塑胶螺丝支柱开裂的1001个原因 | 2021回顾No.5
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：
同样是一副模具，这一穴没有开裂，而另一穴开裂了。大批量生产几年都没有问题，后来突然出现问题了。螺丝刚打上时，支柱没有问题；但是过几天之后就出现开裂；出货检验时没有问题，而客户拿到产品后就发现破裂了。天气热的时候，没有开裂。冬天的时候，就容易出现开裂。用ABS没有开裂，用PC就开裂了。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，支柱开裂。
当然，不同穴之间的支柱尺寸差异也可能是另一个原因。
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拧紧扭矩和转速
首先我们先来看几个概念：
拧入扭矩（drive torque）：使自攻螺丝能够在支柱中成型并攻出配合螺纹的扭矩；
极限扭矩（utimate torque）：在扭矩的持续作用下，螺丝将会密合、旋紧，再继续下去将会超过极限扭矩，超过极限扭矩之后，螺丝会滑牙或者支柱会开裂、破裂。
拧紧扭矩（setting torque）：介入拧入扭矩和极限扭矩之间。
拧紧扭矩与螺丝的类型、塑胶材料和支柱内外径尺寸等多种因素的影响。
在使用所有自攻螺丝前，最重要的问题是：正确的拧紧扭矩是多少？多大的扭矩使螺丝得以拧紧而又不会发生滑牙或支柱开裂？
如果拧紧扭矩太小，则自攻螺丝很难拧入；如果拧紧扭矩太大、接近极限扭矩，则螺丝容易发生滑牙或者支柱开裂。
另外，拧紧的速度也会影响紧固质量。如果速度过快，因为快速摩擦会产生过多的热量，而使得塑胶材料失效，继而减小极限扭矩。
附：相对于塑料专用螺丝，为什么传统自攻螺丝更容易造成滑牙或支柱开裂？
这是因为传统自攻螺丝的拧紧扭矩和极限扭矩很接近，拧紧扭矩稍不留意设置大了、超过极限扭矩，就发生了滑牙或支柱开裂。
▲塑料专用螺丝在扭矩设置上有更大的安全余量
最后的话
本文总结了支柱破裂N个原因，以后如果再有支柱破裂问题发生，针对原因一个一个进行排查，我相信会准确、快速地解决问题。
产品结构设计中我们碰到的任何问题，其实同支柱开裂都类似，我们只有具备系统化、全局化的思维方式，才能把问题的根本原因找到，才能最终结把问题解决。
作者简介：钟元，著有书籍《面向成本的产品设计：降本设计之道》和《面向制造和装配的产品设计指南》
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ABS塑料制品开裂怎么办？
之前有厂家问，他们生产的ABS产品放置一段时间后开裂，开裂部位与丁腈橡胶接触，是不是因为ABS与丁腈橡胶反应造成的开裂
我们长期大量生产ABS改性塑料颗粒，小米白 苹果白 华为白 ，遮光白，瓷白，可配色，韧性好，按照我们的经验，ABS塑料开裂的主要原因一般是有如下5种：
1.紫外线灯照射：长期暴露在紫外线下，如室外太阳直射，紫外光也会引起ABS材料高分子链的破裂和氧化还原反应，造成材料表层发黄、变脆和开裂。
2.热老化：高温环境下，ABS材料很容易发生热老化，高分子链会发生断裂和化学交联，造成材料变脆、丧失抗压强度，最后开裂。
3.化合物腐蚀：一些物质如酸、碱、有机溶剂等都可以腐蚀ABS材料，使之发生反应，毁坏高分子链构造，造成材料变脆并非常容易开裂。
4.结构力学地应力：ABS材料在遭遇过大结构力学外力作用下，如弯折、拉伸或挤出等，高分子链很容易受到拉伸或裁切，造成材料出现裂纹和开裂。
5.生产加工缺点：在ABS材料的生产过程中，如果出现生产加工缺点，如内部结构汽泡、未充分熔化、不均匀的制冷等，这些缺陷将会成为应力集中点，加快材料的老化和开裂。那么该怎么处理ABS塑料开裂问题？
