Технологии получения резьбовых соединений изделий аддитивного производства



Автор: Андрей Николаевич Афонин,

профессор кафедры информационных и робототехнических систем НИУ БелГУ

Е-mail: aannru@yandex.ru

 

 

Резьбовые соединения являются наиболее распространенным видом разъемных соединений деталей. Они отличаются универсальностью, удобством применения и надежностью. В связи с этим они сохраняют свое значение и для изделий, получаемых с помощью аддитивных технологий. Однако получение их на данных изделиях вызывает существенные технологические трудности [1, 2]. Резьбовые поверхности имеют достаточно сложную форму и при этом требуют обеспечения относительно высокой точности изготовления для их взаимного сопряжения. Это делает их формирование аддитивными способами непростой задачей. Рассмотрим применяемые на сегодняшний день способы ее решения на примере деталей, получаемых наиболее распространенной в настоящее время технологией FDM (экструзия расплавленного материала на поверхность). Рассматриваемые подходы, впрочем, во многом справедливы и для других аддитивных технологий.

Как правило, на получаемых 3D-печатью деталях формируются внутренние резьбы, так как в качестве сопрягаемых с ними деталей с наружной резьбой обычно используются стандартные крепежные изделия: болты, винты и шпильки. В связи с этим рассмотрим особенности изготовления внутренних резьб. Так же как и в любых пластмассовых изделиях, в изготовленных по FDM-технологии деталях они могут быть получены следующими способами [3]:

1. Непосредственной 3D-печатью резьбы.

2. Нарезанием резьбы метчиками или самонарезающими винтами.

3. Установкой в деталях металлических резьбовых вставок.

Рассмотрим эти способы более подробно.

 

3D-печать резьбы

 

Непосредственная 3D-печать резьбы представляется на первый взгляд наиболее логичным способом ее получения в аддитивном производстве. Однако, как уже было сказано выше, получение резьбовых поверхностей аддитивными методами вызывает значительные трудности. Напечатанная по FDM-технологии резьбовая поверхность будет иметь значительные погрешности, вызванные слоистостью детали, усадкой материала и т. д.

Значительное влияние на качество получаемой 3D-печатью резьбы оказывает ориентация резьбового отверстия относительно стола принтера. Установлено, что удовлетворительного качества резьбы можно добиться, только если ее ось будет перпендикулярна столу [1]. В дальнейшем будем рассматривать только такой случай.

 

 

 

0,1 мм

 

0,3 мм

 

Рис. 1. Слоистость детали при 3D-печати резьбы шагом 2 мм с разной толщиной слоя

 

Рис. 2. Схема для определения погрешности резьбы, вызванной слоистостью детали

 

При расположении резьбового отверстия перпендикулярно столу слоистость детали вызывает погрешность вследствие того, что слои при печати будут иметь форму тора, не совпадающего с теоретическим геликоидом резьбовой поверхности (рис. 1, для наглядности показана наружная резьба). Программа-­слайсер, задающая траекторию перемещения печатающей головки, будет позиционировать точки этого тора, имеющие наибольший диаметр, по теоретическому профилю резьбы. Величину погрешности, вызванной слоистостью детали, можно определить, исходя из геометрических соображений. Для треугольной резьбы (рис. 2) она будет равна [2]:

                     (1)

где h — толщина слоя, мм,

 — угол профиля резьбы.

Для компенсации погрешности резьбы от слоистости детали с целью обеспечения собираемости соединения можно увеличить диаметр резьбы в отверстии детали (рис. 3), что, однако, приведет к снижению прочности резьбового соединения.

 

Рис. 3. Приращение среднего диаметра внутренней резьбы для компенсации погрешности от слоистости детали

 

Рис. 3. Приращение среднего диаметра внутренней резьбы для компенсации погрешности от слоистости детали

 

Если толщина слоя при 3D-печати будет больше, чем ширина выступа или впадины резьбы, искажение резьбового профиля будет столь значительно, что сборка соединения станет невозможной. Следовательно, 3D-печать метрической резьбы по FDM-технологии возможна только при выполнении условия [4]:

h < P/8,       (2)

где P — шаг резьбы, мм.

