接上篇：塑膠件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：螺紋連接結(jié)構(gòu)篇（上）

塑膠件螺紋連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則：

• 連接強(qiáng)度原則；

• 成型性原則；

一、連接強(qiáng)度原則

在上篇中提到，由于檢查緊固力的方法很復(fù)雜，我們通常通過扭矩值來確認(rèn)施力情況，也就是說，緊固力的大小可以通過扭矩值來表征，如果擰緊扭矩越大，相對(duì)于的緊固力就越大,，連接強(qiáng)度就越大。

由公式：擰緊扭矩Tα=Tr+X(Tf-Tr)可知，如果需要增大擰緊扭矩Tα，可以通過增大攻牙扭矩Tr和滑牙扭矩Tf來實(shí)現(xiàn)。

• 增大攻牙扭矩Tr ，這會(huì)導(dǎo)致前期攻牙階段的安裝扭矩變大，前期顯得很吃力，同時(shí)導(dǎo)致擰緊扭矩T α 的范圍太窄，容易造成滑牙，這不是我們想要的結(jié)果。
• 增大滑牙扭矩Tf ，也就是增大了滑牙扭矩T f 和攻牙扭矩T r 之間的差值(T f -T r )，這樣的結(jié)果是擰緊扭矩T α 增大了，同時(shí)使得擰緊扭矩Tα在一個(gè)較大的容差范圍內(nèi)。

  
  

那么，如何增大滑牙扭矩Tf呢？

滑牙緊固力公式：

滑牙扭矩公式：

由以上公式可知，增大以下因素：σt（塑膠材料的拉伸屈服應(yīng)力）；Dp（螺絲中徑）；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）；都可以增大滑牙扭矩Tf。

以上因素可以歸類為：

• 塑膠材料的性能 ：拉伸屈服應(yīng)力、彎曲模量、摩擦系數(shù)
  
• 螺絲的幾何參數(shù) ：螺紋角、螺距
• 螺絲柱的設(shè)計(jì) ：內(nèi)孔設(shè)計(jì)（孔徑、螺紋旋合深度），外徑設(shè)計(jì)

01   塑膠材料的性能

1、拉伸屈服應(yīng)力

在材料拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，應(yīng)力有微小的增加，而應(yīng)變卻急劇增長的現(xiàn)象，稱為屈服，使材料發(fā)生拉伸屈服時(shí)的正應(yīng)力就是材料的拉伸屈服應(yīng)力。在螺絲擰緊過程，螺絲柱內(nèi)孔側(cè)壁形成螺紋，并受到螺絲的拉伸力F，如果此拉伸力超過塑膠材料的拉伸屈服應(yīng)力，塑膠螺紋開始發(fā)生塑性變形，螺紋的完整性遭到破壞而無法回復(fù)，具體表現(xiàn)為緊固力和滑牙扭矩降低。

所以，在其他條件一定情況下，選擇拉伸屈服應(yīng)力大的材料，能有效提高緊固力和滑牙扭矩。

2、彎曲模量

彎曲模量是衡量塑料抵抗彎曲變形能力大小的尺度。塑膠螺絲柱內(nèi)螺紋的形成實(shí)際上塑膠被螺絲螺牙擠壓變形，然后多余的塑膠流動(dòng)到螺絲相鄰螺牙之間的凹槽而形成的。

一般來說，流動(dòng)到凹槽的塑膠越多，螺紋面與塑膠之間的接觸面積越大，此處的拉伸屈服應(yīng)力值越大，緊固力和滑牙扭矩越大，同時(shí)減少了螺釘松動(dòng)的可能性。

按彎曲模量的大小分類，塑膠材料可以分成以下幾大類：

1）低彎曲模量（<20000kg/cm2）

此類塑膠材料通常較軟，主要包括PP、PE、軟PVC、PA1010、PA11、PA12等，比較容易形成螺紋，但這些材料本身的拉伸屈服應(yīng)力小，不太適合用在需求高連接強(qiáng)度的場合（除非通過優(yōu)化螺絲柱結(jié)構(gòu)，否則滑牙扭矩通常不高）。

2）中等彎曲模量（20000 ~30000kg/cm2）

此類塑膠材料硬度中等，主要包括ABS、ABS/PC、PC、PPO、PS、PA6、 PA66、PBT、POM、硬PVC等，此類塑膠綜合了彎曲模量和拉伸屈服應(yīng)力，非常適合采用自攻螺絲連接，并具體較高的連接強(qiáng)度。

3）高彎曲模量（30000 ~70000kg/cm2）

此類塑膠材料硬度高，主要包括SAN、PEEK、PPS以及一些低玻纖填充的材料如 PC+10GF、POM+20GF等，此類塑膠流動(dòng)性差，形成的螺紋不飽滿，采用此材料設(shè)計(jì)的螺絲柱內(nèi)孔尺寸須做一定優(yōu)化，同時(shí)采用更高強(qiáng)度的螺絲，或者采用具有低螺旋角的專用螺絲或螺紋切削自攻螺絲，以避免過大的驅(qū)動(dòng)扭矩而導(dǎo)致螺絲斷裂。

