертаний гораздо труднее, требует копирного фрезерования, а иногда и ручной обработки. Доводку таких форм (полирование формующих поверхностей) выполняют электро- или гидрополированием.

Следует иметь в виду, что позитивные, т. е. выпуклые части формы, образующие внутренние поверхности детали, обрабатывать проще чем негативные (гнезда матриц), образующие наружные поверхности детали. Поэтому все сложные профильные элементы детали рекомендуется переносить на внутренние поверхности, стараясь придать наружным поверхностям самые простые очертания.

Требования технологичности к конструкции деталей

Конфигурация детали должна обеспечивать легкое ее извлечение из формы. Недопустимы «подрезки» — местные выступы и углубления на наружных и внутренних боковых поверхностях, заставляющие вводить лишние разъемы, применять раздвижные формы (раскрывающиеся в направлении, перпендикулярном к направлению извлечения детали), вводить убирающиеся элементы, что сильно усложняет конструкцию пресс-форм и препятствует применению производительных блочных форм. Особенно нежелательны (а в мелких деталях совершенно недопустимы) подрезки на внутренних поверхностях.

Примеры нерациональных конструкций, требующих применения сложных пресс-форм, приведены на рис. 549—552. Там же показаны правильные конструкции, изготовляемые в одноразъемных формах.

Примеры нерациональных конструкций, требующих применения сложных пресс-форм

Примеры нерациональных конструкций, требующих применения сложных пресс-форм

Примеры нерациональных конструкций, требующих применения сложных пресс-форм

Примеры нерациональных конструкций, требующих применения сложных пресс-форм

Следует избегать на внутренних и наружных поверхностях деталей углублений и канавок, параллельных плоскости разъема формы. Пример неудачной конструкции головки рукоятки приведен на рис. 553. Формовка детали в положении, показанном на рис. 553, I, невозможна; при формовке в положении, показанном на рис. 553, II, в канавке в плоскости разъема образуется трудноудаляемый заусенец.

 Пример неудачной конструкции головки рукоятки

Профильные поверхности рекомендуется располагать так, чтобы формующие поверхности можно было выполнить только в матрице. На рис. 554 изображена рифленая головка рукоятки. При формовке по схеме, приведенной на рис. 554, I, формующие поверхности приходится выполнять в обеих матрицах, что затрудняет изготовление форм. Обеспечить совпадение рифлений в обеих матрицах затруднительно; к плоскости разъема на рифлениях образуется трудноудаляемый заусенец. Правильная схема формовки показана на рис. 554, II.

Схемы формовки профильных элементов

Наружные и внутренние поверхности стенок должны быть выполнены с уклоном (рис. 555), обеспечивающим легкое выталкивание детали из формы.

Формовочные уклоны

Исключение из этого правила представляют поверхности, которые по своему функциональному назначению нуждаются в строгой прямолинейности, например, поверхности зубьев шестерен, выполняемые, как правило, параллельно направлению извлечения детали. Протяженность подобных поверхностей рекомендуется делать минимальной.

Минимальные значения уклонов стенок детали рядового назначения в зависимости от высоты h стенки следующие:

Минимальные значения уклонов стенок детали рядового назначения в зависимости от высоты h стенки

Внутренние уклоны целесообразно делать большими, чем наружные, потому что при усадке деталь плотно сжимает формующие элементы, что затрудняет удаление детали с этих поверхностей. Лучше придавать стенкам определенный конструктивный уклон, выполняя детали, если это допускает конструкция, коническими, пирамидальными и т. д. (рис. 556). Чем больше конструктивные уклоны, тем легче удаляются детали и тем меньше внутренние напряжения, возникающие в стенках в результате усадки пластмассы при затвердевании.

