一.卡扣的优点

卡扣连接和压配非常相似，而且它们有许多相同的优点和缺点。但事实上，它们在许多应用方面都存在着竞争。对于卡扣连接，主要考虑的因素就是零件的形状、连接处的载荷、重新打开能力、模具成本及连接处能否承受长期应力的多重影响，这种应力对于压配来说是固有的，而在大部分卡扣连接中，应力大都可以避免。卡扣连接一般不会处于长期应力状态，所以对于安全因素的要求也就较低。卡扣连接的优点如下。

1.毋须附加材料

卡扣连接不会使用紧固件、插件、电磁预成型品、胶黏剂或溶剂等附加材料。因此，在本质上它们要比那些使用这些材料的方法成本低，而且分解回收利用也会比较便宜。

2.装配容易

卡扣连接只需要直接插人，因此它们在许多应用场合不需要其他工具就能实现，并且非常适合自动装配，所以有可能获得高生产率。

3.相异材料连接

比如金属可以和塑料连接，而且许多不同的塑料犹如类似的聚合物一样，彼此之间都可以进行卡扣连接。那些由于太脆而不能进行卡扣连接的金属制品或塑料制品，都可以通过胶黏剂或紧固件将卡扣悬臂连接在这些制品上。

4.永久性如果不能在零件外部进行强卡扣连接时，卡扣连接可以用于永久性的装配。

5.重新打开

当卡扣连接能够轻载装载或在零件的外部进行连接时，卡扣连接就可以设计成可以重新打开类型，比如较为便宜的圆珠笔或标签笔经常设计成这种类型的卡扣连接。

6.形状自由

圆柱形或环形卡扣连接很明显是圆形，而扭转卡扣连接本质上是指状的，悬臂卡扣可以设计成多种形状。

7.在内部也可以进行卡扣连接

8.能量效率

卡扣连接是最有能量效率的装配方法，这也就意味着没有多余的热量可以从工作地方散失。

9.空气干净

与使用粘接和溶剂连接系统不同，本连接不需要通风设备排出毒烟。

10.处理迅速

装配好的零件可以直接进行其他操作而不需要等零件冷却和胶黏剂或溶剂调整好。这个优点就使得它非常适合自动装配生产线。

11.高生产率

因为真正的连接时间是瞬时的，所以有可能达到每分钟20~60个这样的高生产率。

二.缺点

1.模具限制

卡扣连接通常要求模具有倒陷。至少，它们可能在允许零件从型芯上剥落的设计自由方面产生了一些限制。在多数情况下，要使用昂贵的型腔数量受限制的抽芯式机械装置。

2.工艺限制

可剥落倒陷在注射成型过程中有一个非常小的窗口，而且可以在不发生扭曲的情况下成功顶出。抽芯式模具除了注射成型之外，几乎不适合其他任何工艺，但是有一些样式在传递模塑法和压延成型法中还是可行的。对于少量应用场合，可以直接在任意成型方法成型的零件上机加工倒陷，但首先得假设零件足够大能够让工具进入。但是对于机加工卡扣臂所需的薄区域是比较难的。

3.卡扣失效

特别是卡扣悬臂往往会因为疲劳、不合理的设计及来自许多不同方面的应力而变得非常容易失效。圆柱形的卡扣连接在由熔接痕、浇口应力及空洞产生的弱点处是比较脆弱的。卡扣失效往往是不可能再进行修复的，并且会导致整个装配的失效，除非有足够的冗余量。

