自攻螺丝（塑胶自攻螺丝支柱的设计）
自攻螺丝（塑胶自攻螺丝支柱的设计）
自攻螺丝支柱怎么设计？
不是很简单吗？
支柱内径=螺丝公称直径*0.8，支柱外径=内径*2。
例如，M3的自攻螺丝，支柱内径=2.4mm，支柱外径=4.8mm。
如果都这么设计，那么出现螺丝滑牙、支柱开裂、拉拔阻力不够等质量问题，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虑两点：
1）避免支柱距离零件壁太近
否则容易使得局部壁厚过厚，这一方面会造成外观上的缩水缺陷，另一方面会造成支柱壁内部发生气孔，内部气孔的存在会影响自攻螺丝紧固的质量和可靠性；
一般来说，支柱与壁的距离至少是3倍螺丝公称直径，支柱与支柱之间的距离至少是5倍螺丝公称直径。
2）避免孤零零的支柱设计，需要在支柱四周添加加强筋
这主要是因为支柱在注塑成型时，会不可避免的存在熔接痕，熔接痕会削弱支柱的强度。加强筋的存在一方面可以辅助塑料的流动，一方面可以增加支柱的强度。
熔接痕处往往是支柱最开始开裂的位置，最理想的是情况是加强筋的位置刚好是支柱熔接痕处。
而加强筋的大小至少是零件壁厚的一半以上。
对于玻纤增强塑料来说，以上两点更为重要。因为支柱处往往含有更少的玻纤，机械强度更低。
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支柱的内径
支柱内径是非常关键的一个参数。
内径过小，在拧入自攻螺丝时支柱很容易开裂、支柱被打爆；
内径过大，易滑牙和拉拔阻力不够。
支柱内径与两个因素存在密切关系；
1）塑料的种类；
一般来说支柱内径在螺丝公称直径的70%~85%之间。这个比例取决于塑料的折弯模量或者塑料的软硬，如果塑料的折弯模量较小（塑料较软），那么支柱内径小一些；如果塑料的折弯模量较大（塑料较硬），那么支柱内径大一些。
否则，不根据塑料类型，简单粗暴地把支柱内径设计为螺丝公称直径的80%，那么有可能会出现支柱滑牙、拉拔阻力过小的问题、或者支柱开裂的问题。
2）自攻螺丝的种类；
不同的自攻螺丝，其牙型角不同、螺距不同、螺牙结构等也不同，对支柱内径大小的要求也不同。
▲支柱内径
最优的支柱内径往往需要通过实际的产品验证而得。当然，在我们的产品开发过程中，由于产品开发周期和费用的限制并不允许我们这样去做。
不过，好消息是绝大多数的塑料专用螺丝供应商已经提供了推荐的支柱内径数据。
这是塑料专用螺丝供应商Accument针对不同塑料、不同螺丝种类所推荐的支柱内径大小。
▲支柱内径与塑料种类和螺丝种类的关系
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支柱内径处缺口
支柱内径处必须增加缺口，主要有三个原因：
1）预定位，为自攻螺丝拧入时增加导向；
2）减小螺丝初始拧入时支柱破裂的风险；
3) 减少脱模过程中的热膨胀。
缺口的直径大小为1~1.2倍螺丝公称直径，深度为0.3~0.5倍螺丝公称直径。
▲支柱内径缺口
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支柱的外径
塑胶件在注塑成型过程中不可避免的存在内应力，而当自攻螺丝插入和拧入过程中，内应力会继续增加。
当内应力增加到塑料所能承受的极限时，支柱就发生开裂。
支柱外径越大，就越能承受更大的内应力，支柱开裂的风险就越小。
一般来说，支柱外径是2~2.5倍螺丝公称直径。
如果因为各方面的原因，我们希望减小支柱外径，那么我们就必须选择产生径向力较小的自攻螺丝。牙型角越小、螺距越大，径向力就越小，需要较小的支柱外径。
▲支柱外径
当然，支柱外径也并不是无限制的大比较好。支柱外径太大，在支柱对应的塑胶面很容易发生缩水；同时支柱内部容易产生气孔，反而会影响支柱的强度。
▲支柱外径太厚、发生缩水
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支柱的深度
一般来说，支柱深度需要稍微比自攻螺丝长度稍长，如果是螺纹切削自攻螺丝，那么支柱深度很需要更长一些，因为需要容纳切削下来的塑料屑。
并不建议设计太长的支柱深度，这是因为：
1）3倍以上的螺丝公称直径的支柱深度往往需要较大的驱动扭矩，仅仅适用于特殊场合；
2）支柱太深，并不利于注塑成型工艺，螺丝型芯也会太长，容易在注塑压力发生折断和变形，使得支柱孔偏心。
支柱深度一般为2~3倍螺丝公称直径。
▲支柱深度
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支柱底部厚度和圆角
支柱底部厚度一般需要小于1.25倍零件壁厚，否则会造成支柱背面缩水；
▲支柱底部厚度和圆角
如果支柱背面是重要外观面，为了避免缩水，需要把底部厚度尽量减小、或者设计火山口以及在支柱背面添加凹槽等装饰特征。
▲当支柱背面是重要外观面时
另外，支柱与塑胶件连接处避免尖角的设计，圆角至少为0.5倍零件壁厚；否则应力集中，容易发生支柱断裂。
▲支柱底部圆角
最后的话
支柱设计，看似一个简单的设计；
但是，我们必须认真对待；
否则即使是0.01mm的设计错误，就有可能是螺丝滑牙、支柱开裂、拉拔阻力太小等质量问题发生的根本原因。
作者简介：钟元，著有书籍《面向成本的产品设计：降本设计之道》和《面向制造和装配的产品设计指南》
只顾埋头画图、不抬头看路的工程师，
和一边画图、一边思考的工程师，
注定是截然不同的职场命运。
