小螺钉有大学问-螺丝螺钉紧固工艺及相关联知识分享

设计札记2019-05-16 01:45:08


 


整篇文章围绕螺钉基础、设计、制造、工艺、表面处理、安规及使用工具介绍。

首先了解下螺钉生产工艺:


基础知识

螺钉紧固工艺是指使用装配工具并施与合理的扭矩,将两个或更多的被连接件(如:壳体、PCBA、器件等)采用紧固件螺钉的螺纹副联接紧密结合固定在一起,并保证一定预紧力的过程,以便被连接件抵抗各种外载荷而不分离,不滑移的可拆卸式联接紧固工艺。

终端产品常用的螺纹连接有两种形式:

²  机牙螺钉(M):螺钉柱是采用热压、注塑或SMT铜螺母,或金属件螺孔预攻牙,用机牙螺钉配合锁紧的形式;螺钉的特点:升角小,螺距小,小径大,牙纹较浅。

²  自攻螺钉(ST):自攻螺钉直接和螺钉柱配合锁紧,螺孔不必预攻牙,在被连接件的材料上,将被连接件“攻、钻、挤、压”出相应的螺纹,靠其自身的螺纹,使之相互紧密配合;螺钉的特点:升角大,螺距大,小径小,牙纹较深。


常用槽型


常用螺丝头型


螺纹

螺纹是机械工业中应用最广泛的机械零件。根据其应用和功能不同,可分为   

  普通螺纹(紧固螺纹)、  传动和定位螺纹、 锥体螺纹、锯齿螺纹·······

普通螺纹是用于连接或紧固零件之用,它们的制造精度直接影响机件的连接可靠性,装配精度和互换性。


常见螺纹分类:



螺纹的要素【线数n】

n线数:螺纹有单线和多线之分。沿一条螺旋线所形成的螺纹称为单线螺纹。沿两条或两条以上,在轴向等距离分布的螺旋线形成的螺纹,称为多线螺纹。三角牙B型(B-C)为单线,P型(B-2C)为双线。

双线

单线

螺纹的要素【螺距和导程】

n相邻两牙在中径线上对应两点间的轴向距离称为螺距(也叫牙距);同一条螺旋线上对应两点间的轴向距离称为导程。

导程=线数x螺距          L=n·Pn螺距(牙距)与牙数

  在英制螺纹和自攻螺纹中以每一英寸(25.4 mm)内的牙数(T)来表明牙距(P)。


螺纹的要素【螺旋升角】

tgβ=L/2πr

L=导程

 r=螺纹中径的半径


 


表面处理:

     表面处理不仅使产品质量和外观达到美观,新颖和耐用,而且对一些有特殊要求的工业产品还能起到修复或赋予耐蚀、导电易焊、反光、耐磨、耐高温等特殊功能的效果。



第二章:电批

用于拧紧和旋松螺钉用的装有调节和限制扭矩机构的电动工具,也称为电动螺钉刀等。电批电源由交流变压器和整流电路组成,将220V交流电变压整流成DC24V给电批马达,并提供电批转速调节等常用设置功能。

电批结构:1、调扭螺纹套;2.调扭刻线;3.提环压柄开关;4.连接电源线;5.换向开关;6.刀头锁套;7.电批头;8.提环;9.电源。



2.1    扭矩

在实现螺钉连接中,为达到一定的预紧力而通过装配工具施加在螺钉上的扭矩,表示相同意思的称谓有:力矩,扭力。扭力国际单位为“牛顿*米”(N.m),工程单位为“千克力*厘米”(kgf.cm),换算关系:0.98N.m=10kgf.cm。在我司的生产中,一般以kgf.cm为单位。

2.2    紧固扭矩

在紧固过程中,为保证足够的预紧力,已达到可靠的机械连接而通过装配工具施加在螺钉上的扭矩。在许多书中称为“拧紧扭矩”,“拧紧力矩”。

2.3    电批的规格要求

紧固力矩不能超出电批力矩规格范围。为保证较精确地控制扭矩,电批的扭矩范围应满足以下关系:所需扭矩<电批最大扭矩<3倍所需扭矩;电批最小扭矩<0.8倍所需扭矩。

例如:紧固螺钉需1kgf.cm的力矩,则选用力矩介于0.8~3kgf.cm的电批,如选用最大值为5kgf的电批就很难精确控制。终端普遍使用主要有3种,其精确控制适用的扭矩范围如下(电批扭矩规格可向下作合理的兼容,但需尽量与下表的扭矩范围接近,避免用过大扭矩的电批打小螺钉),螺钉外径在ST2.6以下时需使用低速档(750RPM以下):


