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如何设计卡扣组件

2021-10-18

使用卡扣配合设计零部件可以减少材料成本和零件数量,并提高装配的易用性,从而节省生产时间和资金。

 

虽然过去,注射成型是生产塑料卡扣接头的唯一可行方法,但3D打印为其设计带来了新的机遇。

 

当然也有挑战!为了帮助您了解卡扣配合的复杂世界,我们将介绍关键功能、计算方法和技巧,以克服设计和原型化这些功能的常见问题。

 

设计卡扣接头

 

注意:所有计算均使用公制单位

 

所有关节具有相似的特征和功能。在其最简单的形式中,卡扣是一个小的突出物(钩、珠或凸块),在装配过程中会发生偏转,以卡入配合零件上的凹陷处。然后,公零件和母零件的形状确定接头是否可以分离以及分离所需的力。

 

在本文中,我们将重点介绍简单的悬臂式接头。悬臂样式(及其变体)是最容易设计的,也是你最可能遇到的。




 

如上图所示,悬臂接头由一个固定自由梁建模,并施加一点端荷载。

 

最坏情况下的应力和应变出现在悬臂梁的根部,可以使用经典的梁弯曲理论很容易地近似

 

由于在设计模型时还不知道确切的力,因此最常用的方法是使用挠度和应变而不是力和应力值来设置尺寸。换句话说,您的尺寸将受到偏转期间最大应变的限制,而不是装配/拆卸所需的力(配合力)。



 

经典梁弯曲理论假设固定端墙是刚性的。然而,零件壁的厚度可能与悬臂本身的厚度相似;Q是为解决此问题而添加的偏转放大系数。

 

由于刚性壁是根部应变的最坏情况,对于简单套管,将Q保留为1。

 

还请注意,返回角度会影响关节分离的容易程度。返回角与引导角相同意味着在组装和拆卸过程中使用相同的力。相反,90°的返回角永远不能拆卸,除非使用外部窗口释放卡扣。

 

实施计算

 

既然我们知道了设计悬臂接头时需要哪些计算值,那么让我们看看如何找到这些值。

 

有两种方法可以进行这些计算:

 

材料优先:您已经选择了材料,找到了它的允许应变,并可以设计适合它的尺寸。

尺寸优先:您的主要尺寸是固定的,您可以选择适合的材料。

 

寻找可接受的应变限制

 

要找到可接受的应变极限,请使用材料的屈服应力和弹性模量公式如下

 

∈ =σ/E

 

其中∈ = 弹性模量[MPa],σ = 应力[MPa],E = 应变[%]

 

所以应变 = 应力/弹性模量 =长度变化/初始长度[%]

 

专业提示3D 打印部件的应力随轴而变化,因此为了获得最佳强度,请确保关节的悬臂部分沿 XY 平面构建,而不是沿 Z 轴移动。如果您的悬臂只能在 Z 轴上创建,请注意断裂伸长率降低 50%,拉伸强度降低 20-30%。我们建议将 Z 轴悬臂的许用应力/应变降低 50%。  如果您在此处有疑问,请在上传零件时询问 Fictiv。

 

提示:3D打印零件的应力会随轴而变化,因此为了获得最佳强度,请确保接头的悬臂部分沿X-Y平面构建,而不是沿Z轴移动。如果只能在Z轴上创建悬臂,请注意断裂伸长率降低50%,抗拉强度降低20-30%。我们建议将Z轴悬臂的容许应力/应变降低50%。如果您在此处有问题,您可额外咨询我们的工程师团队

 

以下是一些常见 3D 打印材料的可接受应变值:

 

ABS20-40%

ABS7%

PLA:4-8%

尼龙4-15%

 

这里有一些针对不同壁厚、挠度和悬臂长度的计算应变率,以帮助您入门。



 

改变你的横截面

 

如果您计算了尺寸、选择了材料,但可接受的应变率仍然太高,最好的解决方案是更改悬臂横截面。最常见的变化包括变细宽度或厚度。




 

卡扣设计中的 4 个常见问题解决方案

 

以下是工程师在设计卡扣组件时面临的其他常见挑战的一些解决方案。

 

1.蠕变/应力松弛

 

热塑性塑料特别容易发生蠕变,即材料在应力下逐渐永久变形。随着时间的推移,这可能会破坏公零件和母零件之间的连接,甚至使其变得无用。

 

解决方案:确保公零件和母零件的设计方式确保在组装过程中可能发生偏转,在正常组装使用过程中,零件不会受到长期弯曲或拉伸应力的影响。

 

2. 应力集中器

 

尖角集中了悬臂根部的应力,导致其剪切。

 

解决方案:确保没有尖角作为应力集中点,特别是在悬臂的拉伸侧。使用半径或倒角来减少这种情况。

 

3. 疲劳或重复加组装故障

 

在远低于材料额定应力的应力下,反复组装和拆卸卡扣接头可能会导致失效。疲劳失效通常发生在高加载频率下(数百次,如果不是数千次循环)。

 

解决方案:如果您预计部件的循环频率较高,则必须使用S-N曲线仔细选择抗疲劳材料。

 

4. 公差

 

公差错误,您的零件将无法装配在一起。

 

解决方案:间隙的经验法则:

 

0.2mm用于紧密配合

0.4mm用于滑动配合和枢轴接头

0.3mm用于紧密配合的卡扣接头

 

要点为卡扣配合进行设计是一个复杂的迭代过程,但如果您遵循本文介绍的简单工程最佳实践,则可以改进卡扣配合接头的初始功能并缩短原型的生命周期。

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