塑膠件的連接結(jié)構(gòu)，有兩種應(yīng)用較廣泛，一種是卡扣連接（之前文章已有介紹），另一種是螺紋連接。其中螺紋連接我認為是應(yīng)用最廣泛、最常見的連接結(jié)構(gòu)。基于成本考慮，盡管大家都在盡量減少螺紋連接的使用，但是，對于絕大部分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，螺紋連接結(jié)構(gòu)還是很難完全被取代，因為，其相對于卡扣連接有以下優(yōu)點：

• 連接強度比卡扣大得多，即使受到額外負載也不容易松脫，可靠性高；

• 可拆卸次數(shù)多，特別是使用機牙螺絲的情況下，連接強度并不會受影響很大；

• 螺絲柱在模具上成型方便，模具結(jié)構(gòu)簡單，且容易調(diào)整；
• 操作簡單，易學，誰不會打個螺絲呢。

當然，相對于卡扣，其缺點如下：

• 成本相對高些，螺絲、螺母、電批、螺絲刀等緊固件與工具的成本；
• 對于外觀零件，會在外殼上存在放置螺絲以及操作的孔洞，破壞外觀的完整性；
  
• 裝配時間長，預(yù)埋螺母、放置螺絲、使用電批或螺絲工具的時間成本，間接增加裝配成本；
• 螺紋連接的結(jié)構(gòu)類型少，設(shè)計自由度比較受限，常常在主出模方向設(shè)計居多。

結(jié)合卡扣和螺紋連接的優(yōu)缺點，在實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上，常常兼容這兩種連接方式，使產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)性能與成本的平衡。

塑膠件的螺紋連接結(jié)構(gòu)一般有以下兩種：

• 一種是采用機械牙螺絲（簡稱機牙螺絲）的結(jié)構(gòu)；

• 一種是采用自攻牙螺絲（簡稱自攻螺絲）的結(jié)構(gòu)；

機牙螺絲與自攻螺絲的區(qū)別：

從外形上看：

最主要的區(qū)別在于牙型：

機牙螺絲（Machine Screw），牙峰與牙底的大小相差無幾，牙距比較小，牙型的標準角度為60°，螺紋的標記為M*/*。使用機牙螺絲需要要搭配合適的螺母或在預(yù)制孔內(nèi)預(yù)先攻牙。

自攻螺絲（Self tapping screw），牙峰很尖，牙底平面較寬，而牙型的標準角度則小于60°，螺紋的標記為ST*/*。使用自攻螺絲時，不用借助螺母或預(yù)攻絲。只需在預(yù)制孔直接用工具擰緊，在旋轉(zhuǎn)的過程當中，會在孔內(nèi)部自動形成螺紋，從而發(fā)揮到預(yù)期的緊固作用。

當塑膠柱內(nèi)孔在鎖自攻螺絲時，一般有兩種方式產(chǎn)生螺紋：

a. 螺紋成型：當螺絲旋入塑膠柱內(nèi)孔時，是通過冷流（俗稱擠壓）來產(chǎn)生螺紋的，塑膠會產(chǎn)生局部變形而不是被切削，故稱之為螺紋成型（無碎屑產(chǎn)生），此種螺絲也稱為螺紋成型自攻螺絲。

b. 螺紋切削：當螺絲螺旋前進時，螺絲尾部具有鋒利的切削刃，在旋入內(nèi)孔過程中時會切削塑料，形成螺紋，同時會產(chǎn)生一些碎屑（有碎屑產(chǎn)生），此種螺絲也稱為螺紋切削自攻螺絲。

注意：采用螺紋切削自攻螺絲時，具有正確的螺絲柱內(nèi)孔直徑和深度非常重要，孔深度必須比螺釘嚙合長度更深，以留出空間儲存切削產(chǎn)生的碎屑。螺紋切削自攻螺絲的最大缺點是在拆卸過程中會出現(xiàn)螺紋剝離。

由于在實際產(chǎn)品設(shè)計中，大部分塑膠件都是采用中低彈性模量的塑膠材料，因此，比較常用的是螺紋成型自攻螺絲，為了便于描述，以下直接把螺紋成型自攻螺絲簡稱為自攻螺絲。

