螺丝与塑料的关系.docx

一、 塑料自攻螺丝(Self-tapping Screw)的优缺点
新产品在开发设计时间时，塑料材质的选用是最被重视的一个环节，不过除了塑料之外，其实还有很多的零件需要被重视，可是有个小零件却经常被忽略 — 自攻螺丝(Self-tapping screw)，可是从生产制造的角度来看，一颗设计不良的螺丝及螺丝柱往往是压死设计的最后一根稻草，螺丝真的是这么微不足道(minor)的零件吗？本文试着先探讨何谓自攻螺丝？还有自攻螺丝有何优缺点？后面会再试着探讨更多的螺丝扭力的问题。
首先，让我们来看看何谓『自攻』螺丝？一般的螺丝(大部分指「机械螺丝」)都要先在部件上做出所谓的「阴螺纹」来让螺丝可以锁得进去，就像螺帽一样，上面已经有螺纹在螺帽的内孔，所以螺丝可以很轻易地对着螺纹锁进去；而自攻螺丝就不需要在被锁件上事先做出螺纹，因为它可以一边锁进去被锁件，并一边在被锁件上「攻」出螺纹来，进而使自己固定于被锁件上。
下图是一款钻尾切槽自攻螺丝，其前面的缺口有类似铣刀的功能，方便在塑料孔上切削掉多余的部件，其螺纹则被设计成刚好可以把波峰所推出来的塑料挤进波谷里，达到平衡的作用，也可以让螺丝与塑料更紧密的结合在一起；有些自攻螺丝的螺纹则被设计成可以旋转带出被推挤出来的塑料屑或木屑，以免过多的废屑挤压被锁件造成局部陇起或破裂的危险。

自攻螺丝的立意很好，实际上也真的大大地提升了工业化大量生产的效率，因为事先制作阴螺纹需要多花上许多的时间与功夫，而且塑料射出件必须要采用埋值螺丝(Insert)才可以制作出阴螺纹，既废时又费工；可是自攻螺丝也有许许多多的限制及缺点，比如说：
· 被锁件容易因自攻螺丝的强迫(force)锁入而承受一定的应力，并导致螺丝孔周围有龟裂或破裂的缺失，进而影响到产品的可靠度。因为这样，所以自攻螺丝锁入处都会要求要有一定的面积肉厚来承受螺丝应力，比如说塑料螺丝柱的外孔值径通常需要比内孔直径大2.5～3.0倍，不同的塑料材质(resin)需要不同的最小肉厚。
· 有些设计师只是一味的套用前辈的设计，完全不管所使用的塑料材质不一样，造成有些螺丝孔的肉厚小于应有的安全系数。
· 有时候设计者知道应该要把螺丝孔的肉厚设计在应有的尺寸，可是却没有考虑到脱模角(draft angle)对肉厚的影响，而且螺丝柱越高，脱模角对肉厚的影响也就越大，因为螺丝住的内外径脱模角度刚好颠倒，越往上面，其所剩下的肉厚也就越少。

如果再加上塑料射出成型厂可能使用二次回收料(regrind resin)，那最小肉厚就需要再往上加，很多的设计人员常常得纳闷，为何塑料部件明明都已经通过严苛的设计质量验证了，怎么大量生产后还会发生螺丝孔破裂(crack)的质量问题？这其实有很大一部份是因为厂商添加了二次回收料所使然；因为试产阶段，射出成型厂商怕会问题，一般不敢使用二次料，可是大量生产后就会偷偷的加进去。如果当初设计时安全系数放得太小，只要稍微加点二次料就会有破裂的风险。
二、 【螺丝】与【塑料柱】的设计原则
螺丝是电子产品中最常使用的组装方法之一，但是很多的设计者(R&D)却常常忽略了螺丝及螺丝柱的的设计需求，而造成一些组装上的缺憾，比如说螺丝柱滑牙(strip)、螺丝柱破裂(crack)或断裂(breaking)、螺丝断裂(breaking)、或是螺丝头磨损(wear out)…等。
这里提供一些螺丝及螺丝孔柱设计的基本需求，让你的螺丝设计不再出问题。

