2019/1/26

零件上的鑽孔攻牙設計注意事項

零件固定經常會使用螺絲固鎖,
因此鑽孔攻牙是在零件設計上幾乎是必備的,
鑽孔攻牙雖然看起來簡單,卻有很多小細節需要注意。

首先是孔的型式,
常見的有通孔,相對的有盲孔,
再來是一種直徑尺寸到底的直孔,相對的兩段直徑尺寸的沉頭孔,或錐孔,
最後是孔內有螺紋(牙),相對的沒有螺紋,
螺紋的規格又更多了,公制、英制、平行、錐度、管用…

Inventor 2019 孔特徵對話視窗

以上幾種型式可以組合成多種孔的型式,
在 Inventor 的孔表格標註中總共有50幾種組合(不含螺紋規格變化)。

Inventor 孔註記型式
不過其實常用的還是直孔(通/盲孔、有/無螺紋),沉頭孔、埋頭孔,再加上接管用的椎孔(管牙)。


如果沒有特別要求孔尺寸的精密度,一般的孔會以"鑽"的方式製作;
如果是精密直徑尺寸的孔,通常是使用較小尺寸鑽頭先用"鑽"的方式做一個小孔,
再以絞刀"鉸"出精密直徑尺寸的孔,鉸刀移除材料的方式跟鑽頭不同,可以製作出內徑尺寸較為精準 ±0.1 的孔,
精密直徑尺寸的孔一般會稱為“鉸孔”;
如果要作到 0.01mm 的更高精度就必須使用“搪孔”,
不論鉸孔或搪孔,基本上都會先“鑽”一個小直徑的孔,再“鉸”或“搪”到要的孔直徑尺寸精度跟孔內的光滑程度要求。

至於孔的位置精度會跟使用的設備與操作方式有關,
例如像一般直通孔算是最常見也是最容易進行加工的,
通常少量且位置精度要求不高的情況下,
以人工使用鑽床搭配需要的鑽頭直徑直接鑽就對了!

圖片來源:Makita

相對的精度是 0.5 mm 起跳…

如果是大量的直通孔,就會上CNC鑽/銑床,

圖片來源:ProArc

以程式控制進行不同孔徑跟不同孔位置的鑽孔,
其實現代CNC的精度很容易可以做到位置精度在 0.1mm,
相對人工手動鑽孔尺寸精度在 0.5mm 好很多。
但是如果材料是軟材料,例如塑膠、橡膠、鈑金等,
因為固定變形跟加工變形量較大的關係,
孔位置精度就很難很準,
如果在鈑金件上標示孔位置精度要 0.1、0.5 mm,是很容易被加工師傅心裡暗幹外行的。

如果在工件上有多種孔或不同尺寸,必須更換鑽頭,
每更換一次鑽頭就會浪費一點時間,
增加作業成本,
孔徑、螺紋變化大時累積的作業成本就很可觀,
在零件加工製作程序成本上就會有很大的影響。


既然孔的型式有這麼多種,
設計上當然就要小心注意相關的配合要求,
尤其是要注意加工上的限制與衍生的成本問題。

大量製造塑膠跟橡膠製品的螺紋孔,如果講究,通常會在射出時直接埋入螺紋襯套,
不考慮頻繁拆裝的乾脆留個小孔配合自攻螺絲,根本不鑽螺紋;
很多木製品也是用這種方式,木製品更省錢的方式是直接打空壓釘,鑽、鎖的動作全部都省略掉。