Детали с конструктивными уклонами и без них

В конструкции деталей должны быть предусмотрены упорные поверхности под выталкиватели. Обычно в качестве упорных поверхностей используют следующие элементы конструкций: платики, бобышки и т. д. В отдельных случаях приходится искусственно создавать упорные площадки диаметром 4—6 мм. Упорные площадки должны быть перпендикулярны к направлению выталкивания детали.

Для мелких деталей наилучшее расположение упорных площадок — в центре детали. На деталях большой протяженности (крышки, щитки и т. д.) следует предусматривать несколько упорных площадок, расположенных симметрично по периферии. Площадки должны быть расположены в узлах жесткости детали или усилены ребрами, чтобы исключить деформацию и поломку детали при выталкивании.

Отверстия. Отверстия в пластмассовых деталях оформляются стержнями, закрепленными в форме.

При конструировании отверстий необходимо соблюдать следующие правила. Следует избегать расположения отверстий перпендикулярно или под углом к направлению разъема пресс-формы (рис. 557), так как в этом случае усложняется конструкция пресс-формы (стержни приходится удалять до извлечения детали из формы). В отдельных случаях выгодно выполнять поперечные отверстия механической обработкой.

Следует избегать расположения отверстий перпендикулярно или под углом к направлению разъема пресс-формы

Длина отверстий (сквозных и глухих) не должна превышать трех – пяти диаметров отверстия. Минимально допустимый диаметр отверстий 0,8—1,0 мм. Для увеличения жесткости стержни (особенно длинные малого диаметра) целесообразно утолщать на возможно большей длине, ограничивая протяженность отверстия заданного диаметра строго необходимым минимумом (рис. 558).

Правильные и неправильные формы отверстий

Стенки бобышек с отверстиями следует выполнять достаточно массивными, во избежание разрыва стенок при усадке (рис. 559).

Стенки бобышек с отверстиями следует выполнять достаточно массивными

Сопряжение стенок отверстий с торцовой поверхностью обычно выполняют под прямым углом, без галтелей и фасок (рис. 560, II и 561, II), усложняющих конструкцию стержней. Галтели и фаски допустимы лишь на той стороне отверстия, где стержень крепится к форме (рис. 560, III, 561, III).

Формы отверстий

Введение галтелей и фасок на противоположной стороне отверстия делает разъем формы практически невозможным.

Формы отверстий

Резьбовые отверстия. Следует избегать формовании резьбовых отверстий непосредственно в детали. Такие резьбы требуют применения вывертывающихся стержней, что усложняет конструкцию формы и замедляет операцию раскрытия формы. Кроме того, резьбы, выполненные в детали, непрочны, быстро изнашиваются и сминаются в эксплуатации при многократном отвертывании-завертывании. Длину нарезных отверстий следует делать равной не менее 2,5—3 диаметрам резьбы.

На торце резьбовых отверстий следует делать заходные фаски или выборки (рис. 562). Вообще же целесообразнее выполнять резьбы под крепежные винты в металлических футорках, наформовываемых в изделие.

Формы резьбовых отверстий

В ряде случаев оказывается возможным перенести резьбовое отверстие из пластмассовой детали на сопряженную с ней металлическую деталь. Примером может служить изображенный на рис. 563 узел крепления ручки к металлическому стержню. В конструкции на рис. 563, I резьба выполнена в ручке; в конструкциях, изображенных на рис. 563, II, III, резьба нарезана в стержне; отверстие в ручке сделано гладким.

Крепление ручки на стержне

Конструкция на рис. 563, III имеет то преимущество, что отверстие под крепежный винт направлено перпендикулярно к плоскости разъема формы и, следовательно, может быть отформовано неподвижным стержнем.

У навертных пластмассовых деталей типа пробок, колпачков и т. д. резьбу следует выполнять с большим шагом и с минимальным числом витков. Целесообразно придавать виткам скругленный профиль (рис. 564). Витки резьб не должны выходить на торец детали; резьбовое отверстие должно быть снабжено заходной фаской или выборкой. Первый (по ходу навертывания) виток должен быть сведен на нет.

