王曉龍 丁文捷 周軍

(1.寧夏賽文節(jié)能股份有限公司，寧夏 銀川，750002；2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川，750021)

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塑料卡扣可靠性分析

王曉龍1丁文捷2*周軍2

(1.寧夏賽文節(jié)能股份有限公司，寧夏 銀川，750002；2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川，750021)

針對電池盒蓋裝配過程中塑料卡扣出現(xiàn)折斷、壽命不足的問題，運用Pro/E和Ansys Workbench軟件對塑料卡扣進行結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計與可靠性分析，探尋了塑料卡扣結(jié)構(gòu)中的可靠性敏感尺寸參數(shù)；通過Response Surface響應(yīng)面分析讀取組合參數(shù)來分析各參數(shù)對塑料件可靠性的影響程度。塑料卡扣的結(jié)構(gòu)有限元分析(FEM)表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材質(zhì)選取與提高塑料件卡扣可靠性設(shè)計有著密切關(guān)系。

塑料卡扣 可靠性 有限元分析 仿真設(shè)計

卡扣是簡單、快速和經(jīng)濟的連接結(jié)構(gòu)，主要通過卡與扣在裝配時的彈性變形和到位后的復(fù)原變形實現(xiàn)兩個部件的連接?？圻B接可以實現(xiàn)其連帶部件的多次分離和連接而不對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于塑料的柔韌性和注塑可行性，大多數(shù)卡扣都采用塑料材料制造。研究人員對塑料卡扣的結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]、力學(xué)分析[2-3]等已進行大量研究。下面針對電池盒蓋卡扣在裝配時頻繁出現(xiàn)扣件的斷裂失效問題，采用Ansys Workbench軟件對塑料卡扣進行失效原因分析，并提出了相應(yīng)的改進方案。

1 電池盒蓋卡扣的生產(chǎn)裝配失效分析

1.1 失效現(xiàn)象

電池盒蓋卡扣,母材為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯的復(fù)合材料(ABS和PC)，采用懸臂卡扣型。某公司投產(chǎn)的某產(chǎn)品電池盒蓋卡扣失效均為裝配過程中反復(fù)拆卸導(dǎo)致在卡扣彎曲處出現(xiàn)斷裂痕，并且再次拆卸后出現(xiàn)完全斷裂。統(tǒng)計表明，失效位置集中在扣件的回轉(zhuǎn)彎曲處。

1.2 失效原因的初步分析

通常認(rèn)為失效原因有：結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理；母材選擇不當(dāng)；注塑缺陷。由于失效位置具有明顯的集中性，故結(jié)構(gòu)設(shè)計是主要問題，母材及注塑是次要問題。

2 卡扣的有限元分析

2.1 卡扣結(jié)構(gòu)及其數(shù)字化

為了驗證斷裂部位確實具有結(jié)構(gòu)性問題，首先將軟件Pro/E設(shè)計的卡扣參數(shù)化模型導(dǎo)入軟件Ansys Workbench中，將其主要結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)聯(lián)至Ansys Workbench，如圖1所示。結(jié)構(gòu)尺寸1.20 mm，6.14 mm,4.30 mm，23.54°，1.00 mm對應(yīng)的有限元分析(FEM)的尺寸編號分別為dsd58，dsd59 ，dsd61， dsd62 ，dsd63。

圖1 卡扣結(jié)構(gòu)及尺寸

2.2 載荷及邊界條件

FEM分析施加的外載荷與實際裝配過程一致，即卡扣向內(nèi)閉合時失效(圖2)。圖2中約束載荷為零位移約束，通過對背面的限位凸臺進行完全約束(圖2中A，B，C所示)。卡扣處的懸臂梁最大的移動位移l=1 mm，在D處施加位移載荷。母材(ABS和PC)的彈性模量為2.41×109Pa,泊松比為0.390。

圖2 施加載荷示意

2.3 計算網(wǎng)格的劃分

采用自由網(wǎng)格劃分方式，獲得網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為17 230個，單元數(shù)為9 058個(見圖3)，網(wǎng)格密度可保證計算精度。

圖3 網(wǎng)格劃分示意

2.4 運算結(jié)果及其分析

圖4是卡扣的應(yīng)力分布云圖。從圖4可以看出，折斷處的最大應(yīng)力為49.067 MPa，遠(yuǎn)大于工程塑料ABS許用應(yīng)力24.5 MPa。

