螺丝柱常见缺陷分析与解决方案

技术部文集－200801T1螺丝柱常见缺陷分析与解决方案作者欧相麟摘要：螺丝柱是塑胶产品中常用的结构，在成型过程中，常遇到开裂、滑牙、根部断裂、缩水、发白和流痕等缺陷。本文主要从塑料材料、结构设计、模具设计和成型工艺等方面分析缺陷产生的原因，并探讨其解决方案。关键词：螺丝柱开裂滑牙根部断裂缩水发白流痕螺丝柱，也称BOSS柱，是塑胶产品中常见的结构，也是成型中遇到问题最多的结构之一。螺丝柱常见的成型缺陷主要有开裂、滑牙、根部断裂、缩水、发白、流痕等，严重影响塑胶产品的外观和使用。本文将从塑料材料、结构设计、模具设计和成型工艺的角度出发，分析这些缺陷产生的原因，并提出解决方案。1.螺丝柱的结构设计图1是螺丝柱的典型结构，对于很多人来说，最困惑的是螺丝柱的尺寸如何确定。螺丝柱的尺寸主要是由螺钉公称直径M和材料种类决定的。其中外径D=M×外径系数；内径d=M×内径系数；螺纹深度H=M×螺纹深度系数。成型螺丝柱的材料不同，具体的尺寸系数也有所不同，具体可参考图2。图1螺丝柱的尺寸图2典型材料的螺丝柱尺寸系数螺丝柱内径的入口处可设计一个凹台，凹台的作用是减小攻螺丝时的初始应力。凹台的直径D1=M+约0.2mm；深度h=（0.3～0.5）×D1。有时为了设计简单化，将凹台改成倒角，如图3，同样也可以起到减小初始应力的作用，倒角的大小一般为（1～1.5）×45°。图3螺丝柱内径入口处倒角图4过渡圆角与应力集中系数的关系在内径、外径和凹台的根部，应采用圆角过渡。因为注塑成型过程中，尖角处会产生很高的内应力。过渡圆角越大，产生的应力集中越小，如图4所示，当90°转角的过渡圆角小技术部文集－200801T2于壁厚的25%时，该处就会有较高的应力集中；在允许的情况下，推荐过渡圆角的半径大于壁厚的50%以上。螺丝柱高度应尽可能矮。当螺丝柱高度大于其外径的两倍时，一般需要添加加强筋以增加强度。螺丝柱不能太靠近外壁，否则会造成制件的壁厚不均，从而导致缩水。当靠近外壁时，可采用加强筋与外壁相连，如图5所示。图5采用加强筋使螺丝柱与外壁相连有时会在螺丝柱上作火山口。所谓的火山口就是将螺丝柱的外圆柱面的孔缘和销同步向上延伸，如图6和图7所示。此时螺丝柱根部的塑胶不再那么集中，冷却充分，对防止缩痕有很好的效果。图6典型的火山口设计图7火山口的设计参考尺寸2.螺丝柱开裂与解决方案攻螺丝时，螺丝柱可能会产生开裂，可以从以下几个方面分析和解决：（1）材料太脆，材料发生降解，韧性不够。材料中掺入过多比例的水口，可能会导致材料过脆；材料的断裂伸长率过低，也容易导致螺丝柱开裂。一般来说，对于玻纤含量超过40%的材料，不推荐在螺丝柱上攻螺丝。成型温度过高时，或者烘干不够材料中含有水分，引起材料发生降解，也会使得其强度变差，导致螺丝柱的开裂。（2）内径过小，壁厚不足。如果螺丝柱的内径比螺钉的内径还小，那产生开裂的可能性将会非常大。如果螺丝柱的外径过小，即壁厚过小，也会导致螺丝柱的强度不够，引起开裂。因此，螺丝柱设计时要选择合适的内外径，可参考图1和图2的推荐进行设计，必要时使用加强筋补强。图8是09年6月在深圳德泽发生的充电器插头螺丝柱开裂，客户之前采用的是PC/ABS，切换成我司的PC。从图2来看，PC的内径系数要比PC/ABS大0.5，也就是说，对于客户使用的M2.6的螺钉，PC对应的螺孔内径是2.21mm，而PC/ABS对应的只有2.08mm，切换成PC以后，需要的螺孔内径增大，原来的内径显得偏小，因此攻螺丝的时候容易产生开裂。（3）内应力过大。制件上残余的内应力过大，也会导致螺丝柱的开裂。在结构设计上，螺丝柱的根部、销的顶部应采用圆角过渡，防止应力集中。在注塑工艺上，对制件内应力影响较大的参数主要有熔胶温度、模具温度、保压压力、保压时间和注塑速率等。一般来说，要获得较小的内应力，可采用较高的熔胶温度和模具温度，较小的保压压力和保压时间，较慢的注塑速率，其中模温对内应力的影响最为显著。成型中螺丝柱中要嵌入铜螺纹时，最好使用较高的模温，以使得模具的热量在较短时间内能传递给铜螺母，或者先对铜螺纹进行预热，以消除成型时由于低温带来的内应力使制件开裂。图9带铜螺母的螺丝柱开裂，就是由技术部文集－200801T3于成型时模温较低，也没有对铜螺母预热所致。图8充电器插头螺丝柱开裂图9带铜螺母的螺丝柱开裂（4）环境应力开裂。