什么是卡扣式连接？类型和设计
卡扣式功能图
在任何包含多个部件的机械产品或系统中，连接都至关重要。螺母螺栓连接、焊接、铆接以及其他连接方式都是常见的连接方式。卡扣连接是一种常用的紧固技术，其连接部件完全透明。卡扣连接件由悬臂或环形钩组成，该钩子可以卡入相应的凹槽或倒角中，从而形成牢固的连接。同时，卡扣连接既可用作永久性连接，也可用作临时性连接。
此外，我们还将讨论卡扣的类型、设计考虑因素、应用领域和优点。
什么是卡扣式连接？
这些是连接塑料、金属、合金和其他材料部件的简便方法。卡扣配合是指一个部件上带有凸起结构（例如钩子、凹槽等），另一个部件上带有相应的凹槽（例如沟槽、倒角、空腔等）。在车间术语中，它们被称为“阳榫”和“阴榫”。您可以在下面的典型卡扣配合设计示意图中清晰地看到这两个特征；
卡扣示例
卡扣的变形使其能够与另一部件上的相应特征完美契合。契合过程中会发生暂时性变形。根据需要，卡扣可以永久安装或临时安装。这意味着您也可以将其安装成便于拆卸的形式，以便在需要时进行拆卸。
与传统紧固方式不同，外观设计无需额外的钻孔或其他操作即可将组件紧固在装配工艺中，实现精确的对齐和定位。
正确对齐且完美契合的卡扣连接可实现牢固的组装，避免应力集中。这种连接技术用于制造基本消费品。 3d印刷 至 数控 加工 标准工业组件。
卡扣式连接的优点和局限性
卡扣式连接便于高效组装，降低成本，而悬臂式卡扣连接则便于拆卸。但另一方面，它们也存在一些局限性，例如应力集中、疲劳风险以及材料选择方面的限制。
让我们在下表中比较一下它们的优点和缺点；
| 卡扣式连接的优势 | 卡扣式连接的局限性 |
| 卡扣式设计便于拆卸和重复使用。 | 它们存在疲劳失效风险，因为每次拆卸循环都会削弱结构完整性。 |
| 卡扣式连接无需任何额外的紧固或焊接，因此可以消除或减少组装时间。 | 特别是热塑性塑料容易发生蠕变，因此在高性能应用中存在材料限制。 |
| 由于卡扣式连接不需要任何粘合剂或紧固件，因此可以降低物料清单的复杂性、材料成本和组装成本。 | 悬臂式卡扣配合会将应力集中在梁的底部，导致材料疲劳并最终失效。 |
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卡扣配合类型
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根据几何形状和互锁机制，常见的卡扣连接类型有四种：悬臂式、U形、扭转式和环形卡扣式。每种类型都有其独特的连接方式。下面我们简要讨论一下这些卡扣连接类型；
1.悬臂
悬臂式卡扣配合是指将“悬臂梁”的末端卡入到接收件上的凹槽或沟槽中。在此过程中，悬臂梁会发生轻微变形以嵌入凹槽内。因此，悬臂梁可以是末端带锥形钩、套筒、球形等。
这些技术广泛应用于注塑成型和3D打印塑料零件的永久性和可拆卸连接。应变、弯曲和过度变形是整个过程中需要考虑的三大挑战性问题。
2. 环形卡扣配合
笔和笔帽就是一个环形配合的简单例子，笔帽是如何盖住笔尖的。对称的圆形或圆柱形部件圆周上的小凸起部分，在被压入对应部件时，会与之配合。
环形卡扣配合能够承受高应力而不会发生错位，并能将力均匀地传递到各个部件上。此外，它们的结构更为复杂，需要精确计算推力。
3. 扭转式卡扣配合
扭转式或扭力卡扣的特点是利用扭转现象与卡槽牢固配合。加长型卡扣设计用于扭转组装和拆卸。配合过程中，柔性臂被压入卡槽，完美契合，形成牢固的连接。这种耐用的连接方式可应用于金属、塑料和橡胶制品。