4）超高彎曲模量（>70000kg/cm2）

此類塑膠材料硬度非常高，主要包括一些高玻纖填充（30%以上）的材料如PET+30GF、PC+30GF、PBT+30GF、PA+30GF等，以及熱固性塑膠，針對(duì)此類材料，建議使用塑膠專用螺絲或螺紋切削自攻螺絲，必要時(shí)采用模內(nèi)預(yù)埋螺母。

3、摩擦系數(shù)

主要是指螺絲螺紋與塑膠之間的摩擦系數(shù)和螺絲頭底部與塑膠之間的摩擦系數(shù)，這兩個(gè)摩擦系數(shù)的值較接近（鋼對(duì)塑膠），不同塑膠的摩擦系數(shù)不同，一般為0.2~0.6之間。需要注意的是，螺絲頭底部的摩擦扭矩隨著螺絲頭直徑增大而增大，所以，大扁頭和帶介的螺絲比盤頭螺絲的滑牙扭矩大。

02   螺絲的幾何參數(shù)

1、螺紋角

傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的自攻螺絲的螺紋角一般為60°，但是現(xiàn)在有一些針對(duì)塑膠開發(fā)的自攻螺絲，其螺紋角一般為30°~48°，開發(fā)這種小螺紋角自攻螺絲的廠家主要是國外的居多，比如Celo專門為塑料件組裝而開發(fā)的一系列自攻螺釘，大家如有興趣進(jìn)一步了解的話可以到他們的官網(wǎng)去查閱相關(guān)信息（https://www.celofasteners.cn）

那么螺紋角是怎么影響連接性能的呢?

下面以60°和30°螺紋角的自攻螺絲進(jìn)行受力分析，如果以一定的扭矩?cái)Q緊螺絲，在螺絲柱內(nèi)孔形成陰螺紋，螺紋面的垂直方向受到一個(gè)力（R），R可以分解成徑向力FRad和軸向力FAxi，如下圖。

通過對(duì)比可知，

1）將螺紋角從60o改為40o可以在螺絲擰緊過程中使徑向力(F Rad )降低接近50%，大大減小了徑向應(yīng)力，從而減小螺絲柱損壞的可能性。

為此，采用塑膠專用自攻螺絲，螺絲柱外徑的設(shè)計(jì)可以比傳統(tǒng)螺絲柱小，更有利于減小螺絲柱根部背面縮水現(xiàn)象。

2）軸向力(FAxi)雖然提高不多，但由于塑膠專用自攻螺絲具有較小的芯部直徑（m?）和較高的螺紋輪廓（CM），因此螺紋之間可以容納更多塑膠材料，并形成較大的軸向剪切面積，提高了拉拔阻力，間接提高了緊固力和滑牙扭矩。

2、螺距

下圖為常用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)自攻螺絲的螺距。

1）對(duì)于低彎曲模量（<20000kg/cm2）的塑膠，可以采用比傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)自攻螺絲大的螺距，較大螺距提供塑料中更大的剪切區(qū)域，提高此區(qū)域拉伸屈服應(yīng)力，緊固力和滑牙扭矩越大，同時(shí)減少了螺釘松動(dòng)的發(fā)生。

2）對(duì)于超高彎曲模量（>70000kg/cm2）的塑膠，應(yīng)采用螺距更小的塑膠專用螺絲，由于螺距變小，同一螺絲長度下螺紋數(shù)量增加，這增加了螺紋與塑膠的接觸面，提高了熱固材料組件中的拉拔阻力，同時(shí)保持較低攻牙驅(qū)動(dòng)力矩；取得同等緊固力的情況下，旋入深度可以進(jìn)一步縮短。

03  螺絲柱的設(shè)計(jì)

螺絲柱的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)是整個(gè)連接結(jié)構(gòu)成本的關(guān)鍵，螺絲柱的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)主要包含，內(nèi)徑、有效旋入深度、導(dǎo)向口、外徑、拔模斜度。

1、內(nèi)徑?

由于螺絲柱內(nèi)孔直接是跟螺絲螺紋接觸產(chǎn)生連接作用，因此內(nèi)徑是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，內(nèi)徑過大過小都會(huì)產(chǎn)生一些影響連接強(qiáng)度的問題，比如內(nèi)徑太大，就容易發(fā)生滑牙，太小螺絲柱容易發(fā)生開裂甚至螺絲發(fā)生斷裂等問題。

合理的內(nèi)徑應(yīng)該等于或略小于所使用的攻牙螺絲的有效直徑Dp，略大于內(nèi)螺紋的外徑，螺紋咬合百分比應(yīng)該在50%～70%之間。

由上公式計(jì)算可知，螺絲柱預(yù)留內(nèi)孔的直徑?大約是螺絲公稱直徑的85%，

公差建議:

