汽車塑料件自攻螺釘擰緊失效問題的分析

　　1. 前 言

　　在汽車零件的諸多聯(lián)接方式中，與焊接、粘接和卡扣聯(lián)接等相比，擰緊聯(lián)接是更為常見的固定與聯(lián)接方式。其中自攻螺釘擰緊裝配方式因具有一系列優(yōu)點(diǎn)而在汽車塑料件裝配中得到了廣泛應(yīng)用。

　　但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、制造、操作以及環(huán)境等原因，可能導(dǎo)致塑料件在自攻擰緊過程中發(fā)生諸如開裂、打滑（達(dá)不到規(guī)定的擰緊力矩）等失效問題，從而造成零件松動，輕則產(chǎn)生異響，重則造成零件脫落，甚至可能會影響車輛功能和行車安全。

　　為此，筆者對分析過或了解的塑料件自攻螺釘擰緊失效問題進(jìn)行了分類和總結(jié)。

　　2. 自攻螺釘聯(lián)接簡介　　

　　自攻（Self-tapping）就是被聯(lián)接件不預(yù)先鉆制出螺紋，在聯(lián)接時(shí)利用自攻螺釘直接攻鉆出螺紋的過程。

　　對以熱塑性塑料生產(chǎn)的聯(lián)接件而言，其安裝孔中的內(nèi)螺紋是被旋轉(zhuǎn)的自攻螺釘強(qiáng)行擠壓出來的；而以較高硬度的熱固性塑料生產(chǎn)的零件，其安裝孔中的內(nèi)螺紋可由旋轉(zhuǎn)的自攻螺釘切削出來。

　　自攻螺釘基本都采用金屬材料制造，其重要尺寸包括螺紋的大徑、小徑、螺距和牙型角等。

　　采用自攻螺釘擰緊聯(lián)接的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

　　a. 易于實(shí)現(xiàn)自動化；

　　b. 聯(lián)接強(qiáng)度高；

　　c. 應(yīng)力開裂概率低；

　　d. 成本低。

　　常見的自攻螺釘類型見圖1，擰緊后連接狀態(tài)見圖2。

　　3. 常見自攻螺釘擰緊失效問題及分析　　

　　3.1 塑料件安裝孔開裂

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

　　自攻擰緊過程中的安裝孔開裂是一種常見的現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量問題，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)。引起該問題的主要原因如下。

　　3.1.1 安裝孔的熔接痕強(qiáng)度低

　　對注塑件上的安裝孔（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)。在注塑過程中，熔融的塑料料流到達(dá)安裝孔型芯時(shí)，料流會被分成兩股，繞過型芯后再次匯合，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)存在問題（如澆口過小、熔體溫度過低等），便會導(dǎo)致熔接強(qiáng)度過低，在自攻螺釘旋入時(shí),安裝孔壁因受力而沿熔接痕開裂，這類開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)生貫穿式開裂，見圖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問題，主要是因?yàn)樽⑺軙r(shí)模溫低導(dǎo)致熔接痕強(qiáng)度過低而致擰緊時(shí)開裂。

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

　　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)生開裂。

　　3.1.2 安裝孔受力過高

　　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)，或者因制造問題未能實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的尺寸等原因，會造成擰緊失效問題。

　　比如選用的自攻螺釘相對過粗或安裝孔相對過細(xì)，都會造成自攻擰緊過程中安裝孔壁內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過高，進(jìn)而造成安裝孔壁發(fā)生開裂。

　　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題。

　　圖4 塑料件安裝孔壁開裂

　　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，見圖5。經(jīng)檢測，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焦點(diǎn)，塑料件安裝孔的形狀見圖6、尺寸結(jié)果見表1。

　　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)，螺釘對安裝孔壁的擠壓力越來越大，當(dāng)安裝孔壁的強(qiáng)度無法抵抗擠壓所引起的拉應(yīng)力時(shí)，最終就導(dǎo)致了安裝孔開裂。

　　3.1.3 安裝孔壁過薄

　　與 3.1.2 所述情況類似，如果塑料件安裝孔的壁厚過薄，也可能會使其無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，從而造成開裂。

