当塑料件需要多次拆卸装配时,最好的紧固方式是选择金属螺母镶嵌入塑料件中。金属螺母镶嵌有四种方式:热插入,超声波镶嵌,螺母注塑和冷压插入。
选择何种插入/镶嵌工艺,需要考虑以下两点。
1.1 强度要求
有两个指标,一个是拉拔力测试,另一个是最大扭矩测试。一般来说,金属螺母插入件越长,即插入深度越大,则拉拔力越大;金属螺母直径越大,则扭矩越大。另外,螺纹上滚花图案对强度也很重要。
1.2 材料
对于热插入和超声波插入工艺,需要利用到塑料熔化成型的性质,因此这两种工艺只适合于热塑性材料。对于热固性材料,需要采用直接注塑工艺,或者冷压插入工艺。对于冷压插入,树脂材料的弹性将变得至关重要。
最常见的螺丝材料是黄铜。然而,随着可持续性要求的提高,无铅材料例如不锈钢或者铝螺母越来越受欢迎。不锈钢螺母插入件具有更好的强度和耐腐蚀性,而铝螺母比黄铜螺母轻70%的重量。
1.3 成本
因为螺丝可以在注塑时放入,或者在后续组装中插入,因此需要考虑工艺的总成本。包括人力和设备成本,生产周期,组装时间和不良率等。
适用热塑性塑料
整体性能高,工艺成本低
热压和超声波镶嵌工艺,都需要事先在塑料件上预成形一个孔。孔直径由螺母插入件制造商指定,比螺母外径略小。孔可以是直的,也可以是锥形的。螺母前端直径略小于孔径,有助于插入件定位安放。
在热压过程中,螺母被热模加热到一定的温度。在螺母插入塑料件中时,螺母会熔化孔周围的一小部分塑料。软化的树脂流入滚花齿中,然后凝固变硬与螺母形成牢固的结合。由于该工艺易于控制,成本相对较低,且易于自动化(可一次压入多个螺母),所以热压工艺是热塑性塑料常用的螺母镶嵌工艺。
适用热塑性塑料
整体性能高
生产节拍快
超声波镶嵌也是熔化孔周围的一部分塑料,熔化区域比热压工艺更大。通过超声波高频振动(15-30Khz),使得与螺母接触的塑料产生高频的应变和应力,从而产生热量熔化塑料。超声波镶嵌工艺比热压工艺速度更快。缺点是可能会引起螺母端面擦伤问题。
适合热固性塑料
安装简单,成本最低
只需要一个简单的压头或者压机
尽管冷压工艺的性能可能不如上述类型,但是一种非常经济的选择。因为它们易于安装,通常不需要特殊设备。
有时被称为“膨胀式插入件”,这种插入件的特点是在侧面有槽,使其在插入时能够弹性变形。当拧入螺钉时,“膨胀式插入件”侧壁被迫向外张开,与孔内壁形成一个“咬合”接触。与家用的膨胀螺丝的原理类似。
更高性能的插入件不带槽,需要一定的压力插入。虽然不能达到其它工艺的结合强度,但仍然可以提供一种非常经济有效的插入工艺。
滚花是一种金属加工过程,将所需齿形图案分布在螺母插入件外侧。插入件外侧的滚花图案十分关键,直接影响拉拔力和扭矩大小。
竖直滚花(平行于螺母轴线)对能够提供最大扭矩,不过拉拔力较小。滚花带之间的沟槽目的是增加拉拔力。
对角或者螺旋状的滚花平衡了两个方向(旋转方向和轴线方向)的阻力,即平衡了拉力和扭矩性能。六角形或者钻石形的滚花是最常见的,平衡了所有方向上的力性能。
塑料标准螺母插入件的直径从3-14mm,长度从3-16mm,螺纹尺寸从M2-M10。该系列尺寸广泛应用于电子、汽车、航空航天、国防、医疗、工业和娱乐设备等行业。
对于一些更小的应用,螺母插入件可以做到直径小于1mm,长度小于1.75mm。这些微小的螺母插入件可以装入M1的螺丝。这些微小插入件可以通过热压或者超声波镶嵌工艺,插入塑料件上的直孔或者锥形孔中