筆類產(chǎn)品中塑料零件螺紋結構設計要點

許云波 黃小雷 吳斌

真彩文具股份有限公司 江蘇 昆山 215343

1.引 言

螺紋在各行各業(yè)中應用較廣，主要起聯(lián)接和傳動兩大作用，一般選用金屬和塑料兩大類材料加工制作。而隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料制品以其獨特的性能被廣泛應用于制筆行業(yè)中，尤其塑料零件螺紋（以下簡稱：塑料螺紋）的結構被運用在筆類產(chǎn)品中占的比例較大。除一次性使用的各類筆外，幾乎每支筆，特別是圓珠筆、活動鉛筆、自來水筆等都會有一處或多處涉及到零件間的螺紋連接，可見其使用的頻率、廣泛性、設計師優(yōu)先選用的程度都普遍較高。

文中僅討論筆類塑料螺紋的結構設計，主要應用在筆桿與尖套或尾塞之間的螺紋結構組合及配合。從產(chǎn)品的外觀及性能要求等綜合考慮，筆桿與尖套等螺紋間的配合通常有兩種組合結構形式。一是尖套為內(nèi)螺紋，筆桿為外螺紋，采用普通三角螺紋，尖套的模具結構常釆用旋轉(zhuǎn)絞牙的方式出模，筆桿為整體哈呋模具結構生產(chǎn)；二是尖套為外螺紋，筆桿為內(nèi)螺紋，尖套一般為矩形或梯形的螺紋，哈呋模具結構，筆桿為強脫模的結構形式，模具結構簡單。但是，在實際的生產(chǎn)及使用過程中，塑料螺紋易松脫、滑牙、內(nèi)外螺紋配合處抗折力不夠；拆卸時螺牙易磨損，達不到一定的旋合使用壽命，在壁厚薄弱或應力集中點還容易產(chǎn)生開裂等問題。所以掌握和理解塑料螺紋的結構設計要點，從源頭上杜絕問題點的發(fā)生十分必要。

2.螺紋結構性能要求

1.1 使用功能要求

除一次性使用的筆外，多數(shù)的筆如圓珠筆，當筆芯寫完后，要求能方便、快捷地更換新的筆芯裝入筆桿內(nèi)，達到反復書寫使用的目的；自來水筆也類似，需要經(jīng)常更換墨囊或吸墨水，要滿足此功能的要求，通常采用螺紋聯(lián)接的結構方式，此結構具有組裝旋合容易、拆卸方便、連接可靠、結構緊湊等優(yōu)點。使用中要求零件螺紋之間配合手感舒適，松緊適宜，不能旋合困難或滑牙，一般旋合次數(shù)要求200 次以上，并滿足配合力要求。

1.2 配合力和扭矩要求

筆類螺紋間的配合力及扭矩的設計需達到如下要求，否則會影響手感及裝配效率。

1.2.1 尖套或尾塞與筆桿間螺紋旋合連接后的軸向拔出力，要滿足大于50N的軸向拉力。

1.2.2 尖套或尾塞與筆桿間裝配及拆卸時，需要達到一定的扭矩要求，至少大于19.6N·cm。

根據(jù)螺紋間的配合要達到的性能要求，設定其特定的結構、形狀、配合尺寸，并選擇合適的工程塑料材料，以滿足配合力、扭矩及手感要求。

1.3 大批量生產(chǎn)要求

筆類生產(chǎn)包括零件生產(chǎn)和成品裝配。筆類中的尖套或尾塞及筆桿內(nèi)、外螺紋結構中的各注塑料件，為了保證注塑生產(chǎn)中零件尺寸穩(wěn)定、易于成型，結構要優(yōu)先設計為旋轉(zhuǎn)體或?qū)ΨQ形狀，壁厚設計要合理且壁厚均勻，易于注塑工藝性能的實現(xiàn)。另外為了滿足自動化成品裝配的要求，螺紋結構要有一定軸向?qū)蚓嚯x，一般螺紋長度要求在螺紋直徑的1 倍～1.5 倍之間，螺牙數(shù)的分配通常前1/3 牙數(shù)起導向功能，后2/3 牙數(shù)作為配合的有效牙數(shù)。

