Your browser is out of date.

You are currently using Internet Explorer 7/8/9, which is not supported by our site. For the best experience, please use one of the latest browsers.

Jak zachować integralność połączeń przy zmianie materiału z metalu na tworzywo sztuczne

Autor: Christie Jones, Dyrektor ds. marketingu

Inserty są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach. Kluczowe znaczenie ma wybór insertu spełniającego wymagania eksploatacyjne i montażowe.v

Najsłabszymi elementami wielu konstrukcji części z tworzyw sztucznych są połączenia i punkty montażowe. Podczas złożenia śrubowego elementów współpracujących, śrubę należy dokręcić z wystarczającym momentem obrotowym, aby wytworzyć zalecane osiowe obciążenie rozciągające między elementem głównym a gwintem śruby, co zapobiega jej poluzowaniu. Częstym problemem w przypadku połączeń śrubowych jest to, że tworzywa sztuczne są podatne na relaksację naprężeń lub pełzanie. W przypadku obciążeń znacznie poniżej granicy sprężystości tworzywa sztuczne tracą zdolność do utrzymywania obciążenia. W takiej sytuacji połączenie gwintowe ulega poluzowaniu

Metalowe inserty gwintowane znacznie poprawiają wytrzymałość połączeń w elementach z tworzyw sztucznych i nie są podatne na pełzanie. Większa średnica korpusu i konstrukcja pozwalają na zastosowanie odpowiedniego momentu dokręcania śruby. Połączenia te nie poluzowują się z upływem czasu, ponieważ mosiądz zapewnia trwałą odporność na relaksację na całej ścieżce obciążenia gwintu. Ponadto inserty umożliwiają nieograniczone złożenie/demontaż elementów bez naruszania integralności gwintów. Ostatecznie to właśnie metalowy insert często pozwala projektantom zastąpić odlewane lub obrabiane elementy metalowe tańszym tworzywem sztucznym bez utraty wydajności.

Typowe wymagania dotyczące wydajności złożenia wykorzystującego insert obejmują wytrzymałość na rozciąganie/ wyciąganie oraz moment obrotowy. Wytrzymałość na rozciąganie, czyli wyciąganie, to siła osiowa wymagana do wyciągnięcia insertu z tworzywa sztucznego. Moment obrotowy to siła obrotowa wymagana do obrócenia insertu w tworzywie sztucznym. Wreszcie, wyciąganie to połączenie momentu obrotowego i siły rozciągającej przyłożonej w kierunku przeciwnym do łba insertu (patrz rysunek 1).

Na wydajność insertu wpływają następujące czynniki:

  • Typ insertu, jego konstrukcja i jakość 
  • Specyfikacje tworzywa sztucznego.
  • Konstrukcja i jakość elementów z tworzywa sztucznego, w tym spójność tolerancji otworów.
  • Proces montażu.

Najpierw należy określić wymagania eksploatacyjne złożenia, a następnie dobrać odpowiedni insert. Celem jest wybór insertu o wystarczającej odporności na moment obrotowy, aby wytrzymał moment dokręcania niezbędny do uzyskania odpowiedniego obciążenia rozciągającego wzdłuż osi na połączeniu gwintowanym, co pozwoli utrzymać je w całości i zapobiec poluzowaniu, przy jednoczesnym osiągnięciu wartości wytrzymałości na wyrywanie niezbędnych dla warunków obciążenia, na jakie insert będzie narażony podczas eksploatacji. Ogólnie rzecz biorąc, odporność na moment obrotowy jest funkcją średnicy insertu, a odporność na wyrywanie jest funkcją długości insertu.

Terminologia dotycząca wydajności insertów

Wytrzymałość na rozciąganie (wyrywanie) Moment obrotowy Moment obrotowy i rozciągający przyłożony do przeciwległego końca (przeciąganie)

 Rysunek 1
Typowe wymagania eksploatacyjne dla insertów obejmują wytrzymałość na rozciąganie, moment obrotowy oraz wytrzymałość na przeciąganie

Jak są montowane

Istnieje wiele różnych typów insertów zaprojektowanych z myślą o różnych wymaganiach eksploatacyjnych i metodach montażu. Metoda montażu ma wpływ na rodzaj insertu, który można zastosować, a także na całkowity koszt złożenia. Dwa główne typy insertów to formowane do obtrysku oraz montowane po zakończeniu procesu formowania (post-mold).

Inserty do obtrysku zazwyczaj zapewniają najwyższą wydajność, jednak ta forma montażu jest zdecydowanie najdroższa. Ponadto istnieje ryzyko uszkodzenia formy, jeśli insert nie zostanie prawidłowo ustawiony podczas procesu formowania. 

Inserty wtapiane/ultradźwiękowe po formowaniu zapewniają dobrą wydajność przy ułamku kosztów złożenia w porównaniu z insertami do obtrysku. Montaż po formowaniu jest bardzo wydajny i eliminuje konieczność prawidłowego umieszczania insertów w formie podczas cyklu formowania. Zazwyczaj inserty montowane za pomocą ciepła zapewniają najlepsze połączenie ogólnej wydajności i najniższych kosztów montażu.

Inserty samogwintujące zapewniają najlepszą odporność na wyrywanie wśród insertów montowanych po formowaniu, jednak monter musi uważać podczas montażu, aby insert był  idealnie prostopadły do otworu, w przeciwnym razie nie będzie dobrze współpracować ze śrubą.

Inserty samogwintujące zapewniają najlepszą odporność na wyrywanie spośród insertów montowanych po formowaniu, jednak monter musi uważać podczas montażu, aby insert był  idealnie prostopadły do otworu, w przeciwnym razie nie będzie dobrze współpracować ze śrubą. Inserty rozprężne są przeznaczone do zastosowań o mniejszym znaczeniu, gdzie głównym kryterium projektowym jest łatwość montażu, a nie moment obrotowy i odporność na wyrywanie. Inną niedrogą opcją są inserty wciskane, które mają na celu obniżenie kosztów montażu kosztem momentu obrotowego i odporności na wyrywanie.

Wytyczne dotyczące projektowania otworów

Prawidłowy rozmiar otworu ma kluczowe znaczenie. Większe otwory obniżają wydajność, podczas gdy mniejsze powodują niepożądane naprężenia i potencjalne pęknięcia w tworzywie sztucznym. Zbyt małe otwory mogą również powodować powstawanie nadlewek na krawędziach otworu. Zalecany przez producenta rozmiar otworu dla insertu należy dostosować, jeśli w tworzywie sztucznym zastosowano wypełniacze. Jeśli zawartość wypełniacza wynosi 15% lub więcej, zaleca się poszerzenie otworu o 0,08 mm (0,003”), a jeśli zawartość wypełniacza wynosi 35% lub więcej, sugerowane zwiększenie średnicy otworu wynosi 0,15 mm (0,006”).

Otwory na inserty montowane po formowaniu powinny być zawsze głębsze niż długość insertu. W przypadku insertów samogwintujących należy zastosować minimalną głębokość równą 1,2-krotności długości insertu. W przypadku innych insertów zalecana głębokość to długość insertu plus dwa skoki gwintu. Śruba montażowa nie powinna nigdy osiągać dna otworu, ponieważ spowodowałoby to jej wyskoczenie. Preferuje się otwory formowane  w stosunku do otworów wierconych ze względu na ich mocną, gęstszą powierzchnię. Trzpienie rdzeniowe używane do formowania otworów powinny być wystarczająco duże, aby uwzględnić skurcz. W przypadku otworów prostych stożek nie powinien przekraczać kąta zawartego 1°. Otwory stożkowe powinny mieć kąt zawarty 8° (patrz rysunek 2).

