杏彩体育app:如何系统化、逻辑化地进行埋植螺母的结构设计？

　　在这种思维主导下，很多工程师在进行结构设计时，并不会花费太多心思，随随便便选择一种螺母规格、随随便便设计塑胶件支柱，也从未想过配合件设计还有讲究。

　　然而，由于金属和塑料的热膨胀系数不同、同时塑胶件支柱本身壁厚较薄（强度低）、注塑过程中又容易产生应力集中等原因，随意结构设计必然导致形形色色的质量问题，不是螺母的拉出力或扭力矩达不到要求，就是支柱开裂、螺母被拉出等。

　　本文将系统化、逻辑化地介绍埋置螺母结构设计的方方面面，例如螺母性能要求和设定、螺母关键结构特征、螺母的五种埋置工艺、塑料决定螺母结构、塑胶件支柱设计和配合件设计、以及问题解决指南等，期待能把埋置螺母的结构设计讲清楚、说明白。

　　埋置螺母的可靠性要求，是指螺母埋置于塑胶支柱之后，在长期使用过程中，不会发生支柱胀形、开裂、断裂或螺母脱出等质量缺陷。

　　一个完美的塑胶件埋置螺母结构设计，一方面需要提供足够的拉出力和扭力矩，另一方面又需要保证可靠性，这取决于以下几个方面：

　　如果拉出力和扭力矩设定过高，则可能需要较深较尖的滚花纹路、或者较小的塑胶件支柱内径，这反过来会导致塑胶件支柱内部应力集中，发生支柱胀形或开裂等缺陷。

　　如图显示了某螺母厂商的的两款/热熔螺母在通常情况下所能达到的拉出力和扭力矩值，如果我们选用了类似的螺母规格，那么拉出力和扭矩力矩值的设定就应该避免超出图中要求。

　　大多数的螺母都是黄铜。尽管黄铜价格比钢贵，然而黄铜容易加工，同时也容易回收。在模内埋置时，如果螺母放错位置，损坏模具的可能性比较少；另外，对于大多数应用来说，黄铜本身的抗腐蚀性可以避免额外的昂贵电镀表面处理。

　　铝合金螺母比铜螺母轻70%，具有导电性、非磁性，以及良好的耐腐蚀性，耐腐蚀性与铜螺母相当，比不锈钢螺母低。

　　不锈钢螺母具有最好的耐腐蚀性，适用于高度腐蚀和卫生条件要求高的环境中，如食品、饮料、医疗和海洋工业等，可以替代原本的铜螺母以及二次电镀工艺，以降低成本。

　　在自助餐厅和餐馆中常见的果汁饮料分配器，因为橙汁和葡萄柚汁等是高度酸性，这就会导致机器中的塑料件产生腐蚀问题。

　　滚花是指螺母外侧的纹路，滚花用于增加螺母的扭力矩。常见的滚花纹路包括直纹、螺旋纹和钻石纹，或者各种纹路的组合等。

　　三种滚花纹路，在拉出力和扭力矩的表现上存在差异。很难评价谁优谁劣，我们只是需要在合适的应用环境选择合适的滚花纹路。

　　这一特性，对于半结晶塑料影响不大，因为半结晶塑料对应力相对不敏感，因此半结晶塑料可以使用各种滚花纹路的螺母。

　　这对无定型塑料却非常致命，因为无定型塑料对应力非常敏感；无定型塑料在选择螺母类型时，应当避免锋利的滚花纹路。

　　特别是需要电镀的无定型塑料，电镀时的酸洗会造成支柱严重的开裂现象；最好是先电镀，再埋置螺母。

　　螺母埋置工艺在塑胶件中可以分为两大类，模内埋置和注塑后埋置，注塑后埋置又包括热熔、、压入和自攻等方式。

　　模内埋置是在注塑成型时，把螺母提前放置于模具型腔中的导销上并固定，然后注射塑料把螺母外部包裹起来。

　　模内埋置需要在模具中提前放置螺母，这会增加注塑成型周期，对于昂贵的注塑机费率来说，这是一个非常大的成本浪费。

　　埋置通过振动，使得螺母与塑胶件表面及支柱内侧的分子间摩擦产生热量，导致塑料局部暂时熔化，当焊头通过压力继续把螺母下压时，熔融塑料流入螺母的外部滚花纹路空隙之中，冷却后塑料凝固，从而把螺母埋置于塑胶件中。