3.螺紋結構設計要點

2.1 螺紋型式設計

螺紋設計時考慮的五大結構要素為:牙型、螺紋的直徑、頭數(shù)、螺距(或?qū)С?、旋向[2]，其聯(lián)接的內(nèi)、外螺紋需要五個結構要素完全匹配時，方可旋合。

2.1.1 牙型

牙型是螺紋軸向剖面的形狀，可選用三角形、梯形、矩形、圓弧形和改進型螺紋，根據(jù)具體情況設計合適的牙型。

其中三角形螺紋是塑料螺紋常用的結構形式之一，其特點是裝拆簡便、快速，但是螺紋聯(lián)接強度偏低，注塑成型時螺紋牙尖部分有時難以充填飽滿，螺距小于0.5mm 的螺紋不適宜注塑成型。當三角形螺紋用于內(nèi)螺紋的成型時，一般釆用絞牙旋轉(zhuǎn)脫模，或設計為開花內(nèi)縮式非旋轉(zhuǎn)脫模的方式。

圓弧形和改進形牙型螺紋，注塑成型后根部應力不易集中，當用于內(nèi)螺紋的成型時，一般都釆用非旋轉(zhuǎn)強制脫模，此結構型式被廣泛應用于筆桿與尖套或尾塞等的螺紋配合連接。若采用牙根寬、牙型窄小的圓牙，還有利于牙距誤差的補償[3]。

2.1.2 螺紋的直徑

塑料螺紋設計時尺寸標注有大徑（d、D）、中徑（d2、D2）和小徑（d1、D1）。表示螺紋尺寸的直徑稱為公稱直徑，通常指螺紋的大徑。外螺紋的大徑d 和內(nèi)螺紋的小徑D1，又稱為頂徑。外螺紋的小徑d1 和內(nèi)螺紋的大徑D，又稱為底徑。螺紋中徑應有0.1～0.4mm間隙，必要時在外徑上設2.5°～4°的脫模斜度。

2.1.3 頭數(shù)（線數(shù)）

沿一條螺旋線形成的螺紋稱為單頭螺紋，沿軸向等距分布的兩條或兩條以上的螺旋線形成的螺紋稱為多頭螺紋。塑料螺紋可選用單頭、雙頭、多頭等，筆中使用單頭螺紋的比例較大。

2.1.4 螺距（P）

為使塑料螺紋牙尖充填飽滿，便于脫模以及在使用中有較好的旋合性，應選用較大的螺距尺寸，普通螺紋的螺距應大于0.5 mm 較好。

2.1.5 旋向

順時針旋轉(zhuǎn)時旋入的螺紋稱為右旋螺紋；逆時針旋轉(zhuǎn)時旋入的螺紋稱為左旋螺紋；筆中塑料螺紋一般設計為右旋較多，個別情況選用左旋。

筆中有螺紋聯(lián)接的零件主要在書寫端，如常見的尖套與筆桿、尾塞與筆桿間的螺紋配合。也有尖套與筆頸設計為一體式或分體式的，再與筆桿間進行螺紋配合的狀況，這樣在一支筆中可以有一處或多處螺紋的聯(lián)接。常見的筆桿與尖套的螺紋組合主要有兩種結構形式，一是尖套設計為外螺紋時，筆桿為內(nèi)螺紋，筆桿采用強制脫模結構；二是尖套設計為內(nèi)螺紋時，筆桿為外螺紋，尖套模具正常采用旋轉(zhuǎn)脫模結構。

下面分別對尖套與筆桿在前端的兩種內(nèi)、外螺紋間的結構組合設計要點做較為詳細的闡述。

2.2 尖套外螺紋與筆桿內(nèi)螺紋間的結構設計要點

尖套設計外螺紋的結構時，牙型選用梯形或矩形螺紋較適合，一般牙高要大于0.3mm，螺距大于1.5mm，單線右旋螺紋，用料選用較硬性的塑料。正常情況下，將塑料螺紋的始端與頂面間應留有0.4mm以上的距離，螺紋的末端與底面間也應留有0.4mm 以上的距離，且內(nèi)、外螺紋的始端和末端均不應突然開始和結束，而應有過渡漸變部分的牙型。此牙型的強度能滿足筆的使用功能、力學要求（見圖1）。

