Руководство по Проектированию Литья со Вставками — Металлические Вставки, Тепловое Расширение и Прочность на Вырыв
Инженер-конструктор производителя промышленного оборудования завершает проектирование корпуса насоса, который крепится болтами к литому алюминиевому фланцу. Корпус отлит из стеклонаполненного нейлона — стенки 2,8 мм, основание 180 × 120 мм, вес 420 г. Четыре болта M6 проходят через корпус в резьбовые отверстия фланца. Момент затяжки — 12 Н·м. Первый прототип использовал самонарезающие винты непосредственно в литых нейлоновых бобышках. Винты сорвали пластиковую резьбу при 7 Н·м — на 40 % ниже спецификации.
Решение — литьё со вставками: размещение металлических резьбовых вставок в форму перед впрыском, чтобы пластик охватил их в процессе литья. Тот же корпус с заформованными латунными вставками M6 достиг прочности резьбы 18 Н·м — запас 50 % сверх монтажного момента.
Литьё со вставками решает проблему прочности резьбы, ограничивающую применение пластика для механически скрепляемых узлов. Но оно создаёт другие задачи: металлическая вставка и пластик усаживаются с разной скоростью. Слишком маленькая или гладкая вставка вырывается под нагрузкой. Вставка, размещённая без учёта поверхностей смыкания формы, создаёт облой, блокирующий резьбовое отверстие.
Литьё со Вставками и Заформовка — В Чём Разница
| Характеристика | Литьё со Вставками | Заформовка |
|---|---|---|
| Что помещается в форму | Готовый компонент (металл, керамика, другой пластик) | Ничего — первый впрыск отливается, затем второй материал формуется поверх |
| Механизм соединения | Механический замок (пластик усаживается на вставку) | Химическая или механическая связь между двумя пластиками |
| Типичное применение | Резьбовой крепёж, электрические контакты, усиливающие штифты | Мягкие рукоятки, уплотнения, двухцветные косметические детали |
| Цикл | Один впрыск; загрузка вставки добавляет время | Два впрыска: поворотный стол или челнок; два цикла: требуется передача детали |
Допуски литья под давлением вокруг вставок жёстче общих допусков, поскольку положение вставки определяет соосность ответного крепежа.
Типы Вставок и Выбор
Резьбовые Вставки
| Тип | Механизм Анкеровки | Лучше всего для | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Накатанный | Алмазная или прямая накатка на НД | Общее применение; высокий момент | Накатка может расколоть тонкие стенки |
| Шестигранный | Шестигранный НД предотвращает вращение | Максимальная стойкость к провороту | Требует более толстой стенки бобышки |
| С поднутрением / канавками | Радиальные канавки или поднутрения | Высокая прочность на вырыв | Меньшая стойкость к провороту |
| С фланцем | Фланец на одном конце как опорная поверхность | Сжимающие нагрузки | Требует зенковки в бобышке |
Нерезьбовые Вставки
- Установочные штифты — Закалённые стальные штифты как износостойкие опорные поверхности
- Электрические контакты — Латунные или фосфористо-бронзовые клеммы, заформованные в разъёмы
- Усиливающие штифты — Стальные или композитные стержни для изгибающих нагрузок
- Втулки и подшипники — Спечённые бронзовые или с ПТФЭ-покрытием втулки для вращающихся валов
Проблема Теплового Расширения
| Материал | КТР | Усадка от 250°C до 25°C |
|---|---|---|
| Латунь | 19 × 10⁻⁶ /°C | 0,43 % |
| Сталь | 12 × 10⁻⁶ /°C | 0,27 % |
| Нейлон 6/6 (ненаполн.) | 80–100 × 10⁻⁶ /°C | 1,8–2,3 % |
| Нейлон 6/6 (30 % СВ) | 30–40 × 10⁻⁶ /°C | 0,7–0,9 % |
| АБС | 70–90 × 10⁻⁶ /°C | 1,6–2,0 % |
| ПК | 65–70 × 10⁻⁶ /°C | 1,5–1,6 % |
| ПП (ненаполн.) | 100–150 × 10⁻⁶ /°C | 2,3–3,4 % |
Чистый эффект: пластик усаживается на вставку, создавая сжимающее кольцевое напряжение, обеспечивающее механический захват. Два режима отказа:
- Растрескивание от кольцевых напряжений. Толщина стенки бобышки критична: слишком тонкая — не поглощает напряжение; слишком толстая — создаёт утяжину на противоположной стороне.
- Ослабление при повышенной температуре. Плотная при комнатной температуре вставка может ослабнуть при 80 °C, так как пластик расширяется сильнее металла.
Проектирование Бобышек
Толщина Стенки Бобышки
| НД Вставки | Рекомендуемая Стенка | Минимальная Стенка |
|---|---|---|
| ≤6 мм | 2,0–3,0 мм | 1,5 мм |
| 6–10 мм | 2,5–4,0 мм | 2,0 мм |
| 10–16 мм | 3,5–6,0 мм | 2,5 мм |
| >16 мм | 0,4–0,6× НД | 0,3× НД |
Стенка у основания должна быть 0,5–0,6× номинальной толщины стенки. Применяется стандартное правило соотношения ребро-стенка.
Высота и Уклон
Высота бобышки = длина вставки + 0,5–1,0 мм. Уклон: НД 1–2°, ВД 0,5–1°.
Прочность на Вырыв и Проворот
Для типичной латунной вставки M6 с алмазной накаткой в стеклонаполненном нейлоне:
| Вид Разрушения | Примерная Несущая Способность |
|---|---|
| Фрикционный захват кольцевым напряжением | 800–1 200 Н |
| Срез поднутрения | 2 500–3 500 Н |
| Разрыв бобышки | 4 000–5 500 Н |
| Тип Накатки | Примерный Момент Проворота |
|---|---|
| Гладкая | 1–3 Н·м |
| Прямая накатка | 5–10 Н·м |
| Алмазная накатка | 8–15 Н·м |
| Шестигранный НД | 15–25 Н·м |
Конструкция Пресс-Формы
Удержание Вставки в Форме
- Штифтовое удержание — Подпружиненный или убирающийся штифт, входящий в ВД вставки
- Магнитное удержание — Для стальных вставок; достаточно до ~20 г
- Посадка с натягом — Лёгкий натяг в гнезде формы
- Вакуумное удержание — Для плоских нестальных вставок
Предотвращение Облоя
- Резьбовые вставки: Убирающийся знак, ввинчивающийся в ВД вставки
- Электрические контакты: Положительная поверхность смыкания, шлифованная до зазора 0,02 мм
- Сквозные вставки: Знак, проходящий через вставку с уплотнением с обоих концов
Типичные Дефекты
| Дефект | Причина | Решение |
|---|---|---|
| Вырыв вставки | Недостаточное поднутрение | Накатанная вставка или вставка с поднутрением |
| Радиальные трещины | Чрезмерное кольцевое напряжение | Увеличить стенку; использовать менее усадочный материал |
| Облой в резьбе | Знак не уплотняет торец вставки | Зазор <0,03 мм |
| Смещённая вставка | Вставка не зафиксирована | Положительная фиксация |
| Утяжина | Стенка бобышки слишком толстая | 0,5–0,6× номинальной стенки |
Предварительный нагрев вставок до 80–120 °C перед загрузкой — наиболее эффективный контроль процесса для качества литья со вставками.