薛東

江陰市宏豐塑業(yè)有限公司，江蘇無(wú)錫 214422

0 引言

玻璃纖維(GF)增強(qiáng)尼龍(PA)具有極高的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電動(dòng)工具、機(jī)械等領(lǐng)域[1-3]。汽車(chē)后視鏡基座通常設(shè)計(jì)使用鋁合金支架和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)制作的護(hù)罩為主(稱(chēng)之為分體式結(jié)構(gòu))，而將兩者整合為一體的設(shè)計(jì)則使用玻纖增強(qiáng)尼龍材料為主(稱(chēng)之為整體式結(jié)構(gòu))，極個(gè)別車(chē)型使用玻纖增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)材料。不管是分體式結(jié)構(gòu)還是整體式結(jié)構(gòu)，都需要使用螺釘將后視鏡總成固定在車(chē)門(mén)鈑金上。對(duì)于分體式結(jié)構(gòu)的后視鏡一般不存在螺絲柱(BOSS柱)開(kāi)裂或滑牙的問(wèn)題，BOSS柱開(kāi)裂或者滑牙主要出現(xiàn)在整體式塑料結(jié)構(gòu)中。這是由于整體式結(jié)構(gòu)的后視鏡總成一般使用自攻螺釘與車(chē)門(mén)鈑金進(jìn)行連接。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)、制造、操作以及環(huán)境等因素，可能導(dǎo)致塑料件在自攻擰緊的過(guò)程中發(fā)生諸如開(kāi)裂、打滑(達(dá)不到規(guī)定的擰緊力矩)等失效問(wèn)題，從而造成零件松動(dòng)，輕則產(chǎn)生異響，重則造成零件脫落，甚至可能會(huì)影響車(chē)輛功能和行車(chē)安全。董文生[4]通過(guò)對(duì)汽車(chē)塑料件自攻螺釘擰緊失效問(wèn)題的研究發(fā)現(xiàn)，與自攻螺釘配合的塑料件安裝孔發(fā)生開(kāi)裂或者無(wú)法達(dá)到規(guī)定的擰緊力矩主要是與塑料件本身有關(guān)的因素以及塑料件安裝孔壁內(nèi)部存在孔洞、溫度和水分的影響。而汽車(chē)后視鏡是汽車(chē)主動(dòng)安全的重要裝置之一，是駕駛員獲取汽車(chē)兩側(cè)和后方等外部環(huán)境信息的工具[5]。本文以某主機(jī)廠整體式后視鏡基座為例，主要研究了后視鏡基座BOSS柱的孔徑、自攻螺釘安裝扭力、環(huán)境因素以及材料對(duì)自攻螺釘擰緊失效的問(wèn)題研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要材料

PA6 B6045UV，公司量產(chǎn)品牌，后視鏡基座專(zhuān)用材料；自攻螺釘，市售。

1.2 主要儀器設(shè)備

注塑機(jī)：TTI-90SeK11型，無(wú)錫格蘭機(jī)械集團(tuán)有限公司；

計(jì)算機(jī)式材料拉力試驗(yàn)機(jī)：LK-103B 型，東莞市力控儀器科技有限公司；

數(shù)顯簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)：HC-8215型，蘇州華川檢測(cè)儀器有限公司；

電動(dòng)缺口制樣機(jī)：XQZ-11型，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；

缺口尺寸測(cè)量?jī)x：IDMI-12.7型，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；

可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱：GDJS-100L型，東莞市華誼創(chuàng)鴻試驗(yàn)設(shè)備有限公司；

全自動(dòng)手按式電動(dòng)螺絲刀(1.47～4.41 N·m):SK-9250L，臺(tái)灣奇力速；

數(shù)顯扭矩扳手(0.5～10 N·m):SWM-10，上海思為儀器制造有限公司。

1.3 測(cè)試與表征

拉伸性能測(cè)試按ISO 527-1，2：2012標(biāo)準(zhǔn)要求，拉伸速率為5 mm/min；

彎曲強(qiáng)度以及彎曲模量測(cè)試按照 ISO 178：2010標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試速率為2 mm/min；