2.4     电批使用要求及注意事项

  1. 工具在操作运转中,严禁切换正反开关,改变运转方向。

  2.  禁止在有可燃性气体环境中使用。

  3. 严格按照电批校验要求给予校验。

  4. 每把电批都应该进行编号管理。

  5. 电批的设定扭矩值只能由扭矩测试仪器测量读出,禁止未经校准,使用电批自带刻度做为设定力矩值。


 


 

2.5   批头

  1. 安装在电批上,常用称谓有起子头、电批咀等。根据终端常用的螺钉规格,终端常用的批头有十字型(PHILLIPS);星型(TORX)两种。

  2.   十字批头规格图示

 
 十字批头规格说明

P值:如下图所示,P值越小,表示顶部十字越尖;P值越大,表示顶部十字越钝;常用的批头有00号,0号,1号和2号。


2.6   十字批头规格

十字批头P值选择取决于螺钉头部的十字槽,螺钉头部的十字槽与螺钉的直径密切相关,所以批头P值选定与螺钉的直径可建立大致对应关系,批头的长度要根据锁入螺钉的作业高度空间进行合理选定:


3星型批头规格


3.1     星型批头规格说明


规格参考:


3.2    批头使用要求及注意事项

  •  工程技术员每周检查确认电批头磨损状态,当批头出现可见的磨损就要报废处理,即更换成新的电批嘴,并记录更换结果。

  •   电批头的磨损程度,请根据各工厂实际情况,进行签样管理。原则是要求不可出现损伤螺钉头部;

  •  严禁杜绝使用损坏的批头,防止造成螺钉头部磨花。

 

4   扭矩测试计

4.1     扭力手批

扭力手批也叫扭力起子,通俗的理解就是有扭矩值的螺丝刀。目前使用的主要有两种,螺旋调节式和指针调节式。

螺旋调节式度量较准,使用方便简单,推荐使用;指针调节式使用时注意指针压盘调节合适,不要旋得太紧,以免增加额外阻力距,但太松指针会随意转动,指示失去含义,所以重要场合,建议不要使用。紧固螺钉不能使用扭力手批,但在螺钉紧固校验一些特殊场合会用到。


4.2     扭力测试仪

扭力测试仪是检测和测试各种力矩的精密仪器,可用于测量和校正各种电批、扭力手批的力矩及扭力设定状况。包括扭矩传感器和数字显示器。


5  锁螺钉操作步骤

连接好电批电源线,按实际操作需要将电源调压器调到适当的位置(主要调节转速,如果是进口的电批,则没有调压器)。

安装批头,电批和批头的安装接口¢大小常有4毫米、5毫米。安装批头确认电批电源开关关闭,防止误操作造成手指受伤,安装方法和步骤如下:

  • 向上推电批头上方的控制环;

  • 插入电批头。


  • 批头的选用要根据螺钉头对应匹配,对具有磁性可吸附的螺钉,先通过加磁器给批头上磁性,以便能够方便地吸附住螺钉。

  • 打开电源开关,用右手掌握住电批的手柄机壳,食指勾住压柄开关(如果横握则用大拇指勾住压柄开关),检查换向开关是否在FOR位置,如不在则纠正。

  • 将进料装置中的螺钉垂直吸附在磁性批头尖部,然后垂直放入螺钉孔,同时用手指按压柄开关,拧紧螺钉。

  • 当电批发出错齿的声音后,松开压柄开关,拿开电批,目视检查螺钉是否锁到位。使用完毕,请将批头拆卸取出,具体步骤可参考批头安装方法。

     

    操作注意事项

  • 电批转速设定:自攻螺钉(ST2.6以下)必须使用低转速(转速值<750rpm),其他螺钉一般情况不做要求,螺钉拧紧时,不允许螺钉歪斜放置在螺孔内即进行紧固装配。批头与螺钉安装面要垂直,避免批头倾斜,取出螺钉亦然。

    取螺钉:无特殊原因,不允许裸手拿取螺钉,对小螺钉使用上磁的批头进行吸取;对于大螺钉可以戴手套拿取;如果戴手套操作,应保证手套干净、无残破,保证手指汗液不污染螺钉。由于戴手套或手指套会带来操作的不便,同时为保证螺钉紧固质量,提倡使用定位工装辅助螺钉紧固的装配。