需要解决ABS塑料开裂难题可以从以下5个方面下手：
1.操纵温度：ABS塑料在各个温度中的特性也有所不同，所以需要控制加工、使用时的温度，以防止塑料过多变形制冷过快造成脆裂。
2.精准设计方案：在规划ABS塑料产品时，应选用适宜的尺寸比例和样子，以防止出现应力问题，从而降低脆裂的产生。
3.加上增粘剂：可向ABS塑料中加入增粘剂，能够减少塑料的延性，提高塑性和延展性。
4.加上填料和增效剂：向ABS塑料中添加一些填料和增效剂（如玻纤等）能增加其硬度和韧性，从而降低脆裂风险。
5.维护和保养：使用ABS塑料产品时，应注意不要过度工作压力、碰撞和遇热，同时还需要进行定期的维护和保养，以延长使用寿命。
ABS塑料制品开裂的原因是很多的。作为工厂，我们主要解决材料的问题。
通用注塑级ABS橡胶含量是18%左右。ABS是无定形聚合物，内应力多来自于取向与冷热收缩程度不同。注塑制品加工中产生的开裂包括制件表面丝状裂纹、微裂、顶白、开裂及因制件黏模、流道黏模而造成的裂纹，按开裂时间分脱模开裂和应力开裂。如果ABS塑料制品的材料质量不好或者添加剂配比不合适，也会导致开裂。市面上常加入玻璃纤维增强ABS的抗裂性，通过玻纤能有效阻止ABS成品开裂，另外它的抗冲击性能也能得到显著增强
ABS玻纤增强材料是一种工程塑料复合材料，它将ABS塑料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）与玻璃纤维一起使用，以提高材料的性能。通常具有以下特点：
强度和刚度增强：玻璃纤维的添加使ABS塑料具有更高的强度和刚度，使其更适合承受机械应力和冲击。
耐热性提高：ABS玻纤增强材料具有更高的耐热性，能够在高温环境下保持其性能。使产品在高温应用中更具有优势。
良好的耐化学性：具有较好的化学稳定性，能够抵抗一些化学物质的腐蚀。
低吸水性：相对于纯ABS塑料，玻璃纤维增强的ABS材料吸水性更低，因此在湿润环境中保持性能。
良好的电绝缘性：具有良好的电绝缘性能，因此在一些电子和电气应用中得到广泛应用。
ABS玻纤增强材料常用于汽车零部件、工业设备、电子产品外壳、管道和其他需要高强度、耐热性和耐化学性的应用中。
ABS注塑件应力开裂原因及解决措施
摘要
针对(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)注塑件在使用中经常出现放射状裂纹,从而造成制件报废的问题。人们在分析原因时往往只考虑成型工艺的影响,而忽视使用环境的影响。通过试验找到了ABS注塑件使用中产生的裂纹是因乙酸、油漆稀料等造成的外应力释放所致,并提出了ABS注塑件设计、制造、装配及使用的正确操作方法,为ABS注塑件的安全使用提供了科学依据。
(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)树脂经共混改性后,形成了多种不同的牌号,其成型方法有注射、挤出、吸塑等,其中注射成型是主要的成型加工方法。注射成型主要有可成型复杂、尺寸精密的制件,易于实现自动化,操作简单等优点,但也存在注塑件会出现各种各样质量问题的缺点。ABS注塑件质量分为内部质量和外部质量两方面的内容。内部质量包括制件内部的材料组织结构形态,制件的密度、强度、应力等;外部质量即为制件表面质量,常见的有欠注(未注满)、分型线明显(跑料)、凹陷(塌坑或缩痕)、变色(分解纹)、暗纹(黑印)、熔接痕(合料纹)、银丝(水纹)、剥层(起皮)、流动痕(水波纹)、喷射流(蛇行纹)、变形(翘曲、扭曲)、光洁程度差(划伤、划痕)、龟裂(裂纹)、无光泽(不亮)、气泡(空洞或中空)、白化(有白印)等。影响ABS注塑件质量问题的因素很多,其中应力开裂是常见的致命缺陷之一,严重阻碍了ABS注塑件的应用。
