塑料产品中压力配合的设计

塑料产品中压力配合的设计塑料产品中压力配合的设计南 欢【摘【摘 要】要】摘 要:压力配合主要用于传递扭矩和轴向力,文章主要根据塑料产品压力配合的特点、应用、材料选择、失效形式等,给出了主要参数如最大过盈量、最大应力、配合强度等的设计公式,指出了在设计中应考虑的影响因素,以及几种增加配合强度和扩大公差范围的结构改进。图 5 参 11【期刊名称】【期刊名称】轻工机械【年【年(卷卷),),期】期】2010(028)003【总页数】【总页数】4【关键词】【关键词】关 键 词:塑料工业;压力配合;参数设计;结构改进1 压力配合概述塑料产品中的装配方法有很多种,其中压力配合技术是最简单的装配技术之一,它利用被连接塑料件的孔与轴的弹性变形,装配后能传递一定的扭矩或轴向力。压力配合有如下优点:连接之间无附加材料(如键、销、螺钉、粘结剂等);装配容易;不同材料间可以进行连接;既可永久连接也可重复连接等。其缺点主要有:塑料件的制造精度要求高;存在应力松弛会使配合变松;温度变化不能太大;孔径不能有拔模斜度等1-11。压力配合作为塑料产品的主要连接方式之一,应用十分广泛,通常用于齿轮、带轮、车轮、滑轮、滚筒、轴承等环状塑料零件与其他零件的连接中。压力配合常用的塑料为尼龙、聚碳酸酯,聚甲醛等韧性材料,而脆性材料、对应力比较敏感的材料一般不宜用作压力配合。压力配合最常见的失效形式是轮毂被胀裂,主要原因是装配过盈量过大,作用在轮毂上的切向应力或拉伸应力超过材料的拉伸极限。故在压力配合设计中,关键是如何计算出合理的过盈量,确定轴与轮毂的公差值,并估算所需的装配力和能传递的最大扭矩,从而确定出零件的设计尺寸。2 设计参数2.1 几何参数压力配合的主要参数如图 1 所示,图中:Di轮毂内径;Do轮毂外径;Ds轴直径;I直径过盈量(干涉量);i半径过盈量;L压力配合表面长度;A轴毂与轴接触表面积。2.2 力学参数f轴与轮毂内表面间的摩擦系数;应变;Eb轮毂的弹性模量,Es轴的弹性模量;P在轴与轮毂配合界面上的接触压力;F轴线方向上的插入力或取出力;M压力配合传递的扭矩;设计应力或轮毂的最大许用应力;s轴材料的泊松比,b轮毂材料的泊松比。2.3 热学参数t温度;b轮毂材料的热膨胀系数;s轴材料的热膨胀系数。2.4 几何因子 G设定几何因子 G 来简化计算3 室温下最大过盈量的计算在压力配合结构尺寸设计时,关健是确定配合零件所能承受的最大过盈量Im。如过盈量过小,则配合强度不足,可靠性差;如过盈量过大,则装配困难,甚至轮毂因受力过大而损坏。3.1 不同材料的塑料轴和塑料轮毂间的压力配合作用在轴与轮毂配合界面上的接触压力 p,可以由法国数学家雷蒙发明的公式来确定2111轴与轮毂孔接触圆柱面间的径向应力 r=p,周向应力=Gp。如已知配合过盈量 I,则上式可以进一步写为周向应力 使配合轮毂周向拉伸,它必须小于轮毂材料的设计应力 由以上公式可得最大直径过盈量3.2 金属轴与塑料轮毂间的压力配合对于金属轴来说,它的硬度远大于塑料轮毂,有 Ess,(1-s)/Es0,公式可简化为由于塑料轮毂一般是和钢轴一起使用,因此方程的这种形式是最常用的。3.3 同种材料的塑料轴和塑料轮毂间的压力配合如果轴与轮毂使用相同塑料材料,有 Eb=Es,b=s,公式可简化为通过对以上公式的进一步分析,可以得出以下结论来指导设计:1)如果轴径与轮毂外径的比 Ds/Do 保持不变,材料性能增加时许用过盈量也会增加,相应会使公差变大,更便于制造。2)对于某一给定的材料,增加轮毂壁厚,将使许用过盈量得到提高,同样能使公差范围加大。