下面的表格需配合上面的图标，【Material】就是塑料的材质，【Hole Factor】就是螺丝孔因子，【 Boss Factor】是螺丝柱因子，【Depth Factor】为深度因子。假设我们拿了一根 M2.6x10L的螺丝，其螺丝规格如下：
螺丝头直径：4.1~4.5mm，
螺牙外径(d)：2.47~2.55mm，取2.5mm。
螺丝长度为：10+0/-0.8mm，
螺丝牙距：0.91mm
如果要设计用在ABS/PC材质的塑料上面，则其设计规范如下：
螺丝孔直径 ＝ d x Hole Factor ＝ 2.5 X 0.8 ＝ 2.0mm
螺丝柱外径 ＝ d x Boss Factor ＝ 2.5 X 2.0 ＝ 5.0mm (最少)
螺丝最小啮合深度 ＝ d x Depth Factor ＝ 2.5 X 2.0 ＝ 5.0mm (最少)
螺丝啮合牙数 ＝ 5/0.91 ＝ 5(牙)
一般来说螺丝孔的直径必须比螺丝的外围直径稍微小一点点(x0.72~0.85)；一般人则较常忽略螺丝柱的外径也需要配合螺丝的外围直径(x1.7~2.2)，这里列出的因子倍数应该是最小值，太小的螺丝外径很容易造成龟裂；深度因子也是最小要求，需要配合螺丝的直径，螺丝的螺牙如果锁得不够深，很容易就会被外力拉开。

· 螺丝孔需设计导孔(counterbore)以导正螺丝锁入。
· 螺丝孔的深度必须比螺丝的长度还要深，为了容纳被自攻螺丝切销出来的塑料屑，以避免螺丝孔爆裂。
· 螺丝的选择也非常重要，如果螺丝孔深度够的话，选择螺丝牙距大一点的螺丝可以有效防止螺丝孔滑牙。
· 这个表格紧提供参考，还是要以实际操作为准。
· 建议可以参考另一篇文章 塑料自攻螺丝扭力探讨 (Self-tapping Screw)
三、 塑料自攻螺丝扭力探讨 (Self-tapping Screw)
产品设计时，塑料的自攻螺丝(Self-tapping screw)是最不被重视的零件，
只是螺丝 真的是这么微不足道(minor)的零件吗？本文尝试探讨塑料、及其
自攻螺丝间的扭力关系。
另外也想要到谈谈锁紧螺丝在塑料机构设计上对产品质量的影响，也会探讨不当的螺丝及机构设计所造成的问题。还会有一系列的螺丝文章探讨自攻螺丝的种类、如何选用自攻螺丝、及如何设计合理的塑料螺丝柱。
首先，让我门来解释何谓的『自攻』螺丝，就是被锁件不需要事先做出阴螺纹以配合螺丝上的螺纹。因为自攻螺丝可以自己一边锁进被锁件一边在被锁件上作出螺纹。
影响螺丝扭力的因素非常多，下面试列举出它的所有可能。
· 螺丝的直径 (Screw diameter)： 直径越大、扭力需要越大。
· 螺丝的长度 (Screw length) ： 越长度长、扭力需要越大。
· 螺丝的螺牙间距 (Screw pitch)： 间距越大、扭力需要越大。
· 螺丝尖端的形状 (Screw shape)： 尖的、三角的
· 螺丝孔的直径 (Screw hold diameter)： 螺丝孔的直径越小、扭力需要越大。
· 螺丝孔的脱模角度 (Screw hole draft angle)： 脱模角度越大、扭力需要越大。
· 螺丝孔的斜角 (Screw hole chamfer)： 斜角越大、扭力需要越大。
· 塑料材质 (Plastic material)： 越硬的塑料材质(如reinforce或是含fiber的塑料) 、其扭力需要越大。
个人经验，决定自攻螺丝扭力最适当的的方法如下(欢迎有不同想法或是其他方法的先进提供意见)：
· 决定电动螺丝起子最『小』螺丝扭力：
以经验值选取扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，用电动螺丝起子设定其最小螺丝扭力，锁紧后再用收动方式转动螺丝来检查螺丝扭力是否足够，如果已经无法再用手动方式转动螺丝，就表示螺丝扭力的最小值设定可以接受；如果还可以转动，则表示最小扭力还不过，必须再往上增加。反复测试后可以决定最小的电动起扭力。
另外一个方法确定最小电动起扭力，是螺丝锁紧后，破坏塑料壳并检查所有上、下盖的螺丝柱是否已经紧密接合、无缝隙。
决定电动螺丝起子最『大』螺丝扭力：
最小螺丝扭力决定后，再依据扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，把电动螺丝起子的扭力设定到扭力范围的最大值(=最低扭力+0.3Kg或0.5Kg)，拿10组上、下盖(或是上、下壳)，用电动起子重复锁紧、松开螺丝10次后，确认有无任何螺丝孔滑牙或是螺丝柱破裂的现象发生，如果没有，那恭喜你，最大螺丝扭力也设定完成了；如果有，则必须将扭力调小或是设计变更螺丝柱的内、外孔径，然后再重复验证。
以上是假设所有的自攻螺丝都构强况，没有螺丝断裂或是螺丝有滑牙的情形发生，如果可以的话，还要用查表法得知螺丝的最大承受扭力，再乘以一定的安全系数0.6~0.8，然后比较以上方法定义出来电动螺丝扭力是否恰当。
如果可以再利用机构设计的理论，计算出螺丝柱的最大扭力承受值，与实际的试验法相辅相成，这样的扭力决定应该就是最好的扭力了。
不好的螺丝设计，在电子组装时常会出现下列问题：
· 螺丝头滑牙：有可能是扭力太大造成，可尝试螺丝硬化处理，或是降低螺丝扭力解决。
· 螺丝孔滑牙：检查螺丝孔的内孔径是否太大，或是选用较大牙距的螺丝。
· 螺丝孔破裂 (crack )：检查螺丝孔壁厚度设计是否太薄、螺丝的扭力是否太大、或是塑料射出成型时是否有掺杂二次料、或是塑料射出成型时塑料粒未干燥完全。
· 螺丝锁不紧 ：检查螺丝扭力是否太小、螺丝孔是否设计太小。另外，如果产品内部有应力或是上、下顶出的设计就要特别小心螺不紧的可能性。

