塑料卡扣的设计与应用

一、塑料卡扣的特性

塑料卡扣是一种约束功能件，具有一个共同特点，即由锁紧件与定位件组合而成，具有定位约束与分离的功能。其优点是：功能产品单一，无需配套，从而降低成本；无需诸如焊接、点胶等复杂操作技术的要求、无需辅助工具以及工装即可完成装配；模具成型，一致性好、互换性强，更适合大批量生产；可拆式卡扣产品能重复拆装利用，节省资源；具有替代螺丝、螺母及弹簧垫片等昂贵金属件的功能；耐腐蚀，容易上色，且重量更轻。而塑料卡扣亦有很多不足：增加塑料成型模具的费用；易出现一些常见的不良，如卡扣组装不到位或者脱落的空装；卡扣组装很难做到完全密合，组装后很容易因蠕变而产生永久变形，对环境适应能力较差；对卡扣设计、成型条件要求较为苛刻，极易出现次品甚至废品；塑料卡扣的弯曲模数远低于金属卡扣。

二、塑料卡扣的种类、术语和参数

1.塑料卡扣的种类

塑料卡扣按结构形状可大致分为悬臂梁形、圆环形和球形三大类；按截面有无变化可分为恒截面和变截面（又分变厚度、变宽度）两种；按连接方式可分为永久性连接和可拆卸连接。

悬臂梁卡扣为最常见的种类，其基本型有直线型、L型和U型，如图1所示。

2.塑料卡扣的部分术语

（1）保持功能件：卡扣中凸起并具有导向、锁紧等功能的部分。

（2）保持面：装配后保持功能件中具有阻止卡扣滑落的功能面。

（3）插入面：装配时引导卡扣挠曲变形，具有导向的功能面。

3.塑料卡扣的参数

悬臂梁示意图中各参数如图2所示。

当W t≠W b时，该卡扣为变宽度卡扣；当 T t≠T b时，该卡扣为变厚度卡扣；当 β≥90°时，对该卡扣施加 F力而不能拆卸，该卡扣为永久性连接的卡扣。实际应用中可存在变宽

度和变厚度的组合形变截面卡扣。

三、塑料卡扣的设计

塑料卡扣连接的基本原理是利用塑料受力时产生的弹性变形。由于卡扣受力只在卡入（脱出）的瞬间，因而塑料卡扣的设计就是要确保在该瞬间受力的卡扣正处于其弹性变形当中；而在完成卡入（脱出）动作后，卡扣应处于不受力状态。

在弹性变形范围内，塑料卡扣的应力-应变曲线类似于正割曲线，因此称此弹性模数为正割模数，其胡克定律表达为：

部分塑料最大许用应变如表1所示。

塑料卡扣的形状可谓千变万化，设计何种卡扣形状可依据以下三个因素：产品对塑料卡扣要求的机械强度；产品内部的相互影响；模具与成型工艺的复杂度。

1.塑料卡扣的机械强度

塑料卡扣的机械强度可由形状、材质、拆装次数、时间以及环境等多种因素决定。塑料种类不计其数，卡扣材质的选取要注意以下因素：具有耐弹性变形的弹性，具有一定的强度，具有耐组装变形的表面硬度，容易加工成型。应用在特殊场合下还应考虑塑料耐蠕变性、耐候性等因素。

相同材质而不同结构的卡扣强度差异较大，图3为一种表芯固定架，同为ABS材料，图3a在经过依次拆装之后，卡扣根部出现了白纹的永久变形；图3b在图3a结构的基础上增加了一条三角筋，多次拆装之后未见塑性变形。

一般来说，时间和环境对卡扣的影响主要体现在老化和温度变化上，设计时需要考虑，但在计算卡扣强度时可以排除这些因素。悬臂梁卡扣不同梁形式和规则横截面形状的卡入力W、许用挠度Y和挠曲力P计算公式如表2所示。

四、塑料卡扣的经验与计算应用

塑料卡扣的分析计算主要依据塑料的三个假设，即弹性线性、材质均匀及各向同性。但实际塑料材料很难保证这些假设都成立，因此在采用传统结构分析公式计算得出的结果为理想值，在实际应用过程中必须添加安全系数。在计算机辅助工程CAE普及的今天，卡扣的结构分析可以通过CAE软件来完成，尤其是横截面复杂的卡扣。图6为塑料表罩卡扣在挠度 Y为1.6mm时应力、应变和位移图。由图6可知，在产生1.6mm的挠度 Y时，卡扣的应力和应变都在材料的弹性变形范围内，满足设计要求。

五、结语

合理的卡扣设计，不仅外形美观、简化产品结构、提高产品的装配效率且易实现自动化作业，更有利于控制产品成品率、降低生产成本。虽然卡扣设计可以通过计算机仿真和传统公式计算检验是否满足使用要求，但基于经验和理论计算的设计规则更容易引导出完美的卡扣。

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