塑料自攻螺丝扭力

1、 塑料自攻螺丝扭力探讨 (Self-tapping Screw)

产品设计时，塑料的自攻螺丝(Self-tapping screw)是最不被重视的零件，只是螺丝 真的是这么微不足道(minor)的零件吗？本文尝试探讨塑料、及其自攻螺丝间的扭力关系。

另外也想要到谈谈锁紧螺丝在塑料机构设计上对产品质量的影响，也会探讨不当的螺丝及机构设计所造成的问题。还会有一系列的螺丝文章探讨自攻螺丝的种类、如何选用自攻螺丝、及如何设计合理的塑料螺丝柱。

首先，让我门来解释何谓的『自攻』螺丝，就是被锁件不需要事先做出阴螺纹以配合螺丝上的螺纹。因为自攻螺丝可以自己一边锁进被锁件一边在被锁件上作出螺纹。

影响螺丝扭力的因素非常多，下面试列举出它的所有可能。

? 螺丝的直径 (Screw diameter)： 直径越大、扭力需要越大。

? 螺丝的长度 (Screw length) ： 越长度长、扭力需要越大。

? 螺丝的螺牙间距 (Screw pitch)： 间距越大、扭力需要越大。

? 螺丝尖端的形状 (Screw shape)： 尖的、三角的

? 螺丝孔的直径 (Screw hold diameter)： 螺丝孔的直径越小、扭力需要越大。

? 螺丝孔的脱模角度 (Screw hole draft angle)： 脱模角度越大、扭力需要越大。

? 螺丝孔的斜角 (Screw hole chamfer)： 斜角越大、扭力需要越大。

? 塑料材质 (Plastic material)： 越硬的塑料材质(如reinforce或是含fiber的塑料) 、其扭力需要越大。

个人经验，决定自攻螺丝扭力最适当的的方法如下(欢迎有不同想法或是其他方法的先进提供意见)：

? 决定电动螺丝起子最『小』螺丝扭力：以经验值选取扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，用电动螺丝起子设定其最小螺丝扭力，锁紧后再用收动方式转动螺丝来检查螺丝扭力是否足够，如果已经无法再用手动方式转动螺丝，就表示螺丝扭力的最小值设定可以接受；如果还可以转动，则表示最小扭力还不过，必须再往上增加。反复测试后可以决定最小的电动起扭力。另外一个方法确定最小电动起扭力，是螺丝锁紧后，破坏塑料壳并检查所有上、下盖的螺丝柱是否已经紧密接合、无缝隙。

决定电动螺丝起子最『大』螺丝扭力：最小螺丝扭力决定后，再依据扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，把电动螺丝起子的扭力设定到扭力范围的最大值(=最低扭力+0.3Kg或0.5Kg)，拿10组上、下盖(或是上、下壳)，用电动起子重复锁紧、松开螺丝10次后，确认有无任何螺丝孔滑牙或是螺丝柱破裂的现象发生，如果没有，那恭喜你，最大螺丝扭力也设定完成了；如果有，则必须将扭力调小或是设计变更螺丝柱的内、外孔径，然后再重复验证。

以上是假设所有的自攻螺丝都构强况，没有螺丝断裂或是螺丝有滑牙的情形发生，如果可以的话，还要用查表法得知螺丝的最大承受扭力，再乘以一定的安全系数0.6~0.8，然后比较以上方法定义出来电动螺丝扭力是否恰当。

