塑料自攻螺钉拧紧，多大扭矩合适？

塑料自攻螺钉是常见的拧紧装配方式，相比于其它连接，其连接具备成本低，工序简单，连接可靠等优点。

其在拧紧过程中是先在被连接件不预制螺纹的前提下，在联接时，通过自攻螺钉在预制孔上钻出螺纹孔，再实现拧紧的过程，连接结构如下图所示，自攻螺钉的一般金属材质，硬度可达到10.9级螺栓，一般为320-370HV，被连接件一般都是塑料件，如PA6-GF材料，PBT-GF材料，POM-GF材料等。

我们今天和各位螺丝君一起探讨下：塑料自攻螺钉的拧紧，多大扭矩合适？

01 基本介绍

自攻螺钉颜色上主要有两种，黑色和银色，一般采用电镀锌镍作为表面处理，强度一般可达到1000Mpa，所以螺钉成型后务必采用热处理以保证联接强度。

相比于米制螺栓牙型角60°，自攻螺钉因其需要塑料上攻出螺纹且保证联接强度，其牙型角一般为30°，如图2所示。

图 2

常用的尺寸有：2mm-7mm，即TP2、TP3、TP4、TP5、TP6、TP7等。设螺钉的直径为d，为保证足够联接强度，对手的螺纹孔的深度一般建议在1.7倍d和2.2倍d之间。

因为螺钉的攻丝阶段角度较大，为满足生产节拍要求，螺钉的拧紧转速建议为100-500rpm。

如果拧紧枪的过充较严重，拧紧转速可适当降低，或采用分段拧紧，即先高转速后低转速。

02 拧紧阶段划分

（1）攻丝阶段

该阶段作用是螺钉在塑料光孔中攻出螺纹，保证后续的拧紧，攻丝角度一般较大，如图3所示，攻丝角度超过1000°。因此该阶段，拧紧枪的转速一般较高，该阶段的最高扭矩就是攻丝扭矩。一般不建议攻丝扭矩太高。

（2）贴合至线性最大扭矩点

拧紧段直线的最低扭矩为贴合扭矩，：拧紧段直线的最高扭矩为线性最大扭矩，该段为塑料自攻钉的工艺扭矩点的位置，为零件产生有效夹紧力的位置。

（3）线性最大扭矩至破坏扭矩点

过了线性最大扭矩点后，塑料开始发生不可逆的破坏，当达到破坏扭矩时，塑料拧紧孔出现开裂等失效。

（4）破坏扭矩点后

塑料进一步破坏，扭矩开始降低，直至接近零。

图 3

03 拧紧返修

如零件需拆开维修，应用大一个尺寸的自攻钉螺丝进行拧紧，如下表所示。

例如，拧紧时采用TP3的螺钉进行拧紧，维修时需采用TP4的进行拧紧。

表 1

04 多大拧紧扭矩合适

自攻螺钉的拧紧扭矩如太高，会导致塑料件开裂；拧紧扭矩如太低，会导致零件无法夹紧，甚至零件无法贴合；因此合适的拧紧扭矩至关重要。

为此，我们参阅一些资料，给出如下的建议公式，供各位螺丝君参考：

公式解析：首先要保证工艺扭矩大于贴合扭矩，工艺扭矩在贴合扭矩的基础上，再加上贴合扭矩至破坏扭矩的0.3至0.5倍。

同时，为保证塑料件不被过拧，最大的工艺扭矩不建议超过破坏扭矩的0.6倍。再根据公式计算出的参考工艺扭矩，确定最终的实际拧紧工艺扭矩。

05 案 例

某塑料自攻螺钉拧紧，完整的从攻丝拧至失效的曲线如下图所示，先需要确定最佳工艺扭矩。

首先，根据曲线读出贴合扭矩MS=1.29Nm，破坏扭矩MO=3.83Nm。

根据公式1：

当k = 0.3时，计算出的MA=2.05 Nm，当k = 0.5时，计算出的MA=2.56 Nm。

根据公式2：MA max = 0.6 × MO，MA max=2.30 Nm

根据计算的工艺扭矩，为便于扭矩的管理，最终确定拧紧工艺为2Nm。

图 4

06 总 结

塑料自攻螺钉的拧紧扭矩至关重要，当拧紧扭矩过高时，塑料容易开裂；当拧紧扭矩过低时，拧紧无法有效拧紧，甚至未贴合。通过公式1和公式2的计算，可计算出合适拧紧扭矩范围，再根据扭矩管理方便确定最佳工艺扭矩。

