塑胶件的结构设计：螺纹连接结构篇（上）

塑胶件的连接结构，有两种应用较广泛，一种是卡扣连接（之前文章已有介绍），另一种是螺纹连接。其中螺纹连接我认为是应用最广泛、最常见的连接结构。基于成本考虑，尽管大家都在尽量减少螺纹连接的使用，但是，对于绝大部分产品结构设计的需要，螺纹连接结构还是很难完全被取代，因为，其相对于卡扣连接有以下优点：

• 连接强度比卡扣大得多，即使受到额外负载也不容易松脱，可靠性高；

• 可拆卸次数多，特别是使用机牙螺丝的情况下，连接强度并不会受影响很大；

• 螺丝柱在模具上成型方便，模具结构简单，且容易调整；
• 操作简单，易学，谁不会打个螺丝呢。

当然，相对于卡扣，其缺点如下：

• 成本相对高些，螺丝、螺母、电批、螺丝刀等紧固件与工具的成本；
• 对于外观零件，会在外壳上存在放置螺丝以及操作的孔洞，破坏外观的完整性；
  
• 装配时间长，预埋螺母、放置螺丝、使用电批或螺丝工具的时间成本，间接增加装配成本；
• 螺纹连接的结构类型少，设计自由度比较受限，常常在主出模方向设计居多。

结合卡扣和螺纹连接的优缺点，在实际产品结构设计上，常常兼容这两种连接方式，使产品能够实现性能与成本的平衡。

塑胶件的螺纹连接结构一般有以下两种：

• 一种是采用机械牙螺丝（简称机牙螺丝）的结构；

• 一种是采用自攻牙螺丝（简称自攻螺丝）的结构；

这两种结构比较常见的结构形式如下图，共同点是两个塑胶零件上分别有用于与螺丝配合的螺丝柱（BOSS柱）和用于支承螺丝头的套司；区别在于采用机牙螺丝的螺丝柱内孔需预埋螺母。

机牙螺丝与自攻螺丝的区别：

从外形上看：

常用机牙螺丝的尾部一般为平尾，头部形状如下图：

常用自攻螺丝的尾部一般分尖尾和平尾，头部形状如下图：

最主要的区别在于牙型：

机牙螺丝（Machine Screw），牙峰与牙底的大小相差无几，牙距比较小，牙型的标准角度为60°，螺纹的标记为M*/*。使用机牙螺丝需要要搭配合适的螺母或在预制孔内预先攻牙。

自攻螺丝（Self tapping screw），牙峰很尖，牙底平面较宽，而牙型的标准角度则小于60°，螺纹的标记为ST*/*。使用自攻螺丝时，不用借助螺母或预攻丝。只需在预制孔直接用工具拧紧，在旋转的过程当中，会在孔内部自动形成螺纹，从而发挥到预期的紧固作用。

当塑胶柱内孔在锁自攻螺丝时，一般有两种方式产生螺纹：

a. 螺纹成型：当螺丝旋入塑胶柱内孔时，是通过冷流（俗称挤压）来产生螺纹的，塑胶会产生局部变形而不是被切削，故称之为螺纹成型（无碎屑产生），此种螺丝也称为螺纹成型自攻螺丝。

螺纹成型自攻螺丝会产生高内应力，因为材料是挤压变形而不是被去除。因此，这种螺丝适用于具有中低弯曲模量的塑胶材料（比如常见的ABS、PC、PA、PP等热塑性材料及低玻纤填充的热塑性材料）。

b. 螺纹切削：当螺丝螺旋前进时，螺丝尾部具有锋利的切削刃，在旋入内孔过程中时会切削塑料，形成螺纹，同时会产生一些碎屑（有碎屑产生），此种螺丝也称为螺纹切削自攻螺丝。

与螺纹成型自攻螺丝相比，螺纹切削自攻螺丝会产生更低的内应力，使其适用于具有更高弯曲模量（更硬）塑胶材料（比如高玻纤填充塑胶材料、热固性材料等）。

注意：采用螺纹切削自攻螺丝时，具有正确的螺丝柱内孔直径和深度非常重要，孔深度必须比螺钉啮合长度更深，以留出空间储存切削产生的碎屑。螺纹切削自攻螺丝的最大缺点是在拆卸过程中会出现螺纹剥离。

由于在实际产品设计中，大部分塑胶件都是采用中低弹性模量的塑胶材料，因此，比较常用的是螺纹成型自攻螺丝，为了便于描述，以下直接把螺纹成型自攻螺丝简称为自攻螺丝。

塑胶件螺纹连接结构的设计原则：

• 连接强度原则；
  

• 成型性原则；

一、连接强度原则

一个塑胶件与另外一个零件通过螺纹连接结构连接紧固在一起时，此两个零件在结合处存在相互平衡的张力 F 和压缩力 F，这力F称为预紧力（或轴向力），表示初始紧固力。

自攻螺丝的拧紧过程：

视频：自攻螺丝的拧紧过程

主要分为以下三步：

a. 定位：螺丝被定位到螺丝定位孔，在一定的拧紧速度下，开始被拧入螺丝柱内孔，此时，扭矩开始缓慢增大，预紧力还是为零。

b. 拧入：螺丝慢慢被被拧入螺丝柱内孔，此时，扭矩继续缓慢增大，预紧力还是为零。

c. 拧紧：螺丝头底面开始接触到塑胶件，此时，扭矩和预紧力会呈指数增大，直到到达规定的扭矩，整个拧紧过程结束。

以上过程，在到达规定的扭矩，拧紧过程结束时，对应的扭矩为最佳拧紧扭矩Ta（确保压实，并防止不必要的零件变形），对应的预紧力为最佳紧固力，也加夹紧力、拉拔力。

如果拧紧过程继续，在螺丝柱内孔螺纹开始滑牙，对应扭矩为失效扭矩Tf（滑牙扭矩）。此时拧紧过程再继续就会进入到失效区，在失效区发生的失效模式包括螺纹剥离、螺丝柱变形断裂、螺钉断裂和凹槽损坏等。

