Transcript MEKANISKA FÖRBAND: Sammanfoga med skruv och mutter

Bearbetning från A till Ö
Sammanfoga med skruv och mutter
Ett stort antal fästelement i olika storlekar och material används vid fogning
av plaster. Några av dessa är av samma
slag som används för fogning av
metaller eller trä (bleckskruv och träskruv). Andra har utvecklats speciellt
för att sammanfoga plastdetaljer.
˘De mekaniska fästelementen innefattar
vanlig skruv, självgängande skruv (behandlas i del 2), insatser av olika slag, met-
MEKANISKA FÖRBAND
I nästa nummer: Självgängande skruv del 2
riskt gängad skruv med mutter, nitar,
klämmor och annat.
Vissa är utformade så att förbandet kan
öppnas och slutas upprepade gånger för
underhåll och reparationer medan andra är
utformade för att ge ett permanent förband.
Skruvade förband
˘Skruvar utgör de vanligaste mekaniska
fästelementen vid sammanfogning av
plastkomponenter. Skruvar används både
vid snabb hopfogning av material av samma och olika slag. Skruvförband tillåter att
komponenter både kan sättas ihop och demonteras, vilket är betydelsefullt till exempel vid inspektion och reparation av en
innesluten funktion.
Dragningar och isärtagningar sker
snabbt och enkelt med pneumatiska
skruvdragare men med kontroll av vridmomentet.
Möjligheter till särtagning har även betydelse vid återvinning av plast. Men då
skall detaljen vara konstruerad för återvinning och parterna skall kunna separeras
snabbt och ekonomiskt.
Syftet med ett skruvförband är att parter sluts i ett bestämt läge till varandra.
Förutsättningen är att den förspänning,
som fås då skruven dras åt, är tillräckligt
hög under lång tid för att kompensera
plastens relaxation, vilken varierar beroende på växlande belastningar och temperaturer. De flesta gängade fästelement är av
stål eller mässing och är därmed överdimensionerade i förhållande till plasten
med hänsyn till hållfastheter, temperaturer, belastningstid och relaDEL 1 tiv fuktighet. Fästelement
tillverkas också av rostfritt
stål för att användas i korrosiv omgivning. Detsamma gäller skruv
och mutter av plast.
E N FÖ R D E L med ett mekaniskt förband är
att fogningen inställer sig omedelbart i
motsats till ett limförband där limmet
Figur 1 a: Förband med skruv och mutter.
> Konventionell fogning med skruv,
mutter och brickor ( figur 1 a).
> Skruv, som fäster i en gängad insats, som
införts i plasten (figur 1 b).
> Självgängande skruv, som vid montering
genererar en gänga i plasten (figur 2).
MARKNADEN ERBJUDER
ett stort antal olika
typer av gängade fästelement. Vanligen används fästelement av standardtyp.
De kan indelas i följande grupper beroende på funktion:
36
plastforum 5 2006
MASKINSKRUV
med mutter kan monteras
med försänkt skruvskalle och mutter enligt figur 1a eller utan försänkningar. I båda
fallen får man ojämnheter i den fogade de-
måste ha en viss tid för att stelna. Det händer emellertid att mekaniska fästelement
används tillsammans med limning. Parterna hålls då på plats under det att limmet
stelnar och kombinationen både stärker
och tätar förbandet i sin helhet. Kombinationen kan emellertid medföra olägenheter
då den hopfogade produkten skall skrotas.
M E K A N I S K A FÄ STE LE M E NT
skall användas
med försiktighet eftersom de placeras
punktvis i konstruktionen. Spänningar
kan uppstå i punkterna och leda till sprickbildningar hos den plast som ingår i konstruktionen. Bultar och självgängande
skruv införs i hål, som kan borras men
helst tillverkas genom att införa kärnor
i formverktyget. Kärnor kan emellertid
orsaka sammanflytningslinjer och därmed svagheter i konstruktionen.
lars-erik edshammar
Figur 1 b: Förband med skruv och insats.
taljens ytor på båda sidor, vilket kan medföra estetiska eller geometriska olägenheter.
Monteringen kan bli besvärlig eftersom
detaljens två delar skall föras samman
medan skruv och mutter skruvas ihop.
Förbandet är emellertid varaktigt såvida
det inte utsätts för vibrationer – speciellt
vid låg temperatur då plasten krympt mer
än det metalliska fästelementet. För att
vara på den säkra sidan införs låsningar av
olika slag till exempel fjäderbrickor.
