安裝孔對(duì)于螺絲斷裂所形成的原因

自攻擰緊過(guò)程中，塑料件安裝孔所在的區(qū)域會(huì)受到擠壓、摩擦和扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜作用，同時(shí)孔的圓周切線方向會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

自攻擰緊過(guò)程中的安裝孔開(kāi)裂是一種常見(jiàn)的現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)。引起該問(wèn)題的主要原因如下。

安裝孔的熔接痕強(qiáng)度低

對(duì)注塑件上的安裝孔（通常為圓柱狀）而言，注塑模具內(nèi)部必然存在賦予安裝孔形狀的型芯機(jī)構(gòu)。在注塑過(guò)程中，熔融的塑料料流到達(dá)安裝孔型芯時(shí)，料流會(huì)被分成兩股，繞過(guò)型芯后再次匯合，從而形成走向基本平行于安裝孔軸線的熔接痕。熔接痕處的強(qiáng)度通常為正常材料強(qiáng)度的 20%～80%。

如果模具結(jié)構(gòu)不合理或注塑參數(shù)存在問(wèn)題（如澆口過(guò)小、熔體溫度過(guò)低等），便會(huì)導(dǎo)致熔接強(qiáng)度過(guò)低，在自攻螺釘旋入時(shí),安裝孔壁因受力而沿熔接痕開(kāi)裂，這類開(kāi)裂案例在塑料件擰緊失效中的比例是很高的。

例如，某采用 POM 注塑的六角塑料螺母（圖3）在采用 2.5 N·m 的擰緊力矩進(jìn)行固定時(shí)，螺母一側(cè)發(fā)生貫穿式開(kāi)裂，見(jiàn)圖3，澆口與熔接痕位置以安裝孔為中心互呈 180°。經(jīng)分析，該螺母所用材料及尺寸均無(wú)問(wèn)題，主要是因?yàn)樽⑺軙r(shí)模溫低導(dǎo)致熔接痕強(qiáng)度過(guò)低而致擰緊時(shí)開(kāi)裂。

另外1個(gè)案例，圖紙要求塑料件采用 PP-GF20 制造，之前一直無(wú)任何擰緊問(wèn)題。后來(lái)有一批零件在自攻螺釘擰緊時(shí)有大約 10% 發(fā)生開(kāi)裂。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，供應(yīng)商在失效批次零件上錯(cuò)誤地使用了 PPGF30 材料，而注塑參數(shù)未發(fā)生改變。在同樣的注塑條件下，因 PP-GF30 材料流動(dòng)性較差而導(dǎo)致熔接痕處熔合強(qiáng)度降低，因而擰緊時(shí)熔接痕處發(fā)生開(kāi)裂。

圖3 熔接痕處開(kāi)裂的塑料六角螺母

安裝孔受力過(guò)高

正常情況下，需要采用自攻擰緊的塑料零件的安裝孔尺寸以及所選用的自攻螺釘尺寸均需經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)，以保證安裝后能形成可靠聯(lián)接,同時(shí)使安裝孔所受的力處于合適的范圍內(nèi)。

但由于設(shè)計(jì)參數(shù)選取不當(dāng)，或者因制造問(wèn)題未能實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的尺寸等原因，會(huì)造成擰緊失效問(wèn)題。

比如選用的自攻螺釘相對(duì)過(guò)粗或安裝孔相對(duì)過(guò)細(xì)，都會(huì)造成自攻擰緊過(guò)程中安裝孔壁內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過(guò)高，進(jìn)而造成安裝孔壁發(fā)生開(kāi)裂。

例如，某塑料件供貨廠由A供應(yīng)商切換為 B 供應(yīng)商后，在自攻螺釘擰緊時(shí)有 25% 的塑料件安裝孔壁發(fā)生開(kāi)裂（圖4）。根據(jù)分析，兩家供應(yīng)商的零件均采用含水量為 1.3% 的 PA6-GF30 材料，且加工亦符合圖紙要求，因而懷疑自攻螺釘或 B 供應(yīng)商塑料件安裝孔的尺寸有問(wèn)題。

圖4 塑料件安裝孔壁開(kāi)裂

圖紙規(guī)定的自攻螺釘尺寸為：螺紋外徑 D=7.00 mm，螺釘芯部直徑 d=5.00 mm，見(jiàn)圖5。經(jīng)檢測(cè)，螺釘尺寸符合圖紙要求，因而塑料件安裝孔的尺寸成為檢測(cè)焦點(diǎn)，塑料件安裝孔的形狀見(jiàn)圖6、尺寸結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 自攻螺釘尺寸

圖6 塑料安裝孔

從表 1 可見(jiàn)，B 供應(yīng)商生產(chǎn)的零件的 D1 直徑過(guò)小，甚至小于自攻螺釘芯部直徑 d。

因此，當(dāng)自攻螺釘由上至下擰入安裝孔后并逐步接近底孔時(shí)，螺釘對(duì)安裝孔壁的擠壓力越來(lái)越大，當(dāng)安裝孔壁的強(qiáng)度無(wú)法抵抗擠壓所引起的拉應(yīng)力時(shí)，最終就導(dǎo)致了安裝孔開(kāi)裂。

安裝孔壁過(guò)薄

與 上面 所述情況類似，如果塑料件安裝孔的壁厚過(guò)薄，也可能會(huì)使其無(wú)法承受自攻螺釘旋入時(shí)產(chǎn)生的安裝孔圓周方向的拉應(yīng)力，從而造成開(kāi)裂。

另外值得注意的問(wèn)題是，因模具型芯變形等原因?qū)е虏糠炙芰霞陌惭b孔孔壁局部偏薄的問(wèn)題

比如，某塑料件安裝孔在打自攻螺釘后開(kāi)裂（圖7），圖8為安裝孔的 CT 掃描剖面圖，可以看到安裝孔壁最薄處僅為 1.03 mm（位置5）；在自攻螺釘旋入過(guò)程中，安裝孔均于此側(cè)發(fā)生開(kāi)裂；

