1. Czym jest formowanie wtryskowe?
Wkładka to element zatopiony w tworzywie sztucznym, takim jak metal, szkło, drewno, włókna, papier, guma lub wstępnie uformowany element z tworzywa sztucznego. Metal jest najpopularniejszym materiałem na wkładki. Formowanie wkładek to proces, w którym wkładka jest najpierw mocowana w odpowiednim miejscu wewnątrz formy wtryskowej. Następnie tworzywo sztuczne jest wtryskiwane do formy. Po otwarciu formy schłodzone i zestalone tworzywo sztuczne otacza wkładkę, tworząc element zawierający elementy takie jak gwinty lub elektrody.
W przypadku formowania wtryskowego wkładki można umieszczać w formie na dwa sposoby:
1) Umieszczanie ręczne
co znacznie wydłuża czas cyklu formowania wtryskowego i jest przydatne w przypadku małych serii produkcyjnych lub produktów o skomplikowanej strukturze;
2) Automatyczne umieszczanie
które rozwiązanie jest lepsze w przypadku produkcji masowej, gdyż pomaga ograniczyć błędy ludzkie, poprawić wydajność, skrócić czas cyklu i zwiększyć niezawodność produktu.
2. Zalety i wady formowania wtryskowego 2.1 Zalety formowania wtryskowego
1) Połączenie formowalności i elastyczności tworzywa sztucznego ze sztywnością, wytrzymałością i odpornością na ciepło metalu umożliwia produkcję wytrzymałych, skomplikowanych, zintegrowanych produktów metalowo-plastikowych, przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiarów i wagi produktu.
2) Połączenie izolacji elektrycznej tworzywa sztucznego z przewodnością elektryczną metalu umożliwia formowanym elementom spełnienie podstawowych wymagań funkcjonalnych stawianych produktom elektrycznym. Mogą one również spełniać wymagania specjalne, takie jak przewodność magnetyczna, odporność na zużycie i mocowanie.
3) Dodanie metalowych wkładek do plastiku może zwiększyć wytrzymałość części plastikowej.
4) Formowanie wtryskowe zapewnia większą elastyczność projektowania i otwiera nowe możliwości łączenia tworzyw sztucznych, metalu i innych komponentów.
5) Może wyeliminować procesy wtórne, takie jak zgrzewanie, spawanie i nitowanie, co potencjalnie zmniejsza czas i koszty montażu.
6) Wkładki nie muszą być wyłącznie metalowe; mogą być wykonane również z tkaniny, papieru, przewodów, plastiku, szkła, drewna, cewek, elementów elektrycznych i formowanych części z tworzyw sztucznych.
7) W przypadku sztywnych części formowanych i elastycznych części zakrzywionych na gumowych arkuszach uszczelniających, formowanie tych części razem w celu uzyskania zintegrowanego produktu może wyeliminować skomplikowane zadanie układania pierścieni uszczelniających i ułatwić późniejszy automatyczny montaż.
8) Ponieważ stopiony plastik łączy się z wkładkami metalowymi, luz wokół wkładek metalowych można zaprojektować mniejszy niż w przypadku metod wciskania, co zwiększa niezawodność produktu i zwiększa prawdopodobieństwo przejścia testów wibracyjnych.
9) Przy zastosowaniu odpowiednich tworzyw sztucznych i warunków formowania, nawet części podatne na odkształcenia lub uszkodzenia, takie jak szkło, cewki i elementy elektryczne, można uszczelnić i zabezpieczyć tworzywem sztucznym.
10) Przy zastosowaniu odpowiedniej konstrukcji formy, wkładkę można całkowicie zatopić w plastiku.
11) Łącząc pionowe maszyny do formowania wtryskowego z robotami i urządzeniami do układania wkładek, można zautomatyzować większość operacji formowania wkładek.
2.2 Wady formowania wtryskowego
1) Umieszczenie wkładki często komplikuje strukturę formy, wydłuża cykl formowania, zwiększa koszty produkcji i utrudnia automatyzację.
2) Ponieważ współczynniki rozszerzalności cieplnej wkładki i tworzywa sztucznego różnią się, w gotowym produkcie mogą powstawać naprężenia szczątkowe, powodując pękanie. Problem ten jest szczególnie zauważalny podczas formowania wkładek nakrętkowych.
