Transcript 扣入配合設計（Snap Fit Design）

塑料的機械特性（Mechanical Property）
定義：
應力
施力（F0）
=
（Stress） 切面面積（A0）
單位：磅每平方吋（psi）
應變
= 延伸（l） 100％
（Strain） 原本長度（l）
\hkptc\prod&mold\da.ppt
塑料的機械特性（Mechanical Property）
拉伸測試（Tensile Test - ASTM D638）
F
測試件：
0.125”
Area
8.5”
0.5”
F
步驟：
1. 拉伸設備（Instron）將測試件頭尾夾緊後
2. 鉗口施力拉伸測試件至斷裂. 拉伸速度可撰擇每一分鐘
0.2，0.５，２ 或 20 吋等
3. 設備自動繪劃出應力應變圖
塑料的機械特性（Mechanical Property）
應力應變圖（Stress-Strain Curve）
A：比例極限（Proportional Limit）
在此點後，將遠離線性關係
應
力
降伏點
B：彈性極限（Elastic Limit）
在此點前，施力釋放後，測試件可回復
原來長度
極限負荷
C：降伏點（Yield Point）
應變突然增加而無須有相應的應力增加
彈性極限
D：破裂點（Break Point）
比例極限
應變
tan：彈性模數（Modulus of elasticity）
在比例極限範圍內的應力與應變比率
即，模數（E）= 應力（）
應變（）
塑料的機械特性（Mechanical Property）
機械特性的數據可應用於：－
1. 承受短暫應力（Momentary stress）的部件設計
如開關器的桿，扣入配合的推拔樑等
2. 材料的選擇
可得到一般性 \ 初步的塑料強度及剛性的估計
挻性指數（Stiffness Index）= 模數（E）×（I）
3. 在高速應變中塑料吸收能量的估計. 在應力應變
圖中，曲線所覆蓋的面積，可作為能量吸收的量
度
塑料的機械特性（Mechanical Property）
A.
逐漸降伏型
（Gradual yielding）
例：賽鋼（POM）
聚碳酸酯（PC）
B. 突然降伏型
（Abrupt yielding）
例：聚乙烯（PE）
聚丙烯（PP）
C. 降伏點前斷裂型
（Fracture occurs at low
strains before yielding）
例：亞加力（Acrylic）
聚苯乙烯（PS）
塑料的機械特性（Mechanical Property）
塑料特性的比較
Acetal
Nylon
Acrylic
結論：
1. 在低應變的情況下，壓縮與拉伸模數是相等的
2. 彎曲模數（Flexural modulus）是相等於拉伸模數（Tensile modulus）
3. 在 比較大的應變情況下，塑料能承受壓縮的強度較勝於拉伸強度
Conclusion
1. The tensile and compressive stress-strain
curves are identical at small strains. Therefore
the modulus in compression is equal to the
modulus in tension.
2. The flexural modulus is equal to the tensile
modulus.
3. For relatively large strains, the compressive
stress is higher than the corresponding tensile
stress. This means that the yield stress in
compression is greater than yield stress in
tension.
塑膠件裝嵌設計
聯結塑膠件的方法甚多，但大致上可分為五種
1. 機械扣件互相聯結
諸如鉚釘，壓入插件，自攻牙螺絲（Self-tapping screw）等
2. 機械方式緊固
諸如扣入配合（Snap fit），壓入裝配（Press fit）
3. 熔接
諸如熱熔接，超聲波熔接（Ultrasonic Welding）
4. 接著劑
包括溶劑，彈性體，單體及環氧樹脂
5. 整體鉸鏈（Living Hinges）
機械扣伸互相聯結
兩種常用的自攻螺絲（Self tapping screw）
1. 螺牙割削螺絲（Thread-cutting screws）
 在螺絲被驅入部件時，塑料遇割削而形成螺牙
 擁有寬溝提供大屑片用空間
 孔底需要最少1/32吋深的格外區域，作為割削屑片的
儲池
 凡彎曲模數超過2105psi的塑料皆適宜採用割削形螺
絲
 對部件所施的應力較螺牙形成螺絲為低
2. 螺牙形成螺絲（Thread-forming screws）
 適用於大多數熱熔材料（Thermoplastic）
 側壁應至少與該螺絲直徑同厚
 作永久扣件的場合使用
扣入配合設計（Snap Fit Design）
扣入配合與超聲波焊接的比較
扣入配合
 可應用於任何材
料的聯結
超聲波焊接
 傾向於同類型的塑料結合.
PE塑料絕不可與PS熔接
一起
扣入配合與壓入配合（Press fit）的比較




