Справка
Более подробно о замковых соединениях изделий из полимерных материалов, в том числе об их других многочисленных видах, конструировании, технологии, свойствах и областях применения см. в источнике: Комаров Г. В. Соединение деталей из полимерных материалов: Учеб. пособие. – СПб: Профессия, 2006. – с. 72–118.
Редакция
Введение
Сборка замковых соединений по сравнению с другими видами сборки пластиковых деталей, в первую очередь термопластичных, отличается простотой, экономичностью и быстротой, не требуя каких-либо дополнительных материалов, крепежа и оборудования. Замковые соединения образуются в результате введения выступающей части одной из соединяемых деталей (в виде буртика, утолщения, крючка и т.п.) в полость (поднутрение, углубление, паз и т.д.) другой детали. Наиболее предпочтительным этот вид соединения является для деталей из ненаполненных термопластов ввиду их относительной податливости (см. справку. – Прим. ред.).
1. Некоторые виды замковых соединений
Ниже рассмотрены некоторые часто используемые виды замковых соединений.
1.1. Т-образное замковое соединение с пружинящим крючком
Данный вид замковых соединений является наиболее распространенным и выполняется с помощью упруго деформирующегося (пружинящего) крючка, оформленного на одной из деталей, и, соответственно, паза, поднутрения или отверстия на другой (рис. 1). Крючок упруго изгибается во время сборки деталей, а затем возвращается в исходное состояние, фиксируя их друг относительно друга.
Области применения. Часто используются в бытовой электронике, игрушках, всевозможных корпусных и многих других изделиях. Простота конструкции делает их соответственно экономичными и простыми в изготовлении, особенно методом литья под давлением.
Преимущества. Сборка и разборка этих соединений отличается простотой и легкостью, не требуя дополнительных инструментов. Они универсальны и могут выполняться из различных пластиков, включая ПП, ПК и АБС-пластик. Кроме того, в отличие от всех последующих описанных видов замковых соединений Т-образные являются наиболее технологичными в их производстве.
Проблемы. Основными причинами отказа подобных замковых соединений, особенно при их частых сборках-разборках, является недостаточная усталостная прочность из-за концентрации напряжений у основания консоли крючка. Снизить концентрацию напряжений позволяет скругление места перехода от консоли к телу детали. С точки зрения более высокой усталостной прочности предпочтительными пластиками для таких соединений являются ПП или ПА.
1.2. U-образное замковое соединение
В данном замковом соединении используется двусторонняя U-образная пружинящая консоль с тем же крючком на конце. Соединение при прочих равных условиях отличается повышенной гибкостью и менее жесткими требованиями к размерной точности соединяемых деталей по сравнению с предыдущим видом соединения (рис. 2).
Области применения. Это соединение, отличающееся повышенной гибкостью пружинящего крючка, предпочтительно использовать для сборки деталей упаковки или корпусных изделий с более широкими допусками на размеры мест соединений.
Преимущества. Повышенная гибкость соединения снижает требования к размерной точности соединяемых деталей и позволяет выполнять сборку значительно быстрее.
Проблемы. U-образные замковые соединения со временем теряют гибкость, особенно при их частых сборках-разборках, что может привести к их разрушению. Выбор более эластичных материалов, таких как термоэластопласты или ПП, может помочь сохранить гибкость в течение более длительного времени.
1.3. L-образное замковое соединение
L-образное замковое соединение обеспечивает боковое сцепление соединяемых деталей и фиксирует детали друг с другом с помощью расположенного сбоку запорного механизма (рис. 3). В отличие от предыдущих вариантов, где сборка осуществляется вдоль вертикальной оси, L-образные соединения крепят детали друг к другу с усилием вдоль горизонтальной оси, что делает их оптимальными для боковых запорных механизмов.
Области применения. Данные соединения обычно используются для упаковок или крышек корпусных изделий, где требуются повышенная боковая несущая способность и надежность фиксации соединяемых деталей.
Преимущества. Обеспечивается высокая боковая удерживающая сила, которая предотвращает случайное ослабление из-за бокового ударного воздействия или вибраций.
Проблемы. Замковые соединения L-образной формы чувствительны к боковому давлению, которое может привести к деформации или разрушению в случае их недостаточной несущей способности, а также в тех случаях, когда боковые нагрузки очень высоки. Усилить соединение можно за счет увеличения толщины стенки L-образной консоли и (или) использования материалов с более высокой ударной вязкостью, таких как АБС-пластик или ПК.
1.4. Цилиндрическое замковое соединение
В цилиндрическом или, иначе, кольцевом замковом соединении поднутрения могут быть выполнены на охватываемой или охватывающей детали, а выступы – соответственно на охватывающей или охватываемой (рис. 4). В результате цилиндрическое соединение замыкается по всей его окружности.