Bearbetning från A till Ö
Införs en inre gängad insats, enligt
figur 1b, fås en jämn yta på detaljens ena
sida och monteringen sker med färre
delar.
Till nackdelarna hör att insatsen måste
placeras i formen för omsprutning eller
tryckas in i ett hål i plastdetaljen efter
formsprutningen.
Till fördelarna hör att förbandet är varaktigt och kan utsättas för upprepade
montage och isärtagningar såvida man
inte använder för höga vridmoment.
Figur 4a: Skruvförband med skruv och mutter.
4b: Ingen försänkning men införd stödhylsa.
Figur 5: Inför spalt eller gummihylsa för att utjämna skillnader i värmeutvidgningen.
Figur 6: Användning av torn förhindrar
deformation.
Figur 7: Undvik denna typ av nedsänkning
(sänkhuvud), som ger sprickor i plasten.
I N SAT S E N S Y TA
kan innehålla räfflor, som
ger pyramidformade vårtor (av den typ
som beskrivs i figur 11) eller också hullingar enligt figur 3. Räfflingen är 0,25 millimeter djup för små insatser och 0,75 millimeter för större.
Den självgängande skruven i figur 2 ger
en jämn sida och kräver det minsta antalet
delar för att sammanfoga en detalj. Upprepade montage och särtagningar är möjliga
men antalet är begränsat.
■■■
Figur 2: Exempel på självgängande skruv.
Figur 3: Insats med hullingar och exempel
på dimensioner.
Skruv med mutter
˘Skruvar eller gängade bultar som förs
in i hål och hålls kvar med en mutter är
en konventionell och enkel metod vid
hopsättning. Metoden tillåter upprepade
isärtagningar och är vanlig vid montering
av produkter, som består av kombinationen plast/plast eller plast/metall. Det
monterade fästelementet kan som nämnts
ha utseendemässiga och geometriska begränsningar, vilket framgår av figur 4.
En sexkantig försänkning i ena parten
kan införas så att inte muttern roterar,
vilket underlättar den annars besvärliga
hopskruvningen (figur 4a). Genom att
införa en stödhylsa av metall enligt figur
4b undviker man en alltför kraftig förspänning. Då de två parterna består av
plast och metall med olika termiska utvidgningskoefficienter kan man införa
en elastisk gummihylsa eller luftspalt för
att utjämna skillnaden enligt figur 5.
V I D A N VÄ N D N I N G AV B U LT
och mutter
måste man undvika böjbelastningar som
kan leda till deformationer och i värsta
fall brott, särskilt när det gäller djupt
dragna konstruktioner enligt figur 6.
Man inför då torn i detaljens båda halvor.
Avståndet mellan tornens tvärytor (t) bör
vara cirka 0,25 millimeter och tillräckligt
för att utjämna eventuella variationer beroende på temperaturer och toleranser.
Tornens väggtjocklekar måste vara så väl
tilltagna att de klarar sluttrycket efter
dragning av skruv och mutter. Brickor
bör alltid användas för att fördela vridbelastningen över en större yta. Undvik den
typ av nedsänkning som beskrivs i figur 7.
Den är vanlig när det gäller träskruvar
men kilformen orsakar en ogynnsam belastning med hög ringspänning.
FÄ STE LE M E NT AV P L A ST i form av skruvar
och muttrar eller självgängande skruvar
har marginell betydelse på grund av plastens låga hållfasthet, men används när
speciella krav ställs på förbandet och det
inte finns något annat val.
Det kan exempelvis röra sig om tilllämpningar då elektrisk isolering, hög
korrosionsbeständighet och låg vikt har
betydelse. Dessutom kan skruvförband
av plast genomfärgas i önskad färg. Exempel på material är pa 66 med glasfiber
och glasfiberarmerade härdplaster. Ett mekaniskt förband av plast tappar med tiden
spänsten på grund av relaxation särskilt
då någon av parterna är av metall. ■ ■ ■
plastforum 5 2006
37
Bearbetning från A till Ö
Omsprutande insatser
Plasttornens utformning
˘Då man av olika skäl (montering, utseende, funktion et cetera) föredrar en metrisk skruv utan mutter används insatser
med gängor på insidan. Insatserna är
hållbara och ger möjligheter till upprepade montage och isärtagningar. Insatsernas inre gängor är anpassade maskinskruvar. De kan läggas in i verktyget inför
varje formsprutningscykel och omsprutas eller också pressas in i avsedda hål i
den formsprutade detaljen.