扣入配合
拉出強度源於機械的鎖定
（Mechanical interlocking）
拉出強度可以是扣入力的百倍以上
裝配後，配合元件便不再存有負荷
理論上聯結強度，不會隨時間的增
加而減退




壓入配合（Press-fit）
拉出強度視乎配合元件間的阻力
（friction）
拉出強度的相等於壓入力
裝配後，配合元件長時間受力
塑料的應力釋於（Stress
relaxation）及蠕動（Creep）會
對壓入配合的強度有負面影響
扣入配合設計（Snap Fit Design）
例：不良
較佳
 容器內壓力引
致液體外洩
 重新設計容器
蓋，以外扣帽
形式緊固容器
再加上防漏環
，液體外洩問
題得到解決
 溝槽有倒扣，
出模有困難
 為免溝槽形成
倒扣以間斷鎖
條取代連續鎖
條設計
 使用推拔樑扣
入設計可有效
簡化產品裝嵌
自攻螺絲
（Self-tapping screw）
扣入配合設計（Snap Fit Design）
例：不良
較佳
 新扣入配
合可減少
應力的集
中
 凹陷處可
增強倒扣
環的彈性
減少裝嵌
時的損壞
扣入配合設計（Snap Fit Design）
懸臂式扣入配合計算例：
資料提供
解決方案
1.
2.
. 可容許應力 = 4500 （磅/平方吋）
E. 彈性模數 = 225, 000（磅/平方吋）
. 可容許應變 =？
. 阻力系數 = 0.3
c. 型狀系數 = 0.67
t. 懸臂厚度 = 0.06（吋）
. 懸臂闊度 = 0.23（吋）
l. 懸臂長度 = 1.0（吋）
. 引入角 = 45
. 回退角 = 90
. 相交量 =？
(吋)
Fin. 扣入力 =？ (磅)
Fout. 扣出力 =？ (磅)
i.（相交量）
2
= l xC
t
2
= （ / E） l x C
t
K, （彈性率）
= E x b x t
4
l
[ ]
3.
4.
=
3
=
(吋)
(磅/吋)
Fin , 扣入力
= Fs x Sin  +  Cos 
Cos  -  Sin 
Sin  +  Cos 
=Ki x
=
Cos  -  Sin 
(吋)
Fout , 扣出力
Sin  +  Cos 
= Fs x
Cos  -  Sin 

0
即  為鎖死角(locking return angle) , 懸臂不能
退出
扣入配合設計（Snap Fit Design）
懸臂式扣入配合計算例：
資料提供
解決方案
1. E. 彈性模數
=
. 可容許應力 =
. 可容許應變量 =
i.（相交量）
=
= 均聚 PP
材料使用
. 阻力系數
= 0.3
c. 型狀系數
= 0.67
d, 配合元件間隙縫 = 0.6 mm
. 相交量
=
？
f. 懸臂最大厚度 =
？
k ,彈性率
=
？
Fin. 扣入力 =
？
Fout. 扣出力
=
？
（磅/平方吋）
（磅/平方吋）
(吋)
2. f , 懸臂最大厚度
= d+i
 x l2
=d+
xC
t
3.
(吋)
(吋)
(磅/吋)
(磅) 4.
(磅)
5.
K, （彈性率）
Exb x t
=
4
l
[ ]
=
3
==
(吋)
(磅/吋)
Fin , 扣入力
Sin  +  Cos  =
Cos  -  Sin 
Fout , 扣出力
Sin  +  Cos 
= Ki x
=
Cos  -  Sin 
= Ki x
(磅)
(磅)
扣入配合設計（Snap Fit Design）

