塑件热熔嵌件柱开裂问题的总结

塑件热熔嵌件柱开裂问题的总结
赖营章
（甘肃兰州长风电子公司，甘肃兰州730070）
【摘要】塑件热熔嵌件是注射成型后加工常用的方法，但二次加工可能会引入一些潜在的风险，比如螺纹柱开裂就是一种常见的缺陷。

论述了PC/ABS塑件热熔嵌件柱开裂的各种可能原因分析及验证，为今后新产品开发及工艺开发提供了借鉴意义。

关键词：PC/ABS；塑件；嵌件；开裂
中图分类号：TQ320.66文献标识码：B
DOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.03.011
Injection Plastic Part Hot Insert Boss Crack Cause Summary
Lai Yingzhang
（Lanzhou Changfeng Electronic Co.,Ltd.,Lanzhou，Gansu730070，CHN）【Abstract】Hot insert is normal process for injection part,but this process may introduce some potential risk,like insert boss crack is normal failure.This article discussed all possible reason for crack and verify solutions,this can provide guideline for new product development and process development.
Key words:PC/ABS；plastic part；insert；crack
1引言
笔者所在企业为医疗器械开发生产企业，各种产品的外观及结构件会用到大量的塑件，由于这些塑件要与其它的结构件通过螺纹连接在一起，考虑到后期的维护拆卸，通常不选择自攻钉的形式，而选择在塑件里嵌入铜螺母的方式进行连接。

嵌件嵌入塑件通常有两种方式，注射时将嵌件放入模具进行注射，这样的优点是嵌件结合牢固，后期不易开裂，但缺点是当嵌件数量比较多时，放入比较麻烦，又由于模具比较热，放入也不安全，而且因为放入嵌件时间长，注射料管里熔化的塑料加热时间太长影响材料性能，所以，当嵌件比较多时后期熔入是必然的选择，考虑到成本、现有设备等因素，后期熔入可选择手动电烙铁、热熔机、超声波等熔入。

手动电烙铁和热熔机本质一样，都是通过加热的方式熔入，就是效率和控制的精准度有差别，超声波熔入是通过声波能量将塑胶熔化熔入，但后期嵌入的缺点就是需要后面的二次加工工序，因为周转、装夹等对塑件的外观有影响，而且，因为是后期熔入的结合力没有嵌件注射的强，更大的风险就是塑件装配后放置一段时间或塑件在终端市场嵌件柱有发现开裂的现象。

本文讨论如何分析开裂的原因和采取预防开裂的措施，对后期塑件和过程的开发起到借鉴作用。

2背景
PC/ABS是外观件采用比较多的一种材料，由于嵌件比较多，选用了后期热熔螺母的方式嵌入嵌件，这种方式是运用比较多的一种方式，而且不同的产品线都有运用，但不幸的是在有的塑件装机1~6个月，嵌件柱发生了不同程度的开裂，失效模式如图1所示，但轻重有所不同。

3原因分析
看似小小的开裂牵涉到整个生产周期的任何环节、任何细节，而且PC/ABS对油污、应力都比较敏感，这都是问题分析中不可放过的细节。

整个过程牵涉到塑件的设计尺寸，原材料的性能，注射前原材料的烘干，
注射模的维护保养、清洁，注射的工艺参数，铜螺母嵌件本身的加工成型过程，嵌件熔入的工艺参数等环节。

图1开裂照片
3.1塑件设计参数
考虑到整个塑件的结构强度和注射工艺性，如图2所示，整个塑件的主壁厚选择了2.5mm，由于结构设计考虑到嵌件柱的注射收缩印会影响到塑件的外观往往会选择较保守的壁厚，参考嵌件厂商推荐的M3mm铜螺母嵌件柱最小1.6mm，如图3所示，现有的设计壁厚小于1.6mm，较小的壁厚对缩印是有好处的，但事实证明较小的壁厚对后期嵌件嵌入后嵌件柱的开裂没有好处，而且这个壁厚越厚越不容易开裂，所以，在保证不出现缩印的情况下，越厚的壁厚越有好处。

在后来解决开裂的问题中，增加了柱子的壁厚抵抗内应力引起的开裂确实有效果。

所以在做塑件开发时就要考虑到方方面面的需求，塑件结构方面的，外观的要求，以及后期可能出现的质量问题。

图2主壁厚2.5mm的塑件
图3内径ϕ4.1mm外径ϕ6.74mm塑件
3.2注射过程的影响
注射成型前原材料都要经过烘干，没有充分烘干的材料注射后对塑件的外观和机械性能都有影响，本材料厂家推荐的烘干参数为80C°烘干3h，为验证此参数是否将材料充分烘干而影响到塑件注射后的机械性能，对嵌件柱的开裂有贡献，可以取样烘干后的材料分析水分含量是否满足材料厂家推荐的水分含量，同时，可以分析注射后塑件的机械性能参数是否满足材料厂家的参数和明显的机械性能下降的倾向，通过一些列的分析这个烘干参数和注射厂家的生产记录证明原材是经过充分烘干的，后期嵌件柱的开裂不是因为原材料没有烘干有关系。

另外，如果注塑机吨位过大或注射料管偏大，熔化的塑料注射几模后还没有完全注完，而且料温设定又偏高的话有可能就会引起材料的降解，引起注射后塑件机械性能下降，而且嵌件热熔时又对塑料进行二次加热，更加引起材料性能下降，这些都是需要引起注意的对方，必要时可从塑件上取样进行力学性能分析。