• 孔徑 ≤ ?3.0 mm 公差+0.08 mm

• 孔徑 ?3.0 - ?4.5 mm 公差+0.10 mm

• 孔徑 > ?4.5 mm 公差+0.12 mm

為了兼顧較軟材料，所以內(nèi)徑?通常取值為螺絲公稱直徑d*內(nèi)徑系數(shù)（0.7~0.85）。其中內(nèi)徑系數(shù)取值跟自攻螺絲的種類和螺絲柱的材料有關(guān)。

下圖為螺絲廠商Accument針對(duì)他們現(xiàn)有的不同螺絲種類、不同塑料，推薦的螺絲柱內(nèi)徑的取值（僅供參考）。

2、有效旋入深度L

有效旋入深度L，由螺絲長度減去導(dǎo)向口深度(0.3~0.5d)、被連接材料的厚度(t)和螺絲尾部的導(dǎo)向長度(y)得出。

有效旋入深度L的計(jì)算：

由內(nèi)螺紋根部的剪切應(yīng)力 τn公式求出L的值：

其中，Z：螺紋圈數(shù)（L/P），P為螺距；k：三角螺紋牙根的寬度系數(shù)（0.75~0.88）；D：螺紋的中徑；F為負(fù)荷。

舉例，假設(shè)自攻螺絲為ST2.9， k取0.82，τn為65 MPa，圖10.40顯示了 有效旋入深度h 和螺絲拔出強(qiáng)度的關(guān)系。如果有效旋入深度h達(dá)到或超過6mm，螺絲的拔出強(qiáng)度就超過了螺絲的斷裂強(qiáng)度（2450 N）。

由此可見，雖然螺絲拔出強(qiáng)度隨著旋入深度L的增加而增加，當(dāng)旋入深度L約為螺絲公稱直徑d的2倍左右時(shí)（倍數(shù)跟塑膠材料軟硬有關(guān)，較軟可取大點(diǎn)，較硬可取小點(diǎn)），拔出強(qiáng)度已經(jīng)足夠。

需要特別注意的是：一般自攻螺絲尾部都有一個(gè)利于導(dǎo)入的錐形，而且這個(gè)錐形部分對(duì)于連接沒有很大的作用。所以在估算有效旋入深度L時(shí)，需要排除這個(gè)錐形的尺寸y。

3、導(dǎo)向口

螺絲柱的內(nèi)孔端部建議設(shè)計(jì)導(dǎo)向口，導(dǎo)向口不僅方便螺絲的鎖入，還可以減少端部擰緊后的應(yīng)力，防止端部附近造成損傷，導(dǎo)向口的尺寸可參照下圖，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。導(dǎo)向口也可以用倒角代替，倒角一般0.5mm左右。

4、外徑

自攻螺絲在擰緊過程中，會(huì)對(duì)螺絲柱內(nèi)孔進(jìn)行擠壓形成螺紋，擰緊后，螺絲柱的端面會(huì)受到螺絲的預(yù)緊載荷，如果螺絲柱外徑設(shè)計(jì)不當(dāng)，螺絲柱內(nèi)孔和端面所受的應(yīng)力將會(huì)使螺絲柱出現(xiàn)橫向和縱向的裂紋，為了保證螺紋的完整性與強(qiáng)度，防止螺絲柱變形，螺絲柱的外徑不能低于某個(gè)值。

1）縱向裂紋校核

舉例，假設(shè)自攻螺絲為ST2.9，Di=2.4 mm，P=1.1，dp=2.54，H=7.5 mm，螺絲自身的斷裂強(qiáng)度是2450 N，求得發(fā)生應(yīng)力與螺絲柱外徑之間的關(guān)系。 假設(shè)螺絲的斷裂強(qiáng)度是最大緊固力F，將數(shù)據(jù)代入公式10.5和10.6，可以得出圖10.39。從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)生應(yīng)力低于100MPa時(shí)，螺絲柱外徑Do 應(yīng)大于7mm。

圖 10.39 BOSS外徑與發(fā)生應(yīng)力的關(guān)系

2）縱向裂紋校核

通過公式10.7可計(jì)算橫向斷裂。

在測定縱向斷裂的同等條件下，求得BOSS外徑與橫向發(fā)生應(yīng)力之間的關(guān)系，如圖10.39所示。從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)生應(yīng)力低于100MPa時(shí)，螺絲柱外Do徑應(yīng)大于6mm。

以上緊固力的取值是以螺絲斷裂強(qiáng)度計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用中緊固力是小于斷裂強(qiáng)度，但考慮到由于注塑缺陷（熔接痕）或二次回收料會(huì)降低塑膠材料的彎曲模量等原因，螺絲柱外徑的取值建議為2~2.5倍螺絲公稱直徑（一般取2d，考慮外觀縮痕的情況可適當(dāng)減小，并通過增加加強(qiáng)筋加強(qiáng)，較軟的材料可取2.5d）。

未完待續(xù)......