3)对于给定的过盈量,增加材料性能,会使轮毂壁变薄。4 配合强度的计算4.1 轴向力 F假设装配时轴与轮毂的内表面接触压力 p 是均匀的,轴向力(装配力)F 是接触压力,则4.2 传递扭矩 M在使用公式(8)和(9)时,应注意由于应力松弛、蠕变和冷流效应发生,轴向力 F 与传递扭矩 M 会随时间延长而减小。在生产中,要降低装配力,最好是将金属轴冷却,或将塑料轮毂加热,而不能使用润滑剂,因润滑剂在减小装配力的同时,也使传递扭矩下降。5 配合强度的影响因素5.1 温度如果配合的轴与轮毂由不同材料制成,温度变化 t 时,直径过盈量的变化量为在极端情况下,如果金属轴与塑料轮毂配合,由于热胀系数差异较大,当温度升高时,配合强度将减弱到使轮毂在轴上滑动。相反,在较低的温度下,轮毂收缩使应力增加导致配合失效。例如:钢轴与 ABS 塑料压配,参数如下754:T1=23,T2=50,Ds=75mm,D=0125mm,钢的热膨胀系数为110610-5-1,ABS 树脂为 710 10-5-1,某玻纤填充的 ABS 为 21810-5-1。如 钢 轴 与ABS塑 料 压 配,则I=75(71010-5-110610-5)(50-23)=0112mm。如钢轴与玻纤填充的 ABS 塑料压配,则 I=75(21810-5-110610-5)(50-23)=01035mm。由此可见,采用玻纤填充的塑料材料与金属材料进行压力配合比使用无填充的塑料材料更为适当。另外,与金属不同,温度升高会使塑料材料的弹性模量降低,而使配合强度下降,同时,也进一步加剧了材料的应力松弛和蠕变进程。例如,当温度由 23上升到 71时,一给定级别的聚甲醛的拉伸强度将从 66167MPa 降到 34147MPa1318。5.2 熔接痕由于塑料轮毂多用注塑形式成型,注塑过程会产生熔接痕,它的强度通常比周围材料差。最好的熔接痕强度是其基础聚合物强度的 85%1324。模具设计与成型工艺条件可明显影响到这个数据。5.3 湿度有些塑料材料,随着相对湿度的增大,其强度会显著下降,且塑料零件的尺寸也会改变,尤其是尼龙,具体的数据可查阅相关的资料。5.4 蠕变在受长期应力时塑料会产生蠕变,导致轮毂蠕变破裂或使配合变松到可滑移的程度,故在长期应用的场合应该用蠕变模量进行计算。5.5 回收料一般情况下,使用回收料,材料的拉伸强度及冲击强度均会不同程度下降。故在重载情况下,尽量不要使用回收料。5.6 环境因素通常暴露在户外的塑件,受湿度、热老化、紫外线、各种化学试剂(如润滑剂、溶剂和清洁剂)的侵蚀,其强度会随时间的推移而下降。5.7 安全系数在以上计算时,必须考虑安全系数。合理选用安全系数既要保证使用安全,又要考虑到使用的经济性。安全系数包括2109:材料安全系数:对无增强的热塑性塑料,取材料安全系数 n1=1.5,对于各种增强塑料 n1=3。工艺安全系数:考虑轮毂件在注塑成型过程中会产生熔接痕,n2=1.72.3,对脆性的无定形聚合物应取大值,结晶型聚合物应取小值。总安全系数6 压力配合结构设计6.1 拔模斜度从成型工艺考虑,模制塑料轮毂必须在孔中设置拔模斜度。但斜度会使接触应力分布不均匀,从而加快配合失效,故压力配合轮毂内孔不能有拔模斜度。生产中可以采用以下办法。1)金属轴与塑料轮毂配合时 从模具结构上将单型芯改为对拚型芯来成型通孔,这样可降低拔模斜度并使配合应力分布更均衡,如图 2 所示;采用后机械加工的方法,将成型后的孔用钻、铰等方法去掉拔模斜度再进行装配。2)配合轴和轮毂都是塑料时 将他们设计成具有相同的拔模斜度。