年底了，选出一年中我认为最有价值的5篇文章。
这一篇的主题是工程师需要具备系统思维。
塑胶螺丝支柱开裂，这是塑胶件产品开发过程中，工程师必定会遇到的问题之一。
“降本设计”十几个微信群里，问得最多的就是这个问题了。
而据我观察，不少工程师在碰到此类问题时，往往一筹莫展，不知道怎么解决。
有的工程师回答：可能是支柱内径尺寸太小；于是去测量尺寸；
有的工程师回答：可能是回料添加太多的；于是去问供应商是不是加了太多回料；
有的工程师回答：是不是扭矩太大了？于是去把扭矩减小。
。。。。。。
不可否认，这些提示在有些时候很有帮助，如果运气足够好，也许刚好可以解决问题。
但是，在我看来，这种解决问题的方式不够系统化和全局化，东一榔头、西一棒子，问题能否解决完全依靠个人经验、或者身边高手或者群里高手的经验。
如果大家现在依然在用这种方式去解决问题，不用着急，因为在我开始工作的前几年，我也是按照这种方式去解决问题的。
随着经历和阅历的增加，我才慢慢形成了系统化和全局化解决问题的方式。
本文将告诉大家，我是如何利用系统化、全局化的思维方式去看待和解决支柱开裂问题。
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螺丝支柱开裂，触目惊心
塑胶件通过自攻螺丝来进行紧固，这是一种广泛应用紧固工艺。
而在使用自攻螺丝进行紧固时，支柱开裂是经常发生的一个质量缺陷。
有的开裂仅仅是在支柱上产生裂纹，而有的是整个支柱从中间断裂。
而不论哪种形式，这都是不可接受的缺陷。
支柱开裂本身就是一个难以解决的问题。
但是支柱开裂时伴随的复杂现象更是让这个难题难上加难。例如：
- 同样是一副模具，这一穴没有开裂，而另一穴开裂了。
- 大批量生产几年都没有问题，后来突然出现问题了。
- 螺丝刚打上时，支柱没有问题；但是过几天之后就出现开裂；
- 出货检验时没有问题，而客户拿到产品后就发现破裂了。
- 天气热的时候，没有开裂。冬天的时候，就容易出现开裂。
- 用ABS没有开裂，用PC就开裂了。
这些现象会让人百思不得其解，如果我们不了解支柱开裂背后的机理，那么我们真的是解决不了这个难题。
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为什么支柱会开裂？
我们来分析螺丝支柱在螺丝拧入过程中的受力状况。
这是塑胶自攻螺丝的一种。
这是塑胶自攻螺丝在拧入支柱的运动过程。
在螺丝拧入过程中，驱动扭矩会转化为作用在塑胶支柱上的力F，F垂直于螺牙平面的方向。
F可以分解为径向力FR（或称为圆周力）和轴向力FA。
当支柱承受的径向力超过了其承受的极限时，支柱发生开裂。
需要特别注意的是，是一个薄薄的支柱壁在默默的承受径向力。
以ABS无玻纤材料为例，内径为3*0.8=2.4mm，外径为2*2.4=4.8mm，承受径向力的支柱壁壁厚仅仅为（4.8-2.4）/2=1.2mm。
更何况1.2mm的薄壁还可能受到注塑成型条件、公差、熔接痕、温度、湿度以及化学物质等多重影响，不发生破裂才是奇怪的现象。
过去的经历告诉我，即使是0.01/0.02mm的内径差异，就有可能造成支柱开裂。
因此，我们务必按照塑胶螺丝供应商提供的支柱设计指南，一成不变的支柱。
如需了解自攻螺丝更详细的拧入过程，请观看以下视频。
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支柱开裂解决方案总览
用一句话来总结支柱开裂的机理是：当支柱承受的径向力超过了其承受的极限时，支柱发生开裂。
据此，解决方案分为两个大方向：
第一，提高支柱的承受极限
第二，减小支柱在拧入过程中承受的径向力。
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注塑内应力
塑胶件在注塑成型过程中，因为分子链的取向和冷却收缩不一致等原因，会在塑胶件内部产生内应力。
当内应力足够大时，会造成塑胶件发生翘曲变形；
而更多的时候，内应力并不会在塑胶件表面产生痕迹，但是一旦受到外力的作用，就会发生开裂。
▲西瓜的内应力
螺丝支柱处因为模具结构较为复杂，也比较容易产生内应力。当内应力存在后，螺丝拧入时产生的径向力就会导致支柱开裂。
而支柱根部断裂则更是因为内应力的存在，为此，支柱与零件壁的连接处必须添加一定的圆角。
关于更多的注塑内应力，请阅读：
深度 | 降低塑胶件内应力
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化学物质
螺丝支柱在注塑成型过程中、在产品组装过程中、在存储和运输过程中、在使用过程中等如果碰到化学试剂，例如脱模剂、冲压油、润滑剂、以及酒精等，因此而发生环境应力开裂。