 

6.  紧固扭矩通用规范

紧固扭矩是影响螺纹连接可靠性最主要的因素,选择适当的紧固扭矩是保证预紧力和防止螺纹紧固失效的关键。紧固扭矩大小的确定由主到次由以下因素制约:

  •  螺钉外径:螺钉外径是影响紧固扭矩最主要的因素,在其他条件相同的情况下,直径越大,所需紧固扭矩也越大。

  •  对于自攻螺钉,其紧固扭力主要是用来克服将被连接件“攻、钻、挤、压”出相应的螺纹成型过程的阻力和摩擦力,与被连接件螺柱材料的紧密相关,则应首先考虑;其次螺钉的长度的影响。



  • 对于机牙螺钉,其紧固扭矩主要由3部分组成:50%用来克服螺纹紧固件和螺纹连接件结合面之间的摩擦扭矩;40% 用来克服螺纹副之间的摩擦扭矩;10%用来克服螺纹副之间的反拧扭矩。为保证足够的预紧力,对粗糙结合面的连接,应使用较大紧固扭矩;而对于光滑结合面,就可以使用较小紧固扭矩。

7.常见失效和检验方法

7.1     机牙螺钉

紧固力矩是影响机牙螺钉连接可靠性最主要的因素,选择适当的紧固力矩是保证预紧力防止机牙螺钉损伤、脱落的关键

机牙螺钉检验方法

  •  功能检验:检查紧固零件是否松动,产品间隙是否均匀,以及虚位、变形,伤痕、凹陷。

  • 外观检验:螺钉是否倾斜,螺钉头是否紧贴到位,螺钉头是否有打花不良。

  •  可靠性验证:使用扭矩可调手批,用松脱扭矩或紧固扭矩来检验机牙螺钉的紧固程度是否得到规格要求


 

7.2    自攻螺钉

自攻螺钉的螺纹除因力矩作用受到螺纹副的作用力外,还受到来自BOSS柱上自攻螺纹的压应力作用。自攻螺钉由于其自身具有防松脱的特性,其主要扭力用来克服螺纹成型阻力和摩擦力,几乎可以没有预压力的存在。自攻螺钉扭矩与螺钉攻入深度关系图如下图所示:

 自攻螺钉检验方法

  • 功能检验:检查紧固零件是否松动,产品间隙是否均匀,是否有虚位、变形,伤痕、凹陷。

  • 外观检验:螺钉是否倾斜,螺钉头是否紧贴到位,螺钉头是否有打花不良。

  • 可靠性验证:自攻螺钉不能使用松脱扭矩来检验,只能使用扭矩可调手批,在紧固扭矩下检验自攻螺钉是否滑丝或者是否已经紧固到底。

8、螺钉与塑胶的配合设计

螺丝柱的设计说小不小,说大不大。涉及到注塑工艺上面经常会碰见螺丝柱缩水,设计到组装工艺上还有螺丝柱打裂或者螺丝柱滑丝,还有难安装的问题。

  1. 螺丝柱的设计要明确产品的大小和结构的特点。比如大的产品可以用回到4.2或者5.0的自攻螺丝,小的可以用到1.8的。还有产品的材料特性,PC材料的螺丝内经要设计的稍微大一些。



     

2.螺丝柱设计。

螺丝柱还是要设计下火山口,有总比没有好,万一不行还可以加胶,如果后期发现缩水,再来加火山口烧焊就麻烦了。螺丝柱最好设计标准化些,便于购买司筒针和司筒。但是如果是量很大的画,可以加上倒角,便于安装。如下图。


 

螺丝柱设计

 

3.螺丝过孔的设计。螺丝过孔要比螺丝大,这个大家都知道,但是有很多人设计螺丝配合的时候,不设计定位的,螺丝柱也没有倒角,生产线打螺丝打偏或者不容易定位。建议设计一个圆形的定位筋。


如上图,C的间隙要稍微留大一些,0.2~0.3mm。避免美工缝隙增大。螺钉过孔最好做一个倒角,便于安装导入。C角的作用一般可以在安装过程中起到倒入的作用。

4.螺丝柱内外径的设计,网上有很多要求,我觉得这个数据可以参考,尊重一个原则,便于加胶就行,减胶是太麻烦了,不确定的最好一个改模空间。


 