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如何设计塑胶零件的自攻螺钉柱

设计塑胶零件的自攻螺钉柱时，不仅要设计螺钉柱的几何形体，还要确定自攻螺钉的拧紧扭矩，自攻螺钉的拧紧扭矩与其螺钉柱的几何形体是息息相关的。

电子产品中，自攻螺纹螺钉通常通过螺钉柱与塑胶零件联接，其拧紧扭矩主要受限于塑胶材料的拉伸屈服应力。制定螺钉拧紧扭矩时要考虑充分发挥塑胶材料的机械性能，既要获得尽可能大的夹紧力，又要确保塑胶螺钉柱不能滑牙。塑胶螺钉柱滑牙是指螺钉拧紧产生的预紧力将螺钉柱的阴螺纹剥离，螺钉被拔出的现象，对应的扭矩称为滑牙扭矩。

根据学术界引用较多的，Michael Troughton在《Handbook of Plastic Joining》中提供的经验公式，塑胶螺钉柱滑牙预紧力和滑牙扭矩与塑胶材料的拉伸屈服应力、螺钉规格和螺纹旋合深度有关。

式中S为塑胶材料的拉伸屈服应力，塑胶材料随着时间的推移会发生一定的蠕变和应力松弛，一般来说，5年后的拉伸屈服应力值仅为初始值的1/3~1/2，如要求螺钉在整个产品寿命周期都能可靠联接，则拉伸屈服应力值取初始值的1/3或1/2；dp为螺钉的中径；r为中径的一半；L为螺纹旋合深度；f为塑胶材料对螺钉材料的动摩擦系数；p为螺钉的螺距。

自攻螺钉联接塑胶零件的拧紧扭矩必须小于其滑牙扭矩，考虑到实际塑胶零件材料的拉伸屈服应力还可能受射出成型工艺、热应力、材料高温降解、二次料等因素的影响，通常用0.2~0.5的滑牙扭矩作为拧紧扭矩的理论参考值较为可靠。

根据公式，相同规格的螺钉联接不同的塑胶材料，其滑牙扭矩是不同的，因此，拧紧扭矩也应该有所不同。

例如：ST2.9自攻螺钉联接奇美 ABS PA727塑胶零件，查得拉伸屈服应力为52 MPa，取初始值的1/2，查物性表得知该款ABS料对钢材的滑动摩擦系数为0.35，则算得滑牙预紧力为718N，滑牙扭矩为0.84N·m，拧紧扭矩取0.4的滑牙扭矩，其值为0.34 N·m。

自攻螺钉联接绝大多数塑胶零件的滑牙扭矩都大于1/3的螺钉破断扭矩，因此，很多企业直接用1/3的螺钉破断扭矩作为螺钉拧紧扭矩的理论参考值，也不失是一种简便的螺钉拧紧扭矩制定方法。如ST2.9螺钉标准破断扭矩为1.5 N·m，其值的1/3为0.5 N·m。

自攻螺钉攻入塑胶螺钉柱阶段，螺钉柱主要承受径向应力，呈龟裂或破裂的趋势，此时，预制孔孔径和螺钉柱壁厚是影响成败的关键因素。螺钉柱壁厚取决于塑胶材料的弯曲模量，不可低于一定的值。螺钉柱的拔模角度对预制孔孔径和壁厚的影响较大，理想的预制孔拔模角度为0度，但是，0度拔模角度的预制孔在射出成型出模时有抽真空现象，螺钉柱出模时受力较大，常见的做法是预制孔进行0.5度以下的拔模。二次回收料会降低塑胶材料的弯曲模量，如果要使用二次回收料，螺钉柱壁厚需适当增加。

塑胶螺钉柱的端部必须设计导入孔，导入孔不仅方便螺钉的锁入，还可以减少螺钉拧紧后的应力。导入孔也可以用倒角代替，倒角需0.5mm以上。

常用规格自攻螺纹螺钉对应塑胶材料的预制孔孔径、螺钉柱尺寸及螺纹旋合深度尺寸，标准自攻螺纹螺钉预制孔孔径公差为H12，PLASTITE自攻螺钉预制孔孔径公差为H11（数据来源于DIN 7975、SJ2495、杜邦公司公开资料）：