3) Różnica w rozszerzalności cieplnej między wkładką i tworzywem sztucznym może również spowodować odkształcenie lub deformację produktu.
4) Wkładki, zwłaszcza nakrętki, często wymagają wstępnego podgrzania lub wysuszenia w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych.
5) Wkładki muszą być solidnie zamocowane w formie; w przeciwnym razie pod wpływem uderzeń stopionego materiału mogą się przesunąć lub odkształcić.
6) Jeśli podczas formowania wtryskowego wystąpią wady — na przykład niekompletne formowanie, brak wkładek lub nieprawidłowe umiejscowienie wkładek — może zaistnieć konieczność złomowania całego produktu, co może skutkować znacznymi stratami.
7) Formowanie wtryskowe utrudnia recykling i utylizację produktu.
3. Zastosowania formowania wtryskowego
Formowanie wtryskowe jest powszechnie stosowane w takich gałęziach przemysłu, jak motoryzacja, medycyna, elektronika i produkcja złączy.
4. Wytyczne projektowe dla formowania wtryskowego
Projektując formę wtryskową, należy w pełni uwzględnić charakterystykę procesu, a projekt powinien być zgodny z zasadami projektowania pod kątem produkcji (DFM).
Wytyczne obejmują:
1) Wybór materiału wkładki. Jako materiały wkładki można użyć miedzi, aluminium, stali, twardych, różnorodnych tworzyw sztucznych, ceramiki, szkła i tworzyw sztucznych. Mosiądz jest powszechnie stosowany ze względu na odporność na korozję, łatwość obróbki i umiarkowaną cenę.
2) Wstaw kształt. W miarę możliwości używaj kształtów okrągłych lub osiowo symetrycznych. Unikaj ostrych narożników i kątów, aby zapewnić równomierny skurcz i zapobiec lokalnym naprężeniom lub ich koncentracji.
3) Zastosuj zasady DFM do samej wkładki. Wkładki metalowe są wytwarzane metodą obróbki skrawaniem lub tłoczenia, dlatego ich geometria musi być odpowiednia do procesu produkcyjnego.
▲ Konstrukcja DFM samej wkładki
4) Aby ułatwić umieszczanie i pozycjonowanie w formie, wystająca część wkładki (część znajdująca się w formie) powinna mieć kształt cylindryczny, ponieważ okrągłe otwory łatwiej jest obrabiać w formie.
▲ Konstrukcja wystającej części wkładki
5) Wkładki powinny być wyposażone w kołnierze uszczelniające lub podobne elementy, zapobiegające odpryskiwaniu tworzywa sztucznego podczas formowania wtryskowego.
▲ Konstrukcja wkładki barkowej
6) Aby zapobiec zbytniemu przerzedzeniu się tworzywa sztucznego pod wkładką i powstawaniu falistych zapadnięć, które mogą wpływać na wygląd i wytrzymałość, minimalna odległość T od spodu wkładki do ścianki z tworzywa sztucznego powinna wynosić T > D/6.
▲ Odległość między wkładką a powierzchnią dolną
Jeżeli odległość jest zbyt mała, można zastosować konstrukcję przedstawioną poniżej.
▲ Zachowanie jednolitej grubości ścianki
7) Odległość między wkładem a ścianką boczną produktu nie może być zbyt mała, aby forma zachowała wystarczającą wytrzymałość.
▲ Luz między wkładką a ścianą boczną
8) Po umieszczeniu wkładki w gnieździe, powinna ona sięgać do jego dolnej krawędzi (zachowując minimalną grubość), aby zapewnić solidne połączenie i wystarczającą wytrzymałość w korpusie z tworzywa sztucznego. Zaokrąglić główkę wkładki.
▲ Włóż do wnęki
9) Małe wkładki cylindryczne można zakotwiczyć w korpusie z tworzywa sztucznego za pomocą centralnego rowka lub radełkowania diamentowego na powierzchni. Rowki radełkowania powinny mieć głębokość 1–2 mm.
▲ Zabezpieczanie małych wkładek cylindrycznych
10) Wkładki w kształcie płyt lub blachy można mocować za pomocą otworów lub okienek. W przypadku cienkich wkładek (o grubości poniżej 0.5 mm) zaleca się nacięcia lub zagięcie.
▲ Zabezpieczanie wkładek w kształcie płyt lub blach
11) Wkładki w kształcie pręta można zamocować poprzez spłaszczenie, nacięcie, zgięcie lub rozłupanie końca, bądź poprzez spłaszczenie środkowej części okrągłego pręta.
