1. 什么是嵌件成型？
嵌件是指嵌入塑料中的部件，例如金属、玻璃、木材、纤维、纸张、橡胶或预成型塑料组件。金属是最常见的嵌件材料。嵌件成型工艺首先将嵌件固定在注塑模具内的合适位置，然后将塑料注入模具。模具打开后，冷却固化的塑料会包裹住嵌件，从而形成带有螺纹或电极等特征的零件。
在嵌件成型中，嵌件可以通过两种方式放置在模具中：
1）人工放置
这会显著增加注塑成型周期时间，适用于小批量生产或结构复杂的产品；
2）自动化放置
这更有利于大规模生产，有助于减少人为错误、提高效率、缩短周期时间并提高产品可靠性。
2.嵌件成型的优点和缺点 2.1 嵌件成型的优点
1）将塑料的可塑性和弹性与金属的刚性、强度和耐热性相结合，可以制造出坚固、复杂、一体化的金属-塑料产品，同时减小产品的尺寸和重量。
2）塑料的绝缘性和金属的导电性相结合，使模塑件能够满足电子产品的基本功能要求，还能满足磁性、耐磨性和紧固性等特殊要求。
3）在塑料中添加金属嵌件可以提高塑料零件的强度。
4) 嵌件成型提供了更大的设计灵活性，并为塑料、金属和其他组件的组合创造了新的可能性。
5）它可以省去热铆接、焊接和铆接等二次加工工序，从而有可能减少组装时间和成本。
6) 嵌件不仅限于金属；它们还可以包括织物、纸张、电线、塑料、玻璃、木材、线圈、电子元件和模制塑料零件。
7) 对于橡胶密封片上的刚性模制件和柔性弯曲件，将零件模制成一体产品，可以省去布置密封圈的复杂工作，使后续的自动化组装更加容易。
8) 由于熔融塑料与金属嵌件结合，金属嵌件周围的间隙可以设计得比压入配合方法更小，从而提高产品可靠性，并使产品更有可能通过振动测试。
9）采用合适的塑料材料和成型条件，即使是容易变形或损坏的部件，如玻璃、线圈和电子元件，也可以用塑料密封和固定。
10）通过适当的模具设计，可以将嵌件完全封装在塑料中。
11）通过将立式注塑机与机器人和嵌件排列装置相结合，大多数嵌件成型操作都可以实现自动化。
2.2 嵌件成型的缺点
1）嵌件放置通常会使模具结构更加复杂，延长成型周期，增加制造成本，并使自动化更加困难。
2）由于嵌件和塑料的热膨胀系数不同，成品中可能会产生残余应力，导致开裂。在注塑成型螺母嵌件时，这个问题尤为突出。
3）嵌件与塑料之间的热膨胀系数差异也会导致产品翘曲或变形。
4) 嵌件，尤其是螺母嵌件，通常需要预热或干燥以减少残余应力。
5）嵌件必须牢固地固定在模具中；否则，熔融材料的冲击可能会导致嵌件移位或变形。
6) 如果在嵌件成型过程中出现缺陷——例如成型不完整、嵌件缺失或嵌件位置不正确——则整个产品可能需要报废，从而造成重大损失。
7) 嵌件成型使产品回收和处置更加困难。
3.嵌件成型技术的应用
嵌件成型广泛应用于汽车、医疗、电子、连接器等行业。
4.嵌件成型设计指南
在进行嵌件成型设计时，必须充分考虑工艺特性，并且设计应遵循面向制造的设计 (DFM) 原则。
该指南包括：
1）嵌件材料选择。铜、铝、钢、硬质异种塑料件、陶瓷、玻璃和塑料均可用作嵌件材料。黄铜因其耐腐蚀、易于加工且价格适中而被广泛应用。
2）插入形状。尽可能使用圆形或轴对称形状。避免尖角和锐角，以促进均匀收缩并防止局部应力或应力集中。
3）将面向制造的设计（DFM）原则应用于嵌件本身。金属嵌件通过机械加工或冲压制造，因此其几何形状必须适合制造工艺。
▲ 插件本身的DFM设计
4) 为了便于在模具中进行放置和定位，嵌件突出的部分（位于模具中的部分）应该是圆柱形的，因为圆形孔更容易在模具中加工。
▲ 嵌件凸起部分的设计
5) 嵌件应包括密封肩或类似结构，以防止注塑成型过程中塑料飞边。
▲ 插肩设计
6) 为防止嵌件下方的塑料变薄，产生影响外观和强度的波浪状凹陷痕迹，嵌件底部到塑料壁的最小距离 T 应为 T > D/6。
▲ 嵌件与底面之间的距离
如果距离太小，可以使用下图所示的设计。
▲ 保持壁厚均匀
7) 嵌件与产品侧壁之间的间隙不能太小，以保证模具保持足够的强度。
▲嵌件与侧壁之间的间隙
8) 当将嵌件放入凸台中时，嵌件应延伸至凸台底部（同时保持底部最小厚度），以确保与塑料本体牢固连接并达到足够的强度。将嵌件头部修圆。
▲插入老板
9) 小型圆柱形嵌件可通过中心槽或表面菱形滚花纹路固定在塑料本体中。滚花纹路深度应为1-2毫米。
▲ 固定小型圆柱形嵌件
10) 片状或薄片状嵌件可通过孔或窗口固定。对于薄嵌件（厚度小于0.5毫米），建议采用切口或弯曲固定。
▲ 固定板状或片状嵌件
11) 棒状嵌件可以通过压扁、开槽、弯曲或劈开末端来固定，或者通过压扁圆棒的中间部分来固定。
▲ 固定杆状嵌件（变形端）
▲ 固定管状嵌件（变形的中间部分）
12) 对于冲压管状嵌件，可以在冲压过程中形成凸起，以提高固位力。
▲ 固定冲压管状嵌件（变形的中间部分）
13) 在连接器中，确保端子插片牢固地固定在塑料件中是产品设计工程师需要考虑的关键因素。提高端子固定效果的常用方法包括：
