塑胶件的结构设计：卡扣篇（上）

一、卡扣的含义

卡扣：也称卡钩、卡口、扣位，是产品结构上常用的一种连接固定结构，一般需要另一与之配合的零件实现连接效果，尤其在塑胶件上较为常见，两个零件的连接方式有很多种，之前文章有总结过：

1. 两件塑胶件连接，有哪几种方式实现？

2. 五金件与塑胶件之间的连接方式

二、卡扣连接的优缺点：

相对于其他连接方式，卡扣是一种比较经济、有效、简单便捷的塑胶连接方式，具体表现为：

经济性：塑胶卡扣可以在塑胶件上直接成型，装配时无需其他紧锁配件，如螺丝、螺母等，节约成本。

有效性：卡扣的连接强度可以满足大部分产品设计，在一些需要更高连接强度的产品中，卡扣可以作为一种辅助连接，如螺丝+卡扣。

简单便捷性：通过合理设计，卡扣连接可以实现快速装配和拆卸，拆装过程甚至可以无需辅助工具。

同时，卡扣连接也是一种可以对产品外观的完整性保持良好的连接方式之一，特别是对外观有高要求的消费电子产品领域，卡扣连接是应用最广泛的连接方式。

但，卡扣连接同样也有些缺点：

模具成本高：除特别设计外（碰穿），卡扣在模具上成型一般需要设计斜顶或行位，这些模具结构的数量会影响到整个模具的成本。

精度要求高：卡扣的配合精度要求高，模具上一般难保证一次性做到位，需两到三次试模调配。

连接质量不易评估：某些卡扣装配连接后由于从外部看不到，无法有效判断最终的连接状态和效果，容易造成人为装配不到位而使连接质量打折扣。

连接强度不足：除非卡合量足够，否则卡扣容易由于塑胶件变形而松脱，特别是在一些需要过跌落测试的产品，只设计卡扣连接一般满足不了测试要求。

可拆卸次数有限：除一些采用韧性较好的材料或经过特殊结构设计的卡扣外，一般大部分卡扣的拆卸次数都有限，卡扣由于多次拆卸变形，导致卡合量减小，连接效果降低。

不可复原性：卡扣一旦断裂，即失效，无法再补救，整个零件可能因此报废。

三、卡扣的类型

塑胶卡扣的分类，如果按拆卸难度分，可分为可拆卸卡扣（活扣）和不可拆卸卡扣（死扣），可拆卸卡扣又分为易拆卸卡扣和难拆卸卡扣。

易拆卸卡扣：即不需要工具就可拆卸的卡扣连接。

难拆卸卡扣：需要借助工具才能拆卸的卡扣连接。

不可拆卸卡扣：只能通过破坏零件才能拆卸的卡扣连接。

塑胶卡扣连接主要利用的是塑胶的弹性变形后可回复原来形状的特性，所以区分以上三种卡扣的不同点在于卡扣的卡合面脱离基体件的配合面的难易程度。

所以，并不是卡合量多少的问题，有些卡扣卡合量虽然少，但是其变形空间小，此种卡扣就难拆卸或不可拆卸。有些卡扣卡合量大，但是其有足够变形空间，同时也方便通过手动或简易工具即可拆卸，此种卡扣就属于易拆卸卡扣。

不可拆卸卡扣

可拆卸卡扣

如果按形状分，卡扣可分为悬臂式卡扣、圆环式卡扣、球型式卡扣。

1、悬臂式卡扣，这种卡扣最常见，用途最广泛，很多形式是以此种卡扣演变而成，因此，悬臂式卡扣又细分为以下三种：

1）钩型悬臂卡扣，最常用的悬臂式卡扣，其力的作用线与中性层有偏矩。

2）套型悬臂卡扣，不太常用，其力的作用线与中性层有重合。

3）异型悬臂卡扣，特殊场合常用，特点是可拆卸次数多，寿命长。

2、圆环式卡扣，常见于圆环型的产品，如笔筒盖，USB盖。

3、球型式卡扣，常见于一些类关节转动的结构，如手机支架。

按装配过程的运动轨迹分，可分为直线运动卡扣和转运动卡扣，直线运动卡扣以推、滑运动为典型，转运动以翻、扭、转为典型。

1）推运动卡扣，装配件和基体件在最终锁定之前产生的接触时间相对较短。（某些导向功能件可在卡扣与基体接触之前先接触导向）

2）滑运动卡扣，装配件在完成最终连接前始终与约束体接触，同时做直线运动。

3）翻运动卡扣，装配件上的定位功能件首先与基体件接合，在初始接合时依靠装配体绕初始定位副的旋转，最后依靠锁紧功能件完成结合。

4）扭运动卡扣，带轴对称约束功能件的装配件首先以直线运动与基体件相接合，装配件绕轴旋转，装配时对卡扣施加外力，然后利用约束功能件之间的凹凸结构完成配合。

5）转运动卡扣，是依靠在一个定位副上以推运动与卡扣相结合。

四、卡扣连接的组成要素

所谓一个巴掌拍不响，卡扣实现连接需要两个元件：基体件和装配件。

基体件：大多数情况，基体件是比较大的，且是相对静止或固定的，它可以是一个零件或者一个装配总成，可以视为连接的基准。以汽车为例，对大部分需要装配的饰件来说，车身就是基体件。

