冲压锁紧垫圈与挡圈：设计指南

作者 BQUQ Engineering Team 审核 BQUQ Quality Engineering 2024年12月24日次阅读 ISO 9001:2015 认证工厂

冲压锁紧垫圈与挡圈：设计指南

简短回答：冲压锁紧垫圈的工作原理是将螺栓预紧力转化为局部齿部压入和弹性变形，因此设计取决于三个数值：齿高（通常为0.15–0.50 mm）、齿数（通常沿圆周12–40个）以及相对于配合表面的材料硬度。对于低碳钢接头中的M4–M8紧固件，淬硬弹簧钢（HV 400–500）上0.25–0.35 mm的齿高可提供可靠的防松效果，而不会压溃接合面。垫圈在连续模上以每分钟100–400冲次生产，关键尺寸公差约为±0.05 mm，对于需要精确定位的挡圈，可提供更严格的±0.005 mm CNC精加工。

锁紧垫圈和挡圈看起来像是物料清单上最简单的零件。它们也是最容易在项目过程中被重新设计三次的零件，因为第一次没有人正确建模接头。本指南涵盖了决定冲压垫圈是能将接头保持十年还是在第一次振动扫描中就失效的几何形状、材料、公差和DFM规则。

锁紧垫圈和挡圈有什么区别？

锁紧垫圈用于防止松动。挡圈用于将某物固定到位——轴承、轴、连接器位置、弹簧——通常自身不承受显著的夹紧载荷。两者经常被混淆，因为它们都是中间带孔的扁平冲压件。

功能	典型零件	载荷路径	关键设计驱动因素
防松	锯齿形、开口环、楔形、带齿垫圈	承受螺栓预紧力，抵抗旋转	齿形几何、硬度
挡圈	挡圈垫圈、E形卡簧、推入式挡圈	仅承受轴向定位载荷	孔配合、导入倒角
弹簧补偿	波形垫圈、贝氏弹簧垫圈	预紧力下的弹性变形	自由高度、弹簧刚度
间隔/垫片	平垫圈、垫片	仅承受压缩	厚度公差、平面度

如果您的接头需要垫圈在振动下防止旋转，那么您设计的是锁紧垫圈。如果需要阻止销轴轴向脱出，那么您设计的是挡圈。将两种功能合并到一个零件中是可能的，但通常会在两方面都做出妥协。

何时普通平垫圈是正确的选择

螺栓头下的淬硬平垫圈不是锁紧装置——它分配载荷并保护接合面。许多归咎于垫圈的“松动”问题实际上是接头刚度问题：夹紧长度短的软接头会随着被夹材料的蠕变而失去预紧力。在垫圈上加齿并不能解决这个问题。首先检查接头。

锯齿形和带齿锁紧垫圈实际上如何工作？

有两种机制在起作用。首先，齿稍微压入配合表面，产生抵抗旋转的机械干涉。其次，齿发生弹性变形，储存能量，在接头沉降时维持夹紧载荷。

最佳效果来自淬硬垫圈与较软的配合表面配合。如果两个表面都硬，齿无法咬入，垫圈表现得像平垫片。如果垫圈软，齿在第一次拧紧时就被压平，锁紧效果在一次重复使用后就消失了。

齿形几何经验法则

齿高：小型电子紧固件为0.15 mm，M4–M8为0.25–0.35 mm，大型结构螺栓可达0.50 mm。
齿数：齿数越多分布越好，但单个齿的咬入深度越低。12–20个齿适合小直径；20–40个齿适合较大直径。
齿形：三角形齿咬入并抵抗两个方向的旋转。棘轮形齿在一个方向上抵抗强烈，在另一个方向上释放——适用于单向装配。
齿角：通常为60–90°夹角。更尖的角度咬入更深，但模具磨损更快，在大批量冲压中更难控制。

开口环和波形替代方案

开口环垫圈通过一个在载荷下压缩的螺旋间隙储存能量。它在热循环中维持预紧力方面表现出色，但抗旋转能力不如带齿垫圈。波形垫圈通过正弦轮廓实现相同功能，并且更容易冲压出一致的自由高度。许多设计将波形垫圈用于预紧力与锯齿形垫圈用于锁紧组合，堆叠在同一螺栓头下。

