论文部分内容阅读
摘要：重点介绍了一款新型无须工具的笼式螺母的设计，以市场需求作为切入点，结合市场现有产品的优缺点，定位新品的功能和潜在客户需求，从工艺的角度选择合理的制作方案和材料。设计目标是不需要依赖额外的工具就可以进行此笼式螺母的安装，而且安装速度比用工具的时候更快，至少可以节省50%的安装时间，同时又能保证与原始常规笼式螺母具有一样的强度和功能。为了降低生产成本，设计并形成了自动化的组装方案。
关键词：笼式螺母;无须工具;尺寸公差;四方螺母;自动化生产解决方案
0 引言
笼式螺母是在服务器机柜中大量使用的一个标准五金件。目前市场上常规的笼式螺母，是一个五金壳体与四方螺母的结合体，五金壳体一般为碳钢，弹簧钢做热处理或者是不锈钢材质，带有一定的弹性，通常用于正方形的孔。常規笼式螺母的生产厂家非常多，价格也比较便宜，但问题在于，这种笼式螺母的安装和拆卸必须借助于一种专用的工具或者螺丝刀，如果没有这种专用的工具，依靠手指很难安装到导轨上，同时也难以把一个已经安装在导轨上的笼式螺母拆卸下来。
本文介绍一款新型无须工具的笼式螺母的设计，其不需要借助额外的工具，仅凭双手十指，就能够实现快速、便捷的安装和拆卸。
1 设计需求和设计方案
1.1 设计需求
1.1.1 要满足无工具化的功能，安装、拆卸便捷
常规的笼式螺母安装方法如图1所示，流程如下：
（1）取出一个笼式螺母，由内向外，对准导轨上的方形孔，确保笼式螺母的卡扣面朝外侧。
（2）将卡扣的一侧扣住导轨上的方形孔。
（3）把笼式螺母专用工具穿过方形孔勾住另外一侧的卡扣。
（4）使用此专用工具，用力把笼式螺母拉过方形孔，直到卡扣的另外一侧卡住导轨的另外一侧。如要移除的话，反向操作即可。
而我们的设计目标是要使这个工作过程更加简单。
1.1.2 可以快速生产
常规的笼式螺母结构简单，如图2所示，四方螺母在外壳成型之后装入，可以大批量生产。新设计的螺母也要与之一样，可以快速大批量生产。考虑到各种工艺的生产效率，仍然选用传统连续模冲压生产的方式制作外壳，模具按照1出2的方式制造，每小时的外壳产量可以达到8 000件以上。
1.1.3 成本控制在市场可以接受的程度
常规笼式螺母售价不高，新设计的无须工具的笼式螺母价格也不能过高，要控制在市场可以接受的程度。
1.2 设计方案
常规笼式卡扣必须借助工具才能够把弹片压缩，使之能够穿过四方孔。新设计中要把这个压缩的力量减少到手指可以轻松捏动的程度，所以增加了一个类似弹片的结构，弹片设计成一定的长度且在底部带有弧度，弧度的尺寸要与卡扣形变的尺寸相对应，以使得操作者在捏紧弹性边的时候，卡扣能被压缩到小于方形孔内孔尺寸。
相对于常规的笼式螺母，新款设计中增加了固定四方螺母的90°折弯特征（图3），因为常规笼式螺母外壳固定四方螺母是利用两边的卡扣，它们可以控制X方向左右与Y方向上下的限位，前后的下翻折可以控制X方向前后的限位（参考图2）。
新款设计中，X方向左右向的右边（图3）做成了活动的弹性边，无法在此方向限制四方螺母，四方螺母在这个方向可能会掉出来，所以此方向增加2个折弯限位;又因为活动卡扣要留出足够的空间让弹性边变形，以确保能够塞入方形孔，以及确保塞入方形孔之后回弹力足够可以卡住机架方孔，所以新款设计的开口比常规的笼式螺母开口大，需要在Y方向制作限位以确保四方螺母不从Y方向掉出来。
2 设计要点
2.1 卡槽宽度标准值的设定
笼式螺母要满足用于不同板厚的四方孔导轨机架，常规的机柜导轨机架的钣金厚度是1.5 mm和2.5 mm。设计兼顾了两种不同的板厚，在做卡扣设计的时候以2.5 mm作为标准。因为与笼式螺母配合的机柜机架一般都会做表面处理，且常用的表面处理是粉末涂装，涂层厚度通常为0.07～0.12 mm，所以，真正卡扣卡槽的宽度需要在板厚的基础上增加双面涂层厚度0.25～0.40 mm。
此数据是考虑到涂层偏厚的情况，取最大值0.4 mm，因此最终的卡槽设计宽度为2.5+0.4 mm=2.9 mm，取上公差+0.20 mm，下公差0.0 mm。
2.2 卡扣翻边宽度标准值的设定