Pressningen sker med kall eller varm
insats eller med hjälp av ultraljud. Insatser finns i olika former och geometrier
och tillverkas av aluminium, mässing,
stål och rostfritt men även i härdplast,
som ej kan pressas med hjälp av ultraljud. Vanligast är mässingsinsatser eftersom de är lätta att framställa. Insatserna
är vanligen kallstukade eller maskinbearbetade. Insatser med komplicerade former kan tillverkas pulvermetallurgiskt.
˘Formsprutgodsets väggar ger vanligen
varken plats självgängande skruv eller
genomgående bultar.
Om man konstruerar för tjocka väggar
för att få rum med fästelementen blir resultatet insjunkningar och porer enligt
figur 8. I stället placerar man så kallade
torn en bit från formgodsets väggar och
med hjälp av ribbor och stöd som förstärker tornens vrid- och böjmotstånd enligt
nedre delen av figur 8 samt enligt figur 9.
Ett torn (boss) kan stagas med tre eller
fyra triangelformade stöd enligt figur 10.
O M S P R UTN I N G AV I N SAT S E R
ger en större
flexibilitet i konstruktionen än då insatser
drivs in i hål men är en dyr lösning och
används endast när den är särskilt motiverad. En insats för omsprutning kan i
princip vara utformad som i figur 11. Vid
omsprutning placeras insatsen i det öppna
formverktyget. Vid själva insprutningen
flyter smältan kring insatsen, som blir låst
då smältan stelnar. Väggtjockleken för
plasten kring insatsen skall vara väl tilltagen så att inte flödet hindras.
Intag och insatser placeras så att sammanflytningar undviks. Förvärmning av
insatsen kan underlätta flödet, öka vätningen och minska effekten av sammanflytningar. Problem med sammanflytningar är större för fiberförstärkta plaster
än ofyllda.
D E S PÄ N N I N G A R ,
som uppstår kring insatsen vid omsprutning, utgör ett stort problem. Spänningar i plasten blir emellertid större då man pressar in insatsen. Vid
omsprutning krymper plasten kraftigare
än den metalliska insatsen och ger restspänningar, som resulterar i en uppskjuten sprickbildning runt om insatsen.
Problemet minskar om insatsen är för38
plastforum 5 2006
Figur 11: Insats utan fläns för omsprutning av plast.
värmd men effekten är endast partiell.
Processparametrar som högt eftertryck
kan däremot påverka restspänningarna.
Insatser kan skada formen om de placeras oriktigt. I formsprutan bör finnas
en säkerhetsanordning som med hög
känslighet registrerar små tryckändringar vid slutning av formen.
Vid en tryckändring upphör den rörliga formhalvans rörelse automatiskt för
att minimera den skada som uppstår om
insatsen placerats fel (exempelvis i snedställning). Insatsens kvalitet och dimensioner skall kontrolleras innan den används.
Vertikal formslutning föredras framför horisontal eftersom tyngdkraften håller insatserna på plats i den undre formhalvan. Manuell utplacering av insatser
tar olika tid från skott till skott vilket leder till kvalitetsvariationer. Vid användning av robot ökar jämnheten i produktionen.
■■■
Figur 8: Ojämn väggtjocklek ger porer och insjunkningar.
Figur 9: Plasttorn stöds med ribbor och
triangulära stöd.
A N VÄ N D N I N G AV I N SAT S E R
medför kostnader för längre cykeltider och maskinövervakning. Metallinsatserna har höga
hållfastheter och när den gängade skruven dras åt för mycket utsätts plasten för
skjuvpåkänningar och börjar flyta eller
går sönder. En effektiv metod att kontrollera förloppet är att mäta vridmomentet.
Metoden fungerar bra i en sammansättningslinje men har begränsningar vid
enstaka montage.
Detaljer med insatser, som inte klarar
en kvalitetskontroll kan vara svåra att
återvinna. Antingen måste de skrotas
helt eller också måste insatserna avlägsnas innan plasten mals ned för materialåtervinning. Återvinningen kan bli kostsam på grund av hög arbetsinsats.
■■■
Figur 10: Plasttorn med vinkelstöd.
Bearbetning från A till Ö
Insatser införda genom en sekundär operation
˘Införande av insats efter formsprutning
betyder att problem med omsprutning av
insats undanröjs. Insatsernas yttre geometrier varierar men de är gängade på insidan
på samma sätt som en mutter för standardskruvar.