圖1 尖套外螺紋的剖面結構簡圖

筆桿內(nèi)螺紋設計時，牙型使用圓弧形螺紋或改進形螺紋較適合，模具一般設計為非旋轉(zhuǎn)脫模，整體型芯成型，利用塑料在一定的溫度條件下呈現(xiàn)出的足夠彈性時，釆用強制脫螺紋的方式出模。配合設計凸出筆桿內(nèi)表面一定高度的改進形牙型螺紋（見圖2），需選擇有韌性或軟性的塑料，如PC、PP 等原料的占多數(shù)。

圖2 筆桿內(nèi)螺紋剖面結構簡圖

筆桿內(nèi)的強脫模內(nèi)螺紋，從成型的品質(zhì)和方便出模等因素考慮，內(nèi)螺紋的口部一定要設計一段無螺紋的圓柱臺階面，其軸向深度尺寸大于0.5 mm，徑向尺寸大于內(nèi)螺紋的大徑D（底徑）0.4 mm 即可。筆桿口部內(nèi)孔要優(yōu)先設計成階梯狀，在近筆桿口部內(nèi)螺紋段的小徑（頂徑）尺寸D1 設計時，比筆桿型芯臺階處的直徑尺寸B 要大0.5 mm 左右，避免了因型芯向口部方向出模時，把內(nèi)螺紋的表面刮花、碰傷等不良現(xiàn)象。另外強脫模的牙高尺寸及形狀直接影響配合效果及是否能夠順利強制出模，為使強制脫模時的阻力不要過大引起牙型損壞和變形，以及螺紋的口部開裂，筆桿內(nèi)表面牙型凸出高度必須在要求的合理范圍內(nèi)。同時還要重視將凹凸起伏處設計為圓角及斜面過渡結構，在圖2中A 處為改進形牙型的局部放大圖。塑料螺紋牙高凸出筆桿內(nèi)側(cè)的表面0.16mm 至0.2mm 較合適，牙太高不利出模易被拉掉或刮傷，牙太矮與尖套配合易滑牙。牙高的確定可以根據(jù)材料韌性的好壞選用上限值或下限值。塑料螺紋軸向長度設計在螺紋直徑的1 倍～1.5 倍之間以滿足兩個零件間配合力的要求，當塑料螺紋與金屬嵌件螺紋配合時，其配合長度取螺紋直徑的1.5 倍。

內(nèi)、外螺紋之間對配合間隙要求及加工精度要求都較高，間隙偏大易滑牙，偏小不易裝配，要經(jīng)過幾次試模調(diào)整后，方可達到理想的配合性能要求。內(nèi)、外螺紋在徑向上的雙邊間隙，經(jīng)驗數(shù)值設計為0.05mm至0.08mm 之間較合適。

筆桿內(nèi)螺紋的結構選用強制脫模的方法出模，使模具的結構設計簡單，更利于模具制造、提高模具的使用壽命，降低模具的制造成本。所以強脫內(nèi)螺紋被廣泛運用在各類筆的內(nèi)螺紋結構中。

2.3 尖套內(nèi)螺紋與筆桿外螺紋間的結構設計要點

當尖套設計為內(nèi)螺紋時，一般選用普通螺紋，內(nèi)表面為整圈螺紋，牙型為三角形螺紋及螺距要用大于0.5mm 較好，利于螺牙的成型，常用ABS、AS、PS有一定硬性的塑料原料，或它們間按一定比例混合起來注塑成型。為了防止尖套近口部最外圈的內(nèi)螺紋崩裂或變形，口部一定要設計一段無螺紋的圓柱臺階面，軸向深度尺寸大于0.5 mm，徑向尺寸大于螺紋的大徑(D)0.4 mm。型芯無螺紋段臺階處的直徑尺寸E 應小于螺紋小徑(D1)0.5 mm 左右，以防出模時將牙的尖角碰傷影響配合要求（見圖3）。