卡扣翻边标准设计宽度为1.2 mm，考虑到冲压工艺不能形成理论上的直角，折弯处必定带有一定的工艺R角，工艺R角的存在会导致理论设计的圆弧与装配有干涉，为了排除干涉，考虑模具制作过程，基于外壳不锈钢钢板的厚度0.5 mm，常规最小工艺可行的R角设定为0.5 mm，在设计时，增加标准宽度为1.5 mm以补偿工艺R角干涉造成的有效卡扣作用距离损失。
2.3 尺寸公差配合的优化
产品试样阶段，发现部分产品不能卡入2.5 mm的板厚，调查发现，原始理论设计的A尺寸（底面到固定顶部翻边的距离）与B尺寸（底面到卡槽下弯面的距离）是相同的（图4），实际生产的时候会出现上下偏差。
理论A尺寸和B尺寸的公差都是±0.25 mm，最坏的情况，A尺寸走上公差+0.25 mm，B尺寸走下公差-0.25 mm，A尺寸会比B尺寸大0.5 mm。当A尺寸大于B尺寸的时候，卡扣实际作用距离就会变小。卡扣开口处的设计尺寸是2.9 mm，出现上面说的极限情况时，设计开口作用尺寸减少为2.9-0.5=2.4 mm，小于2.5 mm，即使钢板未做表面处理，也不能顺利卡入。 鉴于此情况，改动设计，把B尺寸做大0.25 mm，标注图纸公差A定义为+0.0/-0.25 mm，B定义为+0.25/-0.0 mm，确保在极限情况下，有效卡入距离没有被减少。
2.4 材料的选择
目前，常规笼式螺母外壳的材料比较杂，根据品质高低，大致做如下分类：
第一类，普通碳钢，不做热处理，这种笼式螺母的品质比较低，弹性很差，用于要求不高的场合。
第二类，弹簧钢，后道做热处理和镀锌，这类笼式螺母品质中等，市场上比较普遍。
第三类，不锈钢，市场上有使用304和301材料。
从材料价格考虑，首选的材料是弹簧钢，但是由于产品结构原因，不能像常规笼式螺母一样把整个外壳的造型全部生产完成之后再装入四方螺母。鉴于三面限位的状态，唯一留出的位置必须在装入螺母之后进行最后一道压弯（图5），如果是弹簧钢，则经过热处理之后硬度升高，强行压弯的话对外壳压弯处的内部组织会造成破坏，后期会有极大的风险发生断裂。如果装入四方螺母之后再去进行热处理，则不仅增加热处理费用，而且因厚度不均匀容易造成热处理效果不好。
综合考虑，选择不锈钢，针对不锈钢牌号材料特性以及产品使用场合，最终选定301不锈钢为材料，这是因为301不锈钢的延展性、抗磨性和疲劳强度比较好，而且硬度可以达到比较高的程度。硬度方面，综合考虑，选择3/4硬度，既满足弹性需求，又能避免在成型过程中发生开裂现象。
2.5 卡扣角度的选择
如图6所示，原设计的角度是93°±3°，当角度走下公差时，最小角度接近90°，此时，捏下弹片进行卡装的时候，几乎没有导向，会造成卡装不顺利。为了留下足够的余量和导向空间，增加卡扣的开口角度α为96°±3°。
2.6 自動化生产
笼式螺母的外壳最后一道工序并不是在冲压连续模中完成的，需要后道装入四方螺母之后才能够把90°的翻边翻折到位，此工序在前期试生产过程中，用人工安装和推入翻边的方法进行作业，但效率不高，无法及时完成大批量的生产。
改善方案：通过转盘分料机构，把外壳按照一定的方向排列，由输送装置统一送入四方螺母，并由特制自动推入机构进行作业，从而极大地提高生产效率，降低加工成本。
3 测试结果
使用此新设计的产品（安装效果如图7所示），与常规笼式螺母进行对比安装和拆除测试，新品笼式螺母安装效率更高，拆卸效率表现更加优异。
新型无须工具的笼式螺母总共能节约50%以上的安装和拆除时间。
4 结语
本文重点介绍了一款新型笼式螺母的设计，从研究市场需求到讨论、制订设计方案，详细讨论了设计细节和制造过程中存在的问题点，并有针对性地一一做了分析，提出了改善的方案。即使对于一个单件的产品，要做到设计合理、制造简单有效也需要经过详细周全的考虑，并经过一系列的测试验证才能顺利量产，达到预计的设计目标和需求。
[参考文献]
[1] 伍千思.钢铁材料手册：不锈钢（第5卷）[M].2版.北京：中国标准出版社，2009.
[2] 朱金生.机械设计实用机构运动仿真图解[M].3版.北京：电子工业出版社，2019.