如果可以再利用机构设计的理论，计算出螺丝柱的最大扭力承受值，与实际的试验法相辅相成，这样的扭力决定应该就是最好的扭力了。

不好的螺丝设计，在电子组装时常会出现下列问题：

? 螺丝头滑牙：有可能是扭力太大造成，可尝试螺丝硬化处理，或是降低螺丝扭力解决。

? 螺丝孔滑牙：检查螺丝孔的内孔径是否太大，或是选用较大牙距的螺丝。

? 螺丝孔破裂 (crack )：检查螺丝孔壁厚度设计是否太薄、螺丝的扭力是否太大、或是塑料射出成型时是否有掺杂二次料、或是塑料射出成型时塑料粒未干燥完全。

? 螺丝锁不紧 ：检查螺丝扭力是否太小、螺丝孔是否设计太小。另外，如果产品内部有应力或是上、下顶出的设计就要特别小心螺不紧的可能性。

2、 影响塑料自攻螺丝扭力的因素

塑料部件使用自攻螺丝来互相锁紧已经是个很普遍的制程了，可是还是经常听到或是发生螺丝孔破裂或是螺丝滑牙(strip)等情事，本篇文章将试着探讨影响螺丝起扭力的因素及可能原因，如果碰到螺丝锁不紧或滑牙的事情，就可以先检查看看是否有哪些因素发生的变化。

影响螺丝起扭力的因素其实非常的多，如果有不同意见，也欢迎留言讨论，下面将列举出我认为有可能影响到的因素：

· 螺丝的直径 (Screw diameter)：螺丝的直径越大、所需电动起扭力就越大。因为越大直径的螺丝，通常意味着需要吃到较深的塑料内侧。

· 螺丝的长度 (Screw length) ：螺丝的越长度越长、所需电动起扭力就越大。电动起扭力基本上与螺丝与塑料的接触面积成正比，螺丝锁得越进去螺丝孔，就会有越多的螺丝面积与塑料接触。

· 螺丝的螺牙间距 (Screw pitch)： 螺牙间距越大、所需电动起扭力就越大。这点似乎有点与上面的接触面积抵触，但这是因为同样把螺丝转一圈，螺牙间距比较大的螺丝锁进塑料的深度比间距小的还要深，所以需要比较大的扭力。就像是同样直径不同齿轮数的齿轮，转动同一个别的齿轮，齿轮数越多的越省力的道理一样。

· 螺丝尾端的形状 (Screw shape)： 尖尾的、三角的。扭力其实跟螺丝的尾端形状没有多大关系，但不同的螺丝尾端形状通常代表不同的螺纹设计，就经验来说尖尾的螺丝其螺纹较浅，所需的电动起扭力也较小。

· 螺丝孔的直径 (Screw hole diameter)：螺丝孔的直径越小，所需电动起扭力就越大。

· 螺丝孔的脱模角度 (Screw hole draft angle)：螺丝孔的脱模角度越大，扭力需要越大。 这是因为越往螺丝孔底部的孔径会越小的关系。另外值得注意的是随之而来的螺丝柱外侧脱模角度 (Screw boss draft angle)，这两项脱模角度会直接影响到螺丝柱的肉厚。

· 螺丝孔的进孔处斜面 (Screw hole chamfer)：斜面的作用是帮助螺丝站稳在螺丝孔上，让作业员锁螺丝时不容易打滑到旁边。可是斜面如果太大或太深，虽然所需要的电动起扭力可能就会越小，但这样一来所剩余的塑料螺丝柱与螺丝的咬合面积就越少，有可能会降低螺丝的锁合力。

· 塑料材质 (Plastic resin material)： 越硬的塑料材质（如 reinforce 或是含 glass fiber(玻璃纤维) 的塑料），所需的电动起扭力就越大。

3、 如何决定自攻螺丝的电动起扭力

如果你是电子制造工厂的制程工程师，你是如何决定电动螺丝起的扭力？尤其是决定自攻螺丝的最恰当电动起扭力，下面所提供的方法是我个人的经验，欢迎有不同想法或是其他方法的先进提供意见：本篇文章将试着探讨锁紧螺丝该使用多大的电动起扭力及影响螺丝起扭力的因素，以期达到最佳螺丝起扭力的设定。