塑膠件螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則：

• 連接強度原則；
  

• 成型性原則；

一、連接強度原則

一個塑膠件與另外一個零件通過螺紋連接結(jié)構(gòu)連接緊固在一起時，此兩個零件在結(jié)合處存在相互平衡的張力 F 和壓縮力 F，這力F稱為預(yù)緊力（或軸向力），表示初始緊固力。

自攻螺絲的擰緊過程：

視頻：自攻螺絲的擰緊過程

主要分為以下三步：

以上過程，在到達規(guī)定的扭矩，擰緊過程結(jié)束時，對應(yīng)的扭矩為最佳擰緊扭矩Ta（確保壓實，并防止不必要的零件變形），對應(yīng)的預(yù)緊力為最佳緊固力，也加夾緊力、拉拔力。

塑膠螺絲柱滑牙：是指螺絲擰緊產(chǎn)生的預(yù)緊力將螺絲柱內(nèi)孔的螺紋剝離，螺絲被拔出來的現(xiàn)象，對應(yīng)的扭矩稱為滑牙扭矩Tf。

螺絲柱內(nèi)孔滑牙的原因也可能是：每一次自攻螺絲重新擰入到相同的螺絲柱內(nèi)孔時，都會再一次切削出一道新的螺紋，而且大概率是會破壞掉原來的螺紋位置而重新建立新的螺紋，尤其是越上端的位置。除非，每一次螺絲重新擰進去時都可以沿著原來的螺紋擰進，否則經(jīng)過幾次的螺絲重鎖，其螺絲柱內(nèi)孔的肉厚將被切削得不成原形，自然地鎖緊力就會下降。

所以，在設(shè)計塑膠螺紋連接結(jié)構(gòu)時，連接強度原則可以歸納為，在確保塑膠螺絲柱不發(fā)生滑牙、塑膠件不變性、螺絲不失效的情況下，獲得滿足連接要求的緊固力。

滑牙緊固力公式：

滑牙扭矩公式：

其中， τ ：剪切應(yīng)力；σt：塑膠材料的拉伸屈服應(yīng)力；Dp：螺絲中徑；r：螺絲中徑的一半；L：螺紋旋合深度；f1：螺紋與塑膠之間的摩擦系數(shù)；f2：螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數(shù)；p：螺絲的螺距；S：安全系數(shù)（塑膠材料隨著時間的推移會發(fā)生一定的蠕變和應(yīng)力松弛，拉伸屈服應(yīng)力值會降低，比如，5年后降為初始值的1/3~1/2，所以S的取值為2、3等）。

松開時，由于，為作用在螺絲上的扭矩，作用于負方向，所以松開扭矩公式為：

經(jīng)核算，松開扭矩約為擰緊扭矩的 80%。

根據(jù)公式可知，相同規(guī)格的自攻螺絲連接不同的塑膠材料，其滑牙緊固力、滑牙扭矩是不同的，因此，最終的緊固力和擰緊扭矩也應(yīng)該有所不同。

圖：不同螺釘尺寸和材料的滑牙緊固力性能

圖：不同螺釘尺寸和材料的滑牙扭矩性能

自攻螺絲連接塑膠零件的擰緊扭矩必須小于其滑牙扭矩，考慮到實際塑膠零件材料的拉伸屈服應(yīng)力還可能受到注塑成型工藝、熱應(yīng)力、材料高溫降解、二次料等因素的影響，通常取擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)，其中X取0.35~0.5。

圖中：Tr：攻牙扭矩；Tα：擰緊扭矩；Tf：滑牙扭矩

兩塑膠件之間的緊固力是確保連接裝配成功主要參數(shù)，但并非每次增加扭矩都能提高緊固力，決定螺絲緊固能力的因素還有很多:

檢查夾緊力的方法很復雜，因此，通常我們通過扭矩值來確認施力情況。扭矩不能定量表示組件屬性，但可以作為擰緊零件的定性參考。

在實際生產(chǎn)中，擰緊扭矩太大容易滑牙，太小又有鎖不緊的問題，那么如何確定擰緊扭矩呢？

由公式：擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)，其中X取0.35~0.5，可知，只要確定了攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf，就可以算出擰緊扭矩Tα 。

a. 確定攻牙扭矩Tr

b. 確定滑牙扭矩Tf

未完待續(xù)......