应指定哪种材料和硬度？

材料选择取决于垫圈必须咬入还是仅需支撑。

材料	典型硬度	锁紧性能	备注
碳素弹簧钢（如65Mn、C67S）	淬火后HV 400–500	优秀	带齿锁紧垫圈的标准选择
不锈钢301/304	HV 250–400（加工硬化）	良好至中等	耐腐蚀；咬入深度低于淬硬碳钢
磷青铜	HV 180–250	中等	电气接头，低磁信号
黄铜	HV 120–180	作为锁紧件较差	适用于挡圈和触点，不适用于锁紧
铝	HV 60–120	不是锁紧材料	仅用于散热器、间隔件、挡圈

淬火通常在冲压后进行，在连续炉或批次工艺中完成，随后进行回火以避免脆性。如果您的不锈钢垫圈需要防松，考虑使用加工硬化的301等级而非退火304——咬入深度的差异是显著的。

涂层和腐蚀

镀锌、锌镍和磷化加涂油是碳钢锁紧垫圈的常用表面处理。注意电镀会增加厚度——通常每面5–12 µm——如果垫圈位于紧密堆叠中，这一点很重要。指定电镀后的公差带，而不是电镀前，否则您将在装配中面临堆叠问题。电镀后高硬度零件需要进行氢脆消除处理；这是一个工艺步骤，不是检验步骤，因此请在控制计划中确认。

冲压实际上能保持什么公差？

这是大多数设计评审变得棘手的地方。冲压是一种大批量工艺，其公差与机加工公差不同。

特征	典型连续模冲压	备注
外径	±0.05 至 ±0.10 mm	取决于模具质量和带材宽度控制
内径（孔）	±0.03 至 ±0.08 mm	对挡圈至关重要；通常是最严格的标注
厚度	±0.02 至 ±0.05 mm	由带材公差决定，而非模具
齿高	±0.03 至 ±0.06 mm	淬硬零件在热处理中可能略有偏移
平面度	通常0.05–0.15 mm	淬火后更差；如有要求请指定
毛刺高度	可实现≤ 0.05 mm	去毛刺增加成本；尽早设计考虑

如果挡圈孔必须将轴定位在±0.01 mm以内，仅靠冲压无法一致地达到。两种选择：冲压时留余量，然后在CNC车床或铣床上将孔精加工至±0.005 mm，或者重新设计接口，使冲压件定位在台阶上而非孔上。第二种选择几乎总是更便宜。

冲压垫圈和挡圈的DFM规则

无论您运行的是简单的落料模还是多工位连续模，这些规则都适用。

保持孔边比合理

孔与外边缘之间的连接部分应至少为材料厚度的1.0倍，理想为1.5倍。更薄的连接部分会撕裂、变形，并产生沿圆周变化的毛刺。如果您的设计需要非常薄的连接部分，预计需要支付更慢的冲压速度和更频繁的模具维护费用。

有意识地设计毛刺面

每个冲压件都有毛刺面和断裂面。在锁紧垫圈上，毛刺面可能有利也可能有害。轴承面上的毛刺会划伤接合面并产生虚假的扭矩读数。在图纸上指定哪个面是哪个面，如果重要，添加去毛刺或滚光说明。

避免尖锐内角

齿根处的尖角会集中应力并在淬火时开裂。齿根处最小内圆角0.15–0.25 mm可显著提高热处理良率。这一更改不增加模具寿命成本，却可节省大量废品。

考虑零件如何送料

垫圈和挡圈通常从带材或振动料斗送料。如果零件几乎对称，会在送料器中卡住。一个小的不对称特征——凸耳、平面、偏心齿——可使定向可靠。如果您的设计必须对称，请规划料斗工装并接受较慢的送料速度。

规划淬火变形

如果垫圈在冲压后淬火，平面度和直径会发生变化。将淬火前的毛坯设计得稍大，并指定热处理后的最终尺寸。对于平面度至关重要的挡圈，考虑在淬火后进行压印或整平操作——这增加一个工位但解决了问题。

挡圈特定设计说明

挡圈承受定位载荷，而非夹紧载荷，因此设计优先级不同。

孔配合：推入式挡圈需要在轴径上大约0.05–0.15 mm的过盈量，取决于材料和壁厚。过小会脱出；过大会无法就位。
导入：孔上的倒角或成形导入可使挡圈推入时不会刮伤轴材料。
指数量：带成形指（通常三到六个）的挡圈比普通孔更能容忍轴径变化。
拆卸：如果零件必须可维护，设计拆卸特征——槽、凸耳或缺口——而不是依赖撬动，撬动会损坏挡圈和轴。

