安裝孔對於螺絲斷裂所形成的原因

自攻擰緊

過程中，塑膠件安裝孔所在的區域會受到擠壓、摩擦和扭轉等複雜作用，同時孔的圓周切線方向會產生拉應力。

自攻擰緊過程中的安裝孔開裂是一種常見的現生產質量問題，嚴重時會導致生產線停產。引起該問題的主要原因如下。

安裝孔的熔接痕強度低

對注塑件上的安裝孔（通常為圓柱狀）而言，注塑模具內部必然存在賦予安裝孔形狀的型芯機構。在注塑過程中，熔融的塑膠料流到達安裝孔型芯時，料流會被分成兩股，繞過型芯後再次匯合，從而形成走向基本平行於安裝孔軸線的熔接痕。熔接痕處的強度通常為正常材料強度的 20%～80%。

如果模具結構不合理或注塑引數存在問題（如澆口過小、熔體溫度過低等），便會導致熔接強度過低，在自攻螺釘旋入時，安裝孔壁因受力而沿熔接痕開裂，這類開裂案例在塑膠件擰緊失效中的比例是很高的。

例如，某採用 POM 注塑的六角塑膠螺母（圖3）在採用 2。5 N·m 的擰緊力矩進行固定時，螺母一側發生貫穿式開裂，見圖3，澆口與熔接痕位置以安裝孔為中心互呈 180°。經分析，該螺母所用材料及尺寸均無問題，主要是因為注塑時模溫低導致熔接痕強度過低而致擰緊時開裂。

另外1個案例，圖紙要求塑膠件採用 PP-GF20 製造，之前一直無任何擰緊問題。後來有一批零件在自攻螺釘擰緊時有大約 10% 發生開裂。

經分析發現，供應商在失效批次零件上錯誤地使用了 PPGF30 材料，而注塑引數未發生改變。在同樣的注塑條件下，因 PP-GF30 材料流動性較差而導致熔接痕處熔合強度降低，因而擰緊時熔接痕處發生開裂。

圖3 熔接痕處開

裂的塑

料六角螺母

安裝孔受力過高

正常情況下，需要採用自攻擰緊的塑膠零件的安裝孔尺寸以及所選用的自攻螺釘尺寸均需經過合理設計，以保證安裝後能形成可靠聯接，同時使安裝孔所受的力處於合適的範圍內。

但由於設計引數選取不當，或者因製造問題未能實現所設計的尺寸等原因，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，都會造成自攻擰緊過程中安裝孔壁內部產生的拉應力過高，進而造成安裝孔壁發生開裂。

例如，某塑膠件供貨廠由A供應商切換為 B 供應商後，在自攻螺釘擰緊時有 25% 的塑膠件安裝孔壁發生開裂（圖4）。根據分析，兩家供應商的零件均採用含水量為 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 供應商塑膠件安裝孔的尺寸有問題。

圖4 塑膠件安裝孔壁開裂

圖紙規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。經檢測，螺釘尺寸符合圖紙要求，因而塑膠件安裝孔的尺寸成為檢測焦點，塑膠件安裝孔的形狀見圖6、尺寸結果見表1。

圖5 自攻螺釘尺寸

圖6 塑膠安裝孔

從表 1 可見，B 供應商生產的零件的 D1 直徑過小，甚至小於自攻螺釘芯部直徑 d。

因此，當自攻螺釘由上至下擰入安裝孔後並逐步接近底孔時，螺釘對安裝孔壁的擠壓力越來越大，當安裝孔壁的強度無法抵抗擠壓所引起的拉應力時，最終就導致了安裝孔開裂。

安裝孔壁過薄

與 上面 所述情況類似，如果塑膠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產生的安裝孔圓周方向的拉應力，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導致部分塑膠件的安裝孔孔壁區域性偏薄的問題

比如，某塑膠件安裝孔在打自攻螺釘後開裂（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，安裝孔均於此側發生開裂；