圖7 塑料件安裝孔開(kāi)裂

圖8 塑料件安裝孔 CT 掃描及尺寸標(biāo)注

而另一側(cè)最厚處則達(dá)到了 1.59 mm（位置6），從未發(fā)生過(guò)開(kāi)裂。根據(jù)分析，塑料件安裝孔壁厚不均是由于注塑模具中形成安裝孔的金屬芯軸位置發(fā)生偏移所致。

 安裝孔局部應(yīng)力過(guò)高

在塑料件注塑時(shí)，如果注塑參數(shù)或模具結(jié)構(gòu)不合理（如冷卻速度過(guò)快等），注塑后的零件中會(huì)產(chǎn)生很高的內(nèi)應(yīng)力。圖9所示的塑料螺母在自攻螺釘旋入過(guò)程中均在箭頭所示的澆口位置開(kāi)裂。

根據(jù)顯微切片分析結(jié)果看到，該塑料螺母澆口附近的料流極為紊亂，導(dǎo)致此處應(yīng)力過(guò)高（圖10），因而在自攻螺釘進(jìn)入時(shí)澆口位置附近容易發(fā)生開(kāi)裂。

塑料材料降解

如果注塑溫度過(guò)高，材料在料筒中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或者材料未得到充分烘干等，都會(huì)導(dǎo)致塑料材料在加工過(guò)程中發(fā)生降解，進(jìn)而使塑料零件的機(jī)械強(qiáng)度下降。

例如某采用 PC 注塑的零件因原材料未充分烘干而造成 PC 在注塑時(shí)嚴(yán)重降解，造成材料發(fā)脆，零件安裝孔在自攻螺釘旋入時(shí)發(fā)生碎裂，而不是普通的開(kāi)裂。

圖9 塑料螺母在澆口處開(kāi)裂

圖10 自攻擰緊聯(lián)接無(wú)法達(dá)到規(guī)定的力矩（打滑）

塑料件的自攻擰緊聯(lián)接通常在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定了一個(gè)合理的擰緊力矩。

但有些時(shí)候，當(dāng)自攻螺釘旋入塑料安裝孔中尚未達(dá)到設(shè)計(jì)力矩時(shí)，螺釘便在安裝孔中打滑，并造成安裝孔內(nèi)壁上的螺紋亂扣。

這是另外一種常見(jiàn)的擰緊失效問(wèn)題，這種問(wèn)題產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)。

安裝孔徑過(guò)大或自攻螺釘過(guò)細(xì)

塑料件的安裝孔內(nèi)徑過(guò)大或自攻螺釘過(guò)細(xì)時(shí)，在自攻螺釘旋入過(guò)程中，螺紋在安裝孔內(nèi)壁上侵入的深度過(guò)淺，使得螺紋表面和安裝孔內(nèi)壁之間的擠壓作用和摩擦力過(guò)小，因而無(wú)法達(dá)到足夠的擰緊力矩。

安裝孔壁內(nèi)部存在疏松區(qū)域

塑料件注塑時(shí)，因鎖模力過(guò)低或保壓壓力低等原因，造成安裝孔壁內(nèi)部存在疏松區(qū)域，使安裝孔剛性降低，在螺釘擠壓作用下會(huì)發(fā)生較大變形，從而造成擰緊扭矩過(guò)低，無(wú)法達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩，安裝孔壁內(nèi)部的疏松問(wèn)題有時(shí)即使采用CT掃描也難以發(fā)現(xiàn)。

例如，某塑料件采用ABS 材料制造，生產(chǎn)線發(fā)現(xiàn)某一批次零件擰緊力矩偏低，僅能達(dá)到1.8 N·m，而工藝要求為3.0 N·m。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)該件的安裝孔處于整個(gè)零件的料流末端，該處的材料密度僅為 1.09～1.10 g/cm3，而遠(yuǎn)離安裝孔的其它位置的材料密度則可以達(dá)到 1.15 g/cm3，因而推斷該件的安裝孔壁內(nèi)存在疏松區(qū)域，因而造成擰緊力矩過(guò)低。

 塑料件材料硬度偏低

如果塑料件選用的材料硬度偏低，也會(huì)使自攻螺釘螺紋表面和安裝孔內(nèi)壁之間的擠壓力和摩擦力過(guò)小，從而無(wú)法達(dá)到足夠的擰緊力矩。

例如某 POM 底座采用自攻螺釘擰緊方式固定，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)A供應(yīng)商的零件擰緊無(wú)問(wèn)題，而B(niǎo)供應(yīng)商的零件在擰緊時(shí) 100% 發(fā)生打滑，見(jiàn)圖11。

分析結(jié)果表明，B 供應(yīng)商的零件中含有橡膠增韌成分，使 POM 的韌性增加，球壓痕硬度僅為 56 N/mm2，零件在擰緊到 1.25 N·m 時(shí)發(fā)生打滑；而相比之下，A 供應(yīng)商采用的非增韌 POM 材料的球壓痕硬度可達(dá) 89 N/mm2，零件擰緊時(shí)完全可以達(dá)到工藝所要求的 2 N·m 扭矩。

A供應(yīng)商的零件             B供應(yīng)商的零件

圖11 兩家供應(yīng)商的塑料件擰緊后對(duì)比

另外，對(duì)玻纖增強(qiáng)塑料材料而言，如果選用的材料玻纖含量不足，也會(huì)導(dǎo)致材料硬度降低而造成自攻螺釘擰緊時(shí)無(wú)法達(dá)到規(guī)定的力矩。