懸臂式（Cantilerer-type）的扣入配合分析
Fin ,扣入力 (Snap-in force)
=
Fout ,扣出力(Snap-out force)
=
Fs , 彈力(Spring force)
=
K,彈性率(Spring rate)
=
,可承受應力(Permissible stress) =
Fs (
Fs (
懸臂
Sin + Cos
Cos -  Sin
)
Sin  + Cos 
Cos  -  Sin 
)
Fout
Fs
Fs
Ki
Eb t
4
l
3E i t
2l2
3
( )
Fin
註:
i = 相交量(interference)
 =引入角(lead angle)
 =回退角(return angle)
問題
1. 扣入及扣出力的水平難
保持 o 主因注塑的工差
對懸臂相交量(i) 有很大
影響
2. 彈條元件斷裂

 =阻力系數(Coefficient of friction)
t =懸臂厚度(thickness of latch)
b =懸臂闊度(width of latch)
原則
解決方案
留意
Fin , Fout ,  , 要保持不  K i 保持不變, 即 K  1/i.
 當 i. 加大時, 注塑工差的影響
變
便相對地減少
 讓 t 減少或增加 l , 則 K 便減少而相交量 i.
便可加大
保持 Fin , Fout ,  , 及 i  t 及 l 一同增加 10%則 K i.便不變
不變
 修改後的應力, ’
3E i (1.1t )
’ =
保持 Fin , Fout ,  及 
不變
2 ( 1.1l )2
= 0.91 
 在模具中,修改 l 量是有一定的
困難
 t 增加 10% 及 i 相應減少 25% 便可保持 K i  修改後的元件承受應力比原本
不變
少 17% , 但 i 減少注塑工差便
要相應地收緊
 修改後的應力, ’
3E ( 0.75 i ) (1.1t )
2 l2
= 0.83 
’ =
扣入配合設計（Snap Fit Design）
引入角（Lead Angle）及阻力系數（Coefficient of
friction）對扣入力的影響
條件
原設計
阻力系數,  引入角, 
扣入力, Fin
修改例
阻力系數,  引入角, 
扣入力, Fin
與原設計的扣入
力比較
Fin - Fin’ x 100%
Fin
個案一:
 , 不變
 , 減少
個案二:
 , 增加
 , 不變
個案三:
 , 不變
 , 減少
*
*
0
45o
Fs tan45o
同
30o
Fs tan30o
0
45o
Fs
0.15
同
1.35Fs
42 (下降了)
-35 (上升了)
*
1.15
45o
1.55 Fs
無論何種材料, 只要引入角減少, 扣入力便相應下降
同
30o
0.80Fs
41 (下降了)
扣入配合設計（Snap Fit Design）
懸臂式扣條（Cantilerer ）與薄壁圓筒扣環（Hollow
Cylinder Snap）彈性率（Spring rate）的比較
彈性元件
懸臂式扣條
薄壁圓筒扣環
拉伸模數
E
E
闊度
b
b
材料厚度與距離比率
彈性率
彈性率比
t
:
l
Eb t
( l
4
=
3
) =
1
1 : 10
Eb
4000
t
:
2Eb(
r
=
t
r
) =
2513
1 : 10
E b
5
整體鉸鏈（Living Hinges）
鉸鏈的主要尺寸
注件頂出後，鉸鏈即時被屈接的作用
彎曲後，鉸鏈
被拉伸200%至
300%. 此部份的
分子鏈一冉被
排列進一步提
高鉸鏈的使用
壽命
（吋為單位）
閘口的放置
佳
較差
鉸鏈
閘口
閘口
較大部份
劣
較少部份
閘口