先决定电动螺丝起的最『小』螺丝扭力：

先以经验值选取扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，用电动螺丝起子设定其最小螺丝扭力，锁紧后再用手动方式转动螺丝来检查螺丝扭力是否足够，如果已经无法再用手动方式转动螺丝，就表示螺丝扭力的最小值设定可以接受；如果还可以转动，则表示最小扭力还不过，必须再往上增加。反复测试后可以决定最小的电动起扭力。 还有一个也是比较可靠的方法来确定最小电动起扭力，等确定螺丝都锁紧以后，不拆螺丝但破坏塑料壳并检查所有上、下盖的螺丝柱是否都已经紧密接合、无缝隙。

决定电动螺丝起子最『大』螺丝扭力：

最小螺丝扭力决定后，再依据扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，把电动螺丝起子的扭力设定到扭力范围的最大值(＝最低扭力＋0.6Kg或1.0Kg)，拿10组上、下盖(或是上、下壳)，用电动起子重复锁紧、松开螺丝10次后，确认有无任何螺丝孔滑牙或是螺丝柱破裂的现象发生，如果没有，那恭喜你，最大螺丝扭力也完成设定了；如果有，则必须将扭力调小或是设计变更螺丝柱的内、外孔径，然后再重复验证。

以上是假设所有的自攻螺丝都够强况，没有螺丝断裂或是螺丝有滑牙的情形发生，如果可以的话，还要用查表法得知螺丝的最大承受扭力，再乘以一定的安全系数0.6~0.8，然后比较以上方法所定义出来电动螺丝扭力是否恰当。

如果可以再利用机构设计的理论，计算出螺丝柱的最大扭力承受值，与实际的试验相辅相成，这样所决定出来的扭力应该就是最好的扭力值了。

4、 常见的螺丝锁紧问题与对策

组装电子产品时，螺丝选择错误或是不当的螺丝孔柱设计，都是生产的不定时炸弹，这里试着列出常见的问题与解决对策：

螺丝头滑牙(strip)

有可能是电动起扭力太大、选错了电动起子头(bit)、或电动起子头已经歪掉造成的。

请先确认电动起子头正确无勿后再试着降底电动起扭力；我经常看到螺丝头的凹槽与电动起子头不匹配造成的螺丝头打滑，大部分都是平头的凹槽螺丝却拿尖头的电动起子头来锁。

如果上面的步骤都确认无误了还是无法解决螺丝头滑牙的问题，那就要尝试螺丝硬化处理，一般都可以解决滑牙问题，但价钱会比较贵，建议还是更改螺丝孔的设计，或选择更恰当的螺丝解决。

螺丝孔滑牙(strip):

请检查螺丝孔的内孔径是否太大，留意螺丝孔脱模角(draft angle)会影响螺丝孔径的问题。

检查是否螺丝的牙距太小，小螺距的螺丝不利反复的拆锁，情况许可的话可以考虑选用较大牙距的螺丝。

螺丝孔破裂 (crack )

如果之前都没问题，也没有相关的设计变更，却突然出现螺丝孔破裂的问题，请检查塑料射出成型时是否有掺杂二次料？或塑料射出成型时塑料粒未干燥完全？

如果是在试产或刚量产的时候发生，要另外检查螺丝选用是否正确？螺丝孔底下预留的间隙是否足够容纳溢出的塑料屑？螺丝孔壁厚度设计是否太薄？螺丝的扭力是否太大？

螺丝锁不紧

请检查螺丝扭力是否太小、螺丝孔是否设计太小至螺丝锁不到底？螺丝的吃牙数是否太少？一般螺丝的吃牙数最好要有３牙以上。

另外，如果产品内部有应力或是两个锁紧件上有顶出的设计，就要特别小心锁不紧的可能性。

螺丝锁紧后松动

这是个比较麻烦的问题，一般常出现在有内部应力的设计上，或者是有振动需求的产品上面，比如说点阵式的打印机，车用电子产品。有时候某些对于热胀冷缩特别敏感的塑料也容易造成螺丝松脱的问题。

解决的方法通常是点胶固定螺丝或加上垫片。

来源：机械设计从业者