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）：
产品设计·螺丝柱·结构设计中螺丝柱常见缺陷分析与解决方案①
螺丝柱是塑胶产品中常用的结构，也是成型中遇到问题最多的结构之一。在成型过程中，常遇到开裂、滑牙、根部断裂、缩水、发白和流痕等缺陷。本文主要从塑胶材料、结构设计、模具设计和成型工艺等方面分析缺陷产生的原因，并探讨其解决方案。
? 螺丝柱的结构设计
上图是螺丝柱的典型结构，对于很多人来说，最困惑的是螺丝柱的尺寸如何确定。螺丝柱的尺寸主要是由螺钉公称直径M和材料种类决定的。其中D=M*外径系数；内径d=M*内径系数；螺纹深度H=M*螺纹深度系数。成型螺丝柱的材料不同，具体的尺寸系数也有所不同，具体可参见下表：
螺丝柱内径的入口处可设计一个凹台，凹台的作用是减小攻螺丝时的初始应力。凹台的直径D1=M+约0.2mm；深度h=（0.3~0.5）*D1。有时为了设计简单化，将凹台改成倒角，如下图：
同样也可以起到减小初始应力的作用，倒角的大小一般为（1~1.5）*45°。
在内径、外径和凹台的根部，应采用圆角过渡，因为注塑成型过程中，尖角处会产生很高的内应力。过渡圆角越大，产生的应力集中越小，如下图所以，当90°转角的过渡圆角小于壁厚的25%时，该处就会有较高的应力集中；在允许的情况下，推荐过渡圆角的半径大于壁厚的50%以上。
螺丝柱高度应尽可能矮。当螺丝柱高度大于其外径的两倍时，一般需要添加加强筋以增加强度。螺丝柱不能太靠近外壁，否则会造成制件的壁厚不均，从而导致缩水。当靠近外壁时，可采用加强筋于外壁相连，如下图：
有时会在螺丝柱上做火山口。所谓火山口就是将螺丝柱的外圆柱面的孔缘和销同步向上延伸，如下图：
此时螺丝柱根部的塑胶不再那么集中，冷却充分，对防止缩痕有很好的效果。
? 螺丝柱开裂与解决方案
攻螺丝时，螺丝柱可能产生开裂，可以从以下几个方面分析和解决：
①材料太脆，材料发生降解，韧性不够。
材料中掺入过多比例的水口料，可能会导致材料过脆；材料的断裂伸长率过低，也容易导致螺丝柱开裂。一般来说，对于玻纤含量超过40%的材料，不推荐在螺丝柱上攻螺丝。成型温度过高时，或者烘干不够，材料中含有水分，引起材料发生降解，也会使得其强度变差，导致螺丝柱的开裂。
②内径过小，壁厚不足。
如果螺丝柱的内径比螺钉的内径还小，那产生开裂的可能性将会非常大。如果螺丝柱的外径过小，即壁厚过小也会导致螺丝柱的强度不够，引起开裂。因此螺丝柱设计时要选择合适的内外径，可参见（图②）的推荐进行设计。必要时使用加强筋补强。
上图是一款充电器插头螺丝柱开裂，客户最初采用的是PC/ABS，然后更换成PC材料，从图②来看，PC的内径系数要比PC/ABS大0.5，也就是说对于之前使用的M2.6的螺钉，PC对应的螺孔内径是2.21mm,而PC/ABS对应的螺孔内径只有2.08mm，切换成PC后，需要对螺孔内径正大，原内径显得偏小，因此攻螺丝时容易产生开裂。
③内应力过大。
制件上残余内应力过大，也会导致螺丝柱的开裂。在结构设计上，螺丝柱的根部、销的顶部应采用圆角过渡，防止应力集中。在注塑工艺上，对制件内应力影响较大的参数主要是溶胶温度、模具温度、保压压力、保压时间和注塑速率等。一般来说，要获得较小的内应力，可采用较高的溶胶温度和模具温度，较小的保压压力和保压时间，较慢的注塑速率，其中模温对内应力的影响最为显著。成型中螺丝柱中要嵌入铜螺纹进行预热，以消除成型时由于低温带来的内应力使制件开裂。下图所示产品就是由于成型时模温较低且没有对铜螺母预热所致。
带铜螺母的螺丝柱开裂
④环境应力开裂
螺丝柱接触酸、油等有机溶剂时，如果材料本身不能耐这类有机溶剂，有可能引起环境应力开裂。这种接触可能来自模具表面，也可能来自搬运和装配过程。
如上图所示产品，步步高电磁炉螺丝柱在打螺丝1~2周后开裂，开裂的螺丝柱是随机的，裂纹方向不固定，即不全是溶接线位置，观察开裂的断面，内表面光滑而没有纹路，外表面有放射性纹路。推断开裂是由内部开始，可能是来自经过防锈、去污、润滑等处理螺钉表面的化学溶剂导致螺丝柱环境应力开裂。
⑤减小攻螺丝时的初始应力。
根据前述提到的，在螺丝柱内径的入口处增设凹台或倒角，减小攻螺丝时的初始应力，可以减少螺丝柱的开裂。
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壳体设计规范---螺丝柱
导读