　　与模内埋置和压入埋置相比，埋置的生产周期短、产生的内应力小；可以一次性埋入多个螺母，适用于自动化生产；埋置的性能较好。

　　热熔埋置是同埋置很类似，差别是热熔埋置时依靠热熔机产生的热量去加热塑料，而不是振动。

　　相对于埋置，热熔埋置的优点是热熔机设备成本低；一次性也可以同时热熔多个螺母，适用于自动化生产。热熔埋置埋置的性能较好。

　　压入埋置是直接把螺母压入到塑胶件支柱中，通过螺母的膨胀迫使滚花纹路插入支柱内侧，从而形成类似螺纹锁紧的效果。

　　自攻埋置的工艺过程很较复杂，其拔出力性能最佳，同时不容易产生内应力，适用于对应力敏感和较硬的材料。

　　特别注意的是，很多企业把/热熔埋置螺母直接用于模内埋置，这是非常不建议的--支柱开裂就这样不知不觉的产生了。

　　如图显示了某螺母厂商其不同规格螺母所对应的埋置工艺。（不用在意具体规格是什么，这里仅仅是为了说明螺母规格不同，埋置工艺也不同）

　　无论使用哪一种埋置工艺，在埋置时都必须确保螺母轴心与支柱孔轴心对齐和一致。如果二者不一致，会导致螺母在使用时受到侧向力，继而导致支柱开裂。当然，螺母尾端导向特征或者塑胶件支柱带有锥度的内孔有助于对齐。

　　如果螺母低于塑胶件表面太多时，那么与配合件紧固时，螺母与配合件之间就会存在间隙。在拧紧螺丝的过程中，螺母就会被往上拉，直到间隙被填充，这会严重影响螺母与塑胶件的结合，甚至会造成螺母从塑胶件中被拉出。

　　所以，我们必须针对每一种埋置工艺，合理管控工艺过程。例如，这是某企业针对热熔埋置螺母的工艺要求：

　　（这其实就是DFMA中的团队合作，进行面向制造和装配的产品设计时，不能仅仅靠某一职能部门就完成，而是依靠产品开发整个职能部门、甚至供应商等的通力合作）。

　　否则，如果不遵守相关工艺指导，很容易出现质量问题。例如，对于热熔螺母，当热熔机的温度设置得过高或过低时，就会出现各种缺陷。

　　螺母埋置于塑胶件之后，拉出力和扭力矩主要取决于是否有足够的塑料充填到螺母外部的滚花纹路和凹槽中。

　　塑料种类很多，然而不同塑料的软硬程度不同、对应力敏感程度不同，这就使得不同塑料与金属螺母结合时性能表现存着差异，因此对螺母的结构特征和埋置方式等提出了要求。

　　热固性塑料在加工过程中发生了不可逆的化学变化；一旦加工成型，就不能通过加热和加压等重新成型。这些塑料坚韧耐热，包括酚醛树脂、尿素和聚酯树脂。

　　热塑性塑料在常温下是坚硬的固体，但在高温下会软化和熔化。常见热塑性塑料有ABS、PC、PVC、PBT、PP和PE等。

　　无定形塑料具有无规则分子结构，没有明显的熔点。相反，无定形塑料随着温度升高逐渐软化。由于碳氢化合物的存在，无定形材料对应力敏感，对环境应力开裂的抵抗力差，容易发生开裂缺陷。ABS、PC和PPO是常见的无定形热塑料。

　　半结晶塑料具有高度有序的结晶分子结构，这些分子结构不会随着温度升高而软化，而是具有一个明确的熔点。该熔点通常高于无定形热塑性塑料的上限。PBT、PP和PE等是常见半结晶塑料。

　　在塑料中，还会根据需求添加各种各样的添加剂和增塑剂等，以增强塑料的性能，例如强度、稳定性、刚度、导电性、传热性和抗蠕变性等。

　　然而，添加剂和增塑剂等通常增加了材料的应力敏感性。同时，添加剂通常会提高塑料的流动性或熔点，因此会影响螺母在注塑后的埋置。这种影响不仅与添加剂的类型有关，还与所用的百分比有关。