四、 影响塑料自攻螺丝扭力的因素
塑料部件使用自攻螺丝来互相锁紧已经是个很普遍的制程了，可是还是经常听到或是发生螺丝孔破裂或是螺丝滑牙(strip)等情事，本篇文章将试着探讨影响螺丝起扭力的因素及可能原因，如果碰到螺丝锁不紧或滑牙的事情，就可以先检查看看是否有哪些因素发生的变化。
影响螺丝起扭力的因素其实非常的多，如果有不同意见，也欢迎留言讨论，下面将列举出我认为有可能影响到的因素：
· 螺丝的直径 (Screw diameter)：螺丝的直径越大、所需电动起扭力就越大。因为越大直径的螺丝，通常意味着需要吃到较深的塑料内侧。
· 螺丝的长度 (Screw length) ：螺丝的越长度越长、所需电动起扭力就越大。电动起扭力基本上与螺丝与塑料的接触面积成正比，螺丝锁得越进去螺丝孔，就会有越多的螺丝面积与塑料接触。
· 螺丝的螺牙间距 (Screw pitch)： 螺牙间距越大、所需电动起扭力就越大。这点似乎有点与上面的接触面积抵触，但这是因为同样把螺丝转一圈，螺牙间距比较大的螺丝锁进塑料的深度比间距小的还要深，所以需要比较大的扭力。就像是同样直径不同齿轮数的齿轮，转动同一个别的齿轮，齿轮数越多的越省力的道理一样。
· 螺丝尾端的形状 (Screw shape)： 尖尾的、三角的。扭力其实跟螺丝的尾端形状没有多大关系，但不同的螺丝尾端形状通常代表不同的螺纹设计，就经验来说尖尾的螺丝其螺纹较浅，所需的电动起扭力也较小。
· 螺丝孔的直径 (Screw hole diameter)：螺丝孔的直径越小，所需电动起扭力就越大。
· 螺丝孔的脱模角度 (Screw hole draft angle)：螺丝孔的脱模角度越大，扭力需要越大。 这是因为越往螺丝孔底部的孔径会越小的关系。另外值得注意的是随之而来的螺丝柱外侧脱模角度 (Screw boss draft angle)，这两项脱模角度会直接影响到螺丝柱的肉厚。
· 螺丝孔的进孔处斜面 (Screw hole chamfer)：斜面的作用是帮助螺丝站稳在螺丝孔上，让作业员锁螺丝时不容易打滑到旁边。可是斜面如果太大或太深，虽然所需要的电动起扭力可能就会越小，但这样一来所剩余的塑料螺丝柱与螺丝的咬合面积就越少，有可能会降低螺丝的锁合力。
· 塑料材质 (Plastic resin material)： 越硬的塑料材质（如 reinforce 或是含 glass fiber(玻璃纤维) 的塑料），所需的电动起扭力就越大。
五、 如何决定自攻螺丝的电动起扭力
如果你是电子制造工厂的制程工程师，你是如何决定电动螺丝起的扭力？尤其是决定自攻螺丝的最恰当电动起扭力，下面所提供的方法是我个人的经验，欢迎有不同想法或是其他方法的先进提供意见：本篇文章将试着探讨锁紧螺丝该使用多大的电动起扭力及影响螺丝起扭力的因素，以期达到最佳螺丝起扭力的设定。
先决定电动螺丝起的最『小』螺丝扭力：
先以经验值选取扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，用电动螺丝起子设定其最小螺丝扭力，锁紧后再用手动方式转动螺丝来检查螺丝扭力是否足够，如果已经无法再用手动方式转动螺丝，就表示螺丝扭力的最小值设定可以接受；如果还可以转动，则表示最小扭力还不过，必须再往上增加。反复测试后可以决定最小的电动起扭力。
还有一个也是比较可靠的方法来确定最小电动起扭力，等确定螺丝都锁紧以后，不拆螺丝但破坏塑料壳并检查所有上、下盖的螺丝柱是否都已经紧密接合、无缝隙。
决定电动螺丝起子最『大』螺丝扭力：
最小螺丝扭力决定后，再依据扭力范围(+/-0.3Kg/cm2 或 +/-0.5Kg/cm2)，把电动螺丝起子的扭力设定到扭力范围的最大值(＝最低扭力＋0.6Kg或1.0Kg)，拿10组上、下盖(或是上、下壳)，用电动起子重复锁紧、松开螺丝10次后，确认有无任何螺丝孔滑牙或是螺丝柱破裂的现象发生，如果没有，那恭喜你，最大螺丝扭力也完成设定了；如果有，则必须将扭力调小或是设计变更螺丝柱的内、外孔径，然后再重复验证。
以上是假设所有的自攻螺丝都够强况，没有螺丝断裂或是螺丝有滑牙的情形发生，如果可以的话，还要用查表法得知螺丝的最大承受扭力，再乘以一定的安全系数0.6~0.8，然后比较以上方法所定义出来电动螺丝扭力是否恰当。
如果可以再利用机构设计的理论，计算出螺丝柱的最大扭力承受值，与实际的试验相辅相成，这样所决定出来的扭力应该就是最好的扭力值了。
六、 常见的螺丝锁紧问题与对策
组装电子产品时，螺丝选择错误或是不当的螺丝孔柱设计，都是生产的不定时炸弹，这里试着列出常见的问题与解决对策：
螺丝头滑牙(strip)
有可能是电动起扭力太大、选错了电动起子头(bit)、或电动起子头已经歪掉造成的。
请先确认电动起子头正确无勿后再试着降底电动起扭力；我经常看到螺丝头的凹槽与电动起子头不匹配造成的螺丝头打滑，大部分都是平头的凹槽螺丝却拿尖头的电动起子头来锁。