▲ Zabezpieczanie wkładek prętowych (koniec zdeformowany)
▲ Zabezpieczanie wkładek rurowych (odkształcona część środkowa)
12) W przypadku wkładek rurowych tłoczonych, w celu poprawienia retencji, podczas tłoczenia można utworzyć wypukłość.
▲ Zabezpieczanie wkładek rurowych tłoczonych (odkształcona część środkowa)
13) W przypadku złączy, kluczowe znaczenie dla inżynierów projektujących produkty ma zapewnienie solidnego zakotwiczenia wkładek zaciskowych w tworzywie sztucznym. Typowe metody znacznej poprawy trzymania zacisków obejmują:
- Wybijanie otworów w terminalu osadzonym w plastiku
- Nadanie terminalowi nieregularnego profilu
- Zginanie terminala
- Dodawanie chropowatości powierzchni lub wypukłych/wgłębionych elementów do terminala
- Zwiększenie grubości ścianki z tworzywa sztucznego
▲ Wkładki zaciskowe z otworami, nieregularnymi profilami i zagięciami
5. Wytyczne projektowe dla wkładek nakrętkowych
Wkładki nakrętkowe należą do najpopularniejszych typów wkładek. Wkładka nakrętkowa i odpowiadający jej plastikowy trzpień muszą być prawidłowo zaprojektowane; w przeciwnym razie mogą wystąpić problemy z jakością, takie jak niewystarczająca siła wyciągania lub pękanie trzpienia.
5.1 Trzy metody montażu nakrętek
Istnieją trzy metody osadzania nakrętek w częściach z tworzyw sztucznych:
1) Orzechy smażone na gorąco
Najpopularniejszą metodą montażu jest zgrzewanie elementów. Zazwyczaj wykonuje się je przy użyciu specjalnego urządzenia do zgrzewania elementów lub ręcznie obsługiwanej lutownicy.
2) Nakrętki formowane wkładkowo
Ta metoda wymaga bardzo ścisłej kontroli średnicy otworu w plastikowym gnieździe, zazwyczaj z dokładnością do 0.05 mm. Nakrętka jest mocowana za pomocą sworznia formującego i umieszczana w formie wtryskowej, dlatego średnica otworu musi być dostosowana do rozmiaru sworznia we wtryskarce.
3) Wprowadzenie ultradźwiękowe
Wibracje ultradźwiękowe wytwarzają tarcie między nakrętką a przedmiotem obrabianym, podnosząc temperaturę na styku. Gdy temperatura osiągnie temperaturę mięknięcia przedmiotu obrabianego, nakrętka zostaje zatopiona w części z tworzywa sztucznego. Po ustaniu wibracji przedmiot obrabiany stygnie i krzepnie pod wpływem ciśnienia. Każda metoda ma swoje zalety i wady; niniejszy artykuł koncentruje się na nakrętkach formowanych wtryskowo.
5.2 Geometria zewnętrzna nakrętek wkładanych
Geometria zewnętrzna nakrętek wkładanych została specjalnie zaprojektowana, aby zapewnić mocne połączenie mechaniczne z tworzywami sztucznymi. Kluczowe cechy to zazwyczaj radełkowanie diamentowe lub proste, maksymalizujące odporność na moment obrotowy i wyrywanie. Często dodawane są rowki podłużne lub podcięcia, aby zapobiec obracaniu się nakrętki. Sfazowana prowadnica u dołu umożliwia łatwe i precyzyjne umieszczenie nakrętki w formie lub wstępnie uformowanym otworze. Dodatkowo, górny kołnierz lub kołnierz ogranicza głębokość wsuwania i zapewnia podparcie osiowe. Niektóre modele posiadają pierścień uszczelniający, który zapobiega przedostawaniu się stopionego tworzywa sztucznego do gwintów. Te cechy geometryczne zapewniają wysoce niezawodne i trwałe połączenie.
5.3 Przykłady specyfikacji nakrętek wkładanych
5.4 Konstrukcja i dobór nakrętek z tworzywa sztucznego
1) Podstawowe wymiary nakrętki i tulei plastikowej
- Wymiar d to podstawa nakrętki, nazywana również sekcją prowadzącą/pozycjonującą. Przed włożeniem pasuje ona do sekcji C plastikowego trzpienia. Dlatego wymiar d u dołu nakrętki powinien być mniejszy niż średnica otworu wewnętrznego C plastikowego trzpienia, aby ułatwić pozycjonowanie.