[3] 成虹.冲压工艺与模具设计[M].3版.北京：机械工业出版社，2017.
收稿日期：2021-04-12
作者简介：罗锋（1982—），男，浙江湖州人，工程师，研究方向：机械、自动化、模具。
关键词：笼式螺母;无须工具;尺寸公差;四方螺母;自动化生产解决方案
0 引言
笼式螺母是在服务器机柜中大量使用的一个标准五金件。目前市场上常规的笼式螺母，是一个五金壳体与四方螺母的结合体，五金壳体一般为碳钢，弹簧钢做热处理或者是不锈钢材质，带有一定的弹性，通常用于正方形的孔。常規笼式螺母的生产厂家非常多，价格也比较便宜，但问题在于，这种笼式螺母的安装和拆卸必须借助于一种专用的工具或者螺丝刀，如果没有这种专用的工具，依靠手指很难安装到导轨上，同时也难以把一个已经安装在导轨上的笼式螺母拆卸下来。
本文介绍一款新型无须工具的笼式螺母的设计，其不需要借助额外的工具，仅凭双手十指，就能够实现快速、便捷的安装和拆卸。
1 设计需求和设计方案
1.1 设计需求
1.1.1 要满足无工具化的功能，安装、拆卸便捷
常规的笼式螺母安装方法如图1所示，流程如下：
（1）取出一个笼式螺母，由内向外，对准导轨上的方形孔，确保笼式螺母的卡扣面朝外侧。
（2）将卡扣的一侧扣住导轨上的方形孔。
（3）把笼式螺母专用工具穿过方形孔勾住另外一侧的卡扣。
（4）使用此专用工具，用力把笼式螺母拉过方形孔，直到卡扣的另外一侧卡住导轨的另外一侧。如要移除的话，反向操作即可。
而我们的设计目标是要使这个工作过程更加简单。
1.1.2 可以快速生产
常规的笼式螺母结构简单，如图2所示，四方螺母在外壳成型之后装入，可以大批量生产。新设计的螺母也要与之一样，可以快速大批量生产。考虑到各种工艺的生产效率，仍然选用传统连续模冲压生产的方式制作外壳，模具按照1出2的方式制造，每小时的外壳产量可以达到8 000件以上。
1.1.3 成本控制在市场可以接受的程度
常规笼式螺母售价不高，新设计的无须工具的笼式螺母价格也不能过高，要控制在市场可以接受的程度。
1.2 设计方案
常规笼式卡扣必须借助工具才能够把弹片压缩，使之能够穿过四方孔。新设计中要把这个压缩的力量减少到手指可以轻松捏动的程度，所以增加了一个类似弹片的结构，弹片设计成一定的长度且在底部带有弧度，弧度的尺寸要与卡扣形变的尺寸相对应，以使得操作者在捏紧弹性边的时候，卡扣能被压缩到小于方形孔内孔尺寸。
相对于常规的笼式螺母，新款设计中增加了固定四方螺母的90°折弯特征（图3），因为常规笼式螺母外壳固定四方螺母是利用两边的卡扣，它们可以控制X方向左右与Y方向上下的限位，前后的下翻折可以控制X方向前后的限位（参考图2）。
新款设计中，X方向左右向的右边（图3）做成了活动的弹性边，无法在此方向限制四方螺母，四方螺母在这个方向可能会掉出来，所以此方向增加2个折弯限位;又因为活动卡扣要留出足够的空间让弹性边变形，以确保能够塞入方形孔，以及确保塞入方形孔之后回弹力足够可以卡住机架方孔，所以新款设计的开口比常规的笼式螺母开口大，需要在Y方向制作限位以确保四方螺母不从Y方向掉出来。
2 设计要点
2.1 卡槽宽度标准值的设定
笼式螺母要满足用于不同板厚的四方孔导轨机架，常规的机柜导轨机架的钣金厚度是1.5 mm和2.5 mm。设计兼顾了两种不同的板厚，在做卡扣设计的时候以2.5 mm作为标准。因为与笼式螺母配合的机柜机架一般都会做表面处理，且常用的表面处理是粉末涂装，涂层厚度通常为0.07～0.12 mm，所以，真正卡扣卡槽的宽度需要在板厚的基础上增加双面涂层厚度0.25～0.40 mm。
此数据是考虑到涂层偏厚的情况，取最大值0.4 mm，因此最终的卡槽设计宽度为2.5+0.4 mm=2.9 mm，取上公差+0.20 mm，下公差0.0 mm。
2.2 卡扣翻边宽度标准值的设定
卡扣翻边标准设计宽度为1.2 mm，考虑到冲压工艺不能形成理论上的直角，折弯处必定带有一定的工艺R角，工艺R角的存在会导致理论设计的圆弧与装配有干涉，为了排除干涉，考虑模具制作过程，基于外壳不锈钢钢板的厚度0.5 mm，常规最小工艺可行的R角设定为0.5 mm，在设计时，增加标准宽度为1.5 mm以补偿工艺R角干涉造成的有效卡扣作用距离损失。