- 在嵌入塑料中的端子上打孔
- 使终端呈现不规则轮廓
- 弯曲端子
- 在端子上增加表面粗糙度或凸起/凹陷特征
- 增加塑料壁厚
▲ 带孔、不规则轮廓和弯曲的端子插件
5. 螺母嵌件的设计指南
螺母嵌件是最常见的嵌件类型之一。螺母嵌件及其对应的塑料凸台必须设计正确；否则，可能会出现诸如拉拔力不足或凸台开裂等质量问题。
5.1 三种安装螺母的方法
将螺母嵌入塑料零件中的方法有三种：
1）热铆接螺母
热铆接是最常见的安装方法，通常使用热铆接机或手动操作的烙铁进行。
2）注塑成型螺母
这种方法对塑料凸台上的孔径控制要求非常严格，通常精度在0.05毫米以内。螺母由注塑销固定并定位在注塑模具中，因此孔径必须根据注塑机上注塑销的尺寸来控制。
3）超声引导插入
超声波振动使螺母与工件之间产生摩擦，从而提高界面温度。当温度达到工件的软化温度时，螺母嵌入到塑料件中。振动停止后，工件在压力下冷却并固化。每种方法各有优缺点；本文重点介绍嵌件成型螺母。
5.2 插入螺母的外形几何形状
嵌件螺母的外部几何形状经过特殊设计，可与塑料材料形成牢固的机械互锁。其关键特征通常包括菱形或直线滚花，以最大限度地提高抗扭矩和抗拉拔力。纵向凹槽或倒角通常用于防止旋转。底部的倒角导向槽便于轻松准确地将螺母安装到模具或预成型孔中。此外，顶部凸缘或环箍可限制插入深度并提供轴向支撑。某些设计还带有密封环，以防止熔融塑料溢出到螺纹中。这些几何特征共同确保了高度可靠和耐用的连接。
5.3 插入螺母规格示例
5.4 塑料凸台设计和螺母选择
1）螺母和塑料凸台的基本尺寸
- 尺寸 d 为螺母底部，也称为导向/定位段。插入前，它与塑料凸台的 C 段配合。因此，螺母底部的尺寸 d 应小于塑料凸台的内孔直径 C，以便于定位。
- 尺寸D为螺母的外径，对应于塑料凸台的内孔直径C。对于手机螺母，塑料孔的直径通常比螺母的外径小0.25～0.3毫米。
- 尺寸 L 为螺母的长度，对应于塑料凸台上的孔深 Y。塑料孔的深度通常比螺母的长度深 0.5–1.0 毫米，以便为多余的塑料留出空间。
- W 是孔周围塑料壁的厚度。塑料凸台的壁厚通常至少为 0.8–1.0 毫米。较大的螺母需要更厚的壁厚。请参见下表中的参数。
| Thread | 外径 D | 长度L | 塑料凸台孔 | 塑料壁厚 W | |
| 直径 C | 深度 Y | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.3 | 2.0 | 2.0 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.3 | 1.8 | 2.0 | 2.8 | 0.8 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.35 | 2.0 | 2.1 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.5 | 1.8 | 2.2 | 2.8 | 1.0 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.7 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.8 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
5.5 常见问题及解决方法
1) 塑料凸台上孔的尺寸必须精准。如果孔太大，嵌入螺母后塑料部分无法充分啮合，导致扭矩不足和拉拔阻力降低。如果孔太小，则可能出现毛刺或裂纹。
2) 如果螺母尺寸和塑料尺寸正确，但问题仍然存在，请考虑改进设计。
由于塑料凸台较浅，使用双斜纹滚花螺母会导致螺母尺寸确定后滚花部分过短。螺母嵌入后，与滚花接触的塑料部分过少，导致扭矩和拔出阻力不足。因此，通常建议塑料凸台孔的深度至少为 2.5 毫米，螺母的长度至少为 2.0 毫米。
改进方案：如果修改模具较为困难，可考虑将螺母滚花纹路改为单斜BS1花纹，如图右所示。这样可以增加滚花纹路的台阶高度和与滚花纹路接触的塑料量，从而提高扭矩和拉拔阻力。
3) 塑料凸台孔周围出现毛刺或裂纹
当使用左侧所示的螺母样式时，螺母嵌入塑料后，A1 和 A2 区域会膨胀，而 B 区域则会急剧收缩。这会导致塑料难以流平，并在螺母的上下两端形成毛刺，严重影响产品外观。
改进：利用C段作为导向和定位结构，使螺母能够牢固地放置在塑料孔中，从而提高效率和成品率。C段导向结构允许从A2区域挤出部分塑料，同时为A1区域保留足够的塑料。此外，A1和A2区域均采用斜向滚花，其夹角为90°，斜面角度为45°。它们的交汇处形成一个坚固的节点，能够抵抗周向扭矩，从而显著提高扭矩和拔出阻力。
