1. Что такое литье под давлением с закладными элементами?
Вставка — это элемент, встроенный в пластик, например, металл, стекло, дерево, волокна, бумага, резина или предварительно отформованный пластиковый компонент. Металл — наиболее распространенный материал для вставок. Литье с вставками — это процесс, при котором вставка сначала закрепляется в соответствующем положении внутри литьевой формы. Затем пластик впрыскивается в форму. После открытия формы охлажденный и затвердевший пластик обволакивает вставку, образуя деталь, содержащую такие элементы, как резьба или электроды.
При литье с закладными элементами вставки можно размещать в пресс-форме двумя способами:
1) Ручная установка
что значительно увеличивает время цикла литья под давлением и подходит для мелкосерийного производства или изделий со сложной структурой;
2) Автоматическое размещение
что лучше для массового производства, помогает снизить количество человеческих ошибок, повысить эффективность, сократить время цикла и повысить надежность продукции.
2. Преимущества и недостатки литья под давлением с закладными элементами 2.1 Преимущества литья под давлением с закладными элементами
1) Сочетание формуемости и эластичности пластика с жесткостью, прочностью и термостойкостью металла позволяет производить прочные, сложные, интегрированные металлопластиковые изделия, одновременно уменьшая их размеры и вес.
2) Сочетание электроизоляционных свойств пластика с электропроводностью металла позволяет формованным деталям соответствовать основным функциональным требованиям электротехнических изделий. Это также позволяет удовлетворять особым требованиям, таким как магнитная проводимость, износостойкость и надежность крепления.
3) Добавление металлических вставок в пластик может повысить прочность пластиковой детали.
4) Литье с закладными элементами обеспечивает большую гибкость в проектировании и открывает новые возможности для сочетания пластиковых, металлических и других компонентов.
5) Это позволяет исключить вторичные процессы, такие как термосварка, сварка и клепка, что потенциально сокращает время и стоимость сборки.
6) Вставки могут быть изготовлены не только из металла; в их состав также могут входить ткань, бумага, проволока, пластик, стекло, дерево, катушки, электрические компоненты и формованные пластиковые детали.
7) Для жестких формованных деталей и гибких изогнутых деталей на резиновых уплотнительных листах формование деталей в единое целое позволяет исключить сложную задачу размещения уплотнительных колец и упростить последующую автоматизированную сборку.
8) Поскольку расплавленный пластик соединяется с металлическими вставками, зазор вокруг металлических вставок может быть спроектирован меньшим, чем при методах запрессовки, что повышает надежность изделия и увеличивает вероятность успешного прохождения вибрационных испытаний.
9) При использовании подходящих пластиковых материалов и условий формования даже детали, подверженные деформации или повреждениям, такие как стекло, катушки и электрические компоненты, могут быть герметизированы и надежно закреплены в пластике.
10) При наличии соответствующей конструкции пресс-формы вставку можно полностью поместить в пластик.
11) Благодаря сочетанию вертикальных литьевых машин с роботами и устройствами для размещения закладных элементов, большинство операций литья под давлением можно автоматизировать.
2.2 Недостатки литья под давлением с закладными элементами
1) Размещение закладных элементов часто усложняет конструкцию пресс-формы, увеличивает цикл формования, повышает производственные затраты и затрудняет автоматизацию.
2) Поскольку коэффициенты теплового расширения вставки и пластика различаются, в готовом изделии могут возникать остаточные напряжения, вызывающие растрескивание. Эта проблема особенно заметна при литье гайковых вставок.
3) Разница в коэффициенте теплового расширения между вставкой и пластиком также может привести к деформации изделия.
4) Вставки, особенно гайки, часто нуждаются в предварительном нагреве или просушке для снижения остаточного напряжения.
5) Вставки должны быть надежно закреплены в форме; в противном случае удары расплавленного материала могут привести к их смещению или деформации.
6) Если в процессе литья с закладными элементами обнаруживаются дефекты — например, неполное литье, отсутствие закладных элементов или неправильное их расположение — весь продукт может быть забракован, что приведет к значительным убыткам.
7) Технология литья под давлением затрудняет переработку и утилизацию продукции.
3. Применение литья под давлением с закладными элементами
Литье с закладными элементами широко используется в таких отраслях, как автомобилестроение, медицина, электроника и производство разъемов.
4. Рекомендации по проектированию для литья под давлением с закладными элементами
При проектировании изделий для литья под давлением необходимо в полной мере учитывать характеристики процесса, а конструкция должна соответствовать принципам проектирования с учетом технологичности производства (DFM).