Области применения. Цилиндрические замковые соединения оптимально подходят для герметичных соединений, таких как те, которые используются в косметических контейнерах, стеклянных банках, крышках от бутылок или в шаровых шарнирах автомобилей. Более высокая прочность соединения по сравнению с предыдущими обусловливает более высокую его герметичность и возможность использования в емкостях с жидкостями или воздухонепроницаемых изделиях.
Преимущества. Равномерность распределения нагрузки по месту соединения значительно снижает риск его выхода из строя под действием даже высокой удерживающей силы. Таким образом, эти соединения наиболее всего подходят для тех областей применения, где решающее значение имеют надежность и долговечность.
Проблемы. Цилиндрические замковые соединения требуют высокой размерной точности и, соответственно, узких допусков на размеры мест соединения деталей. Кроме того, в случае большой и (или) нестабильной термической усадки материала при литье под давлением герметичность соединения может быть быстро нарушена. Поэтому требуется тщательный размерный контроль деталей, а также адаптация их конструкции к ожидаемой усадке материала.
В заключение данного раздела в табл. 1 приведены сравнительная качественная оценка несущей способности и возможности повторного использования рассмотренных выше замковых соединений, а в табл. 2 – их рекомендуемый вид и некоторые области применения в зависимости от вида материала соединяемых деталей и его свойств.
2. Методы производства деталей для замковых соединений
Основными методами производства пластиковых деталей для замковых соединений являются литье под давлением и 3D-печать. Выбор той или иной технологии зависит от таких факторов, как программа выпуска, требуемая и возможная размерная точность деталей, а также эксплуатационные свойства материала. В табл. 3 дана сравнительная характеристика этих технологий.
В случае выбора 3D-печати следует учитывать, что каждая аддитивная технология имеет собственные преимущества и недостатки, в том числе при использовании в производстве замковых соединений. Наиболее предпочтительными для этих целей являются технологии FDM, SLS, MJF и SLA.
FDM (Fused Deposition Modeling). Технология послойного экструзионного наплавления считается одним из наиболее экономически эффективных методов 3D-печати деталей для замковых соединений, но при этом обеспечивает наименьшую размерную точность по сравнению с другими методами. Для достижения наилучших результатов при использовании FDM-печати рекомендуется использовать более прочные пластики, такие как АБС, ПА или ТПУ.
SLS (Selective Laser Sintering). Селективное сплавление под действием лазерного излучения лучше всего подходит для прототипов и конечных деталей сложной формы, обеспечивая при этом более высокую прочность замковых соединений по сравнению с технологиями FDM и SLA. Из пластиков с этой точки зрения предпочтительным является ПА.
MJF (Multi-Jet-Fusion). Метод основан на селективном сплавлении под действием ИК-излучения и является еще одним вариантом создания прочных замковых соединений, например, из ПА и ПП, обеспечивая их высокую размерную точность и долговечность. Однако при этом необходимо соблюдать некоторые конкретные конструктивные требования, такие как, в частности, к толщине основания консолей соединений с пружинящим крючком, которая не должна быть менее 1 мм.
SLA (Stereolithography). Стереолитография или, иначе, фотополимеризация в ванне позволяет получать даже микродетали с высокой размерной точностью, которые, однако, бывают зачастую довольно хрупкими для использования в замковых соединениях. Это является следствием свойств используемых полимеризуемых смол, выбирать которые следует особенно тщательно.
3. Альтернативные технологии соединений
Замковые соединения отличаются среди прочего своей простотой и легкостью их сборки и, при необходимости, разборки. Но у них, как и у других, есть свои ограничения. Поэтому в тех случаях, когда замковые соединения не удовлетворяют тем или иным предъявляемым к ним требованиям, то «свет клином не сошелся» на них, и следует обращаться к альтернативным технологиям, обеспечивающим, например, более прочные, долговечные, точные и герметичные соединения. В табл. 4 приведены некоторые рекомендации по этому поводу.
Заключение
Таким образом, замковые соединения представляют собой наиболее простое и экономичное решение для сборки пластиковых деталей, изготавливаемых методами литья под давлением или 3D-печати. Не возникает здесь и проблем, связанных с разделением деталей из термопластов в целях их последующего рециклинга. Поэтому, решая задачи сборки, специалисты должны первым делом обратить внимание именно на эту технологию, подобрав оптимальную конструкцию замкового соединения в зависимости от формы и габаритов изделия, а затем и метод производства соединяемых деталей – литьем под давлением или 3D-печатью. В крайнем случае, когда замковое соединение не удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, следует рассмотреть альтернативные методы сборки – механические с помощью крепежа, сварку или склеивание.
Types, Design and Selection Criteria of Lock Joints
R. Stevens
Locking joints of plastic parts have a number of significant advantages over threaded, riveted, adhesive and welded ones, but also certain limitations of their use. Using the example of some common types of locking joints, this article examines the key aspects of their choice depending on the material and shape of the plastic parts to be joined, as well as the application area.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 12 (319) 2025 г., с. 36-40.