4.材料限制

因为卡扣连接在卡扣接合时需要材料弯曲，因此它们最好和柔软材料- -起进行连接。

5.热膨胀性两种材料之间线性热膨胀系数的巨大差异就可能会导致在极端温度下应力开裂或卡扣的松动。

6.吸湿性一些塑料经常因吸湿性而发生膨胀，这种吸湿性足以导致卡扣的松动。

7.装配限制暴露的卡扣臂在装配期间比较容易破裂，尤其是在自动装配设备上。脆性、填充、纤维增强的材料最容易发生这类失效。

8.密封受到限制

使用卡扣件很难实现密封，由于在载荷作用下，各种现象都会造成卡扣松动。有一些密封可以通过使用一些软垫材料来实现。

理想的情况下，卡扣连接应该设计成在装配过程中能够承受应力。剩下的缺点都适用于载荷作用下静止位置的卡扣连接。

9.应力松弛

时间会减弱材料承受应力的能力，尤其是在高温的时候。应力松弛会导致塑料开裂和龟裂。

10.蠕变和冷流

当连接处在经历应变松弛时受到这些影响就会使得连接处松动。

11.环境限制化学和紫外线照射都可能会产生因应力开裂而失效。

三.综合应用

卡扣连接受到装配和分解回收利用方面的成本下降的刺激，它的应用范围不断增加。它们可以设计成容易再打开、难再打开或不损坏零件就不能打开等类型。结果是设计师和工程师们建立了一个较宽的创新的卡扣连接设计领域。应用领域从便宜的圆珠笔和标签笔到办公设备和自动推进设备，基本上有以下四种类型的卡扣连接：

1.卡扣悬臂或梁

这些都是附在悬臂、梁或其他附加物末端的安全扣。为了能够永久连接，应该将它们设计成附属在倒陷上，从外面看是隐藏的。为了能够重新打开，应该在零件的边上或底部在拆卸的开口处设计有凸起。

2.圆柱形、环形、周向或环纹配合 标签笔就是这类卡扣连接的典型。这种配合最常用于代替压配。

3.球窝连接

这是一个普通的设计，圆柱形和球形使用同样普遍。

4.扭转卡扣连接

这些都可以设计成可重新打开型，并且通过一个支点作用到杠杆的根部。

四.一般工程原理

1.允许的动应变

如果卡扣臂设计成能够维持在弹性极限范围内，那么卡扣臂将会很明显地回到它的原来位置。在许多情形中，那种设计只能提供给挂钩少量的握紧面，不足以将两个零件连在一-起。基于起始模量的使用，弯曲应力看起来要超过材料的屈服强度。但是，事实上，并没有超过屈服强度，因为起始模量只应用于那些非常小的应变。对于大应变，则使用正割模量。卡扣连接设计理论则是基于许用动应变极限而不是屈服应力。

那么问题就变成确定许用动应变值。图15-1描述了有明确屈服点聚合物的应力-应变曲线，典型的就是未增强热塑性塑料。对于单一装配，无定形热塑性塑料就可以使用屈服应变值的70%，对于结晶型塑料则可以使用屈服应变值的90%。如果装配必须是可以重新再打开，那么无定形聚合物所使用的数据将是断裂应变值的42% (70%中的 60%)，而结晶型塑料则是54%(90%中的60%)。对于没有明确屈服点的材料[图15-1(b)]，例如玻璃增强热塑性塑料就可以使用较低的百分数。对于这种材料，用于单一装配的值为断裂应变值的50%;可重复组装的则是30%。

注意在图15-1 (a) 中所述的两模量，弹性模量在材料的具体说明上都会有，但是很明显，它并不会如实地反映70%屈服应变值处聚合物的真实性质，也就说明了它比实际要硬。因此，实际上所使用的模量也就是应变点的正割模量，目的就是为了能够获得一个能够真正代表实际材料的值。因此必须将注意力放在实际使用材料的弧线上，但如果同时有一点能够更具有代表性，那么工程师就比较愿意选择这一点。

2.应力集中

全神贯注于卡扣连接方程的人不应该忽略其他工程现象。图15-2中所示的内拐角产生的应力集中肯定不会超过第2章“高效装配设计”里所描述的参数。但是，0.5是未增强塑料经常使用的内半径与壁厚的一一个比值，而且它会产生约为1.5的应力集中因子。悬臂根部的半径很容易可以设置为0.5，但是要在挂钩上就比较难实施，因为那个半径需要将材料从平整部分移走并且因此增加所需的偏斜量。但是在设计中仍然有一个比较脆的点存在，而且许多卡扣连接都在那个内角处失效。很明显，需要考虑交替使用。因此，作者建议与树脂生产厂家协商确定待选材料适当的应力集中因子和应变值。

