【步步高电磁炉】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

螺纹柱是塑料产品常用的结构，是成型中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。