对于还承载电流或接地的挡圈，接触力与配合同样重要。支配冲压接触力设计的相同原则适用：法向力、接触面积和材料随时间的松弛。

成本驱动因素及如何降低

垫圈和挡圈的定价主要由三件事决定：材料、模具摊销和冲压时间。零件本身便宜；工装和设置不便宜。

成本驱动因素	典型影响	降低杠杆
材料等级和厚度	单件价格的30–50%	使用满足载荷的最薄等级；避免过度指定
模具复杂性	按产量摊销	减少工位，简化齿形
二次操作	单件价格的10–30%	通过设计消除去毛刺、滚光、整平
产量	摊销的主导因素	尽可能合并零件编号
公差严格度	影响废品率和速度	放宽非关键标注

最大的杠杆是公差纪律。团队通常在每个尺寸上都标注±0.02 mm，因为感觉安全。在冲压垫圈上，非功能尺寸的这种标注可能使废品率翻倍。仅标记重要的尺寸——通常是孔、厚度和齿高——其余按一般冲压公差运行。我们的冲压单件成本模型详细说明了这些因素在不同产量下如何相互作用。

锁紧垫圈的质量控制

锁紧垫圈在现场失效的原因在良好的检验计划中是可见的。

硬度验证：按批次进行基于抽样的洛氏或维氏测试。硬度是锁紧性能的最佳预测指标。
齿高：光学测量或轮廓投影，沿带材宽度取样，而不仅仅在一个位置。
孔径和圆度：生产用通止规，首件和定期审核用CMM。
平面度：在平板上或用平面度仪测量；对挡圈和堆叠装配至关重要。
毛刺高度：视觉和触觉标准，附照片限度，生产前与客户商定。
镀层厚度和附着力：按批次进行试片测试，以及淬硬零件的氢脆消除记录。

一份书面的金属冲压质量计划，将上述每一项与控制方法和反应计划联系起来，是可靠供应链与侥幸供应链的区别所在。

常见问题

问：冲压锁紧垫圈可以重复使用吗？

答：如果是淬硬带齿垫圈，通常不可以。齿在第一次拧紧时变形，重复使用时锁紧效果急剧下降。开口环和波形垫圈更能容忍重复使用，因为它们通过弹性工作而非压入。如果可维护性重要，请指定可重复使用的类型或计划在每个维护间隔更换。

问：锁紧垫圈应具有什么硬度？

答：对于碳素弹簧钢，淬火和回火后通常目标为HV 400–500。低于HV 350，齿在第一次拧紧时压平；高于HV 550，零件变脆，安装时齿根有开裂风险。不锈钢锁紧垫圈硬度较低，通常为HV 250–400，取决于加工硬化。

问：冲压挡圈的孔公差能有多紧？

答：连续模冲压通常保持孔径±0.03至±0.08 mm。如果您的应用需要更紧，冲压时留余量并通过CNC将孔精加工至±0.005 mm，或者重新设计使挡圈定位在台阶上而非孔上。重新设计通常比二次操作更便宜。

问：电镀会影响锁紧垫圈性能吗？

答：是的，有两个方面。电镀每面增加5–12 µm，改变堆叠高度并可能使齿尖变圆，降低咬入深度。它还会在淬硬零件上引入氢脆风险，需要电镀后烘烤。指定电镀后的最终尺寸，并在工艺文件中确认烘烤步骤。

问：定制冲压垫圈的最小起订量是多少？

答：这取决于模具复杂性而非零件尺寸。简单落料模具适合低产量；多工位连续模需要更高的年产量来摊销。BQUQ提供灵活的起订量，并将同时报价硬模具和较低产量的方案，以便您比较总成本而非仅单件价格。

与BQUQ合作冲压垫圈和挡圈

BQUQ在东莞一家工厂运行四条生产线：CNC加工至±0.005 mm、金属冲压、定制弹簧和散热器生产。这种组合对垫圈和挡圈很重要，因为它让我们能够冲压零件、淬火，并通过CNC精加工关键特征，而无需在供应商之间运输。我们通过ISO9001认证，在12个工作小时内报价，并采用灵活的起订量。

发送一份标有功能尺寸的图纸——孔、厚度、齿高、硬度以及不能有毛刺的面——我们将随报价一起返回DFM评审。如果某个公差在增加成本而不增加功能，我们会指出来。探索我们的定制金属冲压能力，或了解我们如何处理相邻应用的冲压支架和安装座。

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