- Wymiar D to zewnętrzna średnica nakrętki i odpowiada wewnętrznej średnicy otworu C w plastikowym elemencie. W przypadku nakrętek do telefonów komórkowych średnica otworu w plastiku jest zazwyczaj o około 0.25–0.3 mm mniejsza niż zewnętrzna średnica nakrętki.
- Wymiar L to długość nakrętki i odpowiada głębokości otworu Y w plastikowym otworze. Otwór w plastiku jest zazwyczaj zaprojektowany o 0.5–1.0 mm głębiej niż długość nakrętki, aby zapewnić miejsce na nadmiar plastiku.
- W to grubość ścianki z tworzywa sztucznego wokół otworu. Grubość ścianki z tworzywa sztucznego wynosi zazwyczaj co najmniej 0.8–1.0 mm. Większe nakrętki wymagają grubszych ścianek. Patrz tabela parametrów poniżej.
| Wątek | Średnica zewnętrzna D | Długość L | Otwór na główkę z tworzywa sztucznego | Grubość ścianki z tworzywa sztucznego W | |
| Średnica C | Głębokość Y | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.3 | 2.0 | 2.0 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.3 | 1.8 | 2.0 | 2.8 | 0.8 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.35 | 2.0 | 2.1 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.5 | 1.8 | 2.2 | 2.8 | 1.0 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.7 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.8 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
5.5 Typowe problemy i rozwiązania
1) Prawidłowy rozmiar otworu w plastikowej tulei ma kluczowe znaczenie. Jeśli otwór jest zbyt duży, plastik nie będzie odpowiednio przylegał do nakrętki po osadzeniu, co spowoduje niewystarczający moment dokręcający i opór przed wyrwaniem. Jeśli otwór jest zbyt mały, może dojść do wypływki lub pęknięcia.
2) Jeśli wymiary nakrętki i tworzywa sztucznego są prawidłowe, ale problemy nadal występują, należy rozważyć udoskonalenie projektu.
Ponieważ plastikowa piasta jest płytka, użycie nakrętki z podwójnym radełkowaniem ukośnym może skutkować krótkim odcinkiem radełkowanym po dopasowaniu wymiarów nakrętki. Po osadzeniu zbyt mała ilość tworzywa sztucznego styka się z radełkowaniem, co prowadzi do niewystarczającego momentu obrotowego i oporu przy wyciąganiu. Dlatego zaleca się, aby otwór w plastikowej piastie miał co najmniej 2.5 mm głębokości, a nakrętka co najmniej 2.0 mm długości.
Ulepszenie: Jeśli modyfikacja formy jest trudna, rozważ zmianę wzoru radełkowania nakrętki na wzór BS1, jednoskośny, jak pokazano po prawej stronie. Zwiększa to wysokość kroku radełkowania i ilość tworzywa sztucznego stykającego się z radełkowaniem, poprawiając tym samym moment obrotowy i odporność na wyciąganie.
3) Błyskanie lub pękanie wokół otworu w plastikowym elemencie
W przypadku zastosowania nakrętki pokazanej po lewej stronie, obszary A1 i A2 rozszerzają się po osadzeniu nakrętki w plastiku, podczas gdy obszar B gwałtownie się kurczy. Utrudnia to odpływ plastiku, a na górnym i dolnym końcu nakrętki mogą tworzyć się zacieki, co poważnie wpływa na wygląd produktu.
Ulepszenie: Użyj sekcji C jako prowadnicy i elementu lokalizującego, aby nakrętka mogła być bezpiecznie umieszczona w otworze z tworzywa sztucznego, co poprawia wydajność i wydajność. Sekcja prowadząca w C pozwala na przesunięcie części tworzywa sztucznego z obszaru A2, pozostawiając jednocześnie wystarczającą ilość tworzywa sztucznego dla obszaru A1. Ponadto sekcje A1 i A2 mają ukośne radełkowanie o kącie rozwarcia 90° i nachyleniu 45°. Ich przecięcie tworzy mocny węzeł, który jest odporny na moment obrotowy obwodowy, znacznie zwiększając moment obrotowy i odporność na wyrywanie.