圖7 塑膠件安裝孔開裂

圖8 塑膠件安裝孔 CT 掃描及尺寸標註

而另一側最厚處則達到了 1。59 mm（位置6），從未發生過開裂。根據分析，塑膠件安裝孔壁厚不均是由於注塑模具中形成安裝孔的金屬芯軸位置發生偏移所致。

安

裝

孔區域性應力過高

在塑膠件注塑時，如果注塑引數或模具結構不合理（如冷卻速度過快等），注塑後的零件中會產生很高的內應力。圖9所示的塑膠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。

根據顯微切片分析結果看到，該塑膠螺母澆口附近的料流極為紊亂，導致此處應力過高（圖10），因而在自攻螺釘進入時澆口位置附近容易發生開裂。

塑膠材料

降

解

如果注塑溫度過高，材料在料筒中停留時間過長，或者材料未得到充分烘乾等，都會導致塑膠材料在加工過程中發生降解，進而使塑膠零件的機械強度下降。

例如某採用 PC 注塑的零件因原材料未充分烘乾而造成 PC 在注塑時嚴重降解，造成材料發脆，零件安裝孔在自攻螺釘旋入時發生碎裂，而不是普通的開裂。

圖9 塑膠螺母在澆口處開裂

圖10 自攻擰緊聯接無法達到規定的力矩（打滑）

塑膠件的自攻擰緊聯接通常在設計時規定了一個合理的擰緊力矩。

但有些時候，當自攻螺釘旋入塑膠安裝孔中尚未達到設計力矩時，螺釘便在安裝孔中打滑，並造成安裝孔內壁上的螺紋亂扣。

這是另外一種常見的擰緊失效問題，這種問題產生的原因主要有以下幾點。

安裝孔徑過大或自攻螺釘過細

塑膠件的安裝孔內徑過大或自攻螺釘過細時，在自攻螺釘旋入過程中，螺紋在安裝孔內壁上侵入的深度過淺，使得螺紋表面和安裝孔內壁之間的擠壓作用和摩擦力過小，因而無法達到足夠的擰緊力矩。

安裝孔壁內部存在疏鬆區域

塑膠件注塑時，因鎖模力過低或保壓壓力低等原因，造成安裝孔壁內部存在疏鬆區域，使安裝孔剛性降低，在螺釘擠壓作用下會發生較大變形，從而造成擰緊扭矩過低，無法達到規定的擰緊力矩，安裝孔壁內部的疏鬆問題有時即使採用CT掃描也難以發現。

例如，某塑膠件採用ABS 材料製造，生產線發現某一批次零件擰緊力矩偏低，僅能達到1。8 N·m，而工藝要求為3。0 N·m。

經分析發現該件的安裝孔處於整個零件的料流末端，該處的材料密度僅為 1。09～1。10 g/cm3，而遠離安裝孔的其它位置的材料密度則可以達到 1。15 g/cm3，因而推斷該件的安裝孔壁記憶體在疏鬆區域，因而造成擰緊力矩過低。

塑膠件材料硬度偏低

如果塑膠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壁之間的擠壓力和摩擦力過小，從而無法達到足夠的擰緊力矩。

例如某 POM 底座採用自攻螺釘擰緊方式固定，生產現場發現A供應商的零件擰緊無問題，而B供應商的零件在擰緊時 100% 發生打滑，見圖11。

分析結果表明，B 供應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 時發生打滑；而相比之下，A 供應商採用的非增韌 POM 材料的球壓痕硬度可達 89 N/mm2，零件擰緊時完全可以達到工藝所要求的 2 N·m 扭矩。

A供應商的零件 B供應商的零件

圖11 兩家供應商的塑膠件擰緊後對比

另外，對玻纖增強塑膠材料而言，如果選用的材料玻纖含量不足，也會導致材料硬度降低而造成自攻螺釘擰緊時無法達到規定的力矩。