年底了，選出一年中我認為最有價值的5篇文章。

這一篇的主題是工程師需要具備系統思維。

塑膠螺絲支柱開裂，這是塑膠件産品開發過程中，工程師必定會遇到的問題之一。

“降本設計”十幾個微信群裡，問得最多的就是這個問題了。

而據我觀察，不少工程師在碰到此類問題時，往往一籌莫展，不知道怎麼解決。

有的工程師回答：可能是支柱内徑尺寸太小；于是去測量尺寸；

有的工程師回答：可能是回料添加太多的；于是去問供應商是不是加了太多回料；

有的工程師回答：是不是扭矩太大了？于是去把扭矩減小。

。。。。。。

不可否認，這些提示在有些時候很有幫助，如果運氣足夠好，也許剛好可以解決問題。

但是，在我看來，這種解決問題的方式不夠系統化和全局化，東一榔頭、西一棒子，問題能否解決完全依靠個人經驗、或者身邊高手或者群裡高手的經驗。

如果大家現在依然在用這種方式去解決問題，不用着急，因為在我開始工作的前幾年，我也是按照這種方式去解決問題的。

随着經曆和閱曆的增加，我才慢慢形成了系統化和全局化解決問題的方式。

本文将告訴大家，我是如何利用系統化、全局化的思維方式去看待和解決支柱開裂問題。

— 1 —

螺絲支柱開裂，觸目驚心

塑膠件通過自攻螺絲來進行緊固，這是一種廣泛應用緊固工藝。

而在使用自攻螺絲進行緊固時，支柱開裂是經常發生的一個質量缺陷。

有的開裂僅僅是在支柱上産生裂紋，而有的是整個支柱從中間斷裂。

而不論哪種形式，這都是不可接受的缺陷。

支柱開裂本身就是一個難以解決的問題。

但是支柱開裂時伴随的複雜現象更是讓這個難題難上加難。例如：

• 同樣是一副模具，這一穴沒有開裂，而另一穴開裂了。
• 大批量生産幾年都沒有問題，後來突然出現問題了。
• 螺絲剛打上時，支柱沒有問題；但是過幾天之後就出現開裂；
• 出貨檢驗時沒有問題，而客戶拿到産品後就發現破裂了。
• 天氣熱的時候，沒有開裂。冬天的時候，就容易出現開裂。
• 用ABS沒有開裂，用PC就開裂了。