3.3油污的影响
由于PC/ABS对各种油脂非常敏感，虽然相关资料没有明确定义哪种型号的油脂对PC/ABS有明显腐蚀，但因为油脂的污染导致塑件开裂的事件屡见不鲜，所以，对塑件的开裂是否接触到油脂和此油脂对塑件是否损伤是非常关键的分析因素。

模具储存、生产都有机会接触到各种油脂，模具储存时的防锈油，模具清洁剂，模具生产时的脱模剂，润滑油都有可能对塑件造成损伤，还有铜嵌件机械加工过程中的润滑油，在分析塑件开裂时都要一一确认这些油脂是否对塑件有损伤，具体可以咨询油脂的生产厂家或将一定量的油脂涂在塑件上一定时间看塑件是否有裂纹来判断。

铜嵌件加工后是否清洗干净也是需要确认的，通常铜嵌件加工后都会有超声波清洗工艺保证嵌件是干净的，可以将嵌件放在纯净水或酒精中观察是否有油花来判断嵌件是否干净，通过这种方式来排除油污的影响。

3.4嵌件热熔的影响
铜嵌件之所以被熔入到塑料中，是因为热量传递到铜螺母导致塑料熔化而进入塑料柱的，不同的塑料需选用不同的温度，通常热熔的设定温度比注射推荐的温度要低20℃~30℃，如果热熔时的温度过高将会导致塑料柱变形，如果料温偏低塑料熔化不充分，嵌件会被强行压入柱子中，塑料对嵌件的包裹也不充分，这会导致嵌件承受的扭矩降低，
同时由于嵌件强行压入导
致塑料柱承受较大的应力，随着时间的推移和环境的变化，在一定的时间后塑料柱就会存在开裂的风险。

常用嵌件热熔方式有3种，手动电烙铁，超声波，热熔机。

（1）手动热熔特点。

成本低廉，操作灵活，不受螺母位置和高低的影响，但效率低，螺母熔入的高低和垂直度不易保证。

从热熔后的应力分析看受到的应力较小，后期热熔柱不易开裂。

（2）超声波热熔特点。

通过超声波震动使得嵌件和塑料间的分子震动、摩擦生热而将嵌件熔入，这需要专用的设备，因每次行程是固定的，单头的超声波，每次只能熔相同高度的螺母，超声波噪音也比较大，后期的应力分析看，超声波熔入的应力比较大，又由于熔入时有震动，后期热熔柱比较容易开裂。

（3）热熔机熔入特点。

需要专用设备，效率比较高，不受塑料柱高度的限制，一次可完成多个，温度一致，熔后的嵌件高度一致，适合批量大的情况，热熔头下降速度比较快，控制好速度是比较理想的方式，热熔后的引力分析证明取决于温度和速度。

为了证明不同温度下热熔嵌件效果和应力的区
别，以这里讨论的案列，原材料为PC/ABS ，通常PC/ABS 的注射温度为250℃左右，以现有的热熔温度180℃和改进后的220℃做对比，观察不同温度下热熔
的效果和应力大小。

a.180℃熔入效果。

如图4所示，观察180℃熔入
嵌件周边一圈塑料的流动情况，发现周边一圈塑料的溢出不是那么均匀，塑料流动承紊乱状态，说明嵌件熔入时塑料熔化不充分，又由于嵌件熔入时受到压力
导致，嵌件的包裹也不是很理想，实际证明塑胶件在使用一定时间后，嵌件柱也比较容易开裂。

b.220℃熔入效果。

如图5所示，观察220℃熔入
嵌件周边一圈塑料的流动情况，发现周边一圈塑料的
溢出比较均匀，塑料流动承规则状态，说明嵌件熔入时塑料熔化充分，嵌件的包裹也比较很理想，塑胶件在使用一定时间后，嵌件柱也不容易开裂。

M 3mm 铜螺母嵌件跟转破坏扭矩验证：为验证在不同温度下熔入嵌件的结合强度，用扭矩扳手旋转嵌件直到跟转破坏，记录破坏扭矩，试验随着温度的提高嵌件的结合强度也会上升，但熔入温度不能太高而引起塑料脆化。

图4180℃融入效果
图5220
℃融入效果
4结束语
塑件熔入嵌件是塑胶件设计时增加螺丝拧入次
数常用的一种方式，通常研发人员选好嵌件型号时根据嵌件推荐的尺寸设计塑胶柱的相应尺寸，但几乎很少有人会考虑到塑胶件使用一段时间后可能会开裂，直到塑件在市场上收到不良反馈才会有人注意这个问题，而且塑胶柱的开裂是一个复杂的问题，牵涉的因素很多，原因调查起来比较复杂，耗时又长，皆以此文总结笔者遇到的实际问题，给各位读者以启发。

参考文
献
[1]塑料模具设计手册编写组.塑料模具设计手册[M].北京：机械工业出版社，1994.[2]
屈华昌.塑料成型工艺与模具设计[M].北京：机械工业出
版社，2000.
作者简介：赖营章，男，1972年9月生，长期从事模具加工设计及质量管理方面工作。

（收稿日期：2022-12-15）。