一个案例是因为塑胶件很硬，螺丝很难拧紧，而使用了润滑剂来辅助螺丝的组装。
润滑剂确实可以辅助螺丝的组装，但是几个月之后，有的螺丝支柱破裂了。
▲支柱因为接触润滑剂而开裂
关于更多的环境应力开裂，请阅读：
深度 | 塑胶件的杀手：环境应力开裂
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回料
为了降低成本，塑料中往往会允许添加一定比例的回料。
回料会降低塑料的机械强度，如图所示。
▲回料对强度的影响
很多时候，支柱发生开裂就是因为供应商为了降低成本、偷工减料而违规添加回料所致。
添加回料是降本的一种方法，这值得提倡。
但是我们必须注重回料的管控，需要注意：
1）避免添加过多的回料。在产品验证阶段，已经规定了回料添加的比例。但是有的供应商为了偷工减料，添加过多的回料，显然这增加了支柱开裂的风险；
2）避免使用二次料等。回料我们一般仅仅使用一次料，避免使用二次料、多次料、杂色料和机头料等。
3）避免从外部购买回料。仅仅使用该产品注塑成型过程中的回料，而避免使用从外部购买的回料。外部购买的回料质量不可控。
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熔接痕
自攻螺丝支柱由于孔的存在，无可避免地在支柱上会存在熔接痕。
▲熔接痕产生了
熔接痕处零件强度会大幅度降低，强度降低的幅度取决于塑料种类、浇口位置以及注塑成型工艺参数等。
▲熔接痕处强度降低
熔接痕的存在是支柱开裂的重要原因；本身支柱就因为壁厚的原因强度降低，再加上熔接痕的影响，强度更加低了，发生开裂的风险也就更大。
当支柱发生开裂缺陷时，请参考下面几篇文章中的知识，去提高熔接痕的强度。
熔接痕解决方案（上）| 熔接痕类型、产生的机理与几何因素、以及不良影响
熔接痕解决方案（中）| 方案总览、从材料选择和塑胶件设计解决熔接痕
熔接痕解决方案（下）| 从模具结构、工艺参数和注塑设备解决熔接痕
在支柱设计上，可以通过模流分析预测熔接痕的位置，并在熔接痕位置处添加加强筋，从而来增加支柱强度，避免开裂的风险。
▲熔接痕处添加加强筋
熔接痕强度问题也可以解释一些奇怪现象：同样的螺丝、同样的支柱尺寸，有的支柱开裂了，有的支柱就没有开裂，为什么？
这可能是因为没有开裂的支柱靠近浇口处，熔接痕强度比较高；而开裂的支柱远离浇口，熔接痕强度比较低。
也可以解释一模几穴：同样的零件，同样的支柱，仅仅因为所处穴不同，有的穴支柱开裂，有的穴支柱不开裂，为什么？
这可能是因为不同穴之间的模流不平衡，造成有的穴靠近浇口，熔接痕强度高；有的穴远离浇口，熔接痕强度低，支柱开裂。
当然，不同穴之间的支柱尺寸差异也可能是另一个原因。
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拧紧扭矩和转速
首先我们先来看几个概念：
拧入扭矩（drive torque）：使自攻螺丝能够在支柱中成型并攻出配合螺纹的扭矩；
极限扭矩（utimate torque）：在扭矩的持续作用下，螺丝将会密合、旋紧，再继续下去将会超过极限扭矩，超过极限扭矩之后，螺丝会滑牙或者支柱会开裂、破裂。
拧紧扭矩（setting torque）：介入拧入扭矩和极限扭矩之间。
拧紧扭矩与螺丝的类型、塑胶材料和支柱内外径尺寸等多种因素的影响。
在使用所有自攻螺丝前，最重要的问题是：正确的拧紧扭矩是多少？多大的扭矩使螺丝得以拧紧而又不会发生滑牙或支柱开裂？
如果拧紧扭矩太小，则自攻螺丝很难拧入；如果拧紧扭矩太大、接近极限扭矩，则螺丝容易发生滑牙或者支柱开裂。
另外，拧紧的速度也会影响紧固质量。如果速度过快，因为快速摩擦会产生过多的热量，而使得塑胶材料失效，继而减小极限扭矩。
附：相对于塑料专用螺丝，为什么传统自攻螺丝更容易造成滑牙或支柱开裂？
这是因为传统自攻螺丝的拧紧扭矩和极限扭矩很接近，拧紧扭矩稍不留意设置大了、超过极限扭矩，就发生了滑牙或支柱开裂。
▲塑料专用螺丝在扭矩设置上有更大的安全余量
最后的话
本文总结了支柱破裂N个原因，以后如果再有支柱破裂问题发生，针对原因一个一个进行排查，我相信会准确、快速地解决问题。
产品结构设计中我们碰到的任何问题，其实同支柱开裂都类似，我们只有具备系统化、全局化的思维方式，才能把问题的根本原因找到，才能最终结把问题解决。
作者简介：钟元，著有书籍《面向成本的产品设计：降本设计之道》和《面向制造和装配的产品设计指南》
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只顾埋头画图、不抬头看路的工程师，
和一边画图、一边思考的工程师，
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