玻璃纤维增强塑料在决定内径方面有更大的选择范围。但是，无论是增强还是未增强聚合物，0. 5mm士0.12mm可以被视为最小值，即在最差的情况下，半径值也不会低于0.38mm。有关这些拐角的问题，仍然需要解决。再次参考第2章，观察发现，避免内拐角应力集中所预备的大半径很可能会因冷却不均导致较大的成型应力。如果卡扣梁底部积聚的物料大到足以产生一个直径超过壁厚25%的圆时，就可能会导致成型应力的产生。

3.当两个零件都是弹性体时的工程调整

假设所有的偏差都发生在两连接零件中的一个上，这并不意味着其中一个必须是金属而另一个必须是塑料，因为这种现象会在两种刚度相差较大的塑料零件上显现出来，甚至是两种相差较小的零件，如果其中刚性大的零件有一个铰大的壁厚时也将会发生这种情况。但是，偏差同时发生在两个零件身上的应用也有许多。

有一种处理这种变化的方法，实施起来可能会有一些吃力。图153 (a) 就绘出了和零件，上偏差对应的偏差力P,其中()， 0)点在左下角。图15-3 (b)描述了另外一个零件同样的曲线图，其中(0, 0)点在右下角。将两曲线图都放入到图15-3 (c) 中。两曲线的交叉点就定义了真正的偏差力(P)和发生在每个零件身上的偏差量(y1,y2)。 通过以上这些数据就能够确定连接零件所需的力和每个零件的应变。

4.有限元分析

卡扣配合的设计，尤其是悬臂类型，非常适合于有限元分析(FEA)。因为卡扣悬臂设计中所使用的经典梁公式都包含有内在的错误，它们都假定长高比非常大。长高比小于5 : 1的短扣臂并不适合这些公式，而且会导致误差。长高比越小，误差也就越大。所以，-般在这些设计中尤其是所有的卡扣悬臂配合设计中都推荐使用FEA。此外，FEA也可以对内拐角应力集中和邻近壁偏差进行分析。

在汽车卡扣的应用上，苏州维本工程塑料Wintone Z63强韧降噪、耐寒耐干、耐高低温、耐磨耐腐蚀性、低吸湿性工程塑料，与传统的POM和尼龙材料相比，Z63材料可以帮助解决POM卡扣易脆断、尼龙卡扣吸水性大以致卡扣机械性能不稳定、尼龙和POM卡扣静音性能不够等问题。

另外，Z63材料的吸水率只有尼龙66的六分之一，水份对Z63材料制造的卡扣的力学性能影响很小，Z63材料注塑完就具备强韧的力学性能，无需水处理。同时，Z63材料具有比POM和尼龙材料更优异的耐腐蚀性，Z63材料耐酸碱、耐盐、耐水解、耐汽油柴油等各类化学溶剂。

五.悬臂卡扣连接

1.悬臂卡扣连接设计

悬臂卡扣连接应用范围比较宽，根据应用要求的不同，可以设计成不同难度的永久性或可重新打开式的类型。图15-4 (a) 显示了一种基本的永久卡扣连接: 90°的回角使得它垂直于悬臂和连接零件的内壁面。但那并不意味着这个配件不能够重新打开，因为只要在连接处施加足够的力就可能会导致挂钩的失效。但是对于这种结构只要不失效就不能够重新打开。

卡扣件在受到如图15-4 (b)所示的一个向卜力的作用时使会在壁面分升。如果这个角度变得像图15-4 (c) 所示那样更有渐进性，那么这个配件就能够重新打开。倾斜面的倾斜量越大，那么装配件的打开以及从模具中取出零件都将会更容易。因此就可以通过改变自锁角来控制打开连接点处所需的力。