這些現象會讓人百思不得其解，如果我們不了解支柱開裂背後的機理，那麼我們真的是解決不了這個難題。

— 2 —

為什麼支柱會開裂？

我們來分析螺絲支柱在螺絲擰入過程中的受力狀況。

這是塑膠自攻螺絲的一種。

這是塑膠自攻螺絲在擰入支柱的運動過程。

在螺絲擰入過程中，驅動扭矩會轉化為作用在塑膠支柱上的力F，F垂直于螺牙平面的方向。

F可以分解為徑向力FR（或稱為圓周力）和軸向力FA。

當支柱承受的徑向力超過了其承受的極限時，支柱發生開裂。

需要特别注意的是，是一個薄薄的支柱壁在默默的承受徑向力。

以ABS無玻纖材料為例，内徑為3*0.8=2.4mm，外徑為2*2.4=4.8mm，承受徑向力的支柱壁壁厚僅僅為（4.8-2.4）/2=1.2mm。

更何況1.2mm的薄壁還可能受到注塑成型條件、公差、熔接痕、溫度、濕度以及化學物質等多重影響，不發生破裂才是奇怪的現象。

過去的經曆告訴我，即使是0.01/0.02mm的内徑差異，就有可能造成支柱開裂。

因此，我們務必按照塑膠螺絲供應商提供的支柱設計指南，一成不變的支柱。

如需了解自攻螺絲更詳細的擰入過程，請觀看以下視頻。

，時長01:09

，時長01:35

— 3—

支柱開裂解決方案總覽

用一句話來總結支柱開裂的機理是：當支柱承受的徑向力超過了其承受的極限時，支柱發生開裂。

據此，解決方案分為兩個大方向：

第一，提高支柱的承受極限

第二，減小支柱在擰入過程中承受的徑向力。

— 4—

注塑内應力

塑膠件在注塑成型過程中，因為分子鍊的取向和冷卻收縮不一緻等原因，會在塑膠件内部産生内應力。

當内應力足夠大時，會造成塑膠件發生翹曲變形；

而更多的時候，内應力并不會在塑膠件表面産生痕迹，但是一旦受到外力的作用，就會發生開裂。

▲西瓜的内應力

螺絲支柱處因為模具結構較為複雜，也比較容易産生内應力。當内應力存在後，螺絲擰入時産生的徑向力就會導緻支柱開裂。

而支柱根部斷裂則更是因為内應力的存在，為此，支柱與零件壁的連接處必須添加一定的圓角。

關于更多的注塑内應力，請閱讀：

深度 | 降低塑膠件内應力

— 5—

化學物質

螺絲支柱在注塑成型過程中、在産品組裝過程中、在存儲和運輸過程中、在使用過程中等如果碰到化學試劑，例如脫模劑、沖壓油、潤滑劑、以及酒精等，因此而發生環境應力開裂。

一個案例是因為塑膠件很硬，螺絲很難擰緊，而使用了潤滑劑來輔助螺絲的組裝。

潤滑劑确實可以輔助螺絲的組裝，但是幾個月之後，有的螺絲支柱破裂了。

▲支柱因為接觸潤滑劑而開裂

關于更多的環境應力開裂，請閱讀：

深度 | 塑膠件的殺手：環境應力開裂

— 6—

回料

為了降低成本，塑料中往往會允許添加一定比例的回料。

回料會降低塑料的機械強度，如圖所示。

▲回料對強度的影響

很多時候，支柱發生開裂就是因為供應商為了降低成本、偷工減料而違規添加回料所緻。

添加回料是降本的一種方法，這值得提倡。

但是我們必須注重回料的管控，需要注意：

1）避免添加過多的回料。在産品驗證階段，已經規定了回料添加的比例。但是有的供應商為了偷工減料，添加過多的回料，顯然這增加了支柱開裂的風險；

2）避免使用二次料等。回料我們一般僅僅使用一次料，避免使用二次料、多次料、雜色料和機頭料等。

3）避免從外部購買回料。僅僅使用該産品注塑成型過程中的回料，而避免使用從外部購買的回料。外部購買的回料質量不可控。

— 7—

熔接痕

自攻螺絲支柱由于孔的存在，無可避免地在支柱上會存在熔接痕。

▲熔接痕産生了

熔接痕處零件強度會大幅度降低，強度降低的幅度取決于塑料種類、澆口位置以及注塑成型工藝參數等。

▲熔接痕處強度降低

熔接痕的存在是支柱開裂的重要原因；本身支柱就因為壁厚的原因強度降低，再加上熔接痕的影響，強度更加低了，發生開裂的風險也就更大。

當支柱發生開裂缺陷時，請參考下面幾篇文章中的知識，去提高熔接痕的強度。

熔接痕解決方案（上）| 熔接痕類型、産生的機理與幾何因素、以及不良影響

熔接痕解決方案（中）| 方案總覽、從材料選擇和塑膠件設計解決熔接痕

熔接痕解決方案（下）| 從模具結構、工藝參數和注塑設備解決熔接痕

在支柱設計上，可以通過模流分析預測熔接痕的位置，并在熔接痕位置處添加加強筋，從而來增加支柱強度，避免開裂的風險。

▲熔接痕處添加加強筋

熔接痕強度問題也可以解釋一些奇怪現象：同樣的螺絲、同樣的支柱尺寸，有的支柱開裂了，有的支柱就沒有開裂，為什麼？

這可能是因為沒有開裂的支柱靠近澆口處，熔接痕強度比較高；而開裂的支柱遠離澆口，熔接痕強度比較低。

也可以解釋一模幾穴：同樣的零件，同樣的支柱，僅僅因為所處穴不同，有的穴支柱開裂，有的穴支柱不開裂，為什麼？

這可能是因為不同穴之間的模流不平衡，造成有的穴靠近澆口，熔接痕強度高；有的穴遠離澆口，熔接痕強度低，支柱開裂。

當然，不同穴之間的支柱尺寸差異也可能是另一個原因。

— 8—

擰緊扭矩和轉速

首先我們先來看幾個概念：

擰入扭矩（drive torque）：使自攻螺絲能夠在支柱中成型并攻出配合螺紋的扭矩；

極限扭矩（utimate torque）：在扭矩的持續作用下，螺絲将會密合、旋緊，再繼續下去将會超過極限扭矩，超過極限扭矩之後，螺絲會滑牙或者支柱會開裂、破裂。

擰緊扭矩（setting torque）：介入擰入扭矩和極限扭矩之間。

擰緊扭矩與螺絲的類型、塑膠材料和支柱内外徑尺寸等多種因素的影響。

在使用所有自攻螺絲前，最重要的問題是：正确的擰緊扭矩是多少？多大的扭矩使螺絲得以擰緊而又不會發生滑牙或支柱開裂？

如果擰緊扭矩太小，則自攻螺絲很難擰入；如果擰緊扭矩太大、接近極限扭矩，則螺絲容易發生滑牙或者支柱開裂。

另外，擰緊的速度也會影響緊固質量。如果速度過快，因為快速摩擦會産生過多的熱量，而使得塑膠材料失效，繼而減小極限扭矩。

附：相對于塑料專用螺絲，為什麼傳統自攻螺絲更容易造成滑牙或支柱開裂？

這是因為傳統自攻螺絲的擰緊扭矩和極限扭矩很接近，擰緊扭矩稍不留意設置大了、超過極限扭矩，就發生了滑牙或支柱開裂。

▲塑料專用螺絲在扭矩設置上有更大的安全餘量

最後的話

本文總結了支柱破裂N個原因，以後如果再有支柱破裂問題發生，針對原因一個一個進行排查，我相信會準确、快速地解決問題。

産品結構設計中我們碰到的任何問題，其實同支柱開裂都類似，我們隻有具備系統化、全局化的思維方式，才能把問題的根本原因找到，才能最終結把問題解決。

作者簡介：鐘元，著有書籍《面向成本的産品設計：降本設計之道》和《面向制造和裝配的産品設計指南》

----END---

隻顧埋頭畫圖、不擡頭看路的工程師，

和一邊畫圖、一邊思考的工程師，

注定是截然不同的職場命運。

歡迎關注降本設計，一起洞察降本本質

降本内訓 | 降本咨詢 | 商務推廣 | 轉載開白

請私信

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!