自攻螺絲支柱怎麼設計？

不是很簡單嗎？

支柱内徑=螺絲公稱直徑*0.8，支柱外徑=内徑*2。

例如，M3的自攻螺絲，支柱内徑=2.4mm，支柱外徑=4.8mm。

如果都這麼設計，那麼出現螺絲滑牙、支柱開裂、拉拔阻力不夠等質量問題，就不奇怪了。

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支柱的位置

支柱在零件中的位置需要考慮兩點：

1）避免支柱距離零件壁太近

否則容易使得局部壁厚過厚，這一方面會造成外觀上的縮水缺陷，另一方面會造成支柱壁内部發生氣孔，内部氣孔的存在會影響自攻螺絲緊固的質量和可靠性；

一般來說，支柱與壁的距離至少是3倍螺絲公稱直徑，支柱與支柱之間的距離至少是5倍螺絲公稱直徑。

2）避免孤零零的支柱設計，需要在支柱四周添加加強筋

這主要是因為支柱在注塑成型時，會不可避免的存在熔接痕，熔接痕會削弱支柱的強度。加強筋的存在一方面可以輔助塑料的流動，一方面可以增加支柱的強度。

熔接痕處往往是支柱最開始開裂的位置，最理想的是情況是加強筋的位置剛好是支柱熔接痕處。

而加強筋的大小至少是零件壁厚的一半以上。

對于玻纖增強塑料來說，以上兩點更為重要。因為支柱處往往含有更少的玻纖，機械強度更低。

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支柱的内徑

支柱内徑是非常關鍵的一個參數。

内徑過小，在擰入自攻螺絲時支柱很容易開裂、支柱被打爆；

内徑過大，易滑牙和拉拔阻力不夠。

支柱内徑與兩個因素存在密切關系；

1）塑料的種類；

一般來說支柱内徑在螺絲公稱直徑的70%~85%之間。這個比例取決于塑料的折彎模量或者塑料的軟硬，如果塑料的折彎模量較小（塑料較軟），那麼支柱内徑小一些；如果塑料的折彎模量較大（塑料較硬），那麼支柱内徑大一些。

否則，不根據塑料類型，簡單粗暴地把支柱内徑設計為螺絲公稱直徑的80%，那麼有可能會出現支柱滑牙、拉拔阻力過小的問題、或者支柱開裂的問題。

2）自攻螺絲的種類；

不同的自攻螺絲，其牙型角不同、螺距不同、螺牙結構等也不同，對支柱内徑大小的要求也不同。

▲支柱内徑

最優的支柱内徑往往需要通過實際的産品驗證而得。當然，在我們的産品開發過程中，由于産品開發周期和費用的限制并不允許我們這樣去做。

不過，好消息是絕大多數的塑料專用螺絲供應商已經提供了推薦的支柱内徑數據。

這是塑料專用螺絲供應商Accument針對不同塑料、不同螺絲種類所推薦的支柱内徑大小。

▲支柱内徑與塑料種類和螺絲種類的關系

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支柱内徑處缺口

支柱内徑處必須增加缺口，主要有三個原因：

1）預定位，為自攻螺絲擰入時增加導向；

2）減小螺絲初始擰入時支柱破裂的風險；

3) 減少脫模過程中的熱膨脹。

缺口的直徑大小為1~1.2倍螺絲公稱直徑，深度為0.3~0.5倍螺絲公稱直徑。

▲支柱内徑缺口

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支柱的外徑

塑膠件在注塑成型過程中不可避免的存在内應力，而當自攻螺絲插入和擰入過程中，内應力會繼續增加。

當内應力增加到塑料所能承受的極限時，支柱就發生開裂。

支柱外徑越大，就越能承受更大的内應力，支柱開裂的風險就越小。

一般來說，支柱外徑是2~2.5倍螺絲公稱直徑。

如果因為各方面的原因，我們希望減小支柱外徑，那麼我們就必須選擇産生徑向力較小的自攻螺絲。牙型角越小、螺距越大，徑向力就越小，需要較小的支柱外徑。

▲支柱外徑

當然，支柱外徑也并不是無限制的大比較好。支柱外徑太大，在支柱對應的塑膠面很容易發生縮水；同時支柱内部容易産生氣孔，反而會影響支柱的強度。

▲支柱外徑太厚、發生縮水

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支柱的深度

一般來說，支柱深度需要稍微比自攻螺絲長度稍長，如果是螺紋切削自攻螺絲，那麼支柱深度很需要更長一些，因為需要容納切削下來的塑料屑。

并不建議設計太長的支柱深度，這是因為：

1）3倍以上的螺絲公稱直徑的支柱深度往往需要較大的驅動扭矩，僅僅适用于特殊場合；

2）支柱太深，并不利于注塑成型工藝，螺絲型芯也會太長，容易在注塑壓力發生折斷和變形，使得支柱孔偏心。

支柱深度一般為2~3倍螺絲公稱直徑。

▲支柱深度

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支柱底部厚度和圓角

支柱底部厚度一般需要小于1.25倍零件壁厚，否則會造成支柱背面縮水；

▲支柱底部厚度和圓角

如果支柱背面是重要外觀面，為了避免縮水，需要把底部厚度盡量減小、或者設計火山口以及在支柱背面添加凹槽等裝飾特征。

▲當支柱背面是重要外觀面時

另外，支柱與塑膠件連接處避免尖角的設計，圓角至少為0.5倍零件壁厚；否則應力集中，容易發生支柱斷裂。

▲支柱底部圓角

最後的話

支柱設計，看似一個簡單的設計；

但是，我們必須認真對待；

否則即使是0.01mm的設計錯誤，就有可能是螺絲滑牙、支柱開裂、拉拔阻力太小等質量問題發生的根本原因。

作者簡介：鐘元，著有書籍《面向成本的産品設計：降本設計之道》和《面向制造和裝配的産品設計指南》

隻顧埋頭畫圖、不擡頭看路的工程師，

和一邊畫圖、一邊思考的工程師，

注定是截然不同的職場命運。

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