圖3 尖套剖面結構簡圖

普通內(nèi)螺紋的模具一般為螺紋型芯旋轉(zhuǎn)的方式出模，尖套成型后，螺紋型芯與尖套相對旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)脫模。具體設計時，在尖套內(nèi)孔或端面上需要設計若干個帶有止轉(zhuǎn)的筋或端面小缺口來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫模。雖然模具結構比較復雜，體積偏大，但螺紋牙高可以較高，產(chǎn)品質(zhì)量較穩(wěn)定。

為了避免旋轉(zhuǎn)脫模模具的一些缺點，可設計為型芯收縮式非旋轉(zhuǎn)的方式脫內(nèi)螺紋。在保證螺紋配合的力學性能情況下，將內(nèi)螺紋設計為分段式螺紋，在內(nèi)表面上均勻或?qū)ΨQ斷開一部份無螺紋段的圓柱面，模具采用組合自動收縮式型芯，當中間型芯退出后留有空間，使螺紋型芯沿徑向內(nèi)縮而脫出螺紋。這種脫模方式的模具制造方便，體積比旋轉(zhuǎn)方式出模的模具小，成本較低。但在開花式拼合處，隨著生產(chǎn)時間越久，型芯的磨損，就容易產(chǎn)生小飛邊，清除毛邊比較困難，有時會影響螺紋間的配合精度等。

筆桿外螺紋在牙型、螺距、直徑等各參數(shù)上的設計，必需同尖套的內(nèi)螺紋一致，方可緊密配合，滿足使用性能等要求。同樣在螺紋的始、末端與頂面和底面間要留有0.4mm 以上的距離，且內(nèi)、外螺紋的始端和末端均應有過渡漸變部分的牙型（見圖4）。為方便外螺紋出模，模具通常釆用瓣合模具成型，即整體哈夫模的結構。但此模具加工精度要求較高，哈夫模的分模線如在配合上有少許錯位，則沿螺紋軸向上會產(chǎn)生哈夫線，嚴重的會產(chǎn)生飛邊，影響旋合性及筆桿的外觀效果。

圖4 筆桿剖面結構簡圖

尖套內(nèi)螺紋與筆桿外螺紋在徑向上配合間隙的設計要合理可靠，過大會滑牙，過小不利手工或自動化裝配的要求，一般在大徑方向雙邊留有0.05mm 至0.1mm 之間的間隙較合適。設計時還要考慮到在軸向上保證有一定的配合長度，既方便旋轉(zhuǎn)脫模，又要滿足配合力及提高生產(chǎn)效率等要求。

2.4 塑料材料選擇

螺紋產(chǎn)品材料的選用，需根據(jù)產(chǎn)品的力學要求、使用條件、外觀要求或客戶的特殊需求及螺紋設計時所選用的牙型、模具的結構等多方面因素全面考量，選用合適的材料。

2.4.1 強脫模零件材料的選擇

當筆桿設計為內(nèi)螺紋，釆用強制脫模時，主要利用塑料螺紋零件的彈性，需選用軟性有韌性的塑料原料，如PE（聚乙烯）、PP(聚丙烯)、PC（聚碳酸脂）、POM(聚甲醛)等塑料。選擇好合適的材料，還可避免因出模阻力較大使螺紋的口部開裂等不良現(xiàn)象，結構上配合剖面為半圓形或改進形并凸出筆桿內(nèi)表面不高的牙型設計（見圖2），使出模阻力不要偏大，方可順利地強制脫螺紋。

2.4.2 旋轉(zhuǎn)脫模及哈呋模零件材料的選擇

在旋轉(zhuǎn)脫模及哈夫模中，尖套與筆桿的用料，通常選擇常用牌號的AS(丙烯腈-苯乙烯)、ABS(丙烯腈-丁二烯))、PC(聚碳酸脂)、GPPS(聚苯乙烯)等有一定硬度的塑料原料都可以，尤其ABS 料可適用尖套的電鍍工藝，達到金屬零件特有的厚重感及起到裝飾的作用。AS、PC、GPPS 料可適用筆桿或尖套生產(chǎn)透明件，呈現(xiàn)通透性能、折光美感之效果，還可增進觀賞性和趣味性。