装配件：同样也可以是一个零件或者一个装配总成，一般比基体件小，甚至可拿在手中，在装配过程中是运动的，最终与基体件实现连接。

不管是基体件还是装配件，对实现卡扣连接可靠性起到主要功能的部分称为约束功能件，约束功能件有两种：定位功能件和锁紧功能件，通常简称定位件和锁紧件，这是对于总成来说，如果对于零件来说，严格上应称为定位特征和锁紧特征，不过为了方便描述，还是统一叫定位件和功能件。

定位件

定位件是相对非柔性的约束功能件，它们保证装配件和基本件之间的精确定位，并提供锁紧力以外的分离抵抗力，承受约束行为中主要的载荷。

止口或反止口作为定位件，同时提供卡扣的分离抵抗力

定位件的常见类型包括：销、锥销、导轨、楔、卡爪、表面、边缘、凸耳、凸台、槽、孔和活铰链等。

一个零件上存在定位件，意味着另一件上也存在与之配合的定位件，它们一起构成定位副。

锁紧件

锁紧件是在装配过程中弹性变形，并在装配到位后恢复到原始位置从而形成锁紧并提供保持力的约束功能件。

锁紧件的常见类型包括：钩爪、卡爪、环套、扭杆和止逆等。

一个零件上存在锁紧件，意味着另一件上也存在与之配合的配套件，一般来说，配套件相对锁紧件来说是个定位件，而不是另一个锁紧件，因为配套件是粗壮的、非柔性的功能件，锁紧件与配套件一起构成锁紧副。

所有的锁紧件都有两个主要元件，一个是装配和拆卸时的偏斜元件，另一个是与装配功能件接触的保持元件。

在所有锁紧件中，悬臂梁锁紧件是最常见的，且种类变化多样，所以，以下主要是针对悬臂梁卡扣进行相关介绍。

偏斜元件

在悬臂梁卡扣中，偏斜元件多为悬臂梁，梁的形状和截面形式设计比较自由，可以有多种变化，可以是矩形、扇环形、U形、T形等。其中矩形截面最常用，U形、T形实际上是矩形的变种，目的是增加梁的截面积，提供梁的刚度。

保持元件

在悬臂梁卡扣中，保持元件的选择可以与偏斜元件（梁）本身无关，保持元件和偏斜元件可以任意搭配，以适应不同的要求，但是在实际应用中，最常见的还是钩型和套型。

对于钩型保持元件，其有一个特点，就是当分离力作用在锁紧件上时，无论钩型保持元件的形状如何，反作用力的作用线都不可能沿梁的对称轴（梁的中性层），总有一个偏移量d，这样，在受到较大分离力时，梁注定会弯曲，且弯曲总会发生在悬臂梁最薄弱的方向。

保持面角度小于90°

即使是带有90°或接近90°保持面角度的钩爪，也会在很大力的作用下脱钩，但是保持元件根部容易断裂而造成失效bvty。

保持面角度等于90°

卡扣失效

如果钩爪和配合件上的角度都大于90°，那么保持强度会明显增大，这种设计一般应用在保持强度要求较大的场合，常见于一些背包上的插扣。

保持面角度大于90°

对于套型保持元件，此类型末端为空框或是边状保持元件，其特点是，其分离力的反作用力的作用线经过梁的对称轴（梁的中性层），所以没有偏斜力作用，梁不会发生弯曲，悬臂卡扣的保持强度由材料的拉伸和剪切强度决定，因此，套型保持元件具有很高的保持强度。

套型保持元件的类型

悬臂梁套型卡扣

但是套型保持件有一缺点，就是其本身强度偏低，主要是因为在注塑成型的过程中，在套环的某处会形成一条熔接线（当熔体流动至一些孔洞时，两股融体料流前锋的汇合处就会形成熔接线）。

熔接线会使保持件末端的结构强度降低，强度降低的程度除了跟材料本身的力学性能有关外，还与料流前锋的温度以及料流前锋表层的熔合能力有关。在有填充物（玻纤）的情况下，由于纤维不易跨过溶解线流动，导致熔接线处的料流熔合不充分，使得熔接线处的强度明显降低。

改善措施：

虽然熔接线无法避免，但是可以通过对套型保持件的结构调整来提高强度，比如局部加大保持件的厚度、改变熔接线的位置。

同时，在有应力集中的拐角应导圆角，还有，如果空间允许，可以在背部加胶，使套型保持件由穿孔的改为盲孔的，或者在背部增加加强筋。

五、卡扣设计的原则

卡扣设计的最终目标是要实现两个零件之间的成功连接固定，要达到连接固定的效果，卡扣设计时需要从以下几方面进行考虑：连接可靠性、约束完整性和装配协调性，它们是卡扣连接成功的关键要求，其他要求还应该包括制造工艺的可行性、成本的高低等。

由于篇幅过长，此部分内容放到下篇介绍，本篇就介绍到此处，感谢查阅。

参考文献：

1. 著：保罗 R.博登伯杰，译：冯连勋、冯秀青、董力群、梁军，塑料卡扣连接技术。

2. 林杨明，塑料制品悬臂卡扣连接件设计方法的研究。

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