年底了,选出一年中我认为最有价值的5篇文章。
这一篇的主题是工程师需要具备系统思维。
塑胶螺丝支柱开裂,这是塑胶件产品开发过程中,工程师必定会遇到的问题之一。
“降本设计”十几个微信群里,问得最多的就是这个问题了。
而据我观察,不少工程师在碰到此类问题时,往往一筹莫展,不知道怎么解决。
有的工程师回答:可能是支柱内径尺寸太小;于是去测量尺寸;
有的工程师回答:可能是回料添加太多的;于是去问供应商是不是加了太多回料;
有的工程师回答:是不是扭矩太大了?于是去把扭矩减小。
。。。。。。
不可否认,这些提示在有些时候很有帮助,如果运气足够好,也许刚好可以解决问题。
但是,在我看来,这种解决问题的方式不够系统化和全局化,东一榔头、西一棒子,问题能否解决完全依靠个人经验、或者身边高手或者群里高手的经验。
如果大家现在依然在用这种方式去解决问题,不用着急,因为在我开始工作的前几年,我也是按照这种方式去解决问题的。
随着经历和阅历的增加,我才慢慢形成了系统化和全局化解决问题的方式。
本文将告诉大家,我是如何利用系统化、全局化的思维方式去看待和解决支柱开裂问题。
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螺丝支柱开裂,触目惊心
塑胶件通过自攻螺丝来进行紧固,这是一种广泛应用紧固工艺。
而在使用自攻螺丝进行紧固时,支柱开裂是经常发生的一个质量缺陷。
有的开裂仅仅是在支柱上产生裂纹,而有的是整个支柱从中间断裂。
而不论哪种形式,这都是不可接受的缺陷。
支柱开裂本身就是一个难以解决的问题。
但是支柱开裂时伴随的复杂现象更是让这个难题难上加难。例如:
这些现象会让人百思不得其解,如果我们不了解支柱开裂背后的机理,那么我们真的是解决不了这个难题。
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为什么支柱会开裂?
我们来分析螺丝支柱在螺丝拧入过程中的受力状况。
这是塑胶自攻螺丝的一种。
这是塑胶自攻螺丝在拧入支柱的运动过程。
在螺丝拧入过程中,驱动扭矩会转化为作用在塑胶支柱上的力F,F垂直于螺牙平面的方向。
F可以分解为径向力FR(或称为圆周力)和轴向力FA。
当支柱承受的径向力超过了其承受的极限时,支柱发生开裂。
需要特别注意的是,是一个薄薄的支柱壁在默默的承受径向力。
以ABS无玻纤材料为例,内径为3*0.8=2.4mm,外径为2*2.4=4.8mm,承受径向力的支柱壁壁厚仅仅为(4.8-2.4)/2=1.2mm。
更何况1.2mm的薄壁还可能受到注塑成型条件、公差、熔接痕、温度、湿度以及化学物质等多重影响,不发生破裂才是奇怪的现象。
过去的经历告诉我,即使是0.01/0.02mm的内径差异,就有可能造成支柱开裂。
因此,我们务必按照塑胶螺丝供应商提供的支柱设计指南,一成不变的支柱。
如需了解自攻螺丝更详细的拧入过程,请观看以下视频。
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支柱开裂解决方案总览
用一句话来总结支柱开裂的机理是:当支柱承受的径向力超过了其承受的极限时,支柱发生开裂。
据此,解决方案分为两个大方向:
第一,提高支柱的承受极限
第二,减小支柱在拧入过程中承受的径向力。
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注塑内应力
塑胶件在注塑成型过程中,因为分子链的取向和冷却收缩不一致等原因,会在塑胶件内部产生内应力。
当内应力足够大时,会造成塑胶件发生翘曲变形;
而更多的时候,内应力并不会在塑胶件表面产生痕迹,但是一旦受到外力的作用,就会发生开裂。
▲西瓜的内应力
螺丝支柱处因为模具结构较为复杂,也比较容易产生内应力。当内应力存在后,螺丝拧入时产生的径向力就会导致支柱开裂。
而支柱根部断裂则更是因为内应力的存在,为此,支柱与零件壁的连接处必须添加一定的圆角。
关于更多的注塑内应力,请阅读:
深度 | 降低塑胶件内应力
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化学物质
螺丝支柱在注塑成型过程中、在产品组装过程中、在存储和运输过程中、在使用过程中等如果碰到化学试剂,例如脱模剂、冲压油、润滑剂、以及酒精等,因此而发生环境应力开裂。
一个案例是因为塑胶件很硬,螺丝很难拧紧,而使用了润滑剂来辅助螺丝的组装。
润滑剂确实可以辅助螺丝的组装,但是几个月之后,有的螺丝支柱破裂了。
▲支柱因为接触润滑剂而开裂
关于更多的环境应力开裂,请阅读:
深度 | 塑胶件的杀手:环境应力开裂
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回料
为了降低成本,塑料中往往会允许添加一定比例的回料。
回料会降低塑料的机械强度,如图所示。
▲回料对强度的影响
很多时候,支柱发生开裂就是因为供应商为了降低成本、偷工减料而违规添加回料所致。
添加回料是降本的一种方法,这值得提倡。
但是我们必须注重回料的管控,需要注意:
1)避免添加过多的回料。在产品验证阶段,已经规定了回料添加的比例。但是有的供应商为了偷工减料,添加过多的回料,显然这增加了支柱开裂的风险;
2)避免使用二次料等。回料我们一般仅仅使用一次料,避免使用二次料、多次料、杂色料和机头料等。
3)避免从外部购买回料。仅仅使用该产品注塑成型过程中的回料,而避免使用从外部购买的回料。外部购买的回料质量不可控。
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熔接痕
自攻螺丝支柱由于孔的存在,无可避免地在支柱上会存在熔接痕。
▲熔接痕产生了
熔接痕处零件强度会大幅度降低,强度降低的幅度取决于塑料种类、浇口位置以及注塑成型工艺参数等。
▲熔接痕处强度降低
熔接痕的存在是支柱开裂的重要原因;本身支柱就因为壁厚的原因强度降低,再加上熔接痕的影响,强度更加低了,发生开裂的风险也就更大。
当支柱发生开裂缺陷时,请参考下面几篇文章中的知识,去提高熔接痕的强度。
熔接痕解决方案(上)| 熔接痕类型、产生的机理与几何因素、以及不良影响
熔接痕解决方案(中)| 方案总览、从材料选择和塑胶件设计解决熔接痕
熔接痕解决方案(下)| 从模具结构、工艺参数和注塑设备解决熔接痕
在支柱设计上,可以通过模流分析预测熔接痕的位置,并在熔接痕位置处添加加强筋,从而来增加支柱强度,避免开裂的风险。
▲熔接痕处添加加强筋
熔接痕强度问题也可以解释一些奇怪现象:同样的螺丝、同样的支柱尺寸,有的支柱开裂了,有的支柱就没有开裂,为什么?
这可能是因为没有开裂的支柱靠近浇口处,熔接痕强度比较高;而开裂的支柱远离浇口,熔接痕强度比较低。
也可以解释一模几穴:同样的零件,同样的支柱,仅仅因为所处穴不同,有的穴支柱开裂,有的穴支柱不开裂,为什么?
这可能是因为不同穴之间的模流不平衡,造成有的穴靠近浇口,熔接痕强度高;有的穴远离浇口,熔接痕强度低
来源:降本设计
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