4.螺紋零件其他結構參數(shù)設計

3.1 壁厚設計要點

在保證尖套與筆桿的強度、剛度、力學要求及使用性能的情況下，螺紋壁厚盡量設計均勻，以方便注塑成型，縮短注塑周期，提高產(chǎn)能。如壁厚不均勻，成型冷卻過程中易引起收縮不勻，零件會出現(xiàn)翹曲變形現(xiàn)象，影響螺紋間的配合精度。壁厚如設計得太厚，不利注塑，要延長冷卻時間，影響生產(chǎn)效率，零件內(nèi)部還易產(chǎn)生氣泡及其表面易形成縮水、凹陷等注塑缺陷，還會增加成本。壁厚如設計得太薄的話，螺紋注塑難度又大，熔融塑料在型腔中流動的阻力較大，料不易填滿，尤其三角形牙型的螺紋處易出現(xiàn)缺料現(xiàn)象，對配合力、扭矩的要求及配合處的抗折力，螺紋的口部開裂都會有不良的影響。一般壁厚設計范圍在0.7mm 至1.5mm 之間選擇。

3.2 防松結構參數(shù)設計

尖套與筆桿螺紋連接處，由于沖擊或振動等，有時會出現(xiàn)內(nèi)、外牙的配合之間有松脫現(xiàn)象。設計時除要設計好配合間隙不要過大之外，一般有意將旋合后的最后一圈設計為過盈配合，也可將內(nèi)螺紋的口部無螺紋段的小臺階與尖套無螺紋段的小臺階互相配合處設計為一定量的過盈配合；或在內(nèi)螺紋型芯無螺紋段的小臺階表面上，設計數(shù)段一定過盈量或數(shù)個小凸點，都可達一定的徑向配合力，但要經(jīng)過多次試模調(diào)整配合處的過盈量尺寸達防松要求。過盈量要合適，過盈量偏大會造成開裂等現(xiàn)象。

3.3 定位結構設計

在筆的設計中，經(jīng)常要求兩個零件螺紋配合后還要在徑向進行定位，如筆夾與握筆處的膠套有一定的定位要求等。一般在筆頸外螺紋的口部端面上，沿圓周方向伸出一個一定高度的小凸耳，在筆桿內(nèi)螺紋近螺紋末端對應的內(nèi)表面上，也要凸出一個一定高度的小凸臺，當筆頸與筆桿間旋合結束后，正好小凸耳與小凸臺間互相靠近并擋住，不能再繼續(xù)旋緊，起到了互相定位的作用，從而使每支筆的筆夾都對準至規(guī)定的設計位置處。需要定位的螺紋，要求的螺紋尺寸精度高，內(nèi)外螺紋的螺牙起點要一致，注塑過程中條件控制范圍要求嚴格，螺紋型芯要有徑向定位，并在一定的角度范圍內(nèi)可調(diào)，模具的結構相對較復雜。

5.結語

對筆中塑枓螺紋設計是否達到各性能要求，配合力要求等，各單位應該制定內(nèi)部控制的標準，在制造過程中進行有效監(jiān)控。加強螺紋尺寸測量，實配后的配合力測試。需要特別指出的是，粗牙的螺紋結構易出現(xiàn)松脫的現(xiàn)象，抗振能力較差，產(chǎn)品試制階段要試裝一定數(shù)量的成品筆，在模擬運輸機上進行相關測試，驗證螺紋尺寸防松結構的有效性。

綜上所述，文中對筆類產(chǎn)品塑枓螺紋結構設計的要點進行了歸納、總結。為滿足塑枓螺紋間能有效配合及針對易出現(xiàn)的問題，主要從實現(xiàn)功能特性、達到相關力學性能、大批量生產(chǎn)需求、螺紋參數(shù)設計時的注意事項、塑枓螺紋材料的選擇等展開了閘述和討論。為使強脫模內(nèi)螺紋零件滿足大批量生產(chǎn)的要求，其結構及配合尺寸的設計，要充分考慮材料的特性和適應注塑成型工藝，模具的結構要簡單、利于加工制造。強調(diào)了產(chǎn)品壁厚、防松結構及螺紋定位結構設計的重要性。望對廣大筆類產(chǎn)品設計和制造人員提供參考。