塑膠件的連接結構，有兩種應用較廣泛，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用最廣泛、最常見的連接結構。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，對于絕大部分產品結構設計的需要，螺紋連接結構還是很難完全被取代，因為，其相對于卡扣連接有以下優點：

• 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，模具結構簡單，且容易調整；
• 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；
• 螺紋連接的結構類型少，設計自由度比較受限，常常在主出模方向設計居多。

結合卡扣和螺紋連接的優缺點，在實際產品結構設計上，常常兼容這兩種連接方式，使產品能夠實現性能與成本的平衡。

塑膠件的螺紋連接結構一般有以下兩種：

• 一種是采用機械牙螺絲（簡稱機牙螺絲）的結構；

• 一種是采用自攻牙螺絲（簡稱自攻螺絲）的結構；

這兩種結構比較常見的結構形式如下圖，共同點是兩個塑膠零件上分別有用于與螺絲配合的螺絲柱（BOSS柱）和用于支承螺絲頭的套司；區別在于采用機牙螺絲的螺絲柱內孔需預埋螺母。

機牙螺絲與自攻螺絲的區別：

從外形上看：

常用機牙螺絲的尾部一般為平尾，頭部形狀如下圖：

常用自攻螺絲的尾部一般分尖尾和平尾，頭部形狀如下圖：

最主要的區別在于牙型：

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制孔內預先攻牙。

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，不用借助螺母或預攻絲。只需在預制孔直接用工具擰緊，在旋轉的過程當中，會在孔內部自動形成螺紋，從而發揮到預期的緊固作用。

當塑膠柱內孔在鎖自攻螺絲時，一般有兩種方式產生螺紋：

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

螺紋成型自攻螺絲會產生高內應力，因為材料是擠壓變形而不是被去除。因此，這種螺絲適用于具有中低彎曲模量的塑膠材料（比如常見的ABS、PC、PA、PP等熱塑性材料及低玻纖填充的熱塑性材料）。

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，在旋入內孔過程中時會切削塑料，形成螺紋，同時會產生一些碎屑（有碎屑產生），此種螺絲也稱為螺紋切削自攻螺絲。

與螺紋成型自攻螺絲相比，螺紋切削自攻螺絲會產生更低的內應力，使其適用于具有更高彎曲模量（更硬）塑膠材料（比如高玻纖填充塑膠材料、熱固性材料等）。

注意：采用螺紋切削自攻螺絲時，具有正確的螺絲柱內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螺紋剝離。

由于在實際產品設計中，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。

塑膠件螺紋連接結構的設計原則：

• 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構連接緊固在一起時，此兩個零件在結合處存在相互平衡的張力 F 和壓縮力 F，這力F稱為預緊力（或軸向力），表示初始緊固力。

主要分為以下三步：

a. 定位 ：螺絲被定位到螺絲定位孔，在一定的擰緊速度下，開始被擰入螺絲柱內孔，此時，扭矩開始緩慢增大，預緊力還是為零。

b. 擰入 ：螺絲慢慢被被擰入螺絲柱內孔，此時，扭矩繼續緩慢增大，預緊力還是為零。

c. 擰緊： 螺絲頭底面開始接觸到塑膠件，此時，扭矩和預緊力會呈指數增大，直到到達規定的扭矩，整個擰緊過程結束。

以上過程，在到達規定的扭矩，擰緊過程結束時，對應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），對應的預緊力為最佳緊固力，也加夾緊力、拉拔力。

如果擰緊過程繼續，在螺絲柱內孔螺紋開始滑牙，對應扭矩為失效扭矩Tf（滑牙扭矩）。此時擰緊過程再繼續就會進入到失效區，在失效區發生的失效模式包括螺紋剝離、螺絲柱變形斷裂、螺釘斷裂和凹槽損壞等。

塑膠螺絲柱滑牙：是指螺絲擰緊產生的預緊力將螺絲柱內孔的螺紋剝離，螺絲被拔出來的現象，對應的扭矩稱為滑牙扭矩Tf。

螺絲柱內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，否則經過幾次的螺絲重鎖，其螺絲柱內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，在設計塑膠螺紋連接結構時，連接強度原則可以歸納為，在確保塑膠螺絲柱不發生滑牙、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 ：剪切應力；σt：塑膠材料的拉伸屈服應力；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；f2：螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數；p：螺絲的螺距；S：安全系數（塑膠材料隨著時間的推移會發生一定的蠕變和應力松弛，拉伸屈服應力值會降低，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：

經核算，松開扭矩約為擰緊扭矩的 80%。

根據公式可知，相同規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力還可能受到注塑成型工藝、熱應力、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，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:

a. 擰緊扭矩 : 施加在螺絲上的扭力是產生緊固力的關鍵。

b.  涂層摩擦系數 : 涂層摩擦系數越大，夾緊組件所需的扭矩就越小。

c. 螺絲頭凹槽效能 : 凹槽可以將螺絲刀上的扭矩傳輸到螺絲上，凹槽效能越高，扭矩傳輸性能越好，因此越能夾緊組件。

d. 螺紋牙型 : 螺紋設計也會影響扭矩和夾緊力之間的關系，一般情況下，牙距越小夾緊力越高，但前提是提升的摩擦力不會超過增加的夾緊力。

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

用電動螺絲起子（電批）先設定一個較小的扭矩值鎖緊螺絲，鎖緊后再用手動螺絲刀方式轉動螺絲來檢查螺絲扭矩是否足夠，如果已經無法再用手動方式轉動螺絲，就表示攻牙扭矩Tr的設定可以接受。

如果還可以轉動，則表示攻牙扭矩Tr還不夠，必須再往上增加，反復測試后可以確定攻牙扭矩Tr。

b. 確定滑牙扭矩Tf

把電動螺絲起子（電批）的扭矩設定到一個比較大的值(此值可以參考上面公式計算的理論值)，拿10組樣品，用電動螺絲起子重復鎖緊、松開螺絲10次后，確認有無任何螺絲孔滑牙或螺絲柱破裂的現象發生，如果沒有，此值就是滑牙扭矩Tf。

如果有，則必須將扭矩調小，然后再重復試驗，直到確定滑牙扭矩Tf（此試驗方法也可以適用無滑牙扭矩Tf的計算理論值的情況）。

未完待續......