圖4 應(yīng)力分布云圖

圖5是安全系數(shù)分布情況。

圖5 安全系數(shù)分布

從圖5可以看出，卡扣折斷處的最小安全系數(shù)為1.222 8，略大于1，但低于ABS和PC的許用安全系數(shù)范圍1.5～2.5。

從圖4和圖5還可以看出，最小安全系數(shù)和最大應(yīng)力同時出現(xiàn)在實際斷裂處。由此可見，該設(shè)計結(jié)構(gòu)與材質(zhì)均不滿足可靠性要求。另外，卡扣件在實際工作中承受循環(huán)應(yīng)力(反復(fù)拆裝)，極可能出現(xiàn)材質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力集中問題，從而導(dǎo)致疲勞失效，這也是卡扣反復(fù)拆裝后發(fā)生斷裂的主要原因。

2.5 改進方案

在明確了設(shè)計結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的不足之后，需進一步探尋結(jié)構(gòu)尺寸的改進方向。為此，對卡扣進行失效結(jié)構(gòu)的尺寸敏感度分析。分析結(jié)果表明：1)安全系數(shù)敏感度最高的是dsd58和dsd61所對應(yīng)的尺寸；dsd58與安全系數(shù)的關(guān)系是正相關(guān)；dsd61與安全系數(shù)的關(guān)系為負(fù)相關(guān)。2)截面尺寸對卡扣安全系數(shù)的敏感度與dsd58和dsd61相比，影響相對要小得多。

因此，增大dsd58和減小dsd61的值能夠增大安全系數(shù)。

2.6 卡扣結(jié)構(gòu)改進的效果預(yù)測

表1是卡扣結(jié)構(gòu)尺寸變動范圍。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸變動范圍

注：dsd58,dsd59,dsd61,dsd63尺寸單位為mm。

在保證卡扣整體功能的前提下，其結(jié)構(gòu)尺寸可在表1所列范圍變動，將dsd58和dsd61輸入Ansys Workbench進行Response Surface響應(yīng)面分析，求得安全系數(shù)最小值響應(yīng)面，如圖6所示。

圖6 響應(yīng)面分析

經(jīng)過分析，得到最優(yōu)解：dsd58為1.25 mm；dsd61為4.3 mm；安全系數(shù)為1.33；優(yōu)化后安全系數(shù)較原設(shè)計安全系數(shù)提高了9%。

2.7 材質(zhì)改進及選型分析

更換材質(zhì)也能提高設(shè)計安全系數(shù)，而且提升效果可優(yōu)于更改結(jié)構(gòu)。聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚酰胺6(PA6)進行試驗對比[4-5]。經(jīng)FEM分析得到的安全系數(shù)分別為PBT 2.290 0，PA6 1.457 1， PC和ABS 1.222 8。說明更改母材為PA6或PBT的方案也是可行的。而通過計算可知，采用PBT安全系數(shù)可提升87.3%，PA6安全系數(shù)可提升19%。

3 技改實踐

3.1 試驗

為了驗證尺寸優(yōu)化及更改母材的效果，針對母材為PA6和PBT的注塑產(chǎn)品，做3/100抽樣進行800次拆卸、裝配試驗，得到了產(chǎn)品壽命試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 產(chǎn)品壽命試驗

從表2可以看出，PBT失效次數(shù)均超過800次，PA6在690次左右，與母料(PC和ABS)失效次數(shù)300次相比，二者均滿足了使用要求。同時由于注塑問題不可避免，故應(yīng)使用批次抽檢法建立生產(chǎn)檢驗技術(shù)措施來確保生產(chǎn)質(zhì)量。

3.2 討論與分析

1) 尺寸優(yōu)化：對母材(PC和ABS)卡扣進行尺寸優(yōu)化后，安全系數(shù)提高了9%，提高幅度有限。

2) 改變母材：變更材質(zhì)可進一步提高安全系數(shù)。PBT有高韌性、高抗疲勞強度和尺寸穩(wěn)定性，與其屬性相似的還有PA6，PA66等均可滿足工作環(huán)境需求。FEM分析結(jié)果顯示，改換母材具有比結(jié)構(gòu)改進更好的安全系數(shù)，因此在應(yīng)急生產(chǎn)中，考慮到開模、修模的技術(shù)、經(jīng)濟成本的情況下，可以進行材質(zhì)變更。使用PBT母材可以較為快捷、且經(jīng)濟地解決卡扣失效問題。

3) 結(jié)構(gòu)改型：卡扣根部斷面可以由V型向U型甚至C型斷面改進； U型卡扣易折斷處的最小安全系數(shù)是4.924 2(見圖7)，與改換母材后的安全系數(shù)相比具有極大的提升幅度。