　　另外值得注意的問題是，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題。

　　比如，某塑料件安裝孔在打自攻螺釘后開裂（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）；在自攻螺釘旋入過程中，安裝孔均于此側(cè)發(fā)生開裂；

　　而另一側(cè)最厚處則達(dá)到了 1.59 mm（位置6），從未發(fā)生過開裂。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。

　　3.1.4 安裝孔局部應(yīng)力過高

　　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（如冷卻速度過快等），注塑后的零件中會產(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程中均在箭頭所示的澆口位置開裂。

　　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)生開裂。

　　3.1.5 塑料材料降解

　　如果注塑溫度過高，材料在料筒中停留時(shí)間過長，或者材料未得到充分烘干等，都會導(dǎo)致塑料材料在加工過程中發(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，而不是普通的開裂。

　　3.2  自攻擰緊聯(lián)接無法達(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。

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

　　3.2.1 安裝孔徑過大或自攻螺釘過細(xì)

　　塑料件的安裝孔內(nèi)徑過大或自攻螺釘過細(xì)時(shí)，在自攻螺釘旋入過程中，螺紋在安裝孔內(nèi)壁上侵入的深度過淺，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小，因而無法達(dá)到足夠的擰緊力矩。

　　3.2.2 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發(fā)生較大變形，從而造成擰緊扭矩過低，無法達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩，安裝孔壁內(nèi)部的疏松問題有時(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低。

　　3.2.3 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小，從而無法達(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)場發(fā)現(xiàn)A供應(yīng)商的零件擰緊無問題，而B供應(yīng)商的零件在擰緊時(shí) 100% 發(fā)生打滑。

　　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。

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

　　4. 影響自攻螺釘擰緊的其它重要因素

　　4.1 安裝孔壁內(nèi)部存在注塑孔洞

　　由于安裝孔壁過厚或者模具溫度過低等原因，會導(dǎo)致塑料件安裝孔壁中出現(xiàn)孔洞，特別是采用半結(jié)晶塑料材料（如 POM、PA66 或 PA6 等）生產(chǎn)的零件相對更容易出現(xiàn)孔洞?？锥磳ψ怨ヂ葆敂Q緊的影響較為復(fù)雜，需視具體情況而論。

　　4.1.1 對擰緊無明顯影響

　　如果孔洞數(shù)量較少、尺寸不大，或者離塑料件安裝孔內(nèi)壁較遠(yuǎn)，那么自攻螺釘旋入仍可順利達(dá)到規(guī)定的力矩，安裝孔也不發(fā)生開裂。這種情況下，如果不對塑料件進(jìn)行剖切或 CT 掃描，則根本不知道塑料件內(nèi)部存在孔洞。

　　4.1.2 造成擰緊力矩偏低

　　對于較為柔韌的塑料材料，如未增強(qiáng)的 PA66 或 POM，如果孔洞較多、氣孔體積較大，或者孔洞特別靠近安裝孔內(nèi)壁，當(dāng)自攻螺釘旋入后，零件安裝孔內(nèi)壁在螺釘擠壓作用下發(fā)生較大變形，從而造成擰緊扭矩過低，無法達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩。

　　4.1.3 造成開裂

　　對于 PPS-GF30 和 PBT-GF30 等剛性高、韌性低的塑料材料，如果零件安裝孔壁內(nèi)部形成的孔洞體積較大，特別是孔洞形狀極為不規(guī)則（如存在尖角等結(jié)構(gòu)）時(shí)，會導(dǎo)致孔洞邊緣產(chǎn)生高的應(yīng)力集中，在自攻螺釘旋入擠壓內(nèi)壁時(shí),便會以應(yīng)力集中點(diǎn)為起始位置發(fā)生開裂，進(jìn)而造成塑料零件開裂。

　　從以上討論可知，塑料件安裝孔壁內(nèi)部存在孔洞是否會對自攻螺釘擰緊造成影響是不一定的。

　　在分析具體的擰緊失效問題時(shí)，即使確認(rèn)塑料件內(nèi)存在孔洞，也還要進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗(yàn)證。當(dāng)然，應(yīng)該從設(shè)計(jì)和工藝的角度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以盡可能消除孔洞。

