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3D打印螺紋和螺釘–簡單指南

魔猴君  知識堂   364天前

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先說第一件事:螺絲和螺紋有什么區(qū)別?螺釘是一種緊固元件,用于形成可拆卸的連接,而螺紋則是螺釘?shù)闹饕o固特征。也就是說,螺紋不僅用于螺絲,還存在于管道、線性驅(qū)動(dòng)器、蝸輪蝸桿和許多其他設(shè)備上。

所有螺紋的共同特征是它們的形成方式。每條螺紋都是在圓柱形表面的外部或內(nèi)部形成的具有特定截面的連續(xù)螺旋槽。

在大多數(shù)情況下,橫截面或形狀是三角形或梯形。三角形螺紋主要用于緊固件(螺釘),而梯形螺紋(方形螺紋的一種變體)則用于動(dòng)力傳輸和引線螺釘?shù)木€性驅(qū)動(dòng)。為了簡化說明,本文只討論三角形螺紋,但所有內(nèi)容都適用于這兩種類型。

公制螺紋和英制螺紋還有一個(gè)不同的分類。前者主要用于歐洲和亞洲,而后者則用于美國和英國。對于未經(jīng)訓(xùn)練的人來說,它們看起來是一樣的,但在三角形的形狀和螺旋曲線的螺距上存在差異。

本文魔猴網(wǎng)和大家一起學(xué)習(xí)3D打印螺釘和螺紋的基礎(chǔ)知識。

基本術(shù)語 

螺釘?shù)穆菁y(來源:裝配緊固件)

在開始設(shè)計(jì)線程之前,您應(yīng)該熟悉一些術(shù)語和概念:

外螺紋或內(nèi)螺紋:外螺紋或陽螺紋從圓柱表面延伸出來。內(nèi)螺紋或陰螺紋是外螺紋的反面,即刻在一個(gè)負(fù)圓柱表面上。例如,螺栓使用外螺紋,而螺母使用內(nèi)螺紋。

螺紋方向:螺紋要么向右擰,要么向左擰。右旋螺紋順時(shí)針旋轉(zhuǎn),左旋螺紋逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)右旋螺紋,它就會(huì)擰開。此外,右旋螺母無法擰到左旋螺釘上。雖然右旋螺紋最常見,但在淋浴或水槽等地方的熱水手柄上也能找到左旋螺紋。

螺紋軸線:這是一條穿過圓柱體中心的直線,螺紋就是在這條直線上形成的。

根部:這是環(huán)繞螺紋主體的凹槽底部。

頂點(diǎn):這是螺紋輪廓的最高點(diǎn)。

大直徑:環(huán)繞外螺紋頂端或內(nèi)螺紋根部的圓柱直徑稱為大直徑。該圓柱與螺紋軸同心。

小直徑:環(huán)繞外螺紋螺紋根部或內(nèi)螺紋螺紋峰的圓柱直徑。該圓柱與螺紋軸線和大直徑同心。當(dāng)提到內(nèi)螺紋時(shí),小直徑也稱為"鉆頭尺寸直徑"。

螺距:這是相鄰螺紋上等效點(diǎn)之間的距離。例如,三角形螺紋的兩個(gè)相鄰峰之間的距離。

設(shè)計(jì)線程

在設(shè)計(jì)螺紋元件時(shí),有兩種可能性。您可以使用CAD軟件中現(xiàn)有的工具箱,其中包含許多商用機(jī)器元件的模型。工具箱中的工具因軟件而異,有些可能需要購買。

另外,您也可以從頭開始為螺紋元件建模。例如,Fusion 360提供了簡化的螺紋生成功能,可以從頭開始為螺紋元件建模。其他CAD程序也有不同程度的類似工具。

不過,重要的是了解基礎(chǔ)知識。這不僅關(guān)系到如何使用CAD軟件,還關(guān)系到了解螺紋的設(shè)計(jì)規(guī)則。因此,在了解如何建立螺紋模型之前,我們先來談?wù)劼菁y規(guī)則。

線程規(guī)則


遵循標(biāo)準(zhǔn)(來源:Engineering ToolBox)

所有商用螺絲都是標(biāo)準(zhǔn)化的。例如,ISO M4X20 Bristol Allen螺釘已經(jīng)定義了螺距、角度和齒形尺寸。因此,當(dāng)您為螺紋元件建模時(shí),尺寸不應(yīng)該是隨意的,而應(yīng)該是基于標(biāo)準(zhǔn)的。這樣做是值得推薦的做法,它能使您的模型更具適應(yīng)性,即使您要對螺紋進(jìn)行3D打印也是如此。

還要注意測量單位:

公制螺紋:公制螺紋的"M"表示螺紋的公稱外徑,單位為毫米。例如,M5螺紋的公稱外徑為5毫米。在外螺紋中,公稱外徑相當(dāng)于主直徑。在內(nèi)螺紋中,可以通過測量小直徑并參考公制螺紋表來確定公稱外徑。

英制螺紋:英制螺紋使用多種標(biāo)準(zhǔn)指定,包括統(tǒng)一螺紋標(biāo)準(zhǔn)(UTS),該標(biāo)準(zhǔn)主要用數(shù)字(如#4)來命名標(biāo)準(zhǔn)螺紋尺寸。UTS中最重要的兩個(gè)測量值分別是外螺紋或內(nèi)螺紋的大直徑或小直徑,以及每英寸螺紋數(shù)(TPI)。

因此,當(dāng)您要設(shè)計(jì)螺紋元件時(shí),應(yīng)從推薦的標(biāo)準(zhǔn)表中獲取螺距、角度等所有規(guī)格。

使用軟件工具箱


SolidWorks不會(huì)讓您失望(來源:?mer Faruk Aras,來自GrabCAD)

在許多情況下,可能不需要從頭開始對零件建模。如上所述,許多CAD程序都配備了標(biāo)準(zhǔn)零件工具箱,如果您使用的零件是現(xiàn)有的商用零件,您可能只是運(yùn)氣好,不必對其進(jìn)行建模。

例如,在SolidWorks中,您可以使用現(xiàn)成的螺釘和螺母,而無需自己建模。您還可以有多種顯示選項(xiàng):

簡化:螺釘看起來很光滑,但螺距的擰緊比率仍然適用。

示意圖:模型上有螺紋貼紙。

詳細(xì):模型上已經(jīng)有"螺紋"模型。

但要注意檢查螺紋是否可用。在某些版本的SolidWorks中,由于只有開發(fā)人員才知道的原因,該螺紋實(shí)際上并不是螺旋形的,而是在同一平面上進(jìn)行的一個(gè)圓形切割陣列,這意味著該螺紋實(shí)際上并不真實(shí),也不會(huì)擰緊。如果你打印了這個(gè),以為自己欺騙了系統(tǒng),實(shí)際上你只是浪費(fèi)了幾個(gè)小時(shí)的打印時(shí)間。并不是每個(gè)軟件都是這樣的,所以請記得檢查。

Fusion 360


Fusion 360依靠插件來增加軟件功能。說到緊固元件,McMaster-Carr是最受歡迎的。它包括螺釘和螺栓、螺紋桿、墊圈、銷釘和釘子等元件。

您可以在"設(shè)計(jì)"工作區(qū)訪問McMaster-Carr。從"實(shí)體"選項(xiàng)卡,單擊"插入",然后單擊"插入McMaster-Carr元件"。點(diǎn)擊"OK"確認(rèn)。

您可以瀏覽眾多類別,或直接在搜索欄中搜索所需內(nèi)容。一旦選擇了某個(gè)部件(例如螺釘),您就可以選擇螺紋尺寸和長度,然后將其添加到工作區(qū)。

建模線程


Fusion 360中設(shè)計(jì)線程很容易(來源:Miroslav Sarcevic,來自All3DP)

如果您需要的螺紋元素不方便使用,您就必須從頭開始建模。下面,我們將演示使用Fusion 360的簡化螺紋生成功能設(shè)計(jì)外螺紋和內(nèi)螺紋的過程。

其他CAD程序可能也有類似的工具。不過,正如我們之前所說,最重要的是了解基礎(chǔ)知識,包括術(shù)語、既定標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則,所有這些我們都在上文討論過。有了這些知識,就可以使用任何有能力的建模工具來操作模型和輸入值,從而生成所需的螺紋。

讓我們從螺栓的外螺紋開始。

外螺紋

1、畫一個(gè)直徑為所需螺紋大直徑的圓。

2、將圓擠出到所需螺紋的長度,創(chuàng)建一個(gè)圓柱體。

3、轉(zhuǎn)到"創(chuàng)建",選擇"螺紋"選項(xiàng)。

4、選擇剛剛創(chuàng)建的圓柱體。確保選中"已建模"復(fù)選框,然后設(shè)置螺紋類型和其他螺紋參數(shù)。

5、點(diǎn)擊"確定"。

就是這樣。外螺紋就完成了!要使其成為一個(gè)合適的螺栓,您必須將其連接到您喜歡的頭部。

現(xiàn)在,我們來設(shè)計(jì)帶有內(nèi)螺紋的螺母。

內(nèi)螺紋

1、畫一個(gè)六角形。在本教程中,只需確保它比要設(shè)計(jì)的螺紋大。

2、將其擠出到所需高度。

3、"創(chuàng)建"菜單中選擇"孔"選項(xiàng),在中間開一個(gè)孔??椎闹睆綉?yīng)為螺紋的主要直徑。

4、選擇剛剛創(chuàng)建的孔的內(nèi)表面,進(jìn)入"創(chuàng)建"菜單,然后選擇"螺紋"選項(xiàng)。

5、記得勾選"已建模"選項(xiàng)。設(shè)置螺紋尺寸和其他參數(shù)。

6、點(diǎn)擊"OK(確定)"。

就這樣。您的第一條螺紋就可以打印了!