塑胶螺丝柱滑牙：是指螺丝拧紧产生的预紧力将螺丝柱内孔的螺纹剥离，螺丝被拔出来的现象，对应的扭矩称为滑牙扭矩Tf。

螺丝柱内孔滑牙的原因也可能是：每一次自攻螺丝重新拧入到相同的螺丝柱內孔时，都会再一次切削出一道新的螺纹，而且大概率是会破坏掉原来的螺纹位置而重新建立新的螺纹，尤其是越上端的位置。除非，每一次螺丝重新拧进去时都可以沿着原来的螺纹拧进，否则经过几次的螺丝重锁，其螺丝柱内孔的肉厚将被切削得不成原形，自然地锁紧力就会下降。

所以，在设计塑胶螺纹连接结构时，连接强度原则可以归纳为，在确保塑胶螺丝柱不发生滑牙、塑胶件不变性、螺丝不失效的情况下，获得满足连接要求的紧固力。

滑牙紧固力公式：

滑牙扭矩公式：

其中， τ ：剪切应力；σt：塑胶材料的拉伸屈服应力；Dp：螺丝中径；r：螺丝中径的一半；L：螺纹旋合深度；f1：螺纹与塑胶之间的摩擦系数；f2：螺丝头底部与塑胶之间的摩擦系数；p：螺丝的螺距；S：安全系数（塑胶材料随着时间的推移会发生一定的蠕变和应力松弛，拉伸屈服应力值会降低，比如，5年后降为初始值的1/3~1/2，所以S的取值为2、3等）。

松开时，由于

，为作用在螺丝上的扭矩，作用于负方向，所以松开扭矩公式为：

经核算，松开扭矩约为拧紧扭矩的 80%。

根据公式可知，相同规格的自攻螺丝连接不同的塑胶材料，其滑牙紧固力、滑牙扭矩是不同的，因此，最终的紧固力和拧紧扭矩也应该有所不同。

图：不同螺钉尺寸和材料的滑牙紧固力性能

图：不同螺钉尺寸和材料的滑牙扭矩性能

自攻螺丝连接塑胶零件的拧紧扭矩必须小于其滑牙扭矩，考虑到实际塑胶零件材料的拉伸屈服应力还可能受到注塑成型工艺、热应力、材料高温降解、二次料等因素的影响，通常取拧紧扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)，其中X取0.35~0.5。

图中：Tr：攻牙扭矩；Tα：拧紧扭矩；Tf：滑牙扭矩

两塑胶件之间的紧固力是确保连接装配成功主要参数，但并非每次增加扭矩都能提高紧固力，决定螺丝紧固能力的因素还有很多:

a. 拧紧扭矩: 施加在螺丝上的扭力是产生紧固力的关键。

b. 涂层摩擦系数: 涂层摩擦系数越大，夹紧组件所需的扭矩就越小。

c. 螺丝头凹槽效能: 凹槽可以将螺丝刀上的扭矩传输到螺丝上，凹槽效能越高，扭矩传输性能越好，因此越能夹紧组件。

d. 螺纹牙型: 螺纹设计也会影响扭矩和夹紧力之间的关系，一般情况下，牙距越小夹紧力越高，但前提是提升的摩擦力不会超过增加的夹紧力。

检查夹紧力的方法很复杂，因此，通常我们通过扭矩值来确认施力情况。扭矩不能定量表示组件属性，但可以作为拧紧零件的定性参考。

在实际生产中，拧紧扭矩太大容易滑牙，太小又有锁不紧的问题，那么如何确定拧紧扭矩呢？

由公式：拧紧扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)，其中X取0.35~0.5，可知，只要确定了攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf，就可以算出拧紧扭矩Tα 。

a. 确定攻牙扭矩Tr

用电动螺丝起子（电批）先设定一个较小的扭矩值锁紧螺丝，锁紧后再用手动螺丝刀方式转动螺丝来检查螺丝扭矩是否足够，如果已经无法再用手动方式转动螺丝，就表示攻牙扭矩Tr的设定可以接受。

如果还可以转动，则表示攻牙扭矩Tr还不够，必须再往上增加，反复测试后可以确定攻牙扭矩Tr。

b. 确定滑牙扭矩Tf

把电动螺丝起子（电批）的扭矩设定到一个比较大的值(此值可以参考上面公式计算的理论值)，拿10组样品，用电动螺丝起子重复锁紧、松开螺丝10次后，确认有无任何螺丝孔滑牙或螺丝柱破裂的现象发生，如果没有，此值就是滑牙扭矩Tf。

如果有，则必须将扭矩调小，然后再重复试验，直到确定滑牙扭矩Tf（此试验方法也可以适用无滑牙扭矩Tf的计算理论值的情况）。

未完待续......