6.2 增强配合强度的设计随着使用时间的延长,由于应力松弛等,压力配合传递的扭矩和轴向力会下降,在结构设计上可以采用以下方法来阻止下降趋势(有时甚至可以提高配合强度)。1)在轴的配合表面上加一些纹理,如沟槽、滚花、喷砂等,配合时轮毂材料的蠕变或冷流可以阻止配合强度的下降,使其保持稳定。在轴表面上沿轴线方向开设一系列沟槽,塑料材料随着时间蠕变时材料可流入沟槽,可用来保持扭转强度,如图 3(a)所示。在轴表面上开设倒刺状环形沟槽,使装配方便省力,可限制轮毂的轴向移动,如图 3(b)所示。在轴表面上开设螺旋状沟槽,可同时保持配合的抗扭强度和轴向强度。2)将塑料轮毂的圆形孔改为异形孔,以塑料轮毂与金属轴在装配时的变形来替代圆孔的均匀扩张变形,这样弹性比减小,应力下降,可防止其应力开裂。6.3 扩大公差范围的设计对于轻载或可打开型压力配合,利用塑料的韧性,在一定压力下允许材料在较薄的部分变形甚至压坏,使配合公差范围扩大,成本降低。可采用以下几种设计方案:1)滚压加强筋。如图 4(a)所示,当轴与轮毂配合时,在轮毂孔中的筋会产生变形而使配合压紧,从而使配合具有一定的强度和定心公差。调整配合尺寸时,只需调整筋而不需增加零件的壁厚,对零件的重量与壁厚的影响较小。2)柔性加强筋。如图 4(b)所示,在轮毂孔中使用柔性加强筋(比滚压加强筋更高),可以获得比滚压加强筋更大的公差范围,从而在更大范围内实现压力配合。3)内/外配合。如图 5 所示,利用锥度进行配合,如果阳零件位于大边,形成内配合。如果阳零件位于小边,则形成外配合。7 结论1)压力配合设计中,在已知材料的性能参数和配合件几何参数的情况下,可计算出合理的过盈量、装配力和传递的扭矩,从而确定零件的设计方案。2)在影响压力配合的诸多因素中,温度是最重要的因素之一,特别是对于由不同材料组成的压力配合。3)压力配合强度会随使用时间的延长而下降,可以在结构设计上加以改进,如在轴上开槽、轮毂异形孔等,阻止下降趋势,延长使用寿命。4)对于轻载或可打开型压力配合,利用塑料的韧性,如在孔上设一些加强筋等,使配合公差范围扩大,成本降低。参考文献(References):1JORDAN R.塑料连接技术设计师和工程师手册M.丁玉梅,杨卫民,陈卫红,等,译.北京:化学工业出版社,2006:316-328.2PAUL A T.塑料零件装配设计M.任冬云,陈源平,何建中,等,译.北京:化学工业出版社,2002:108-151.3ROBERTA M.塑料注塑制件设计M.赵树高,杜爱华,周琼,等,译.北京:化学工业出版社,2000:338-346.4JACK A.塑料成型方案选择设计和制品工程师指南M.信春玲,杨小平,译.北京:化学工业出版社,2004:280-283.5张子成,邢继纲.塑料产品设计M.北京:国防工业出版社,2006:45-48.6郁文娟,顾燕.塑料产品工业设计基础 M.北京:化学工业出版社,2007:235-236.7沈惠玲.塑料制品压配联接设计J.中国塑料,2000,14(3):53-56.8孟建翔.复杂机械产品配置设计与关键技术J.轻工机械,2009,27(4):113-115.9 杨 玲 玲,胡 树 根,王 耘,等.基 准 定 位 的 自 动 装 配 技 术 J.轻 工 机械,2008,26(1):59-62.10徐佩弦.塑料件的压力装配J.塑料,2000(5):53-55.11 李 树,揣 成 智.塑 料 联 接 件 的 设 计 制 造 和 使 用 J.工 程 塑 料 应用,1997,25(5):41-49.book=6,ebook=1DO I:10.3969/j.issn.1005-2895.2010.03.016