簡(jiǎn)支梁缺口沖擊測(cè)試強(qiáng)度按ISO 179/1eA：2000標(biāo)準(zhǔn)要求，擺錘能量為4 J；

低溫簡(jiǎn)支梁缺口沖擊測(cè)試強(qiáng)度按ISO 179/1eA：2000標(biāo)準(zhǔn)要求，擺錘能量為4 J。樣條先在可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱-30 ℃條件下，處理6 h；

滑牙扭矩的測(cè)試：將安裝自攻螺釘?shù)暮笠曠R基座，使用數(shù)顯扭力扳手?jǐn)Q到自攻螺釘滑牙即為滑牙扭力，每組測(cè)試20個(gè)產(chǎn)品。測(cè)試前、后視鏡基座以及安裝自攻螺釘后的后視鏡基座都在試驗(yàn)室溫度為23 ℃、濕度為50%的條件下平衡24 h。

1.4 自攻螺釘?shù)陌惭b

使用全自動(dòng)手按式電動(dòng)螺絲刀將自攻螺釘安裝在整體式后視鏡基座上。不同后視鏡基座結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文主要研究基座3個(gè)BOSS柱的靠近產(chǎn)品頂部的一個(gè)。

圖1 不同后視鏡基座結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 安裝扭矩對(duì)自攻螺釘擰緊失效的影響

表1為不同安裝扭矩對(duì)自攻螺釘安裝的影響。由表可以看出：隨著安裝扭矩的增加，產(chǎn)品的滑牙扭矩也增大(BOSS柱孔徑選用5.3 m)。當(dāng)安裝扭矩達(dá)到2.93 N·m時(shí)，滑牙扭矩最大，隨著安裝扭矩繼續(xù)增大，產(chǎn)品的滑牙扭矩反而降低。這可能是在安裝扭矩過(guò)高時(shí)，自攻螺釘與BOSS孔壁摩擦帶來(lái)的溫度升高，溫度過(guò)高導(dǎo)致BOSS柱安裝孔內(nèi)壁發(fā)生熔融，從而大幅度降低滑牙扭矩。因此，針對(duì)該后視鏡基座使用自攻螺釘進(jìn)行裝配時(shí)選擇2.93 N·m的安裝扭矩比較合適，客戶(hù)實(shí)際裝配為(2.5±0.5)N·m。選擇1.49 N·m的安裝扭矩時(shí)，自攻螺釘打不到BOSS柱的底部，如圖2所示。

表1 不同安裝扭矩對(duì)自攻螺釘安裝的影響

圖2 安裝扭矩裝配示意

2.2 BOSS柱孔徑對(duì)自攻螺釘擰緊失效的影響

圖3為BOSS柱及自攻螺釘安裝示意，前期設(shè)計(jì)為5.5 mm，拔模角度為0.5°。該后視鏡基座在前期量產(chǎn)裝車(chē)時(shí)出現(xiàn)0.5%滑牙的比例。這是由于后視鏡基座在通過(guò)自攻螺釘預(yù)裝在車(chē)門(mén)鈑金上后使用風(fēng)槍安裝螺帽時(shí)，自攻螺釘可承受的滑牙扭矩小于風(fēng)槍施加的扭矩，風(fēng)槍扭矩設(shè)定值為(7±0.5)N·m。為此在自攻螺釘進(jìn)行裝配時(shí)，選擇2.93 N·m的安裝扭矩，并將BOSS柱孔徑更改為5.0～5.4 mm，基座不同孔徑自攻螺釘安裝情況見(jiàn)表2。其中5.1～5.4 mm BOSS柱孔徑小批量試制1 000套，5.5 mm BOSS柱孔徑產(chǎn)品前期量產(chǎn)3 000套，5.0 mm試制50套。由表可以看出，隨著B(niǎo)OSS柱孔徑從5.5 mm降至5.3 mm，擰緊失效情況好轉(zhuǎn)，并且符合裝配要求。但是將BOSS柱孔徑繼續(xù)減小時(shí)，后視鏡基座在安裝自攻螺釘時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，甚至在BOSS柱孔徑改為5.0 mm時(shí)，100%開(kāi)裂。這些可能是由于安裝孔相對(duì)過(guò)細(xì)，造成自攻擰緊過(guò)程中安裝孔壁內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過(guò)高，進(jìn)而造成安裝孔壁發(fā)生開(kāi)裂。而塑料件的安裝孔內(nèi)徑過(guò)大時(shí)，在自攻螺釘旋入過(guò)程中，螺紋在安裝孔內(nèi)壁上侵入的深度過(guò)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(guò)小，因而無(wú)法達(dá)到足夠的擰緊力矩[4]。因此，在其他因素都不變的情況下選用5.3 mm孔徑的后視鏡基座最優(yōu)。