Резьба в колпачке

Толщина стенок. Главное условие получения одинаковой структуры и физико-химических свойств пластмассы в различных частях детали — это равномерность заполнения формы и одновременность отверждения всех участков детали. Следует избегать местных массивов и утолщений (рис. 565—568).

Конструкция шестерни

Пример устранения местного утолщения

Конструкция бобышки

Устранение местных массивов

Стенкам детали необходимо придать по возможности одинаковую толщину. Практически установлено, что разностенность детали не должна превышать 1:3. Переходы между стенками различной толщины должны быть плавными (рис. 569).

Сопряжение стенок различной толщины

Для улучшения заполнения формы сопряжения взаимно перпендикулярных или наклонных стенок следует выполнять по максимальному, конструктивно возможному радиусу (рис. 570).

Сопряжение стенок под углом

Толщина стенок должна быть средней. Увеличение толщины стенок сверх известного предела вызывает неоднородность структуры материала поперек стенки и ослабляет деталь. Ориентировочно среднюю толщину стенок фасонных деталей можно определять по формуле

Konsruir detaley plastmass 24

где L — максимальный габаритный размер детали, мм (рис. 571).

Konsruir detaley plastmass 25

Оребрение. Увеличения прочности и жесткости деталей следует добиваться не утолщением стенок, а целесообразным оребрением детали. При конструировании ребер необходимо придерживаться следующих правил. Толщина ребер должна быть равна 0,6—0,8 толщины стенок, однако (в мелких деталях) не менее 0,8—1,0 мм. Высота ребер не должна превышать трех–пяти толщин ребра. Поверхность ребер следует выполнять с уклоном в сторону разъема формы. Ребра должны быть соединены со стенками плавными галтелями. Верхушка ребер должна быть закруглена.

Рекомендуемые конструктивные соотношения для ребер приведены на рис. 572.

Рекомендуемые конструктивные соотношения для ребер

Участки перегиба ребер, а также участки присоединения к стенкам должны быть выполнены с галтелями (рис. 573).

Участки перегиба ребер, а также участки присоединения к стенкам должны быть выполнены с галтелями

Во всех случаях следует предпочитать внутренние ребра, формующие поверхности которых сравнительно просто изготовляют обработкой внутренних, выпуклых частей формы профильными дисковыми фрезами. Наружные ребра требуют фрезерования гнезд матрицы, что вызывает большие, а иногда непреодолимые затруднения. Подчас формующие поверхности под наружные ребра могут быть обработаны только ручным инструментом. Просто выполняются в матрице только формующие поверхности кольцевых ребер, обрабатываемые точением.

Ребра должны быть прямолинейными в плане. Спиральные ребра усложняют изготовление формующих поверхностей, которые могут быть обработаны только крайне непроизводительным копирным фрезерованием.

При расположении ребер необходимо учитывать, что при отверждении и охлаждении ребра усаживаются и после извлечения из формы детали стягивают ее стенки. Поэтому следует избегать соединения ребрами частей детали, нуждающихся в точных размерах, например, венцов шестерен. Усадка связующих ребер вызывает волнистость венца. В таких случаях целесообразно применять невысокие ребра переменного профиля (рис. 574), обладающие повышенной податливостью.

Конструкции деталей с ребрами

Галтели. Наружные и внутренние углы изделий должны быть выполнены по радиусу (рис. 575). Наружные углы изделия, формуемые входящими углами гнезда матрицы, следует выполнять по радиусу R, согласованному с диаметром пальцевых фрез, применяемых для фрезерования гнезда в матрице. Минимальный радиус закругления R = 2—3 мм. Радиус закруглений должен быть тем больше, чем глубже гнездо. Иначе пальцевые фрезы получаются недостаточно жесткими, что заставляет применять при фрезеровании малые скорости резания и малые подачи.

