螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）

贾傲娇

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关于作者：钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。2020年即将出版《面向成本的产品设计：降本设计之道》（DFC）。关注头条号或微信号“降本设计”，获取更多原创产品设计知识和理念！“降本设计”专注于面向制造和装配的产品设计(DFMA)、面向成本的产品设计(DFC)等产品设计知识和理念分享，帮助工程师成长和提高技能，帮助企业降低产品成本。


螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(1)


螺钉紧固是一种最常用、最古老和最被人熟知的紧固工艺，其紧固一般不受被紧固件的材料限制。


对于大多数工程师来说，可能在选择紧固工艺时，第一个想到的就是螺钉紧固。而在进行螺钉紧固的相关设计时，例如与螺钉配合处的螺钉孔大小，也想当然的认为这是一件很简单的事情，随意设计螺钉孔的大小，其后果包括：

  • 被紧固零件装配之后相对位置精度差；
  • 当紧固零件结构复杂、螺钉数量比较多时，经常发现螺钉与螺钉孔对不齐，造成无法锁紧；
  • 当螺钉紧固多个零件时，多个零件的螺钉孔无法对齐，造成无法锁紧。


本篇文章将针对以上三点举例说明螺钉孔的设计。

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(2)

1. 当使用一个螺钉紧固时

一些小的零部件，常常只需要用一个螺钉紧固。

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(3)

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(4)

如果螺钉是M3，那么螺钉孔孔径应该怎么设计？

  • 孔径为3.0mm
  • 孔径为3.2mm
  • 孔径为3.5mm

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(5)

其实这是一个坑。

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无论选择哪一种孔径，在组装时都会造成间隙不均匀，左边间隙小，右边间隙大，两个被紧固件之间的相对位置精度差。


当然，孔径为3mm，比孔径为3.2mm或3.5mm时的相对位置精度更好一些。

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这是因为：只锁一颗螺钉时，被紧固零件没有完全定位，在拧紧螺钉过程中，会使得零件转动。

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(8)

正确的做法是什么呢？除了把孔径设计为3mm，还需要增加定位特征；


定位特征的方法有两种，第1钟是在被紧固零件之间局部增加肋，使得两个被紧固件之间的间隙缩小为0.1mm左右。


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第2个方法是增加一个定位孔与定位柱的配合。

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定位柱的直径为2.4mm，定位孔为2.5mm，二者间隙为0.1mm。

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定位柱和定位孔与螺钉的距离越大越好。

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2. 两个或多个螺钉固定时

这是一个笔记本的LCD及其支架的螺钉孔设计，使用M2螺钉。两个螺钉孔的外径均为2.2mm，这种设计对吗？

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M2螺丝，孔径用2.2mm，根们前面的讨论, 显然是错误的。

因为孔太大, LCD 与 支架组装后相对位置精度低, 结果有的外壳盖不到位, 美工沟变大, 造成外观问题。

正确的设计如下图。

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第一孔叫做基准， 基准孔要越小越好。对于 M2螺丝，孔径设计为2mm。不用担心孔径太小有问题, M2螺丝外径约为1.92mm。


第二孔叫做长圆孔，因为考虑制造误差，所以孔要拉长，长孔为2x2.5mm或 2x3mm皆可。


长孔的方向与距离的方向一致。


在锁紧时，先锁紧第一颗螺钉，再锁紧第二颗螺钉。这样既能保证两个零件的位置精度，又避免了因为制造误差螺钉与螺钉孔没有对齐的问题。

那么，此时如果因为补强，需要在中间再增加两个螺钉固定呢？其余孔的孔径还是2mm？

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其余孔的孔径此时应该设计为2.3~2.5mm。因为通过第一孔和第二孔，两个零件的定位或相对位置已经确定，其它孔仅仅起着紧固的作用，所以孔径必须放大，否则因为制造误差，很有可能造成螺钉与螺钉孔没有对齐。当然，锁紧时，先锁紧第一颗螺钉，再锁紧第二颗螺钉，最后锁紧其余螺钉。


这就是“定位”与“紧固”的区别。在考虑两个零件的装配时，需要遵循的原则是“先定位，后紧固”。与定位相关的尺寸间隙小，从而保证二者的相对位置精度；而与紧固相关的尺寸间隙大，可以避免因制造误差而造成的过定位问题。

螺丝孔分类（不要小看一个小小的螺丝孔尺寸设计）(16)

根据上述原则，当PCBA固定在机箱中，如果使用M3的螺钉，那么PCBA上的螺钉孔尺寸应用如下图进行设计。

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3. 当多个零件固定在一起时

如图所示，第5个零件有一个埋入螺母，通过一个M2.6螺钉把5个零件紧固在一起，螺钉需要穿过四层孔才能达到埋入螺母。

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那么，每一层孔的孔径均设计为3mm，这样正确吗？

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上图只是理想状况。实际上，由于制造误差和装配误差，五个零件并不会精确的对齐，继而造成螺钉孔无法对齐，于是自攻螺钉无法锁入。

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正确的做法是：第一层孔的孔径可以设计得较小（在该例中，如果无其它定位特征，第一层孔孔径可设计为2.6mm），而内层孔在可能的情况下尽量设计得比较大（3.2~3.5mm以上），避免过定位或过约束。


而内层零件之间的相对位置精度要求，可以通过设计定位特征来满足要求。螺钉对于内层零件仅仅起着紧固的作用。


—END—

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钟元，2011年出版书籍《面向制造和装配的产品设计指南》（DFMA）。

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