Рекомендации включают в себя:
1) Выбор материала для вставок. В качестве материалов для вставок можно использовать медь, алюминий, сталь, твердые разнородные пластиковые детали, керамику, стекло и пластик. Латунь используется чаще всего, поскольку она коррозионностойка, легко поддается обработке и имеет умеренную цену.
2) Вставьте форму. По возможности используйте круглые или осесимметричные формы. Избегайте острых углов и прямых линий, чтобы обеспечить равномерную усадку и предотвратить локальные напряжения или концентрацию напряжений.
3) Примените принципы DFM к самой вставке. Металлические вставки изготавливаются методом механической обработки или штамповки, поэтому их геометрия должна соответствовать процессу производства.
▲ Проектирование вставки с учетом требований DFM (проектирование с учетом технологичности производства)
4) Для облегчения установки и позиционирования в пресс-форме выступающая часть вставки (часть, расположенная в пресс-форме) должна иметь цилиндрическую форму, поскольку круглые отверстия легче обрабатывать в пресс-форме.
▲ Конструкция выступающей части вставки
5) Вставки должны включать в себя герметизирующие выступы или аналогичные элементы, предотвращающие образование заусенцев пластика во время литья под давлением.
▲ Конструкция плечевого упора
6) Чтобы предотвратить чрезмерное истончение пластика под вставкой и образование волнистых усадочных раковин, влияющих на внешний вид и прочность, минимальное расстояние T от дна вставки до пластиковой стенки должно быть T > D/6.
▲ Расстояние между вставкой и нижней поверхностью
Если расстояние слишком мало, можно использовать конструкцию, показанную ниже.
▲ Поддержание равномерной толщины стенки
7) Зазор между вставкой и боковой стенкой изделия не должен быть слишком малым, чтобы пресс-форма сохраняла достаточную прочность.
▲ Зазор между вставкой и боковой стенкой
8) При установке вставки в выступ она должна доходить до дна выступа (при этом сохраняя минимальную толщину дна), чтобы обеспечить надежное соединение и достаточную прочность пластикового корпуса. Закруглите головку вставки.
▲ Вставить босса
9) Небольшие цилиндрические вставки можно закрепить в пластиковом корпусе с помощью центрального паза или алмазной накатки на поверхности. Глубина канавок должна составлять 1–2 мм.
▲ Крепление небольших цилиндрических вставок
10) Вставки в форме пластин или листов можно закрепить с помощью отверстий или окошек. Для тонких вставок (толщиной менее 0.5 мм) рекомендуется делать надрезы или сгибать их.
▲ Крепление пластинчатых или листовых вставок
11) Вставки в форме стержня могут быть закреплены путем сплющивания, надрезания, сгибания или расщепления конца, либо путем сплющивания средней части круглого стержня.
▲ Крепление стержнеобразных вставок (деформированный конец)
▲ Крепление трубчатых вставок (деформированная средняя часть)
12) Для штампованных трубчатых вставок в процессе штамповки может быть сформирован выпуклый выступ для улучшения фиксации.
▲ Крепление штампованных трубчатых вставок (деформированная средняя часть)
13) В разъемах обеспечение надежной фиксации клеммных вставок в пластике является ключевым моментом для инженеров-конструкторов. К распространенным методам значительного улучшения фиксации клемм относятся:
- Пробивание отверстий в клемме, встроенной в пластик.
- Придание терминалу неровного профиля
- Изгиб клеммы
- Добавление шероховатости поверхности или выпуклых/углубленных элементов к клемме.
- Увеличение толщины пластиковой стенки
▲ Клеммные вставки с отверстиями, неровным профилем и изгибами
5. Рекомендации по проектированию вставок для гаек
Гайковые вставки — один из наиболее распространенных типов вставок. Гайковая вставка и соответствующая ей пластиковая втулка должны быть правильно спроектированы; в противном случае могут возникнуть проблемы с качеством, такие как недостаточное усилие вытягивания или растрескивание втулки.
5.1 Три способа установки гаек
Существует три метода ввинчивания гаек в пластиковые детали:
1) Орехи, предварительно нагретые.
Термозапайка — наиболее распространенный метод установки, который обычно выполняется с помощью термозапаечного аппарата или паяльника с ручным управлением.
2) Гайки, вставляемые в форму.
Этот метод требует очень точного контроля диаметра отверстия в пластиковом выступе, обычно в пределах 0.05 мм. Гайка удерживается на месте формовочным штифтом и устанавливается в литьевой форме, поэтому диаметр отверстия должен контролироваться в соответствии с размером штифта на литьевой машине.