对于可再打开的配件来说，必须要有一个能够使挂钩脱离的方法。如果可以如图15-4 (d) 和图15-4 (e) 那样建一个切口来代替-一个切槽，那么挂钩就可以从零件的外部进人，这也就意味着叮以通过一个像螺丝刀一样的仪器来撬开它，也可以通过用其他T.具撬开如图15-4 (f) 所示的挂钩。注意图15-4 (e) 中挂钩后面的缺口其实可以设置来限制扣件臂的偏差量;但是必须注意确保拆解扣件有足够的准许间隙。

如果扣件比较容易打开，就像电池放置室的门一样，那么扣件的挂钩就可以是U形臂的一部分[图15-4 (g)]，或当它们用作卡内时，它就有可能是在外面[图15-4 (h)]。 在这种设计里头的切口和挂钩之间是可以颠倒的，就像图154 (i) 那样。图15-4(i)也说明了扣件是怎样和铰链结合建立放置室门的。

图15-5显示了多种卡扣连接应用，其中有一.些用来组装那些不能进行集成装配的零件。如果使用图15-5 (a)和图15-5 (b)的设计，那么印刷电路板和电子元件就可以和塑料零件组装。棒和线都可以和如图15-5 (c) 及图15-5 (d)所示这类配件进行组装。图15-5 (c) 设计的目的就是想用和装配时一样大的力来移走物体，而图15-5 (d) 则是为低安装压力和高分离力而设计的。其实在许多例子中，锁件都是直接在元件上模塑出来[图15-5 (e)、 (f)。

图15-5 (g) 里所描述的外部悬钩在尺寸上是很难控制的，并月在某些压力作用下会在某个方向上或其他方向上产生的一个小小的偏差就会导致脱离或接合。图15-5 (h) 里所示的内钩就会比较适合于尺寸变化，与图15-5 (i) 里的卡销指一样。外定位元件可以用来减弱扣件因尺寸变化而产生的脆弱性。而这个凸耳则减少了所需的具有弯曲性的卡扣连接的数量。

扣件挂钩典型的都是整体模塑在要连接的元件上。但是并不是所有都是这样，因为像一些能钩住一些孔的非整体式的挂钩也得到了广泛的应用。虽然大部分的卡扣件都是在注射成型工艺中完成的，但是这种连接方式并不受这种工艺的限制。作者曾经也用这种连接方法对通过压模、滚塑、吹塑及压延成型生产出米的产品进行连接。

多元件装配可以通过使用悬臂扣件来完成。图15-6 (a) 和图15-6 (b)阐明两个这种类型的设计，而图15-6(c)的设计则解释了筋是怎样加强扣臂和防止它们脱离的。在图15-6 (d) 中，可重新打开扣件中的筋则是用来限制扣臂的移动及防止失效。

如果在这些设计中的第三个元件是由弹性材料制造而成，那么整个装配而成的外形就很可能是封闭的。那么这就涉及到因蠕变而需对扣件进行预紧。在装配期间，卡扣连接可以当作 一个暂时的支撑或使两个零件保持在一起用于胶黏剂或溶剂的凝固。图15-6 (e) 所示的就是这种设计的一个典型例子。

2.悬臂卡扣连接工程学

维持力也可以通过利用挂钩的背部这种相同方式得到。其实我们可以发现，即使所使用的a角为90°，但是失效还是很可能会发生的:因为作用在挂钩上的载荷就像作用在梁上的载荷- -样不作用在同一条中心线上，这就会产生一个弯出力矩以至引起挂钩回转及在内拐角或梁上发生失效。对于设计成能重新打开的扣件，一般都推荐使用45°~60°的a角，除非像那种勿需轴向力就可以脱离的卡扣设计。

偏转力P取决于悬臂的横截面。表15-2 (a) 中列出了决定偏转力值的大小的

计算式及图15-9和图15-10中一些相关的几何因素。有关扣件悬臂的所有公式都将带有接纳扣件挂钩倒陷的对应构件看作是刚性的。在进行许用应变选择时，一般都要进行工程判断。表152 (a)里用到的符号和数字化注释都已在表15-2 (b)中给出。