螺丝柱接触酸、油等有机溶剂时，如果材料本身不能耐这类有机溶剂，有可能引起环境应力开裂。这种接触可能来自模具表面，也可能来自搬运和装配过程。09年4月，步步高电磁炉螺丝柱在打螺丝1~2周后开裂，如图10，开裂的螺丝柱是随机的，裂纹方向不固定，即不全是熔接线位置，观察已经裂开的断面，内表面光滑而没有纹路，外表面有放射性纹路，推断开裂是由内部开始的，可能是来自经过防锈、去污、润滑等处理螺钉表面的化学溶剂导致螺丝柱环境应力开裂。（a）（b）图10电磁炉螺丝柱开裂（5）减小攻螺丝时的初始应力。根据前述提到的，在螺丝柱内径的入口处增设凹台或倒角，减小攻螺丝时的初始应力，可以减少螺丝柱的开裂。3.螺丝柱滑牙与解决方案（a）（b）图11电动工具螺丝柱滑牙与螺丝柱开裂对应的是滑牙，可以从以下几个方面分析：（1）材料过韧，刚性不够，容易导致滑牙；技术部文集－200801T4（2）螺丝柱内径过大，螺钉咬住的肉厚较薄，也容易导致滑牙。09年7月，博世外协厂深圳祥星，电动工具螺丝柱滑牙，使用的螺钉是M3.5，根据图2的参考系数，理论内径是2.625mm，而客户螺丝柱的设计内径是3.0±0.05mm，，如图11所示，内径偏大导致滑牙。（3）扭矩过大。图12是不同规格螺钉的参考扭矩。扭矩过大时，螺丝柱内侧无法承受扭力，而外侧部分强度足够没有损坏，从而导致滑牙。图12螺钉的参考扭矩4.螺丝柱根部断裂与解决方案图13是螺丝柱根部断裂的情况。应力集中可导致螺丝柱根部断裂。螺丝柱根部和销的顶部由于存在尖角，成型时容易导致应力集中，在不产生缩水的情况下，这些地方应采用较大的圆角过渡。成型温度过高，或者材料中水分过多，材料中成型时发生降解，导致其强度下降，也可能导致根部断裂。此外，水口掺入的比例也不能过大。螺丝柱的销过长且强度不足时，由于受到塑胶熔体的冲击，可能产生变形偏移，如图14所示，填充结束后，销要复位回弹，这样螺丝柱根部会受到反复冲击，根部容易断裂。这种情况下，螺丝柱背后的缩痕会向下游移动（销回弹时，下游压力小），也有形成熔接线的可能。图13螺丝柱根部断裂图14螺丝柱内销偏心5.螺丝柱缩水与解决方案螺丝柱背后经常会遇到缩水问题。常见的解决方案是加火山口，如图6和图7所示。火山口之所以能防止缩水，是因为它能使得螺丝柱根部的等效壁厚（内切圆直径2R）变小，如图15所示，当根部的等效壁厚与制件壁厚T相差不大时，制件就不容易产生缩水。螺丝柱太靠近侧壁时，由于局部壁厚增大，也容易导致缩水，如图16所示。可参照图5，采用加强筋的方式使螺丝柱与侧壁相连，避免缩水。技术部文集－200801T5图15火山口防止缩水的原理图16螺丝柱靠近侧壁导致缩水模具设计时，在螺丝柱附近设置浇口，也可以防止缩水。离浇口越近，保压越充分，补缩作用越强，缩水越不明显。6.螺丝柱发白及其解决方案图17是螺丝柱根部发白，其原因是在冷却不足的情况下，塑胶在玻璃化转变温度附近拉伸到微裂状态（开模时销拔出，销的顶部形成真空，塑胶在被吸入时受力）。解决方法是延长冷却时间，使得螺丝柱根部充分冷却后再脱模。加火山口的设计，使得螺丝柱根部壁厚更薄，更容易冷却，也可以消除发白。图17螺丝柱根部发白图18是攻螺丝后，螺丝柱主体有发白，其原因可能是使用的扭矩过大，螺丝柱的壁厚过薄，可参考图12选择标准扭矩，并增大外径以增加螺丝柱的强度。图18螺丝柱发白技术部文集－200801T67.螺丝柱背面流痕及其解决方案当销伸出太长时，前述提到容易偏心导致根部断裂。如果销的刚度足够，不易产生偏心，有可能在螺柱的表面产生其它缺陷。09年1月，在东莞富威，伟创力电子鼓的上鼓面在试料时出现流痕，如图19所示，调节料温、模温、射速、保压均无改善。剖开螺丝柱发现销伸入表面约1.2mm，占制件平均壁厚（3.0mm）的40%，熔体通过该处时，由于通道突然变窄，料流变得紊乱，使得流动下游出现流痕。图19螺丝柱背面的流痕类似的案例还有螺丝柱背后出现发白现象。09年2月，厦门博丰的高光ABS制件在部分螺丝柱背后有发白，调整成型工艺没有效果，破坏螺丝柱发现，发白地方对应的螺丝柱的销伸入制件表面，导致熔体通过该处时剪切过强，导致表面发白；而没有发白的地方，孔与表面齐平，如图20所示。图20螺丝柱背后有发白8结语对于螺丝柱的常见缺陷，要从螺丝柱的结构出发分析其合理性，从塑料材料和模具设计上防止其产生，从成型工艺上去克服，很多缺陷都可以迎刃而解。