При необходимости печатать резьбы меньшего шага можно уменьшить погрешность, увеличив угол профиля резьбы до 90° или использовав полукруглую резьбу. 

Однако в данном случае потребуется изготавливать такую же нестандартную наружную резьбу на сопрягаемой детали, что в большинстве случаев будет затруднительно.

При 3D-печати крупных резьб с шагом больше 3 мм может возникнуть потребность в поддержках, удаление которых из резьбового отверстия является нетривиальной задачей.

Другим фактором, влияющим на точность резьбы при 3D-печати по технологии FDM, является усадка материала при остывании детали. Она приводит к уменьшению диаметра отверстия. Величина усадки зависит от материала и размеров детали и условий печати и в настоящее время не может быть определена теоретически. Для определения размеров детали с учетом усадки требуется проведение экспериментов.

 

Нарезание резьбы метчиками или самонарезающими винтами

 

Нарезание внутренней резьбы по целому метчиками или самонарезающими винтами в деталях, полученных FDM-технологией, из-за хрупкости применяемых пластмасс приводит к возникновению дефектов [5], например, частичному выкрашиванию витков нарезаемой резьбы. Особенно сильно выкрашивается резьба при использовании самонарезающих винтов. Наличие дефектов снижает прочность резьбового соединения и резко ограничивает количество возможных циклов его сборки/разборки. В связи с этим данный способ резьбоформообразования имеет ограниченное применение.

При калибровке предварительно напечатанной резьбы метчиком дефектов будет значительно меньше [6]. В связи с этим такая комбинированная технология является вполне приемлемой. Калибровку напечатанной резьбы рекомендуется производить вручную, чтобы обеспечить попадание зубьев метчика в резьбовую канавку.

В отверстиях под нарезание или калибрование резьбы метчиком необходимо делать канавки для выхода резьбы по ГОСТ 10549‑80.

 

Установка резьбовых вставок

 

Металлические вставки являются наиболее оптимальным способом формирования внутренних резьб на деталях, полученных FDM-технологией. Они представляют собой латунные или стальные втулки (рис. 3), на внутреннюю поверхность которых нанесена требуемая резьба, а на внешней имеются рифления, обеспечивающие прочную фиксацию вставки в детали. Резьбовые вставки устанавливаются в гладкие цилиндрические отверстия деталей путем холодной запрессовки (рис. 4а), запрессовки с нагревом (рис. 4б) или вкручивания (рис. 4в) [3]. Вставки для холодной запрессовки имеют коническую форму с прорезями и при вкручивании в них детали с наружной резьбой раскрываются подобно дюбелям. Вставки для запрессовки с нагревом устанавливаются с помощью паяльника, оплавляя пластик в отверстии детали. Вставки для вкручивания представляют собой самонарезающие винты. Диаметр отверстия в детали под установку вставок должен быть равен внутреннему диаметру рифлений на вставке. 

Обычно припуск составляет около 0,5 мм на диаметр.

 

Рис. 4. Металлические резьбовые вставки для пластмассовых деталей

 

В качестве металлической резьбовой вставки также могут использоваться обычные гайки (рис. 5). Так как поле допуска наружного размера гайки под ключ задается по h13 или h14, оно будет превосходить по величине допускаемые натяги в соединении, и гарантированный натяг при запрессовке гайки в отверстие может быть обеспечен без опасности появления трещин в детали только при селективной сборке. При этом прочность сцепления гайки с отверстием в любом случае будет ниже, чем прочность сцепления рифленых поверхностей специальных резьбовых вставок. В связи с этим гайки не рекомендуется использовать в качестве резьбовых вставок при наличии знакопеременных осевых нагрузок на соединение. Повысить прочность сцепления гайки с отверстием при необходимости можно с помощью клея.

