干货 | 塑胶件紧固工艺之二：螺纹紧固

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钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。
2019年12月即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。
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塑胶件的螺纹紧固方式可以分为螺栓螺母、自攻螺钉和埋入螺母等三种方式。

1. 螺栓螺母

塑胶件可以通过标准的螺栓螺母等通用紧固件来实现紧固。由于螺栓螺母由铁或铜等金属构成，强度较高，而相对来说，塑胶件强度较低，因此在使用紧固件进行塑胶件的紧固时，需要避免塑胶件承受较大的压应力而发生变形甚至折断等问题的发生。

当使用塑胶来替代金属时，常常只是把零部件材料进行一个简单的替换，而保留原有的螺栓螺母紧固工艺。但是，使用螺栓螺母进行塑胶件的紧固是一个过时的紧固工艺，不建议使用。因为螺栓螺栓紧固具有很多显著的缺点：

万不得已，使用螺栓螺母紧固时，需要考虑到：

（1） 避免使用过大的扭矩来进行装配。过大的扭矩容易造成塑胶件承受过大的压应力而失效。在装配线上，可以通过使用扭力螺丝刀或者扭力扳手等来控制装配过程中扭矩的大小。

（2） 避免使用较小头型的螺栓（螺钉），使用较大头型的螺栓（螺钉）、或者有肩螺栓、或者使用垫圈来扩大塑胶件与紧固件的接触区域，从而减少塑胶件承受的压应力。

（3）避免使用沉头或半沉头螺钉（或拉钉），这种圆锥形紧固件会造成塑胶件承受圆周应力而失效。

（4）可以通过塑胶件的优化设计来避免塑胶件承受较大的应力。

2. 自攻螺钉

自攻螺钉（self-tappingscrew）包括螺纹切削自攻螺钉（thread-cutting screw）和螺纹成型自攻螺钉（thread-formingscrew）。

螺纹切削自攻螺钉 螺纹成型自攻螺钉

螺纹切削自攻螺钉在螺纹尾端有一道或者多道切削口，使之在旋入塑胶件的过程中，在塑胶件上切削出配合的阴螺纹。螺纹切削自攻螺钉常用于脆性较大或比较坚硬的塑胶中，例如热固性塑胶和高填充（50%以上）热塑性塑胶。

螺纹成型自攻螺钉在旋入塑胶件的过程中，通过强力在塑胶件上挤出配合的阴螺纹。螺纹成型自攻螺钉是大多数热塑性塑胶的最佳选择，但需要小心的是在螺纹成型自攻螺钉的旋入过程中，会产生较大的圆周应力，很容易造成支柱破裂。

支柱容易破裂，从而造成紧固失效，这是自攻螺丝紧固的最大缺陷。

使用自攻螺钉紧固时，需要考虑如下设计原则：

（1） 装配次数自攻螺钉常用于塑胶件装配和拆卸次数不太多的场合，一般装配和拆卸次数不超过3次，可以使用自攻螺钉。当零件装配和拆卸次数太多时，自动螺钉支柱孔很容易滑牙而造成紧固失效。

（2） 自攻螺钉支柱的内径和外径一般自攻螺钉支柱的内径为螺钉公称直径的0.8倍，外径为公称直径的两倍，例如M3的自攻螺钉，支柱内径为2.4毫米，外径为6毫米。支柱内径太小，螺钉锁入困难，支柱易破裂；而支柱内径太大，螺钉易滑牙，固定效果差。

支柱内径与塑胶材料和螺牙咬合深度有关系。对柔韧度高和不易脆的材料，支柱的内径可适当减少，反之则加大；如果螺牙咬合深度较深，支柱内径则可适当加大。

很多塑胶材料供应商和自攻螺钉厂商对于支柱的内径等相关尺寸有相应的推荐值，某自攻螺钉厂商对其生产的不同类型的自攻螺钉针对不同的塑胶材料所提供的支柱尺寸设计值推荐，如图所示，其中d为螺钉的公称直径。当产品设计工程师对于支柱的内径等相关尺寸设计不是很明确时，可以向塑胶材料供应商和自攻螺钉厂商寻求帮助。

（3） 螺牙咬合长度不少于2倍螺钉公称直径螺牙咬合长度太少，螺钉抗拔出力小，固定效果差。自攻螺钉支柱的深度一般需要使得螺牙咬合长度不小于2倍的螺钉公称直径。

（4） 支柱的深度至少比螺钉长度高0.5毫米同时，支柱的深度比螺钉长度深0.5毫米，防止螺钉顶部接触支柱根部，造成支柱根部损坏。

（5） 支柱顶部增加斜角或沉孔支柱顶部应当增加斜角或沉孔。斜角或沉孔具有导向作用，使得自攻螺钉锁入过程顺利，同时为塑胶屑提供空间，防止塑胶屑溢出。

（6） 支柱四周添加加强筋和圆角自攻螺钉支柱最常见的失效模式是支柱不能承受自攻螺钉旋入过程中的圆周力而发生破裂，因此在支柱四周添加加强筋就非常必要。同时也应当在支柱与加强筋的连接处、支柱与主璧连接处添加一定的圆角以避免应力集中、提高支柱的强度。

（7） 合理的驱动扭矩自攻螺钉在初次锁入支柱时，需要通过一定的驱动扭矩以驱动螺钉顺利的锁入支柱中，驱动扭矩过小则螺钉不易锁入，驱动扭矩过大则有可能造成支柱的破裂。具体的驱动扭矩是多少，可以咨询自攻螺丝厂商、并同制造工程师一起通过多次调试来获得；同时，在装配过程中可用扭力螺丝刀或电批来控制和保证驱动扭矩的大小。

3. 埋入螺母

（1） 埋入螺母的安装方式当塑胶件需要多次拆卸时，使用自攻螺钉不是一个最佳选择，此时可以选择在塑胶件中埋入螺母（insert），然后再使用螺钉固定。当然埋入螺母的成本较高。根据埋入螺母的安装方式，埋入螺母可分为超声波螺母/热熔螺母、压入螺母、模内镶嵌螺母。

a）超声波/热熔螺母 b）压入螺母 c）模内镶嵌螺母

（2） 安装方式对比：四种不同螺母安装方式的特点如下表所示

（3） 螺母支柱设计指南一般来说，螺母周围塑胶材料的厚度为螺母外径的1/2~1倍。如果螺母埋入支柱中，支柱的直径应至少是螺母直径的2倍。较薄的壁厚和较小的支柱直径很容易影响螺母的使用性能。当产品设计工程师对支柱的尺寸设计不确定时，可以咨询螺母的厂商，很多厂商都会提供支柱的设计指南。

而对于模内镶嵌螺母，由于塑胶材料的热膨胀系数远大于金属的热膨胀系数，造成塑胶在冷却时产生较大的内应力，易导致支柱的破裂。

因此，在选用模内镶嵌螺母时，产品设计应当注意减少内应力的产生和增加支柱的强度、避免支柱的破裂：

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本篇大部分内容参考书籍《面向制造和装配的产品设计指南》。

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来源：降本设计