干货 | 小小螺钉孔设计的大学问
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螺钉紧固是一种最常用、最古老和最被人熟知的紧固工艺,其紧固一般不受被紧固件的材料限制。
对于大多数工程师来说,可能在选择紧固工艺时,第一个想到的就是螺钉紧固。而在进行螺钉紧固的相关设计时,例如与螺钉配合处的螺钉孔大小,也想当然的认为这是一件很简单的事情,随意设计螺钉孔的大小,其后果包括:
本篇文章将针对以上三点举例说明螺钉孔的设计。
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如果螺钉是M3,那么螺钉孔孔径应该怎么设计?
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其实这是一个坑。
无论选择哪一种孔径,在组装时都会造成间隙不均匀,左边间隙小,右边间隙大,两个被紧固件之间的相对位置精度差。当然,孔径为3mm,比孔径为3.2mm或3.5mm时的相对位置精度更好一些。这是因为:只锁一颗螺钉时,被紧固零件没有完全定位,在拧紧螺钉过程中,会使得零件转动。
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正确的做法是什么呢?除了把孔径设计为3mm,还需要增加定位特征;定位特征的方法有两种,第1钟是在被紧固零件之间局部增加肋,使得两个被紧固件之间的间隙缩小为0.1mm左右。
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定位柱的直径为2.4mm,定位孔为2.5mm,二者间隙为0.1mm。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1698154962321_2zy7qj.jpg?imageView2/0)
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这是一个笔记本的LCD及其支架的螺钉孔设计,使用M2螺钉。两个螺钉孔的外径均为2.2mm,这种设计对吗?
M2螺丝,孔径用2.2mm,根们前面的讨论, 显然是错误的。因为孔太大, LCD 与 支架组装后相对位置精度低, 结果有的外壳盖不到位, 美工沟变大, 造成外观问题。第一孔叫做基准,基准孔要越小越好。对于 M2螺丝,孔径设计为2mm。不用担心孔径太小有问题, M2螺丝外径约为1.92mm。第二孔叫做长圆孔,因为考虑制造误差,所以孔要拉长,长孔为2x2.5mm或 2x3mm皆可。在锁紧时,先锁紧第一颗螺钉,再锁紧第二颗螺钉。这样既能保证两个零件的位置精度,又避免了因为制造误差螺钉与螺钉孔没有对齐的问题。那么,此时如果因为补强,需要在中间再增加两个螺钉固定呢?其余孔的孔径还是2mm?
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其余孔的孔径此时应该设计为2.3~2.5mm。因为通过第一孔和第二孔,两个零件的定位或相对位置已经确定,其它孔仅仅起着紧固的作用,所以孔径必须放大,否则因为制造误差,很有可能造成螺钉与螺钉孔没有对齐。当然,锁紧时,先锁紧第一颗螺钉,再锁紧第二颗螺钉,最后锁紧其余螺钉。这就是“定位”与“紧固”的区别。在考虑两个零件的装配时,需要遵循的原则是“先定位,后紧固”。与定位相关的尺寸间隙小,从而保证二者的相对位置精度;而与紧固相关的尺寸间隙大,可以避免因制造误差而造成的过定位问题。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1698154964790_qie2x2.jpg?imageView2/0)
根据上述原则,当PCBA固定在机箱中,如果使用M3的螺钉,那么PCBA上的螺钉孔尺寸应用如下图进行设计。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1698154963927_i2f1l9.jpg?imageView2/0)
如图所示,第5个零件有一个埋入螺母,通过一个M2.6自攻螺钉把5个零件紧固在一起,自攻螺钉需要穿过四层孔才能达到埋入螺母。
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上图只是理想状况。实际上,由于制造误差和装配误差,五个零件并不会精确的对齐,继而造成螺钉孔无法对齐,于是自攻螺钉无法锁入。![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1698154962056_tionrj.jpg?imageView2/0)
正确的做法是:第一层孔的孔径可以设计得较小(在该例中,如果无其它定位特征,第一层孔孔径可设计为2.6mm),而内层孔在可能的情况下尽量设计得比较大(3.2~3.5mm以上),避免过定位或过约束。而内层零件之间的相对位置精度要求,可以通过设计定位特征来满足要求。螺钉对于内层零件仅仅起着紧固的作用。更多关于定位特征的知识,请参考《面向制造和装配的产品设计指南》一书。