另外电动起子头如果保养不慎的话很容易弄弯，检查的方法可以让电动起子空转后观察起子头是否成一直线，如果转起来歪七扭八，就应该换掉起子头，这一般都是管理问题。
←左图就是一根已经歪掉的电动螺丝起子头。

如果上面的步骤都确认无误了还是无法解决螺丝头滑牙的问题，那就要尝试螺丝硬化处理，一般都可以解决滑牙问题，但价钱会比较贵，建议还是更改螺丝孔的设计，或选择更恰当的螺丝解决。
螺丝孔滑牙(strip):
请检查螺丝孔的内孔径是否太大，留意螺丝孔脱模角(draft angle)会影响螺丝孔径的问题。
检查是否螺丝的牙距太小，小螺距的螺丝不利反复的拆锁，情况许可的话可以考虑选用较大牙距的螺丝。
螺丝孔破裂 (crack )
如果之前都没问题，也没有相关的设计变更，却突然出现螺丝孔破裂的问题，请检查塑料射出成型时是否有掺杂二次料？或塑料射出成型时塑料粒未干燥完全？
如果是在试产或刚量产的时候发生，要另外检查螺丝选用是否正确？螺丝孔底下预留的间隙是否足够容纳溢出的塑料屑？螺丝孔壁厚度设计是否太薄？螺丝的扭力是否太大？
螺丝锁不紧
请检查螺丝扭力是否太小、螺丝孔是否设计太小至螺丝锁不到底？螺丝的吃牙数是否太少？一般螺丝的吃牙数最好要有３牙以上。
另外，如果产品内部有应力或是两个锁紧件上有顶出的设计，就要特别小心锁不紧的可能性。
螺丝锁紧后松动
这是个比较麻烦的问题，一般常出现在有内部应力的设计上，或者是有振动需求的产品上面，比如说点阵式的打印机，车用电子产品。有时候某些对于热胀冷缩特别敏感的塑料也容易造成螺丝松脱的问题。
解决的方法通常是点胶固定螺丝或加上垫片。