表15-2给出了确定容许的偏转量和倒陷的计算式。对于横截面为矩形的直梁，它的加工成本是最便宜的。但是，它却会在臂的根基处产生了最大的应力集中。因此，就需要有更多的材料和一个更长的周期。这些要求，换句话说，增加了每个元件的成本，而且使用的扣件越多，成本因素也就会显得更加重要。通过锥形梁，压力就可以得到更均匀地分散。

因为锥形减弱了梁上的应变，并且允许比一个根部厚度相同的直臂扣件有更大的偏转量。相反，如果挂钩的厚度保持不变，那么这个梁就可以通过增加根部的厚度来变得更硬。梁无论在厚度上或宽度上都可成锥形。顶端的宽度可以减少到根部的1/4;然而好的厚度比是1:2。这些就是表格15-2 提供的计算式。

圆柱形、环形、周向或有环纹的卡扣连接

1.圆柱形 卡扣连接设计

典型的圆形卡扣件具有食物储存器的特征，扣件盖在上面就是为了包住容器，而且很多其他应用现在都指定为圆柱形、环形、周向和有环纹的卡扣连接。虽然想法是用于不是很圆的形状，但从模具上取出零件并且进行组装变得越来越困难，整个形状变得越来越像方形或矩形。圆柱形装配件随打开的困难程度变化可以设计成不能重新打开或可重新打开的。图15-11就展示了这类卡扣连接的一些使用方式。图15-11(a)和图15-11(b)展示了食物储存容器、打包及其他包覆作用的圆柱形卡扣连接。

在应用中经常使用到像钢笔帽一样的小型圆柱形卡扣连接。甚至一些更小的也可以用作扣钮和锁[图15-11 (c) 和图15-11 (e)]。当轴底部的直径d等于或略小于0.6倍壁厚时，就可以采用实心设计。如果直径比0. 6倍壁厚大时，那么就应该采用图15 11 (d) 或图15-11 (e) 里边的去心设计。仔细观察这两个例子的导人角。经验表明，30°导人角是一个非常好的起始角。无论使用哪一种设计，轴底部的半径r不应该小于0.25W，最好是0.5W。最后是球-臼配合扣件，经常用在玩具和不贵的珠宝上[图15-11 (f)]。

在某些情况下，对于一个连续扣件来说，连接处产生的压力太大了。因此对于这些连接可以使用像图15-12 里的一些非连续圆柱形扣件连接。但是必须指出的是，切口改变了从一个连续卡扣件到一系列悬臂的连接性质。它使得连接处的载荷主要是弯曲载荷。因此，悬臂卡扣连接所使用的计算式也将适合于非连续的圆柱形卡扣连接。但是对于圆柱形卡扣连接则不能使用这些公式。

2.圆柱形、环形、周向形或有环纹的卡扣连接的工程学问题

悬臂卡扣连接涉及到多种轴向应力，因为这些力都是轴对称的。因此在实施圆柱形扣件设计的第一步就是最大容许干涉。

横向力和轴向力

对于大部分零件来说，圆柱形卡扣连接要比悬臂卡扣连接强度大。虽然它们可以通过加热扩大外部零件或通过冷却内部零件来减少装配力，但是实际上像压配一样，仍然要求有非常大的组装力。圆杜形扣件连接组装力的计算是所有计算式中较复杂的。原因就在于应力分布在一一个较大 面或范围内，大部分偏斜量都发生在管状连接件的一个相对较长的面上。

由于受力作用区域的长度很难预测，所以计算结果只能视为近似值。然而，可以通过基于弹性体原理建立起来的无限长梁的理论公式来获得合理的近似值。主要的方程都是以卡扣件位于管的末端的假设为前提建立起来。这些计算结果将会根据实际组件位置的不同而有所调整。图15-13描述了应力的分布情况。

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