Наружные и внутренние углы изделий должны быть выполнены по радиусу

Для уменьшения номенклатуры обрабатывающего инструмента целесообразно применять единый радиус для всех переходов подобного типа или во всяком случае сводить к минимуму число различных радиусов.

Гнезда с острыми входящими углами типа тех, что изображены на рис. 576 (I, II, III), можно изготовить только прошиванием или строганием (для чего нужно предусмотреть выход стружки) или при помощи электроискровой обработки.

Примеры трудновыполнимых форм матрицы

Внутренние, входящие углы изделия, формуемые наружными углами позитивных (выпуклых) частей формы, могут быть выполнены с малыми радиусами закругления (см. рис. 575) и даже острыми, поскольку обработка формующих поверхностей на позитивных частях формы не представляет затруднений. Однако и здесь для равномерного заполнения формы и для уменьшения концентрации напряжений при усадке, а также под действием рабочих нагрузок целесообразно применять наибольшие, допускаемые конструкцией радиусы закруглений. Радиус закруглений не должен быть меньше 0,5 мм.

Сопряжения наружных горизонтальных поверхностей изделия с вертикальными должны быть также выполнены по радиусу. Следует помнить, что этот радиус определяет радиус заправки торца пальцевой фрезы, обрабатывающей торцовые и боковые поверхности гнезда матрицы.

Минимальный радиус (для мелких изделий) R = 0,5 мм; для средних и крупных изделий следует применять радиусы R = 1—3 мм. Большие радиусы требуют применения пальцевых фрез с заправкой торца фрезы по сфере или тороиду с большим радиусом, что определяет диаметр фрезы, а, следовательно, и радиус сопряжений вертикальных стенок друг с другом в плане.

Правило закругления наружных углов изделия имеет свои исключения. Следует выполнить под прямым углом сопряжения вертикальных и горизонтальных стенок поверхностей, выходящих на плоскость разъема формы (рис. 577).

Плоскость разъема формы

Введение галтелей и фасок здесь усложняет конструкцию формы, заставляя выполнять на нижней части формы углубления с высотой, равной радиусу галтели (или катету фаски). Под прямым углом следует соединять вертикальные и горизонтальные стенки приваленных поверхностей (рис. 578), которые по своему функциональному назначению должны иметь вполне определенный наружный контур.

Под прямым углом следует соединять вертикальные и горизонтальные стенки приваленных поверхностей

Надписи и знаки. Надписи, знаки, марки и т. д. на наружных поверхностях изделий следует делать выпуклыми (рис. 579). Углубленные формующие поверхности под выпуклые знаки изготавливаются в матрице сравнительно просто, тогда как изготовление в матрице выпуклых поверхностей под углубленные знаки весьма затруднительно.

Надписи и знаки

Знаки следует располагать на поверхностях, параллельных плоскости разъема формы. Выпуклые знаки на боковых поверхностях детали требуют подрезки, препятствующей извлечению детали из формы.

Рифления. Детали ручного управления, а также навертные пробки и колпачки обычно имеют рифления под захват пальцами. Примеры рифленых деталей приведены на рис. 580, I—III.

Рифленые детали

На практике применяют рифления различных форм и размеров.

С целью упрощения изготовления формы необходимо соблюдать общие правила конструирования рифлений. Рифления должны быть прямыми и расположены параллельно направлению извлечения детали (рис. 581, III). Косые и перекрестные рифления (рис. 581, I, II) недопустимы, так как трудно выполняются в форме и препятствуют извлечению детали из формы.

Рифления

Профиль рифлений в плане рекомендуется делать закругленным (рис. 582, III) для облегчения изготовления формующих поверхностей матрицы.

Профиль рифлений

Шаг рифлений должен быть максимальным, насколько это допускает условие удобной манипуляции деталью. Рекомендуемые размеры и форма рифлений приведены на рис. 583.