圖3 BOSS柱及自攻螺釘安裝示意

表2 基座不同孔徑自攻螺釘安裝情況

2.3 材料性能對(duì)自攻螺釘擰緊失效的影響

材料本身的特點(diǎn)以及在加工過(guò)程中一些加工參數(shù)變化也會(huì)導(dǎo)致其性能發(fā)生變化，從而導(dǎo)致注塑產(chǎn)品的性能發(fā)生變化，最終將對(duì)自攻螺釘擰緊失效產(chǎn)生影響，主要失效體現(xiàn)在BOSS柱開(kāi)裂的情況。

2.3.1 環(huán)境因素對(duì)自攻螺釘擰緊失效的影響

圖4為自攻螺釘安裝在后視鏡基座上后放置不同時(shí)間的滑牙扭矩。自攻螺釘安裝選用上文最佳的裝配工藝。由圖可以看出，隨著后視鏡基座放置在試驗(yàn)室天數(shù)增加，自攻螺釘?shù)幕琅ちΣ粩嘟档汀Ｔ诜胖?2 d后，滑牙扭矩由原來(lái)的8.86 N·m降至7.51 N·m。這可能是由于后視鏡基座材料使用的是PA6+GF45，屬于自攻螺釘安裝在后視鏡基座上后玻纖增強(qiáng)尼龍類(lèi)材料。而尼龍材料容易吸水，導(dǎo)致材料的剛性下降，韌性變好。然而滑牙扭矩降低后，將會(huì)導(dǎo)致主機(jī)廠在裝配時(shí)出現(xiàn)滑牙的情況，特別是自攻螺釘可承受的滑牙扭矩小于風(fēng)槍施加的扭矩時(shí)。雖然在試驗(yàn)室條件下得出了最優(yōu)的安裝扭矩以及BOSS柱孔徑，但是在實(shí)際生產(chǎn)裝配時(shí)，產(chǎn)品所處的環(huán)境溫度以及濕度是隨著自然氣候的變化而變化。通過(guò)跟蹤10萬(wàn)套該產(chǎn)品，仍然出現(xiàn)有BOSS柱開(kāi)裂的情況，比例為0.1%。分析得出開(kāi)裂的情況主要是出現(xiàn)在冬季，這主要是由于冬天氣溫低、濕度低，導(dǎo)致其剛性高、韌性低。

圖4 自攻螺釘安裝在后視鏡基座上后放置不同時(shí)間的滑牙扭矩

圖5為不同狀態(tài)下的材料力學(xué)性能。雖然無(wú)法模擬在自然條件下材料性能的變化趨勢(shì)，但是在一定程度上可以說(shuō)明環(huán)境因素對(duì)材料性能的影響。

