塑料卡扣可靠性分析

王晓龙 丁文捷 周军

(1.宁夏赛文节能股份有限公司，宁夏 银川，750002；2.宁夏大学，宁夏 银川，750021)



塑料卡扣可靠性分析

王晓龙1丁文捷2*周军2

(1.宁夏赛文节能股份有限公司，宁夏 银川，750002；2.宁夏大学，宁夏 银川，750021)

针对电池盒盖装配过程中塑料卡扣出现折断、寿命不足的问题，运用Pro/E和Ansys Workbench软件对塑料卡扣进行结构仿真设计与可靠性分析，探寻了塑料卡扣结构中的可靠性敏感尺寸参数；通过Response Surface响应面分析读取组合参数来分析各参数对塑料件可靠性的影响程度。塑料卡扣的结构有限元分析(FEM)表明，结构优化及材质选取与提高塑料件卡扣可靠性设计有着密切关系。

塑料卡扣 可靠性 有限元分析 仿真设计

卡扣是简单、快速和经济的连接结构，主要通过卡与扣在装配时的弹性变形和到位后的复原变形实现两个部件的连接。卡扣连接可以实现其连带部件的多次分离和连接而不对产品结构产生影响。由于塑料的柔韧性和注塑可行性，大多数卡扣都采用塑料材料制造。研究人员对塑料卡扣的结构设计[1]、力学分析[2-3]等已进行大量研究。下面针对电池盒盖卡扣在装配时频繁出现扣件的断裂失效问题，采用Ansys Workbench软件对塑料卡扣进行失效原因分析，并提出了相应的改进方案。

1 电池盒盖卡扣的生产装配失效分析

1.1 失效现象

电池盒盖卡扣,母材为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和聚碳酸酯的复合材料(ABS和PC)，采用悬臂卡扣型。某公司投产的某产品电池盒盖卡扣失效均为装配过程中反复拆卸导致在卡扣弯曲处出现断裂痕，并且再次拆卸后出现完全断裂。统计表明，失效位置集中在扣件的回转弯曲处。

1.2 失效原因的初步分析

通常认为失效原因有：结构设计不合理；母材选择不当；注塑缺陷。由于失效位置具有明显的集中性，故结构设计是主要问题，母材及注塑是次要问题。

2 卡扣的有限元分析

2.1 卡扣结构及其数字化

为了验证断裂部位确实具有结构性问题，首先将软件Pro/E设计的卡扣参数化模型导入软件Ansys Workbench中，将其主要结构尺寸关联至Ansys Workbench，如图1所示。结构尺寸1.20 mm，6.14 mm,4.30 mm，23.54°，1.00 mm对应的有限元分析(FEM)的尺寸编号分别为dsd58，dsd59 ，dsd61， dsd62 ，dsd63。

图1 卡扣结构及尺寸

2.2 载荷及边界条件

FEM分析施加的外载荷与实际装配过程一致，即卡扣向内闭合时失效(图2)。图2中约束载荷为零位移约束，通过对背面的限位凸台进行完全约束(图2中A，B，C所示)。卡扣处的悬臂梁最大的移动位移l=1 mm，在D处施加位移载荷。母材(ABS和PC)的弹性模量为2.41×109Pa,泊松比为0.390。

图2 施加载荷示意

2.3 计算网格的划分

采用自由网格划分方式，获得网格节点数为17 230个，单元数为9 058个(见图3)，网格密度可保证计算精度。

图3 网格划分示意

2.4 运算结果及其分析

图4是卡扣的应力分布云图。从图4可以看出，折断处的最大应力为49.067 MPa，远大于工程塑料ABS许用应力24.5 MPa。

图4 应力分布云图

图5是安全系数分布情况。

图5 安全系数分布

从图5可以看出，卡扣折断处的最小安全系数为1.222 8，略大于1，但低于ABS和PC的许用安全系数范围1.5～2.5。

从图4和图5还可以看出，最小安全系数和最大应力同时出现在实际断裂处。由此可见，该设计结构与材质均不满足可靠性要求。另外，卡扣件在实际工作中承受循环应力(反复拆装)，极可能出现材质内部应力集中问题，从而导致疲劳失效，这也是卡扣反复拆装后发生断裂的主要原因。

2.5 改进方案

在明确了设计结构与材质的不足之后，需进一步探寻结构尺寸的改进方向。为此，对卡扣进行失效结构的尺寸敏感度分析。分析结果表明：1)安全系数敏感度最高的是dsd58和dsd61所对应的尺寸；dsd58与安全系数的关系是正相关；dsd61与安全系数的关系为负相关。2)截面尺寸对卡扣安全系数的敏感度与dsd58和dsd61相比，影响相对要小得多。

因此，增大dsd58和减小dsd61的值能够增大安全系数。

2.6 卡扣结构改进的效果预测

表1是卡扣结构尺寸变动范围。

表1 结构尺寸变动范围

注：dsd58,dsd59,dsd61,dsd63尺寸单位为mm。

在保证卡扣整体功能的前提下，其结构尺寸可在表1所列范围变动，将dsd58和dsd61输入Ansys Workbench进行Response Surface响应面分析，求得安全系数最小值响应面，如图6所示。

