汽車外后視鏡基座自攻螺釘緊固失效問題研究

薛東

江陰市宏豐塑業(yè)有限公司，江蘇無錫 214422

0 引言

玻璃纖維(GF)增強尼龍(PA)具有極高的強度、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、電動工具、機械等領(lǐng)域[1-3]。汽車后視鏡基座通常設(shè)計使用鋁合金支架和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯(ASA)制作的護罩為主(稱之為分體式結(jié)構(gòu))，而將兩者整合為一體的設(shè)計則使用玻纖增強尼龍材料為主(稱之為整體式結(jié)構(gòu))，極個別車型使用玻纖增強聚對苯二甲酸丁二醇酯(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門鈑金上。對于分體式結(jié)構(gòu)的后視鏡一般不存在螺絲柱(BOSS柱)開裂或滑牙的問題，BOSS柱開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門鈑金進行連接。

在實際生產(chǎn)過程中，由于設(shè)計、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。董文生[4]通過對汽車塑料件自攻螺釘擰緊失效問題的研究發(fā)現(xiàn)，與自攻螺釘配合的塑料件安裝孔發(fā)生開裂或者無法達(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。而汽車后視鏡是汽車主動安全的重要裝置之一，是駕駛員獲取汽車兩側(cè)和后方等外部環(huán)境信息的工具[5]。本文以某主機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)境因素以及材料對自攻螺釘擰緊失效的問題研究。

1 試驗部分

1.1 主要材料

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

1.2 主要儀器設(shè)備

注塑機：TTI-90SeK11型，無錫格蘭機械集團有限公司；

計算機式材料拉力試驗機：LK-103B 型，東莞市力控儀器科技有限公司；

數(shù)顯簡支梁沖擊試驗機：HC-8215型，蘇州華川檢測儀器有限公司；

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

缺口尺寸測量儀：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箱：GDJS-100L型，東莞市華誼創(chuàng)鴻試驗設(shè)備有限公司；

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

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 測試與表征

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

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

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

低溫簡支梁缺口沖擊測試強度按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箱-30 ℃條件下，處理6 h；

滑牙扭矩的測試：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，每組測試20個產(chǎn)品。測試前、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

使用全自動手按式電動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BOSS柱的靠近產(chǎn)品頂部的一個。

圖1 不同后視鏡基座結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與討論

2.1 安裝扭矩對自攻螺釘擰緊失效的影響

表1為不同安裝扭矩對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，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高時，自攻螺釘與BOSS孔壁摩擦帶來的溫度升高，溫度過高導(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，針對該后視鏡基座使用自攻螺釘進行裝配時選擇2.93 N·m的安裝扭矩比較合適，客戶實際裝配為(2.5±0.5)N·m。選擇1.49 N·m的安裝扭矩時，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)裝車時出現(xiàn)0.5%滑牙的比例。這是由于后視鏡基座在通過自攻螺釘預(yù)裝在車門鈑金上后使用風(fēng)槍安裝螺帽時，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。為此在自攻螺釘進行裝配時，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BOSS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，后視鏡基座在安裝自攻螺釘時出現(xiàn)開裂的情況，甚至在BOSS柱孔徑改為5.0 mm時，100%開裂。這些可能是由于安裝孔相對過細(xì)，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，進而造成安裝孔壁發(fā)生開裂。而塑料件的安裝孔內(nèi)徑過大時，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[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 材料性能對自攻螺釘擰緊失效的影響

材料本身的特點以及在加工過程中一些加工參數(shù)變化也會導(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，最終將對自攻螺釘擰緊失效產(chǎn)生影響，主要失效體現(xiàn)在BOSS柱開裂的情況。

2.3.1 環(huán)境因素對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室天數(shù)增加，自攻螺釘?shù)幕琅ちΣ粩嘟档?。在放?2 d后，滑牙扭矩由原來的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尼龍類材料。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，將會導(dǎo)致主機廠在裝配時出現(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。雖然在試驗室條件下得出了最優(yōu)的安裝扭矩以及BOSS柱孔徑，但是在實際生產(chǎn)裝配時，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。通過跟蹤10萬套該產(chǎn)品，仍然出現(xiàn)有BOSS柱開裂的情況，比例為0.1%。分析得出開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。雖然無法模擬在自然條件下材料性能的變化趨勢，但是在一定程度上可以說明環(huán)境因素對材料性能的影響。

由圖5可以看出，在-30 ℃的低溫條件下，材料的拉伸強度、彎曲強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 不同注塑溫度對材料性能的影響

一般來說，注塑溫度設(shè)定過高，材料在注塑機炮筒中停留時間過長，材料未烘干等情況，都會使得材料發(fā)生降解，導(dǎo)致材料性能降低，最終反應(yīng)在注塑制品上為機械強度及韌性降低。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。在實際生產(chǎn)過程中，極少數(shù)出現(xiàn)材料在炮筒停留時間過長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(主要是漏纖情況)，一般都會先對注塑壓力、速度以及螺桿位置進行調(diào)整。如上述調(diào)整注塑參數(shù)無法解決產(chǎn)品外觀問題，則將注塑溫度進行調(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題，但是無法確保自攻螺釘裝配時，后視鏡基座不會出現(xiàn)開裂的情況。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 ℃時出現(xiàn)BOSS柱開裂情況。

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，材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量以及缺口沖擊強度都大幅度降低。與280 ℃注塑溫度的材料性能相比，300 ℃注塑的材料拉伸強度降低4.9%，彎曲強度降低3.8%，彎曲模量降低8.3%，簡支梁缺口沖擊強度降低14.3%；而320 ℃注塑的材料拉伸強度降低17.1%，彎曲強度降低15.4%，彎曲模量降低20.8%，簡支梁缺口沖擊強度降低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

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

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

(2)選擇2.93 N·m的安裝扭矩，BOSS柱孔徑為5.3 mm時，產(chǎn)品放置在試驗室環(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)開裂情況。