Рекомендуемые размеры и форма рифлений

Армирование деталей

Пластмассовые детали нередко приходится армировать втулками, нарезными футорками, стержнями, штифтами и т. д. Металлическая арматура, заранее установленная в форме, при прессовании и отверждении пластмассы прочно соединяется с деталью.

Следует применять арматуру лишь в необходимых случаях, так как установка арматуры усложняет конструкцию формы и снижает производительность.

При установке арматуры необходимо соблюдать ряд правил. Арматура должна быть зафиксирована в пресс-форме в поперечном и продольном направлениях. Детали типа стержней и штифтов центрируют в гнездах формы. Фиксация коротких стержней в осевом направлении осуществляется упором свободного конца стержня в днище гнезда (рис. 584, I). Длинные стержни (вроде прутков), выходящие за пределы формы, следует фиксировать буртиками, которые должны упираться в центрирующую выточку на входе в гнездо (рис. 584, II, III).

Способы фиксации в форме аримирующих стержней

Детали типа втулок фиксируют на закрепленных в форме штырях, входящих в отверстие втулки. Нарезные втулки фиксируют штырями по внутреннему диаметру резьбы. Втулки, выступающие за пределы детали, можно фиксировать введением выступающих концов в гнезда формы.

Известные трудности вызывает фиксация арматуры в верхней полуформе, где фиксируемая деталь находится на весу. Во избежание соскальзывания детали здесь приходится применять пружинные фиксаторы. Устанавливать арматуру в верхней полуформе не рекомендуется.

В формах с вертикальным разъемом указанные затруднения в значительной степени устраняются. Однако и в этом случае необходимо предупреждать случайный сдвиг арматуры с фиксирующих элементов.

Арматура должна при разъеме формы свободно сходить с фиксирующих элементов. Оси арматуры должны быть перпендикулярны к плоскости разъема формы. Расположение деталей параллельно плоскости разъема или под углом к ней крайне усложняет конструкцию формы, требуя применения раздвижных форм или убирающихся фиксаторов.

При армировании деталей стержнями необходимо обеспечить свободную установку стержня в центрирующем гнезде и беспрепятственное его извлечение из гнезда при выталкивании детали. Диаметр свободной части стержня должен быть меньше диаметра центрирующей части гнезда. Применение изогнутых стержней недопустимо. В необходимых случаях стержни следует гнуть после формования.

Нежелательна формовка очень длинных стержней. Такие стержни лучше присоединять к детали, например, ввертыванием в резьбовую втулку, заформованную в деталь. Арматура должна быть надежно закреплена в детали в осевом направлении и застрахована от поворота вокруг своей оси. Распространенные способы крепления стержней показаны на рис. 585, I—IX.

Способы крепления армирующих стержней

Чаще всего применяют крепление с помощью рифленых поясков, разделенных кольцевой выточкой (рис. 585, IX). Конструктивные соотношения для этого крепления показаны на рис. 586.

Крепление с помощью рифленых поясков

Нередко применяют более простое крепление с помощью двух отфрезерованных на стержне лысок (см. рис. 585, V).

На рис. 587, I—IX даны способы крепления арматуры, основанные на пластической деформации заформовываемого конца стержня. По простоте и производительности изготовления такой способ крепления выгоднее способов, приведенных на рис. 585, требующих механической обработки. Однако они применимы только для стержней из пластичных металлов.

Способы крепления арматуры, основанные на пластической деформации заформовываемого конца стержня

Из приведенных на рис. 587 способов наиболее целесообразен способ крепления с помощью выдавок на конце стержня (рис. 587, VI), получаемых простой и производительной операцией чеканки стержня в разъемном штампе.

При установке нарезных стержней следует избегать заформовки резьбы в деталь (рис. 588, I). На выходе из детали стержень должен иметь гладкий поясок (рис. 588, II) или, лучше, буртик (рис. 588, III).