Insatserna införs i hål formade vid detaljens formsprutningen eller i hål som
borrats i den formsprutade detaljen. Hål
formade med kärnor under formsprutningen föredras framför borrade hål eftersom borrning vanligen innebär att formgodset måste förflyttas inom verkstaden.
Hålen har mindre diametrar än insatsens
ytterdiametrar. Insatserna förs in i plasten
enligt följande:
> Kallpressning av insats
> Varmpressning av insats
> Införande med ultraljud
> Införande av insatser som expanderar
> Införande av insatser som är självgängande
Kallpressning: Den enklaste operationen är
att pressa in en kall insats i ett hål i plastdetaljen eller i ett torn. För att säkra insatsens
läge i axiell led används insatser med en
fläns eller också pressas insatsen in i ett
torn med ett verktyg som stoppas i sin
rörelse vid kontakt med tornets topp.
Insatsens läge kan också säkras genom
att införa ett steg enligt figur 12. I likhet
med presspassning är metoden lämplig
för plaster med hög duktilitet och stor förlängning. Insatsens yta kan vara räfflad
med pyramidliknande utskott eller vara
försedd med hullingar.
Insatsen förankras genom att plasten
Figur 12: Insatsen pressas in i ett underdimensionerat stegat hål utan släppvinkel.
flyter och formas efter ojämnheterna i insatsens yta. Insatserna pressas in i avsedda
hål helst strax efter avformningen då plasten fortfarande är varm och efterkrymper.
Hålen är helst framställda genom kärndragningar i formen.
Insatserna pressas in i hål utan släppvinkel för att säkra en likformig spänningsfördelning och maximal förankring.
Varmpressning (hot pressing): Att pressa in
en insats, som är varm ger ett bättre resultat än kallpressning.
Insatsen värms upp av ett elektrisk uppvärmt verktyg. Plasten, som är i kontakt
med insatsen, mjuknar och flyter in i
underskärningar.
Både insatser och hål kan med denna
metod vara avsmalnande för att ge ett jämnare tryck och för att minska volymen av
det plastmaterial som plogas mot botten
av hålet då insatsen pressas in. Ett hål ska
ha ett utrymme i botten för att ta emot plogat material (cirka en millimeter).
Processen är enkel men långsam eftersom plasten kring insatsen tar tid på sig att
flyta. Cykeltiden kan minskas om det finns
möjligheter att förvärma insatsen.
Införande med ultraljud: Ultraljudsutrust-
på grund av den friktion som uppstår då
insatsen vibrerar. Insatsens mekanisk
rörelse har amplituden 0,01–0,02 millimeter. Plasten flyter in i insatsens underskärningar och stelnar då vibrationen upphör. Påfrestningarna på hornet är stora
och hornet tillverkas i härdat stål eller titan
täckt med titankarbid.
Cykeltiden är kortare än vid varmpressning (cirka en sekund) eftersom ett tunnare skikt av plast blir uppvärmt.
Expanderande insatser: Någon gång används
insatser som förankras i plasten genom
fjädring. Insatsen har längsgående urtag
och fjädrarna arbetar som fristående balkar enligt figur 13.
Insatsen används främst i armerade
härdplaster och trycks in i ett cylindriskt
hål. En speciellt utformad insats ger möjligheten att tvinga ut de fristående balkarna mot hålets väggar med en speciell anordning.
Expanderande insatser kan också användas för armerade termoplaster men
med stor försiktighet med tanke på den
kraftiga ringspänning de åstadkommer.
Självgängande insats: Den självgängande
ningen har i princip beskrivits under
kapitlet om svetsmetoder. Metoden genererar både värme och tryck då insatsen
trycks in i ett underdimensionerat avsmalnande hål.
Insatsen trycks in i avsett hål med ett
kallt horn. Plasten kring insatsen mjuknar
insatsen har en skärande yttre gänga som
formar en gänga i plasten samt en inre
gänga som är anpassad en maskinskruv
enligt figur 14. Insatsen skruvas in i avsett
hål med ett speciellt verktyg som greppar
spåren i insatsen. Självgängande insatser
kan användas i både termoplaster och
härdplaster.
■■■
Figur 13: Expanderande insats samt anordning för påtvingad expansion.
Figur 14: Självgängande insats med fläns
sedd från sidan och i axiell riktning.
plastforum 5 2006
39