3) Ультразвуковое введение
Ультразвуковая вибрация создает трение между гайкой и заготовкой, повышая температуру в зоне контакта. Когда температура достигает температуры размягчения заготовки, гайка вдавливается в пластиковую деталь. После прекращения вибрации заготовка охлаждается и затвердевает под давлением. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки; в данной статье рассматриваются гайки, изготовленные методом литья под давлением.
5.2 Внешняя геометрия вставных гаек
Внешняя геометрия вставных гаек специально разработана для создания прочного механического сцепления с пластиковыми материалами. Ключевые особенности обычно включают ромбовидную или прямую накатку для максимального сопротивления крутящему моменту и вырыванию. Часто добавляются продольные канавки или подрезы для предотвращения вращения. Скошенная направляющая в нижней части обеспечивает легкое и точное размещение в пресс-форме или предварительно отформованном отверстии. Кроме того, верхний фланец или воротник ограничивает глубину вставки и обеспечивает осевую поддержку. В некоторых конструкциях предусмотрено уплотнительное кольцо для предотвращения перелива расплавленного пластика в резьбу. В совокупности эти геометрические особенности обеспечивают высоконадежное и долговечное соединение.
5.3 Примеры технических характеристик вставных гаек
5.4 Конструкция пластикового крепления и выбор гайки
1) Основные размеры гайки и пластиковой втулки
- Размер d обозначает основание гайки, также называемое направляющей/позиционирующей секцией. Перед установкой оно совпадает с секцией C пластикового выступа. Поэтому размер d в нижней части гайки должен быть меньше внутреннего диаметра отверстия C пластикового выступа для облегчения позиционирования.
- Размер D — это внешний диаметр гайки, соответствующий внутреннему диаметру отверстия C пластикового выступа. Для гаек, используемых в мобильных телефонах, диаметр пластикового отверстия обычно примерно на 0.25–0.3 мм меньше внешнего диаметра гайки.
- Размер L — это длина гайки, соответствующая глубине отверстия Y в пластиковой втулке. Пластиковое отверстие обычно проектируется на 0.5–1.0 мм глубже длины гайки, чтобы обеспечить пространство для излишков пластика.
- W — это толщина пластиковой стенки вокруг отверстия. Толщина стенки пластикового выступа обычно составляет не менее 0.8–1.0 мм. Для гаек большего размера требуются более толстые стенки. См. таблицу параметров ниже.
| Нить | Внешний диаметр D | Длина L | Пластиковое отверстие для крепления | Толщина пластиковой стенки W | |
| Диаметр C | Глубина 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 Общие проблемы и решения
1) Правильный размер отверстия в пластиковом выступе имеет решающее значение. Если отверстие слишком большое, пластик не сможет должным образом зацепиться за гайку после завинчивания, что приведет к недостаточному крутящему моменту и сопротивлению вырыванию. Если отверстие слишком маленькое, может возникнуть заусенец или растрескивание.
2) Если размеры гайки и пластика соответствуют действительности, но проблемы сохраняются, следует рассмотреть возможность улучшения конструкции.
Поскольку пластиковое отверстие неглубокое, использование гайки с двойной косой накаткой может привести к тому, что после подбора размеров гайки накатка окажется короткой. После установки слишком мало пластика соприкасается с накаткой, что приводит к недостаточному крутящему моменту и сопротивлению вырыванию. Поэтому обычно рекомендуется, чтобы глубина отверстия в пластиковом отверстии составляла не менее 2.5 мм, а длина гайки — не менее 2.0 мм.
Улучшение: Если модификация пресс-формы затруднена, рассмотрите возможность изменения рисунка накатки гайки на одинарный наклонный рисунок BS1, как показано справа. Это увеличит высоту ступени накатки и площадь контакта пластика с накаткой, тем самым улучшив крутящий момент и сопротивление вырыванию.
3) Образование заусенцев или трещин вокруг отверстия в пластиковом выступе
При использовании показанного слева типа гайки, области A1 и A2 расширяются после запрессовки гайки в пластик, в то время как область B резко сжимается. Это затрудняет отвод пластика, и на верхнем и нижнем концах гайки может образовываться заусенец, что серьезно влияет на внешний вид изделия.
Улучшение: Использование секции C в качестве направляющей и фиксирующего элемента позволяет надежно закрепить гайку в пластиковом отверстии, что повышает эффективность и производительность. Направляющая секция в точке C позволяет сместить часть пластика из области A2, оставив при этом достаточно пластика для области A1. Кроме того, секции A1 и A2 имеют наклонные насечки с углом 90° и наклоном 45°. Их пересечение образует прочный узел, который сопротивляется окружному крутящему моменту, значительно увеличивая крутящий момент и сопротивление вырыванию.
