无须工具的笼式螺母设计与应用

罗锋

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。