图6 响应面分析

经过分析，得到最优解：dsd58为1.25 mm；dsd61为4.3 mm；安全系数为1.33；优化后安全系数较原设计安全系数提高了9%。

2.7 材质改进及选型分析

更换材质也能提高设计安全系数，而且提升效果可优于更改结构。聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚酰胺6(PA6)进行试验对比[4-5]。经FEM分析得到的安全系数分别为PBT 2.290 0，PA6 1.457 1， PC和ABS 1.222 8。说明更改母材为PA6或PBT的方案也是可行的。而通过计算可知，采用PBT安全系数可提升87.3%，PA6安全系数可提升19%。

3 技改实践

3.1 试验

为了验证尺寸优化及更改母材的效果，针对母材为PA6和PBT的注塑产品，做3/100抽样进行800次拆卸、装配试验，得到了产品寿命试验结果，如表2所示。

表2 产品寿命试验

从表2可以看出，PBT失效次数均超过800次，PA6在690次左右，与母料(PC和ABS)失效次数300次相比，二者均满足了使用要求。同时由于注塑问题不可避免，故应使用批次抽检法建立生产检验技术措施来确保生产质量。

3.2 讨论与分析

1) 尺寸优化：对母材(PC和ABS)卡扣进行尺寸优化后，安全系数提高了9%，提高幅度有限。

2) 改变母材：变更材质可进一步提高安全系数。PBT有高韧性、高抗疲劳强度和尺寸稳定性，与其属性相似的还有PA6，PA66等均可满足工作环境需求。FEM分析结果显示，改换母材具有比结构改进更好的安全系数，因此在应急生产中，考虑到开模、修模的技术、经济成本的情况下，可以进行材质变更。使用PBT母材可以较为快捷、且经济地解决卡扣失效问题。

3) 结构改型：卡扣根部断面可以由V型向U型甚至C型断面改进； U型卡扣易折断处的最小安全系数是4.924 2(见图7)，与改换母材后的安全系数相比具有极大的提升幅度。

图7 U型卡扣结构

4 结论

a) 基于软件Ansys Workbench对电池盒盖悬臂卡扣进行的安全系数分析表明，卡扣结构及其材质均存在改进必要。

b) 材质更换试验中，安全系数计算的结果表明，改换母材具有比结构改进更高的安全系数提升幅度。

c) 不同母材的拆装试验定性、定量地表现了更换母材后使用寿命的提升效果。

d) 塑料材料结构的可靠性应该从结构优化和材质选取两方面入手。在产品设计阶段应注重优化结构尺寸；在应急生产中，考虑开模、修模成本问题，应以更改材质为主；对于无法进行材质选型的产品，应对敏感度高的尺寸进行重新设计，甚至进行结构改型设计。

[1] 林权,何靓,吴雄飞,等. 卡扣塑件分析及其创新成型模具设计[J]. 塑料科技,2013,41(7):85-89.

[2] 陈玉,胡兰芳,宋建华. 卡扣装配受力有限元分析及结构改进[J]. 日用电器,2013,(6):39-42.

[3] 康柳, 刘婧,张佳娟,等. 基于Solid Works的卡扣快装箱有限元分析[J]. 包装工程,2015,36(3):65-69.

[4] 张林,王益龙,王润桥. PET/PBT共混物的结构与特性黏度变化[J]. 现代塑料加工应用,2013,25(1):13-16.

[5] 梁全才,张洪振,成建强,等. 相容剂对PA6/POE力学性能和微观结构影响[J]. 现代塑料加工应用,2010,22(6):36-38.

泵用的热塑性复合材料

据“www.ptonline.com”报道，休斯敦EGC Critical Components公司开发出一种用于制备多种液体和固体传输的轴套、轴承和磨损环泵用的新型热塑性聚合物复合材料专用料。这些专用料拥有比许多其他材料如橡胶或青铜更好的磨损性能、优异的耐磨性。

具有独特性能特点的该系列产品有4个：Dures 150, Dures 250, Dures A451 和Dures XPC2。Dures 150, Dures 250在150～250 F(65.56～121.11 ℃)下有好的耐化学药品性、耐冲击、耐磨性。Dures A451 由切碎的短纤维和增强压缩成型聚醚醚酮(PEEK)组成，可用于制造轴承、轴套、耐磨环，具有优良的耐化学性、无磨损、无失灵的性质，但它不适合摩擦和超过275 F(135 ℃)下运行。相比之下，Dures PC2，由PEEK和连续碳纤维复配组成，可在温度高达550 F(287.88 ℃)下使用，使得它最适合用于制备锅炉给水泵。

无卤阻燃PC复合物

据“www.ptonline.com”报道，密苏里州堪萨斯城PolySource公司开发出了一种应用于电子领域中的新型无氯、无溴阻燃聚碳酸酯(PC)复合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV。新型阻燃PC复合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV符合欧盟ROHS(关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)和REACH(欧盟化学品管理新法规)阻燃性的要求。该阻燃PC复合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV阻燃级别达到UL94 V-0级。据报道，它有优异的力学性能，具有良好的美学、韧性、紫外线稳定性和熔体流动性。新型阻燃PC复合物Integra PC-50125 NX BK-4001 UV加工窗口宽，没有温度敏感性、剪切敏感性或积垢问题。

(以上由中国石化扬子石油化工有限公司南京研究院

严淑芬供稿)

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。

王晓龙(1988—)，男，机械工程专业，主要从事机械结构研究。E-mail:923541547@qq.com。

*通信联系人，E-mail:973378480@qq.com。

机械与模具

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.05.012