1、ABS注塑件应力开裂原因分析
1. 1 应力分类及产生过程聚合物受力后,内部会产生与外力相平衡的内力,单位面积上的内力即称为应力。根据形成的原因应力可分为内应力和外应力。内应力包括主动应力和诱发应力两种类型。主动应力是与外力(注塑压力、保压压力等)相平衡的内力,故也称为成型应力。
成型应力的大小取决于聚合物的大分子结构、链段的刚性、熔体的流变学性质及制件形状的复杂程度和壁厚大小等许多因素。成型应力值过大,很容易使制件发生应力开裂和熔体破裂等成型缺陷。诱发应力的形成原因很多,诸如塑料熔体或注塑件内部温差或收缩不均匀引起的内力;制件脱模时因为模腔压力和外界压力的差值所引起的内力;
塑料熔体因为流动取向引起的内力等。显然,诱发应力一般都无法与外力平衡,并且很容易保留在冷却后的制件内部,成为残余应力,从而对制件质量产生影响。外应力主要指注塑件使用中因受到外力的作用而产生的应变力。对于塑料结构件,使用中往往与金属固定件连接,为达到紧固、牢靠,从而使制件受到较大的剪切、挤压,制件内部必然产生与外力相平衡的内力。
应力在注射过程中对制件质量的影响从理论上讲,当聚合物注射充模后,如能在保压压力作用下以极其缓慢的冷却速率固化,则聚合物大分子在模腔内就有充分的时间进行变形和重排,从而可使变形量逐渐与注塑压力和保压压力的作用达到平衡,脱模后制件中无残余应力,尺寸和形状稳定。然而,在实际生产中,出于对生产率的要求,上述方法几乎是不可能的。即使生产中采用缓冷措施,所得到的冷却速率对于大分子的变形和重排来讲,仍然非常剧烈。
故充模后的聚合物在保压压力作用下冷却固化时,大分子只能简单地按照模腔形状堆积在一起,而没有时间进行趋向于稳定状态的排列。所以,变形量与注塑压力和保压压力的作用不相适应,脱模后制件内仍将存在较大的残余应力。大分子还将随时间的延长继续进行变形和重排,以便和成型时的应力作用结果相适应(消除残余应力)。带有较大残余应力的制件经常会在不大的外力或溶剂作用下脆化开裂,即应力开裂。
应力开裂是注塑件常出现的质量问题之一,尤其是在气候温差变化较大的北方地区,应力开裂现象更为突出。裂纹多出现在制件的浇口、棱边、熔接痕等应力较集中的部位。另外,由于应力的作用,制件还常出现变形、翘曲、扭曲等缺陷。内应力从成型工艺上采取相应的措施,一般都可以使之降低到较低的限度。外应力往往容易被人们忽略,以致于把注塑件的开裂完全归结于成型过程中产生的应力,使质量问题无法从根本上得到解决。
2、影响ABS注塑件应力的因素分析
影响ABS注塑件应力的因素主要有树脂的质量、成型条件、制件和模具设计的合理性、制件的使用环境和过程等。树脂的质量对制件的应力影响很大。挥发物多,分子量分布宽,制件应力就大。
成型条件的影响因素主要有材料中的水分、料筒温度、注塑压力、保压时间、模具温度等。ABS树脂成型前必须干燥,干燥程度越高,对降低内应力越明显。提高料筒温度,可以降低熔体粘度,有利于解除分子取向,降低应力,但过高的料筒温度易使树脂分解,反而增大了制件应力,所以料筒温度应适宜。提高注塑压力或延长保压时间,会增加分子取向应力,但有利于降低收缩应力。模具温度提高会降低应力,但会使成型周期延长,增加了树脂分解的可能。
制件和模具结构主要包括制件厚度、转角过渡、进料方式等。如浇口位置、冷却管道的位置会对制件的成型质量有较大影响。增加制件壁厚会降低分子取向应力,但使收缩应力增加。制件转角处用圆弧过渡,可避免应力集中。
制件的使用环境主要包括受力情况、是否接触溶剂等。制件装配中与金属组合,应控制装配扭矩,过大的扭矩易使ABS注塑件在组合处产生较大应力。易使ABS注塑件应力开裂的溶剂或溶剂气体环境应避免接触。