4. L 型和 U 型卡扣适用
顾名思义，这类卡扣式连接件包含L形或U形悬臂梁，可与相应的凹槽或槽口配合。它们常见于门锁系统、电气外壳组件等领域。L形和U形卡扣式连接件强度高，且便于组装部件的拆卸。然而，与其他类型的连接件相比，它们更容易变形。
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卡扣式连接并非像螺母和螺栓那样单独制造用于连接两个或多个机械部件，而是集成在部件内部。卡扣式连接的公头和母头是与各个部件一同设计的。
卡扣配合和制造方法
这些类型的配件适用于数控加工、注塑成型和 3D 打印零件，可将它们组装成一个整体。
CNC加工卡扣
通常，这些配合用于定制数控加工零件。如果配合复杂，加工时间会更长，成本也会更高。此外，精细的小特征也难以精确加工。如果设计零件只有直臂和简单的凹槽，数控加工可能是一个合适的选择。
卡扣式安装于注塑成型零件中
注塑成型的塑料零件通常采用卡扣式连接。ABS、PP、尼龙以及其他各种材料均可通过注塑模具成型，卡扣式元件集成在设计中。由于工艺效率高，这种连接方式在大批量生产中具有成本效益。此外， 注塑成型 可容纳复杂的卡扣形状、倒角、固定片等。
卡扣式安装于3D打印部件
卡扣连接的另一个常见用途是3D打印部件。3D打印机可以快速组装带有这些连接件的部件，尤其适用于原型制作和小批量生产。它还使得卡扣和凹槽形状的部件具有更高的灵活性。
卡扣式设计中使用的工程参数
- 梁尺寸： 安装过程中发生挠曲的梁的长度、厚度和宽度。
- 圆角半径： 梁与主墙体连接处底部圆弧的半径。
- 允许应变（ε）： 单位长度梁的允许挠度。它由标准梁弯曲方程控制。
- 纵横比（L/t）它是梁长与壁厚的比值。
- Q 因子： 可以认为，承载卡扣的基壁并非完全刚性，尤其是在悬臂梁中。精细应变 e = 1.5(tY)/(L²Q)。
- 弹性模量(E): 它代表材料的刚度，即梁在不发生任何裂缝或失效的情况下可以弯曲/变形的程度。
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卡扣式连接的设计
卡扣配合设计
以下是一些卡扣式设计技巧，您可以考虑使用这些技巧来提高可制造性和性能；
- 使用正确的间隙
配合界面之间充分的啮合对于牢固的互锁至关重要，而过紧则会导致过度变形。因此，适当的间隙必不可少。
- 在悬臂梁拐角处添加圆角
悬臂梁的尖角会使连接处应力集中，从而导致开裂或连接失效。因此，需要在尖角周围添加圆角以分散集中应力。
圆角尺寸 = 0.5 × 基底厚度
- 变量计算
根据卡扣类型和材料，计算并使用最佳变量，如可能的偏差、保持力等。
- 将按扣式连接件的公头部分逐渐收窄
同样，锥形卡扣可以更均匀地分布应力，并控制配合界面的变形。
- 永久关节
如果需要使卡扣固定牢固，可以使用 90° 钩和凹槽来实现。
- 夹子宽度
保持夹子最小长度为 5 毫米，以避免过度变形和表面开裂。
卡扣式与其他紧固方式的比较
| 参数 | 卡扣式 | 丝杆 | 螺母和螺栓 | 焊接 | 胶粘结合 |
| 它是如何运作用的？ | 将光束推入以接合底切/凹槽。 | 驱动器施加扭矩以连接两个表面/部件。 | 将螺栓打入材料中，然后拧紧螺母。 | 通过可控熔化和凝固实现材料级结合 | 粘合剂只需涂抹并固化即可将两个表面连接起来。 |