由圖5可以看出，在-30 ℃的低溫條件下，材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度以及彎曲模量最高，其次是在干態(tài)條件下的材料性能，最后是在濕態(tài)條件下的材料性能。但是在濕態(tài)條件下的材料簡(jiǎn)支梁缺口沖擊最高，其次是干態(tài)條件下的缺口沖擊，最后是-30 ℃的低溫條件下的缺口沖擊。

圖5 不同狀態(tài)下的材料力學(xué)性能

從不同狀態(tài)下的材料性能變化也表明：材料吸水后，其剛性下降，韌性變好;在低溫條件下，材料剛性高，韌性低。

2.3.2 不同注塑溫度對(duì)材料性能的影響

一般來(lái)說(shuō)，注塑溫度設(shè)定過(guò)高，材料在注塑機(jī)炮筒中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，材料未烘干等情況，都會(huì)使得材料發(fā)生降解，導(dǎo)致材料性能降低，最終反應(yīng)在注塑制品上為機(jī)械強(qiáng)度及韌性降低。因此，選擇合理的注塑工藝與最終產(chǎn)品的性能有很大關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，極少數(shù)出現(xiàn)材料在炮筒停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及未烘干等情況發(fā)生。另外由于后視鏡基座屬于外觀件，當(dāng)產(chǎn)品外觀有瑕疵時(shí)(主要是漏纖情況)，一般都會(huì)先對(duì)注塑壓力、速度以及螺桿位置進(jìn)行調(diào)整。如上述調(diào)整注塑參數(shù)無(wú)法解決產(chǎn)品外觀問(wèn)題，則將注塑溫度進(jìn)行調(diào)整。雖然調(diào)整注塑溫度在一定程度上能夠解決外觀瑕疵的問(wèn)題，但是無(wú)法確保自攻螺釘裝配時(shí)，后視鏡基座不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。表3為不同注塑溫度下的后視鏡基座自攻螺釘安裝情況，自攻螺釘安裝選用最優(yōu)孔徑以及安裝扭矩。由表可以看出，隨著注塑溫度的提高，滑牙扭矩降低，并且在320 ℃時(shí)出現(xiàn)BOSS柱開(kāi)裂情況。

表3 不同注塑溫度下的后視鏡基座自攻螺釘安裝情況

圖6為后視鏡基座材料在不同注塑溫度下的材料力學(xué)性能變化。由圖可以看出，隨著注塑溫度的升高，材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及缺口沖擊強(qiáng)度都大幅度降低。與280 ℃注塑溫度的材料性能相比，300 ℃注塑的材料拉伸強(qiáng)度降低4.9%，彎曲強(qiáng)度降低3.8%，彎曲模量降低8.3%，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度降低14.3%；而320 ℃注塑的材料拉伸強(qiáng)度降低17.1%，彎曲強(qiáng)度降低15.4%，彎曲模量降低20.8%，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度降低42.9%。這主要是由于材料在高溫條件下發(fā)生了降解，從而導(dǎo)致材料性能出現(xiàn)大幅度降低。

圖6 后視鏡基座材料在不同注塑溫度下的材料力學(xué)性能變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)后視鏡基座BOSS柱的孔徑、自攻螺釘安裝扭力、環(huán)境因素以及材料對(duì)自攻螺釘擰緊失效問(wèn)題的分析與總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1)在自攻螺釘進(jìn)行裝配在后視鏡基座產(chǎn)品時(shí)，選擇2.93 N·m的安裝扭矩，并且BOSS柱孔徑為5.3 mm時(shí)，產(chǎn)品的滑牙扭矩達(dá)到最大值，并且未出現(xiàn)螺絲柱開(kāi)裂以及滑牙等情況。

(2)選擇2.93 N·m的安裝扭矩，BOSS柱孔徑為5.3 mm時(shí)，產(chǎn)品放置在試驗(yàn)室環(huán)境條件下42 d后，產(chǎn)品的滑牙扭矩下降了15.23%。另外，隨著注塑溫度的升高，產(chǎn)品的滑牙扭矩也是降低甚至出現(xiàn)開(kāi)裂情況。