塑胶壳体基本功能是：实现手机的基本使用性能（接听信息，传输信息，操作等功能）的载体，满足整机的外观特性（包括颜色，形状，大小等），保护电子元件（机芯和显示屏等）及电路；接下来的几个章节，会分别介绍一下跟壳体设计相关的局部设计规范，将这些局部设计规范合并起来，就是完整的壳体设计规范，理解了壳体设计的规范和原理，基本就算可以入门了；螺丝柱是手机壳体最常见，也几乎是每个项目都会用到的结构，但一旦设计不好，就会出现柱子缩水，螺丝柱爆柱，拉拔力不够等问题，直接影响到整机的可靠性，下面就针对螺丝柱的设计整理一下相关的设计规范：
1设计原则Ａ．BOSS柱高度、壁厚、孔径要适当，防止塑胶外观面缩水；
Ｂ．BOSS柱应有足够的强度，防止断裂及变形。
2基本设计要点参考
一、尺寸设计要点
Ａ）对于镶嵌铜螺母的BOSS柱
如图1所示，对于镶嵌铜螺母（热熔，超声）的BOSS柱，确定BOSS柱的内孔D0，外孔D1和铜螺母与BOSS柱上下两端的间隙GO,G1很重要。
D0=D - 0.2（0.25） D：Screw_NUT(铜螺母)外径;（PC取0.2/PC+ABS取0.25，对于1.4的螺母，一般取2.1）
D1=D0+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0.85～0.9mm；
GO=0.05mm～0.1mm ;
G1≧0.5mm (视空间而定,主要是防止热熔螺母溢胶); L=0.6~0.8T (此值一般是视空间和防缩水但反面不可有水印而设置) ;
H=2T~5T, （视空间结构而定）；
注意：
1.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；2.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；
3.BOSS外侧面拔模角取1.0度即可。
B）对于不需要镶嵌铜螺母的BOSS柱而言，其主要用来定位、热熔固定、加强等等作用，此时主要考虑的是其缩水和强度问题，如下图2
D0=d0+0.1 d0为与D0配合的BOSS柱（或者实心圆柱）外径； D1=D0+2*(0.4T~0.6T) 其中数值(0.4T~0.6T)一般取0.7mm;
H=2T~5T 一般H取3T;
Ｃ）BOSS柱与螺丝螺母的配合设计
如上图3所示，一般在螺丝柱上对PCBA进行定位，在BOSS柱外周做RIB的上表面限位PCBA之Z轴方向，X和Y轴方向可以利用BOSS柱外周做出小RIB之外周来定位。
Dp=D1+Xc 其中，Dp ：PCBA通过BOSS柱的孔径 ；
Xc ：PCBA与BOSS柱间隙，若PCB由此BOSS柱定位X和Y轴方向，则Xc取0.1mm,即Gpf=0.05 *Xc=0.05mm;若此BOSS不定位X和Y轴方向，则Xc取0.3mm,即Gpf=0.15
Db3=D1+0.2
Gbp=0.1mm
Gbf=0.1mm
Db1=MS+0.3mm MS：表示螺丝螺牙公称直径 ；
Db2=DS+0.4mm DS：表示螺丝帽公称直径 ；
Lbf＝0.6mm～1.0mm Lbf：表示螺丝BOSS配合距离；
为了使上下壳BOSS柱配合时顺利，一般应该在B/HSG上做出0.3x0.3C的倒角。
二、BOSS柱防缩水的一般结构及说明
一般在BOSS柱表面可能缩水的地方做“火山口”。如下图所示
当T1≥0.8T0 ，H≥5 T0 时，上图的“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。
三、BOSS柱强度加强的一般结构及说明
如图6所示，对于比较高的BOSS柱，即H≥5T , 一般采用在BOSS柱加4个三角形RIB的结构来加强BOSS柱，如图7所示，RIB的宽度W=0.4T~0.6T(一般取0.7mm宽度即可)，Hc=0.5mm~1.0mm,(一般根据空间结构而定，建议RIB不要与BOSS上表面平),如下图所示
H≥5T ;
Hc=0.5～1.0 ；
B=1.5T～4T , (一般取B=2T) ;
W=0.4T～0.6T , (一般取W=0.7mm) ;
Draft=0.5°～1.5°
3通用技术条件（设计注意事项）a. SCREW-NUT压到位，不高出螺丝柱表面，可以凹入0.05mm
b. screw nut抗拉力:20kgf.cm,扭力2.0kgf.cm
c 我们在选用不同规格的螺丝时要注意螺丝与螺母的pitch值要相同.
d 螺钉的测试（Screw Test）
测试环境：室温（20~25° C）；
样机数量: 3台
测试目的：螺钉拆装疲劳测试
试验方法：将手机平放在试验台上用允许的最大扭矩(由设计工程师和生产工程师提供),对同一螺钉在同一位置反复旋动螺钉10次.
检验标准：试验中和完成后,螺纹没有变形,损坏,滑丝,用肉眼观察没有裂纹; 螺母不能有明显的松动, 滑丝;