Otwór walcowy

A: Stożkowatość maks. 1°
B: ∅D
C: Minimalna głębokość otworu Długość insertu + 2 skoki gwintu
D: Optymalna średnica nadlewu 2-3 krotność średnicy insertu

Otwór stożkowy

A: ∅E
B: Minimalna głębokość otworu Długość insertu + 2 skoki gwintu
C: Optymalna średnica nadlewu 2-3 krotność średnicy insertu
D: ∅D

Otwory stożkowe skracają czas montażu i zapewniają prawidłowe wyrównanie insertu względem otworu. Dodatkową zaletą jest łatwiejsze wyjmowanie z kołka rdzeniowego. W otworach stożkowych należy stosować wyłącznie inserty stożkowe. Wadą jest to, że inserty te nie są symetryczne, dlatego przed montażem należy je odpowiednio ustawić.

Na działanie insertu ma wpływ średnica występu z tworzywa sztucznego i/lub grubość ścianki. Zasadniczo optymalna grubość ścianki lub średnica występu wynosi od dwóch do trzech razy średnicy insertu, przy czym stosunek ten maleje wraz ze wzrostem średnicy insertu. Grubość ścianki z tworzywa sztucznego musi być wystarczająco duża, aby uniknąć wybrzuszenia podczas montażu, oraz wystarczająco wytrzymała, aby wytrzymać zalecany moment dokręcania śruby montażowej. Słabe szwy w pobliżu insertu spowodują awarie i obniżą jego wydajność.

Inserty montowane po formowaniu, które są wciskane na zimno do otworu, wymagają większych średnic występów i/lub grubości ścianek, aby wytrzymać większe naprężenia wywołane podczas montażu. Montaż insertów, gdy tworzywo jest jeszcze ciepłe po formowaniu, zazwyczaj pozwala uniknąć problemów.

Elementy współpracujące

Średnica otworu przelotowego w elemencie współpracującym jest bardzo ważna. Obciążenie musi być przenoszone przez  insert, a nie tworzywo sztuczne. Otwór w elemencie współpracującym musi być większy niż średnica zewnętrzna śruby w złożeniu, ale mniejszy niż średnica pilotowa lub czołowa insertu, aby zapobiec wyskakiwaniu śruby. Jeśli do celów wyrównania wymagany jest większy otwór w elemencie współpracującym, należy rozważyć zastosowanie insert z łbem. Inserty powinny być montowane równo z powierzchnią (lub nie więcej niż 0,13 mm (0,005”) powyżej otworu).

Jeśli element współpracujący jest również wykonany z tworzywa sztucznego, należy rozważyć zastosowanie ogranicznika naprężenia w celu utrzymania napięcia wstępnego połączenia gwintowego. Aby ogranicznik naprężenia działał prawidłowo, powinien przylegać do insertu tak, aby to insert, a nie tworzywo sztuczne, przenosił obciążenie.

Inserty z łbem zapewniają większą powierzchnię nośną oraz, w razie potrzeby, powierzchnię przewodzącą. W zastosowaniach o dużym obciążeniu korzystne może być umieszczenie łba po stronie przeciwnej do obciążenia w konfiguracji przelotowej (patrz rysunek 3). Insertów stożkowych nie należy stosować w zastosowaniach przelotowych ani w cienkościennych występach, ponieważ spowoduje to pękanie tworzywa sztucznego.

Konfiguracja przelotowa

W zastosowaniach o dużym obciążeniu warto rozważyć umieszczenie łba insertu po przeciwnej stronie obciążenia, aby zwiększyć wytrzymałość na wyrywanie. Insertów stożkowych nie należy stosować w zastosowaniach typu pull-through.

A: Element współpracujący
B: Element mocujący
C: Insert z Łbem

Rysunek 3

MASZ PYTANIE? Chętnie pomożemy!

Masz problem produkcyjny, którego nie możesz rozwiązać? Nasi eksperci uwielbiają wyzwania. Doradzanie skutecznych rozwiązań spełniających Twoje wymagania jest tym, co robimy najlepiej. Zadzwoń do nas lub wypełnij poniższy formularz, aby się z nami skontaktować!

+48 510 039 345