圖7 U型卡扣結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

a) 基于軟件Ansys Workbench對電池盒蓋懸臂卡扣進行的安全系數(shù)分析表明，卡扣結(jié)構(gòu)及其材質(zhì)均存在改進必要。

b) 材質(zhì)更換試驗中，安全系數(shù)計算的結(jié)果表明，改換母材具有比結(jié)構(gòu)改進更高的安全系數(shù)提升幅度。

c) 不同母材的拆裝試驗定性、定量地表現(xiàn)了更換母材后使用壽命的提升效果。

d) 塑料材料結(jié)構(gòu)的可靠性應(yīng)該從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材質(zhì)選取兩方面入手。在產(chǎn)品設(shè)計階段應(yīng)注重優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸；在應(yīng)急生產(chǎn)中，考慮開模、修模成本問題，應(yīng)以更改材質(zhì)為主；對于無法進行材質(zhì)選型的產(chǎn)品，應(yīng)對敏感度高的尺寸進行重新設(shè)計，甚至進行結(jié)構(gòu)改型設(shè)計。

[1] 林權(quán),何靚,吳雄飛,等. 卡扣塑件分析及其創(chuàng)新成型模具設(shè)計[J]. 塑料科技,2013,41(7):85-89.

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[3] 康柳, 劉婧,張佳娟,等. 基于Solid Works的卡扣快裝箱有限元分析[J]. 包裝工程,2015,36(3):65-69.

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泵用的熱塑性復(fù)合材料

據(jù)“www.ptonline.com”報道，休斯敦EGC Critical Components公司開發(fā)出一種用于制備多種液體和固體傳輸?shù)妮S套、軸承和磨損環(huán)泵用的新型熱塑性聚合物復(fù)合材料專用料。這些專用料擁有比許多其他材料如橡膠或青銅更好的磨損性能、優(yōu)異的耐磨性。

具有獨特性能特點的該系列產(chǎn)品有4個：Dures 150, Dures 250, Dures A451 和Dures XPC2。Dures 150, Dures 250在150～250 F(65.56～121.11 ℃)下有好的耐化學(xué)藥品性、耐沖擊、耐磨性。Dures A451 由切碎的短纖維和增強壓縮成型聚醚醚酮(PEEK)組成，可用于制造軸承、軸套、耐磨環(huán)，具有優(yōu)良的耐化學(xué)性、無磨損、無失靈的性質(zhì)，但它不適合摩擦和超過275 F(135 ℃)下運行。相比之下，Dures PC2，由PEEK和連續(xù)碳纖維復(fù)配組成，可在溫度高達(dá)550 F(287.88 ℃)下使用，使得它最適合用于制備鍋爐給水泵。

無鹵阻燃PC復(fù)合物

據(jù)“www.ptonline.com”報道，密蘇里州堪薩斯城PolySource公司開發(fā)出了一種應(yīng)用于電子領(lǐng)域中的新型無氯、無溴阻燃聚碳酸酯(PC)復(fù)合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV。新型阻燃PC復(fù)合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV符合歐盟ROHS(關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令)和REACH(歐盟化學(xué)品管理新法規(guī))阻燃性的要求。該阻燃PC復(fù)合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV阻燃級別達(dá)到UL94 V-0級。據(jù)報道，它有優(yōu)異的力學(xué)性能，具有良好的美學(xué)、韌性、紫外線穩(wěn)定性和熔體流動性。新型阻燃PC復(fù)合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV加工窗口寬，沒有溫度敏感性、剪切敏感性或積垢問題。

(以上由中國石化揚子石油化工有限公司南京研究院

嚴(yán)淑芬供稿)

Reliability Analysis of Plastic Buckle

Wang Xiaolong1Ding Wenjie2Zhou Jun2

(1. Ningxia Saiwen Energy Saving Technology Co., LTD.,Yinchuan, Ningxia,750002;2. Ningxia University, Yinchuan, Ningxia,750021).

For the problem of plastic buckle breakage and lack of life in battery cover assembly process, the structure simulation design and reliability of plastic buckle were analyzed by the software of Pro/E and Ansys Workbench. Reliability of sensitive size parameters was explored in the structure of plastic snap. The degree of influence of various parameters on the reliability of plastic parts was analyzed by reading Response Surface combination parameters. Finite Element Method(FEM) structural analysis shows that structural optimization and material selection are closely related to improve the reliability design of the plastic buckle.

plastic buckle; reliability; finite element method; simulation design

2015-08-13;修改稿收到日期:2016-03-10。

王曉龍(1988—)，男，機械工程專業(yè)，主要從事機械結(jié)構(gòu)研究。E-mail:923541547@qq.com。

*通信聯(lián)系人，E-mail:973378480@qq.com。

機械與模具

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.012