　　如图是某螺母供应商不同螺母规格与所适用的塑料类型的对应关系。（不用在意具体规格是什么，这里仅仅是为了说明塑料不同螺母规格也不同）

　　例如，上图所示的无定型塑料PC、PPO等，最好选用的螺母其滚花形状为圆弧形、而不是钻石型，以减少模内埋置时产生的内应力。

　　当我们知道塑料类型之后，那其实螺母选择就比较简单，我们可以参照4.2一节中的关系图，进行选择就可。

　　这也好办：根据塑料类型，找到这个国际大牌对应的螺母规格，然后我们再找现有供应商相似规格，不就可以了吗？

　　支柱内径，必须根据所选螺母的规格进行设计。内径尺寸过大，会使得螺母外侧滚花纹路与塑料的结合不足，使得拉出力和扭力矩过小；而内径尺寸过小，又会使得支柱产生内应力，造成支柱开裂，同时埋置完成之后在孔边缘因为溢胶而产生毛边。

　　如果塑料添加了填充剂，则需要对内径尺寸进行调整：填充剂含量大于或等于15%时，内孔直径增加0.075mm；大于或等于35%时，内孔直径增加0.15mm；填充剂含量介入15%和35%之间的，可以通过插值法计算。当填充剂含量大于40%时，可能会导致安装和性能问题。

　　壁厚必须足够大，以避免在安装过程中因为太薄强度低、受力而发生鼓包胀形或者开裂缺陷；并且支柱外径必须足够大，以使得顶部支撑面足够大、承受螺钉安装和使用过程中的扭矩。

　　另外，支柱上不可避免的熔接痕也会削弱支柱的强度。为此，可以在支柱四周熔接痕产生处添加加强筋。

　　对于/热熔埋置的螺母，孔深比螺母长度应当大于至少两倍螺距或1mm，以便为融化的塑料预留足够的空间，否则这些塑料会进入螺母内侧螺纹区域，影响性能。

　　另外，支柱孔深也必须足够深，以防止螺丝拧紧时螺丝顶端与孔底干涉，而把螺母从塑胶件中拔出。（当然，我们同时需要选择合适的螺丝长度）。

　　除非是自攻埋置螺母以及部分螺母，绝大多数的支柱顶部都需要避免沉孔的设计。螺母前端已经具备了导向特征，沉孔反而会影响螺母与支柱的导向和对齐。

　　其实，最简单省事的办法是找到螺母厂商，让他们提供螺母支柱的具体设计规范，我们按照要求进行设计即可。

　　同时，这也是最稳妥的做法，不按照螺母供应商要求，自己随意设计，后患无穷。因为不同规格的螺母，对支柱的设计要求不一样。

　　如图所示，同一螺母厂商的两种螺母规格，对支柱设计的形状和尺寸要求完全不同。当然，更不用说不同螺母厂商的不同螺母了。

　　所以，我们必须在设计螺母支柱之前，咨询螺母支柱厂商，让他们提供相关的设计规范。一般来说，稍微有些名气的国内外螺母厂商，都会有相应的设计规范。

　　我们只需要按照厂商提供的设计规范，老老实实照抄支柱内径、外径和支柱深度等，这是最简单、最省事、最不容易出质量问题的方式。

　　对于埋置螺母的结构设计，仅仅关注螺母支柱的设计还完全不够，我们还需要关注配合件的设计，否则会出现在拧紧螺丝时发生螺母被拔出的质量缺陷。

　　如果螺丝孔的内径大于螺母外径（下图左），这就相当于螺丝拧紧过程中产生的扭矩直接作用在螺母上，会把螺母直接拔出。

　　本文开头的示例就是一个不合理的设计，在螺丝拧紧过程中或者螺丝拧紧到位后，扭矩会把螺母从塑胶件支柱中拉出，正确设计见下图。

　　需要选择头部带法兰的螺母，非法兰螺母特别是带锥度的螺母很容易在拧紧时因为直接承受载荷而被拔出；同时还会造成支柱开裂。

　　否则，没有系统化和全局化的掌控，随意设计，很容易会导致质量问题；而一旦出现质量问题，又只能靠运气、猜测和试错去解决。

　　最后，本文写作过程中参考了附图所示的资料。限于篇幅有限，某些细节知识可能有遗漏。当本文内容无法解决我们碰到的问题时，还需要自行查询相关资料。

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　　作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》