 

Рис. 5. Шестигранная гайка в качестве резьбовой вставкиРис. 5. Шестигранная гайка в качестве резьбовой вставки

 

Для расчета максимально допустимого натяга Nmax при запрессовке гладкой вставки в отверстие можно воспользоваться известной формулой для гладких соединений с натягом [7]:

                  (3)

         

где d — наружный размер вставки (для гайки размер под ключ), мм,

ED, Ed — модули упругости материала детали и гайки, Н/м2,

Pmax — максимально допустимое давление, которое определяют из условия прочности сопрягаемых деталей. В качестве Pmax  берется меньшее из значений давлений для вала и втулки. Для стальной вставки и отверстия в пластмассовой детали таковым будет давление для детали:

где T — предел текучести материала детали, H/м2,

CD, Cd — коэффициенты, определяемые по формулам:

      

где d1 — внутренний диаметр резьбы вставки, мм,

d2 — наружный размер детали в зоне отверстия, мм,

μD и μd — коэффициенты Пуассона материалов детали и вставки.

Недостатком резьбовых вставок является то, что для резьб крупнее М10 их применение становится затруднительным, поскольку размеры вставок становятся достаточно большими и их запрессовка в отверстие может приводить к растрескиванию детали.

 

 

Выводы

 

Разнообразие существующих технологий позволяет создавать резьбовые соединения деталей, полученных аддитивными способами, по прочности не уступающие прочности основного тела деталей.

Наиболее высокие характеристики резьбового соединения по прочности и точности обеспечивают металлические резьбовые вставки. При этом их характеристики не зависят от ориентации резьбового отверстия при 3D-печати детали, то  есть от расположения слоев. Следовательно, металлические вставки могут быть рекомендованы в качестве основного способа формирования внутренних резьб небольших размеров в ответственных нагруженных деталях, получаемых аддитивными технологиями.

Для относительно крупных резьб (М12 и более) становится возможным изготовление резьбы непосредственно 3D-печатью по FDM-технологии. Однако получение качественного резьбового соединения таким способом потребует экспериментальной подборки размеров резьбы и режимов ее формирования. Для повышения качества напечатанной резьбы возможна ее калибровка метчиками.

Приведенные рекомендации справедливы и для других аддитивных технологий за исключением того, что с помощью таких технологий, как стереолитография и струйная 3D-печать, могут быть непосредственно получены качественные внутренние резьбы меньшего диаметра [8].

 

 

Литература

 

  1. Diciuc V. Study regarding the Printing of Metric Threads on a FDM 3D printer. Scientific Bulletin, Serie C, Fascicle: Mechanics, Tribology, Machine Manufacturing Technology.Vol. 2019. No.XXXIII.
  2. Tronvoll S.A., Elverun C. W., Welo T. Dimensional accuracy of threads manufactured by fused deposition modeling. Procedia Manufacturing. 2018. Vol. 26. Pp. 763–773.
  3. Brennan N. The Best Ways to Add Screw Threads to 3D Printed Parts. 07.06.2023 https://www.nklabs.com/post/screw-­threads‑3d-printed-­parts.
  4. Фарниев А.С., Новиков П.А. Математическая модель точности аддитивной печати профиля внутренней резьбы в зависимости от параметров деления 3D-модели // Современные технологии: проблемы и перспективы. Сб. статей всеросс. научно-­практ. конф. Севастополь, 2021. С. 5–10.
  5. Нефёлов И.С., Баурова Н.И. Особенности изготовления и структура резьбовых поверхностей в деталях, изготовленных методами 3D-печати В сб.: Энерго-­ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительных отраслях. Матер. междунар. научно-­практ. конф. Белгород, 2017. С. 169–176.
  6. Фарниев А.С., Новиков П.А. Точность внутренних резьб, полученных комбинированными методами механической обработки и аддитивными технологиями // Ученые записки Крымского инженерно-­педагогического университета. 2021. № 3 (73). С. 176–181.
  7. Берникер Е.И. Посадки с натягом в машиностроении. Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1966. 168 с.
  8. Kajzer W., Gieracka K., Pawlik M., Basiaga M. Tests of Threaded Connections Made by Additive Manufacturing Technologies. Innovations in Biomedical Engineering. 2019. Pp. 329–337.

 

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024

 

 

Теги: 

Технологии получения резьбовых соединений изделий аддитивного производства, НИУ БелГУ, журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru