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2008年9月3日 星期三

[技術] 塑膠自攻螺絲扭力探討 (Self-tapping Screw)

產品設計時,塑膠的自攻螺絲(Self-tapping screw)是最不被重視的零件,
只是螺絲 真的是這麼
微不足道(minor)的零件嗎?本文嘗試探討塑膠、及其
自攻螺絲間的扭力關係。

另外也想要到談談鎖緊螺絲在塑膠機構設計上對產品品質的影響,也會探討不當的螺絲及機構設計所造成的問題。還會有一系列的螺絲文章探討自攻螺絲的種類、如何選用自攻螺絲、及如何設計合理的塑膠螺絲柱。

首先,讓我門來解釋何謂的『自攻』螺絲,就是被鎖件不需要事先做出陰螺紋以配合螺絲上的螺紋。因自攻螺絲可以自己一邊鎖進被鎖件一邊在被鎖件上作出螺紋。

影響螺絲扭力的因素非常多,下面試列舉出它的所有可能。

  • 螺絲的直徑 (Screw diameter): 直徑越大、扭力需要越大。
  • 螺絲的長度 (Screw length) : 越長度長、扭力需要越大。
  • 螺絲的螺牙間距 (Screw pitch): 間距越大、扭力需要越大。
  • 螺絲尖端的形狀 (Screw shape): 尖的、三角的
  • 螺絲孔的直徑 (Screw hold diameter): 螺絲孔的直徑越小、扭力需要越大。
  • 螺絲孔的脫模角度 (Screw hole draft angle): 脫模角度越大、扭力需要越大。
  • 螺絲孔的斜角 (Screw hole chamfer): 斜角越大、扭力需要越大。
  • 塑膠材質 (Plastic material): 越硬的塑膠材質(如reinforce或是含fiber的塑膠) 、其扭力需要越大。

    個人經驗,決定自攻螺絲扭力最適當的的方法如下(歡迎有不同想法或是其他方法的先進提供意見)

    決定電動螺絲起子最『小』螺絲扭力:
    以經驗值選取扭力範圍(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2),用電動螺絲起子設定其最小螺絲扭力,鎖緊後再用收動方式轉動螺絲來檢查螺絲扭力是否足夠,如果已經無法再用手動方式轉動螺絲,就表示螺絲扭力的最小值設定可以接受;如果還可以轉動,則表示最小扭力還不過,必須再往上增加。反覆測試後可以決定最小的電動起扭力。
    另外一個方法確定最小電動起扭力,是螺絲鎖緊後,破壞塑膠殼並檢查所有上、下蓋的螺絲柱是否已經緊密接合、無縫隙。

    決定電動螺絲起子最『大』螺絲扭力:
    最小螺絲扭力決定後,再依據扭力範圍(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2),把電動螺絲起子的扭力設定到扭力範圍的最大值(=最低扭力+0.3Kg或0.5Kg),拿10組上、下蓋(或是上、下殼),用電動起子重複鎖緊、鬆開螺絲10次後,確認有無任何螺絲孔滑牙或是螺絲柱破裂的現象發生,如果沒有,那恭喜你,最大螺絲扭力也設定完成了;如果有,則必須將扭力調小或是設計變更螺絲柱的內、外孔徑,然後再重複驗證。

    以上是假設所有的自攻螺絲都構強況,沒有螺絲斷裂或是螺絲有滑牙的情形發生,如果可以的話,還要用查表法得知螺絲的最大承受扭力,再乘以一定的安全係數0.6~0.8,然後比較以上方法定義出來電動螺絲扭力是否恰當。

    如果可以再利用機構設計的理論,計算出螺絲柱的最大扭力承受值,與實際的試驗法相輔相成,這樣的扭力決定應該就是最好的扭力了。

    不好的螺絲設計,在電子組裝時常會出現下列問題:

  • 螺絲頭滑牙:有可能是扭力太大造成,可嘗試螺絲硬化處理,或是降低螺絲扭力解決。
  • 螺絲孔滑牙:檢查螺絲孔的內孔徑是否太大,或是選用較大牙距的螺絲。
  • 螺絲孔破裂 (crack ):檢查螺絲孔壁厚度設計是否太薄、螺絲的扭力是否太大、或是塑膠射出成型時是否有摻雜二次料、或是塑膠射出成型時塑膠粒未乾燥完全。
  • 螺絲鎖不緊 :檢查螺絲扭力是否太小、螺絲孔是否設計太小。另外,如果產品內部有應力或是上、下頂出的設計就要特別小心螺不緊的可能性。
  • 延伸閱讀:
    螺絲與螺絲柱的關係

    12 意見:

    Richard 提到...

    您好, 請問若是螺絲柱設計改為使用銅柱,而銅柱是熱熔到螺絲柱內,則螺絲所附的扭力值要如何決定? 以及是否需要定義銅柱的拉力值,以確保銅柱不會被拉出來? 謝謝!

    工作熊 提到...

    Richard;
    就我所知,螺絲柱可以定義
    1. 拉力
    2. 扭力
    試實際需要而定,一般都會實測幾個養品的值來當作參考,當然這個值必須大於設計所需求的值。之所以用實測值是因為孔洞大小、材質都會影響到拉力及扭力,又不想讓射出廠可以偷金減兩...

    Richard 提到...

    Hi, 謝謝回覆! 而就設計而言,應如何定義拉力與扭力值呢?

    工作熊 提到...

    Richard;
    這裡所謂的設計值是指你自己設計的所扭/拉力值,而不是塑膠上真正可以承受的設計值,假設你的螺絲柱是用來所上下蓋(機殼)的,那你就必須計算鎖上下蓋所需的設計值為何,然後根據你的設計值來實測螺絲柱的拉扭力是否符合你的需求,當然你還得加點安全係數。

    Richard 提到...

    Hi, 所以關於螺絲柱的拉扭力值的設計,您是否有理論上的設計建議呢? 或者只能用實測來決定? 以及要如何抓安全係數? 感謝~

    工作熊 提到...

    Richard,
    我想一定有這個資料,但是要找一下,我記得銅柱的廠商有提供過資料,但目前沒有時間去翻,你可以找教著名的銅柱商提供,我記得好像是美國的廠商。

    工作熊 提到...

    Richard;
    算你運氣好,我有找到PennEngineering的資料,你可以上 www.pemnet.com 找看看,或是留下 Email 我寄給你,先聲明只有英文,但可以只看數字,應該不然理解。

    Richard 提到...

    Hi, 非常感謝~ My email address is richard.view@hotmail.com

    Thanks.

    工作熊 提到...

    Richard;
    檔案已寄給你了。

    oswin 提到...

    你好用自攻螺絲 ,塑膠設計規範(M2&M2.5&M3&M4)直徑需要多少,牙深要多少的有效牙深,是不是他的高度要看他的深度來決定。還是他的外徑是不是在他的肉厚為1.5以上嗎?可否有相關資料借我參考。我老闆要我寫相關報告。很難去寫。

    oswin 提到...

    你好塑膠設計規範(M2&M2.5&M3&M4)直徑需要多少,牙深要多少的有效牙深,他與一般的差異在哪,是不是他留的肉厚比要大於1.5以上及深度要比較深啊~

    工作熊 提到...

    oswin;
    請參考這篇文章 http://www.researchmfg.com/2010/08/the-guidance-for-screw-and-boss/

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