2.3 尺寸公差配合的优化
产品试样阶段，发现部分产品不能卡入2.5 mm的板厚，调查发现，原始理论设计的A尺寸（底面到固定顶部翻边的距离）与B尺寸（底面到卡槽下弯面的距离）是相同的（图4），实际生产的时候会出现上下偏差。
理论A尺寸和B尺寸的公差都是±0.25 mm，最坏的情况，A尺寸走上公差+0.25 mm，B尺寸走下公差-0.25 mm，A尺寸会比B尺寸大0.5 mm。当A尺寸大于B尺寸的时候，卡扣实际作用距离就会变小。卡扣开口处的设计尺寸是2.9 mm，出现上面说的极限情况时，设计开口作用尺寸减少为2.9-0.5=2.4 mm，小于2.5 mm，即使钢板未做表面处理，也不能顺利卡入。 鉴于此情况，改动设计，把B尺寸做大0.25 mm，标注图纸公差A定义为+0.0/-0.25 mm，B定义为+0.25/-0.0 mm，确保在极限情况下，有效卡入距离没有被减少。
2.4 材料的选择
目前，常规笼式螺母外壳的材料比较杂，根据品质高低，大致做如下分类：
第一类，普通碳钢，不做热处理，这种笼式螺母的品质比较低，弹性很差，用于要求不高的场合。
第二类，弹簧钢，后道做热处理和镀锌，这类笼式螺母品质中等，市场上比较普遍。
第三类，不锈钢，市场上有使用304和301材料。
从材料价格考虑，首选的材料是弹簧钢，但是由于产品结构原因，不能像常规笼式螺母一样把整个外壳的造型全部生产完成之后再装入四方螺母。鉴于三面限位的状态，唯一留出的位置必须在装入螺母之后进行最后一道压弯（图5），如果是弹簧钢，则经过热处理之后硬度升高，强行压弯的话对外壳压弯处的内部组织会造成破坏，后期会有极大的风险发生断裂。如果装入四方螺母之后再去进行热处理，则不仅增加热处理费用，而且因厚度不均匀容易造成热处理效果不好。
综合考虑，选择不锈钢，针对不锈钢牌号材料特性以及产品使用场合，最终选定301不锈钢为材料，这是因为301不锈钢的延展性、抗磨性和疲劳强度比较好，而且硬度可以达到比较高的程度。硬度方面，综合考虑，选择3/4硬度，既满足弹性需求，又能避免在成型过程中发生开裂现象。
2.5 卡扣角度的选择
如图6所示，原设计的角度是93°±3°，当角度走下公差时，最小角度接近90°，此时，捏下弹片进行卡装的时候，几乎没有导向，会造成卡装不顺利。为了留下足够的余量和导向空间，增加卡扣的开口角度α为96°±3°。
2.6 自動化生产
笼式螺母的外壳最后一道工序并不是在冲压连续模中完成的，需要后道装入四方螺母之后才能够把90°的翻边翻折到位，此工序在前期试生产过程中，用人工安装和推入翻边的方法进行作业，但效率不高，无法及时完成大批量的生产。
改善方案：通过转盘分料机构，把外壳按照一定的方向排列，由输送装置统一送入四方螺母，并由特制自动推入机构进行作业，从而极大地提高生产效率，降低加工成本。
3 测试结果
使用此新设计的产品（安装效果如图7所示），与常规笼式螺母进行对比安装和拆除测试，新品笼式螺母安装效率更高，拆卸效率表现更加优异。
新型无须工具的笼式螺母总共能节约50%以上的安装和拆除时间。
4 结语
本文重点介绍了一款新型笼式螺母的设计，从研究市场需求到讨论、制订设计方案，详细讨论了设计细节和制造过程中存在的问题点，并有针对性地一一做了分析，提出了改善的方案。即使对于一个单件的产品，要做到设计合理、制造简单有效也需要经过详细周全的考虑，并经过一系列的测试验证才能顺利量产，达到预计的设计目标和需求。
[参考文献]
[1] 伍千思.钢铁材料手册：不锈钢（第5卷）[M].2版.北京：中国标准出版社，2009.
[2] 朱金生.机械设计实用机构运动仿真图解[M].3版.北京：电子工业出版社，2019.
[3] 成虹.冲压工艺与模具设计[M].3版.北京：机械工业出版社，2017.
收稿日期：2021-04-12
作者简介：罗锋（1982—），男，浙江湖州人，工程师，研究方向：机械、自动化、模具。