3D打印螺紋

無論如何,我們現(xiàn)在已經(jīng)有了螺紋元件的CAD模型,下一步就是打印它。好戲才剛剛開始。為了確保打印成功并有較長的使用壽命,我們首先來了解一些打印注意事項(xiàng)。

1、入門


PETG是3D打印螺紋元件的良好材料(來源:Bakamoichigei,來自Reddit)

首先需要考慮的是打印材料,因?yàn)檫@對打印元件的工作性能有很大影響。螺絲在其長度方向上會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的垂直力,而3D打印的螺絲只是一系列粘合層。

對于聚乳酸等較弱的材料,這種力有可能導(dǎo)致螺絲在臨界點(diǎn)斷裂。因此,在此類應(yīng)用中應(yīng)考慮使用ABS或尼龍等強(qiáng)度較高的材料。

材料確定后,在開始打印螺紋元件之前,還有幾個(gè)重要的打印機(jī)設(shè)置步驟。你要確保打印機(jī)已正確校準(zhǔn)。擠出機(jī)的校準(zhǔn)也很重要。此外,還強(qiáng)烈建議您調(diào)平打印床。

2、打印設(shè)置


螺釘采用3D打印且堅(jiān)固(來源:nathy_bh via Thingiverse

以下是一些設(shè)置印刷的一般指導(dǎo)原則,以盡可能獲得最佳線程:

始終盡量垂直打印螺紋。為獲得最佳效果,螺紋軸應(yīng)垂直于打印床。

打印時(shí)不要使用支撐物,或至少確保支撐物不會(huì)進(jìn)入螺紋內(nèi)部。否則,在移除支撐物并保持功能性時(shí)會(huì)非常麻煩,尤其是內(nèi)螺紋。

如果可能,至少使用四層垂直層(殼)或至少2毫米厚的垂直壁。這將確保螺紋的強(qiáng)度。

填充密度取決于您的應(yīng)用,但盡量設(shè)置為至少25%。

層高是印制螺紋時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。為使操作順暢,層應(yīng)盡可能薄。作為指導(dǎo),大于M12或1/2英寸的螺紋可以使用0.2毫米的層高打印,而較小的螺紋則應(yīng)使用較薄的層高打印。

3、注意


打印并擰緊(來源:greenzodiac via Thingiverse)

這看起來似乎很簡單,但打印螺紋并不總是那么容易,尤其是如果您想要小直徑的螺紋。

假設(shè)您使用的是0.4毫米的噴嘴和0.2毫米的層高。在這種設(shè)置下,您能打印的最小螺距可能在0.5毫米左右(約0.1毫米)。這樣的螺距適合M3螺紋,如果要在相對較大的零件上打印內(nèi)螺紋,問題也不大。這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴在其他地方時(shí),螺紋有足夠的時(shí)間冷卻下來。

如果您需要在螺絲或螺栓上打印外螺紋,情況就會(huì)變得很有趣。在這種情況下,噴嘴無處可去,這意味著您可能需要額外的冷卻。在決定打印許多細(xì)外螺紋之前,請先測試您的打印機(jī)。

一般來說,嘗試打印螺紋測試是個(gè)好主意。這是測試3D打印機(jī)能力的最佳方法。

寫在最后


兩個(gè)螺絲,一個(gè)打印件(來源:aikiks via Printables)

即使第一次測試不成功,仍有希望!以下是一些最后的忠告:

即使您打印出了小于M6(直徑6毫米)的外觀漂亮的外螺紋,在使用它承載任何重量之前也要三思而后行。由于直徑較小和3D打印的特性,這種尺寸的螺紋最好只用于視覺模型。如果它必須是一個(gè)功能部件,則應(yīng)考慮不同的設(shè)計(jì)。

直徑小于4毫米的內(nèi)螺紋間距很小,因此很難打印。在這種尺寸下,可以考慮打印一個(gè)空白孔,然后用絲錐扳手切割螺紋。無論如何,無論是3D打印還是切割,在使用前清潔螺紋都是很好的做法。

有些材料比其他材料更容易收縮。在開始打印帶有螺紋的大型部件之前,先制作一些小樣品來檢查螺紋尺寸。打印內(nèi)螺紋時(shí),您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)螺紋很緊;打印外螺紋時(shí),您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)螺紋很松。



編譯整理:ALL3DP

   
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