Способы крепления нарезных стержней

Следует избегать разноски фиксирующих элементов на большое расстояние друг от друга, например, при заформовке стержней в длинные ручки (рис. 589, I). Вследствие усадки пластмассы при отверждении на участке между фиксирующими элементами возникают разрывающие напряжения. Поэтому лучше применять один фиксирующий элемент (рис. 589, II, III), обеспечивающий возможность усадки пластмассы вдоль гладкой части стержня.

Способы крепления стержней

На рис. 590, I—VI изображены способы крепления листовой металлической арматуры в пластмассовых деталях.

Способы крепления листовой металлической арматуры в пластмассовых деталях

На рис. 591, I—VI показаны способы крепления листовой арматуры, расположенной параллельно поверхности детали.

Способы крепления листовой арматуры, расположенной параллельно поверхности детали

Арматуру типа втулок чаще всего крепят способами, изображенными на рис. 592, I—III.

Способы крепления арматуры типа втулок

На рис. 593, I—IV показаны способы заделки втулок в сферические рукоятки.

Способы заделки втулок в сферические рукоятки

Несквозные втулки и футорки должны иметь глухие отверстия (рис. 594, II, 595, II).

Несквозные втулки и футорки должны иметь глухие отверстия

В противном случае (рис. 594, I, 595, I) пластмасса при формовке затекает в открытое отверстие.

Крепление несквозных нарезных футорок

Следует избегать установки втулок и футорок торцом заподлицо с поверхностью изделия (рис. 596, I), так как при прессовании под торец детали затекает пластмасса, образуя пленку, которую затем приходится удалять.

Установка футорок в изделии

Лучше утапливать арматуру на 2—3 мм в изделие (рис. 596, II) или выпускать на столько же из изделия (рис. 596, III). Образование пленки предупреждают уплотняющим действием в первом случае цилиндрического пояска на центрирующем штыре, во втором — пояска на теле детали.

С целью исключения разрыва армированной бобышки при усадке ее стенки следует делать достаточно массивными. Толщину стенок можно определять из эмпирического соотношения s = 2√D, где D — диаметр арматуры в мм (рис. 597).

Стенки армированной бобышки

Основные правила конструирования

При конструировании пластмассовых деталей следует кроме технологических факторов учитывать механические свойства пластмасс; мягкость, малую жесткость, низкую прочность, а у реактопластов еще и хрупкость.

Оребрение детали

Пониженную жесткость пластмассовых деталей следует компенсировать оребрением (рис. 598), введением на свободных стенках реборд жесткости (рис. 599, I, II), приданием детали жестких сводчатых форм (рис. 600).

Введение на свободных стенках реборд жесткости

Сводчатые формы деталей, подвергающихся при эксплуатации нагреванию, способствуют уменьшению напряжений, вызываемых тепловым расширением и достигающих больших значений вследствие высокого коэффициента линейного расширения пластмасс.

Придание детали жестких сводчатых форм

Следует всячески стараться не нагружать детали изгибающими моментами, а заменять их более благоприятно действующими силами сжатия (рис. 601, I, II).

Разгрузка детали от изгиба

Недопустимо нагружать детали изгибающими моментами от затяжки крепежных деталей (рис. 602, 603).

Разгрузка детали от изгиба силой затяжки

Для устранения смятия опорных поверхностей, при силовой затяжке следует подкладывать под головки крепежных деталей опорные шайбы достаточно большого диаметра (рис. 604, II) или, лучше, армировать отверстия под крепежные детали втулками (рис. 604, III).

Разгрузка фланцев от изгиба силой затяжки

Нежелательно крепление пластмассовых деталей винтами с потайной конической головкой (рис. 605, I), которые при затяжке вызывают разрывающие напряжения в стенках отверстии.

Предупреждение смятия опорных поверхностей под головки крепежных деталей

Кроме того, при затяжке таких винтов легко повредить отверткой гнездо под головку.

Нежелательно крепление пластмассовых деталей винтами с потайной конической головкой