| 装配速度 | 组装速度非常快 | 低至中等速度 | 需要适度的双向准入。 | 需要一名技术娴熟、反应迅速的操作员或自动化设备。 | 中等程度，因为需要时间 |
| 拆卸 | 悬臂梁结构是可逆的，而环形结构是永久性的。 | 完全可逆 | 完全可逆 | 不可逆的 | 不可逆的 |
| 零件数量减少 | 它完全省去了紧固件。 | 增加了一个隐蔽的紧固件 | 增加两个组件 | 没有 | 没有 |
| 承载能力 | 低至中等 | 中高 | 高 | 很高 | 中 |
| 材料兼容性 | 热塑性塑料，例如尼龙、POM、PP、ABS | 塑料和金属 | 主要；金属 | 金属和可焊接热塑性塑料 | 不同材料，金属、塑料和复合材料 |
| 抗疲劳 | 如果应变低于弹性极限，则效果良好。 | 容易松动 | 与锁紧垫圈配合良好 | （卓越）等级 | 良好 |
| Cost | 模具前期投入高 | 低 | 低 | 中 | 中 |
| 典型应用 | 外壳、消费电子产品、汽车装饰件 | 总装、钣金、塑料 | 结构性、高承载力、耐用型接头 | 结构钢、底盘、压力容器 | 复合板、电子元件、异种材料连接 |
卡扣式连接在各种产品中的应用实例
卡扣式连接的应用非常广泛，从电子产品外壳、家具、汽车零部件到医疗诊断设备等等，不一而足。下表列举了一些常见的应用实例；
| 行业 | 应用案例 |
| 电子 |
– 电气连接器 - 消费类电子产品 电池盖 笔记本电脑和智能手机收纳盒 |
| 消费品 |
瓶盖和笔帽 容器盖 产品包装 家用电器外壳 - 玩具 |
| 汽車 |
– 内部组件 – 面板组装 – 前大灯和照明装置 仪表盘部件 |
| 家具 |
塑料铰链 抽屉滑轨 模块化家具组装 |
| 其它 |
球窝关节 可动人偶的关节 诊断设备 |
卡扣式材料
热塑性塑料是卡扣连接件的主要材料选择，因为它们具有弹性、拉伸强度、疲劳强度和柔韧性。根据载荷要求和应用需求，可以使用ABS、PP、尼龙、PC和其他塑料。在某些情况下，弹簧钢和其他金属也被用于卡扣连接件的设计。
让我们来看一下下面的卡扣式连接材料列表；
- ABS： 它比其他塑料更硬，但也容易出现应力泛白现象。
- 聚丙烯（PP）： PP具有优异的抗疲劳性能，并且能够提供最大的应变。
- 尼龙： 尼龙可以降低卡扣式设计的刚度，还能吸收冲击力。
- 聚碳酸酯（PC）： 它具有优异的冲击强度和更高的热稳定性。
- 缩醛/POM： 它以低摩擦、良好的回弹力和耐磨性而闻名。
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总结
卡扣式连接是一种简便的零件连接方式，无需额外的操作或组件即可将零件组装在一起。它们可用于金属、塑料复合材料和橡胶等各种材料，这些材料可通过多种工艺制造，例如数控加工、3D打印和注塑成型。此外，它们的类型也多种多样。 多样化的设计使制造商能够应对不同的复杂情况和要求。
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常见问题
卡扣配合的合适力度是多少？
卡扣配合所需的合适力取决于材料特性、连接设计和应用场景。此外，还需要在易于组装和拆卸与所需的保持强度之间取得平衡。
什么是卡扣式配合原理？
卡扣式结构利用柔性几何形状，在组装过程中暂时变形，使两个部件能够锁定在一起。
如何选择合适的卡扣类型？
选择合适的卡扣类型取决于材料、负载要求、组装难易程度和拆卸频率等因素。