　　4.2 環(huán)境溫度

　　塑料性能受環(huán)境溫度影響很大，因此塑料件在裝配過程中的失效問題往往隨季節(jié)溫度變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

　　例如，北方地區(qū)進(jìn)入冬季時(shí)，塑料件在裝配時(shí)（包括采用自攻螺釘擰緊的塑料件）發(fā)生斷裂的失效問題會增多。

　　這是因?yàn)闇囟冉档秃螅芰戏肿渔湺芜\(yùn)動能力減弱，材料剛性提高，韌性降低，可能會在擰緊過程中發(fā)生開裂。而環(huán)境溫度過高會導(dǎo)致擰緊力矩變低，甚至發(fā)生打滑。

　　此外，擰緊過程中的摩擦生熱引起的溫度提高也是值得考慮的因素，尤其當(dāng)擰緊工具的轉(zhuǎn)速過高時(shí)，摩擦帶來的溫度升高甚至能導(dǎo)致塑料件安裝孔內(nèi)壁發(fā)生熔融，從而大幅降低擰緊扭矩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，擰緊工具轉(zhuǎn)速最好設(shè)定在 600 r/min 以下，但具體數(shù)值應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)后確定。

　　4.3 塑料零件含水量

　　含有極性基團(tuán)的塑料材料通常會吸收空氣中的水分而對材料性能產(chǎn)生影響，特別是汽車零件常用的尼龍材料（如PA6和PA66）因分子結(jié)構(gòu)中含有較高比例的酰胺基團(tuán)而具有明顯的吸濕性。

　　水分子進(jìn)入到尼龍材料中后與酰胺基團(tuán)形成氫鍵而起到增塑劑作用，從而使尼龍材料的剛性大幅下降，可能導(dǎo)致擰緊力矩不達(dá)標(biāo)。

　　特別是在高溫多雨的南方地區(qū)，如果尼龍類注塑件存放時(shí)間過長，在大量吸收空氣中的水分后，塑料件擰緊時(shí)的力矩可能達(dá)不到要求。而尼龍含水量過低又會導(dǎo)致其剛性過高、韌性過低，擰緊時(shí)可能發(fā)生開裂（尤其環(huán)境溫度較低時(shí)）。

　　因此，應(yīng)該對尼龍類材料的含水量進(jìn)行控制，通過加濕或水中浸泡方式使其含水量處于合理的范圍之內(nèi)，建議對于常見的 PA6 和 PA66 及其玻纖增強(qiáng)類材料，含水量可控制在 1.0%～2.5% 范圍內(nèi)，當(dāng)然具體數(shù)據(jù)也需經(jīng)過相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　4.4  環(huán)境應(yīng)力開裂（ESC）

　　待自攻螺釘旋入塑料件安裝孔后，由于兩者之間為過盈配合而導(dǎo)致螺釘和塑料件安裝孔內(nèi)壁之間存在擠壓和膨脹作用，并使塑料件安裝孔壁內(nèi)部存在拉應(yīng)力。

　　如果拉應(yīng)力過高，同時(shí)安裝孔壁外表面又接觸到某些對所用塑料作用較強(qiáng)烈的溶劑，可能會在應(yīng)力及化學(xué)試劑的作用下導(dǎo)致塑料件安裝孔外壁發(fā)生開裂，乃至斷裂，即發(fā)生了環(huán)境應(yīng)力開裂（ESC）。

　　因此不要隨便使用一些已知或未知的化學(xué)試劑（如酒精、異丙醇、丙酮和其它清洗劑）擦拭或清洗已經(jīng)擰入自攻螺釘?shù)乃芰霞?/span>

　　5. 結(jié) 論

　　導(dǎo)致塑料件自攻螺釘擰緊時(shí)發(fā)生問題的原因較為復(fù)雜，但只要掌握和理清諸因素的影響，綜合運(yùn)用各種分析手段，就能夠以最快的速度和最經(jīng)濟(jì)的成本找到具體問題的原因，并給出合理的建議，以盡快解決相應(yīng)問題。

www.mingqijie.com.cn