直孔另外一個要注意的是深度與直徑比,
小直徑鑽頭的強度自然會比較差,準直度也容易受到外力影響,
直徑小於2、3mm的孔或螺紋要鑽孔甚至深孔,其實是很困難的,
尤其一般市售的鑽頭直徑配合的長度會有一定的限制;
通常深度在直徑 5倍 以下都算是容易鑽的,以手動鑽床通常不會有太大的問題,
甚至對一些大直徑,或相對鑽頭軟材料(例如木頭、塑膠等),10 倍的深度直徑比通常也很容易,
所以如果加工材料硬度高、或者使用小直徑鑽頭,就要小心深度與直徑比的限制,
不過一般來說,機械設備零件少有深孔加工的需求,
但是在模具業,因為模具內的冷卻水路需求,
深孔加工在模具加工業就相對是很常見的需求,
加上模具鋼通常比一般中低碳鋼硬,
也配合開發出不同深孔鑽方法與工具,
不過更進步的技術會以3D金屬列印出異形水路,
擺脫以往的直孔鑽孔加工,
有點離題了…

前面的描述在於提醒要注意鑽孔深度跟直徑比例要在一定的合理範圍內,
太大會很難加工,必需使用特殊鑽頭,自然會增加成本。

第二個可以留意的是沉頭孔,
一般沉頭孔是屬於大小直徑組合的螺絲鎖孔,
雖然大小直徑可以自由指定,
但是實務上有符合各國標準尺寸的沉頭孔成型鑽頭,
也就是鑽一次大小直徑的孔就可以完成沉頭孔鑽孔,
不需要換不同直徑的鑽頭鑽兩次;
在加工時間成本上會比較有利;

內六角螺絲用沉頭鑽頭,圖片來源:蘇氏精密

埋頭(平頭)螺絲適用的錐孔也是:
埋頭螺絲用沉頭鑽頭,圖片來源:蘇氏精密
如果埋頭或沉頭的大小徑指定其他尺寸規格,那就要換鑽頭,時間成本就會增加。


第三個要注意的是攻螺紋,
螺紋的規格還蠻多的,
首先是一般常用在固鎖用的公制或英制螺紋,
不同螺紋徑又分牙距的細牙與粗牙,
還有根據特定用途的螺紋規格,
例如管用螺紋,一般又稱管牙,
又分平行或有錐度的管牙,
所以攻螺紋要決定螺紋規格、直徑、粗/細牙,
還有螺紋深(長)度…
其中螺紋深度一項最容易被忽略,
原因是一般市售螺絲攻不同直徑有一定的螺絲攻長度,
如果要攻深螺紋要買加長的絲攻,成本就會比較高,
不是想攻多長的牙都可以。

補充一點,盲孔攻螺紋要特別小心,一般螺絲攻尾端是有錐度的,所以實際上標示 12mm 的螺紋深度,可能只有8~10mm 螺紋有攻完全,剩下的2~4mm其實螺紋徑會太小,螺絲會是不進去的;
也就是如果預計螺絲有10mm長鎖進螺紋,螺紋深度至少標12mm會比較保險,甚至要標到15mm深。

另外攻牙通常需要先鑽一個小孔徑的孔來使用,參考連結
孔太大螺絲配合間隙會太大,
孔太小攻螺紋會比較費力耗時,甚至造成螺絲攻損壞;
如果是攻盲孔,甚至會分引孔,第一攻、第二攻跟第三攻,
總共四次,牙才能攻完全,
當然這是比較講究的加工方式,省錢的作法就是引孔,使用第二攻尺寸完成螺紋。

孔螺紋加工會根據材料不同而不同,
機械上的鈑金件,有的是直接攻螺紋(至少要有2~3個以上的螺紋),
講究的會鑽孔加拉帽或焊接螺帽,那在鈑金上鑽一個孔配合拉帽或螺絲即可:
拉帽,圖片來源:螺峯金屬

有的是利用冲孔的餘料作螺紋...



一般鑽孔攻牙並不難,而且數量就是必須配合元件或一定的鎖固強度標準,
主要差別還是在於對加工時間成本的影響,
當然特殊尺寸鑽頭、絲攻的成本也是要小心注意,不要故意挑奇怪的規格。



參考資料:
YAMAWA,加工問題之知識錦囊
碧威網頁,鉸刀
UNISIG,深孔鑽

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