注:螺丝孔公称直径×系数,参考设计表:


 举例说明:

比如ABS要设计一个ST3.0*8的螺钉,螺丝孔内径可以设计成3.0×0.8=2.4mm。螺丝柱外径可以设计成:2.0×3.0=6mm。这个只能作为参考,其实内径的可以作为参考,外径的就考虑螺丝柱的壁厚就行。我们一般3.0自攻螺丝柱外径只需要5.0~5.3mm即可,太大就容易缩水了。这样我们可以总结下就是5.2减去2.4再除以2就是螺丝柱的壁厚是1.4.壁厚太厚容易缩水,跟加强筋的设计有异曲同工之妙,不过螺丝柱要考虑强度,怕打裂。

图纸示范:



在 Boss 的设计上还需要注意以下几点:

? 为了防止螺柱背面的壳体外观面缩水,螺丝柱壁厚与壳体壁厚的关系应该保

持在 0.75:1 左右。

? 如果螺丝柱壁厚相对于壳体壁厚的比例关系超过了推荐的比例,可以考虑在

其根部设计一圈凹坑(火山口)来减少缩水的可能。见图 38。当 T1≥0.8T0,

H≥5 T0 时,这种“火山口”防缩水形式是很有效的,具体的尺寸及细部形

状一般由模具厂商根据经验确定。


? 在螺丝柱底部加倒圆角可以减少应力集中和潜在的破裂危险,但过大的倒圆

角会导致缩水。对于手机壳体,0.2~0.4mm 的倒圆角会增强螺丝柱的强度而

不会造成螺丝柱背面的表面缩水。

? 螺柱应该具有一定的强度以保证在跌落测试中能够承受巨大的冲击力。如图

39 所示,对于比较高的螺柱,当 H≥5T , 通常加 4 个三角形的 RIB(也叫角

撑(Gusset))来加强螺柱的强度。RIB 宽度 W=0.4T~0.6T(一般取 0.7mm 即可),Hc = 0.5mm~1.0mm,(一般根据空间结构而定,建议 RIB 不要与螺柱上 ≥0.8 T0T1H≥0.7 “火山口“形式表面平)。



2.4 螺母热熔工艺要求:

螺母通常采用热熔、超声或镶件工艺与壳体联结。螺母的材料一般为黄铜,因为黄铜的热膨胀系数与塑料最相近。:

为了铜螺母热熔导向方便,一般在 BOSS 柱上端内孔上做 0.2x0.2 的导角,或者增加 Counterbore,作为热融螺母的溢胶溢胶空间;

 BOSS 内孔拔模角不宜太大,以防铜螺母紧固力不够,一般取 0~0.5 度拔模角;

 BOSS 外侧面拔模角取 1.0 度即可;


对于热熔或超声螺母的螺柱,D 为螺母外径,确定螺柱的内孔 D0,螺柱外径 D1 和铜螺母与螺丝柱上下两端的间隙 GO,G1 很重要。图中未示的 T 表示壳体厚度,L 表示螺柱的壁厚,H 表示螺柱的总高(从壳体内表面到螺柱顶端)。以下是设计基本原则:

对于热熔或超声螺母的螺柱,D 为螺母外径,确定螺柱的内孔 D0,螺柱外径 D1 和铜螺母与螺丝柱上下两端的间隙 GO,G1 很重要。图中未示的 T 表示壳体厚度,L 表示螺柱的壁厚,H 表示螺柱的总高(从壳体内表面到螺柱顶端)。

以下是设计基本原则(供参考用):

DN : NUT(铜螺母)下端导向之直径,对应图 31 就是φ2.05mm ;

D0=D–(0.20mm~0.25mm);PC 取 0.20mm,PC+ABS 取 0.25mm

D1=D+2*(0.6T);其中数值(0.6T)是保证铜螺母热熔时 BOSS 柱壁不破裂的最小壁厚,一般取 0.6T 为 0.70~0.8mm;GO=0.05mm~0.2mm;G1≧0.5mm; (视空间可以稍微调整);; (此值一般是视空间和防缩水但反面不可有水印而设置);直径丝柱的设计经验:直径应该是 Insert/Nut 外径的 1.5 倍以上。

螺丝耐落处理:

特别精密的元器件,如led,为了防止锁附产生铁屑铁掉入电视机背光系统中,导致背光元件损伤。螺钉都要进行耐落处理。



9、相关螺丝安规要求: