塑料卡扣的設計與應用

摘 要：塑料卡扣具有不導電、抗震、無腐蝕、導熱系數低、無磁性、高強度重量比等優點，可廣泛應用于各種場合。另外，由于其結構簡單，可根據使用環境用各種塑料原料大批量生產，因而其價格低廉。基于此，本文詳細分析了塑料卡扣的設計與應用。

關鍵詞：塑料卡扣;設計;應用

合理的卡扣設計不僅外形美觀，簡化了產品結構，提高了產品裝配效率，而且易于實現自動化操作，更有利于控制產品成品率，降低生產成本。卡扣的設計可通過計算機模擬及傳統的公式計算來驗證，基于經驗與理論計算的設計規則更容易引導出完美的卡扣。

一、塑料卡扣概述

卡扣是用于一個零件與另一零件的嵌入連接或整體閉鎖的機構，通常用于塑料件的聯接，其材料通常由具有一定柔韌性的塑料材料構成。卡扣連接最大的特點是安裝拆卸方便，可做到免工具拆卸。目前，卡扣連接技術已廣泛應用于汽車內飾件的連接上。

1、組成。一個完整的卡扣主要包括定位、鎖緊和附屬等部分。①定位部分。定位部分是提供抵抗跨結合面的力的強度和裝配件與基體件的精確定位。定位部分可附加在連接上、提供精確定位的特殊功能部分，也可用裝配件或基體件原先存在的功能部分，如起定位作用的壁面、表面或邊緣。②鎖緊部分。鎖緊部分是保持零件定位和提供裝配保持力的約束功能塊，是卡扣的主體部分。其比定位部件薄弱，因鎖緊部分必須能偏斜才能裝配。只要裝配件和基體件裝配到位，鎖緊部分就將它們保持在這個位置上。③附屬部分。附屬部分是最容易被忽略的功能部分，它們不直接影響連接的強度，但對可靠性會產生間接影響，其改善了連接對變量的堅固性和產品壽命中的使用條件，也可改善用戶友好性。如采用導軌、間隙和引導易于裝配，利用文字和符號來指導用戶操作，利用一些輔助件來保護薄弱、敏感功能件或保持、增強鎖緊件等。

2、特性。塑料卡扣是一種約束功能件，具有一個共同特點，即由鎖緊件與定位件組合而成，具有定位約束與分離的功能。其優點是：功能產品單一，無需配套，從而降低成本;無需諸如焊接、點膠等復雜操作技術的要求、無需輔助工具及工裝即可完成裝配;模具成型，一致性好、互換性強，更適合大批量生產;可拆式卡扣產品能重復拆裝利用，節省資源;具有替代螺絲、螺母及彈簧墊片等昂貴金屬件的功能;耐腐蝕，容易上色，且重量更輕。而塑料卡扣亦有很多缺陷：需求較高的模具費用;容易呈現一些常見的不良現象，如卡扣拼裝不到位或習慣性的空裝;卡扣成型很難做到完全密合，拼裝后在重力作用下經常會有一些活動;假如卡扣規劃不合理或較弱會影響到產品的質量與出售。根部運用次數多之后，容易發生斷裂等，且斷裂方位難以修補。在塑膠成型的零件上用于不拆開的安裝時，若拆開只能更換零件。卡扣規劃在公差配合上需求經歷的積累。

二、塑料卡扣的種類、術語

1、種類。塑料卡扣按結構形狀可大致分為懸臂梁形、圓環形和球形三大類;按截面有無變化可分為恒截面和變截面（又分變厚度、變寬度）兩種;按連接方式可分為永久性連接和可拆卸連接。

懸臂梁卡扣為最常見的種類，其基本型有直線型、L型、U型。

2、部分術語。①保持功能件：卡扣中凸起并具有導向、鎖緊等功能的部分。②保持面：裝配后保持功能件中具有阻止卡扣滑落的功能面。③插入面：裝配時引導卡扣撓曲變形，具有導向的功能面。

三、塑料卡扣的設計

塑料卡扣連接的基本原理是利用塑料受力時產生的彈性變形。由于卡扣受力只在卡入（脫出）的瞬間，因而塑料卡扣的設計就是要確保在該瞬間受力的卡扣正處于其彈性變形中;而在完成卡入（脫出）動作后，卡扣應處于不受力狀態。

1、機械強度。塑料卡扣的機械強度可由形狀、材質、拆裝次數、時間及環境等多種因素決定。塑料種類不計其數，卡扣材質的選取要注意以下因素：具有耐彈性變形的彈性，具有一定的強度，具有耐組裝變形的表面硬度，容易加工成型。應用在特殊場合下還應考慮塑料耐蠕變性、耐候性等因素。

相同材質而不同結構的卡扣強度差異較大，圖1為一種表芯固定架，同為ABS材料，圖1a在經過依次拆裝后，卡扣根部出現了白紋的永久變形;圖3b在圖1a結構的基礎上增加了一條三角筋，多次拆裝后未見塑性變形。

一般來說，時間和環境對卡扣的影響主要體現在老化和溫度變化上，設計時需要考慮，但在計算卡扣強度時可排除這些因素。

2、產品內部的相互影響。產品內部的相互影響，即包括其他零部件、同體部位對卡扣的空間限制，也指卡扣反向影響產品的結構強度、外觀等。在拆裝過程中，卡扣不能與其他零部件、同體部位有干涉。一般情況下，卡扣的有效長度和保持功能件長度會受到限制，進而影響卡扣的撓度、撓曲力和卡入力。同時，卡扣的位置和方向也是影響自身性能和產品強度、外觀的因素。譬如，薄壁延伸向并處于薄壁邊緣的卡扣，其撓度最大，撓曲力、卡入力最小;而壁面中間突出的卡扣剛性最好，強度大。

3、尺寸控制。塑料卡扣需較高甚至極高的尺寸控制，如手機外殼卡扣的成型需精密模具。而復雜的卡扣類型，模具也相應地復雜，成型也相對困難。另外，有無滑塊對模具制造的成本有很大的影響。如成型長臂卡扣，由于沿著長臂伸展方向或單方向側滑脫模，容易導致卡扣翹曲變形，因此必須用雙向側滑成型工藝，從而增加模具的復雜度。

四、塑料卡扣的經驗與計算應用

塑料卡扣的分析計算主要依據塑料的三個假設，即彈性線性、材質均勻及各向同性。但實際塑料材料很難保證這些假設都成立，因此在采用傳統結構分析公式計算得出的結果為理想值，在實際應用中必須添加安全系數。在計算機輔助工程CAE普及的今天，卡扣的結構分析可通過CAE軟件來完成，尤其是橫截面復雜的卡扣。圖2為塑料表罩卡扣在撓度為1.6mm時應力、應變和位移圖。由圖2可知，在產生1.6mm的撓度時，卡扣的應力和應變都在材料的彈性變形范圍內，滿足設計要求。

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