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发表于 2020-3-5 08:01:02 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 材料人生 于 2020-3-5 08:03 编辑

轿车油箱口盖锁芯外壳开裂分析

董林 王健 史荣波
(奇瑞汽车股份有限公司,芜湖 241006)
【中国汽车材料网】摘要:针对某轿车车型油箱口盖锁芯外壳开裂的问题,运用红外光谱仪、扫描电镜和模流分析等技术对该油箱口盖锁芯外壳的材质、断面形貌和结构设计等进行了检测、检验和分析。结果表明:锁芯外壳材料强度低以及零件上的“L”形工艺孔设计不合理、负载时应力在尖角处集中是最终导致锁芯外壳开裂的主要原因。
关键词:油箱口盖锁芯外壳 聚对苯二甲酸乙二醇酯 扫描电镜 模流分析

1 前言

效果明显,可以提高树脂的刚性、耐热性、耐药品性、电气性能和耐候性[1]。

轿车油箱口盖为非弹开式加油口盖,紧固在油箱加油管颈上,有密封油箱、调节油箱内气压的作用。为了防盗,油箱口盖上装有锁芯及其外壳,锁芯外壳起到支撑锁芯并与油箱口盖总成装配连接的作用。因此,锁芯外壳材料要求具有优异的力学性能来满足支撑和连接所需要的强度;另外,还要求其具有优异的耐疲劳性和耐摩擦性以满足锁芯反复旋转摩擦的使用要求。

油箱口盖锁芯外壳常用材料为玻纤增强改性聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称PET-GF)。PET不仅具有较好的耐蠕变性、耐疲劳性、耐摩擦性和尺寸稳定性,还具有优良的电绝缘性;缺点是冲击性能差、结晶速率小、成型加工困难等,故一般通过增强、填充、共混等方法进行改性,其中玻璃纤维增强


2 油箱口盖锁芯外壳的失效表现

售后反馈某车型较常见的问题之一是油箱口盖锁芯打滑、失效,通过拆解油箱口盖锁芯失效件,发现绝大多数油箱口盖锁芯外壳已出现严重的裂纹(图1)。锁芯外壳上“L”形工艺孔(图2)的主要作用是使刚性弹簧穿过锁芯壳体并将锁芯紧固在锁芯壳体上,而PET材料缺口敏感性较强,成型时尖角处容易出现应力集中,降低了锁芯外壳承受载荷的能力,使其在受力或被冲击时容易发生破裂。为进一步查找、确认失效件的开裂原因,开展了一系列的检测、分析和验证工作。

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图1 锁芯外壳
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图2 锁芯外壳上的工艺孔

3 试验3.1材质分析

为鉴别售后失效的锁芯外壳用材是否符合图纸定义(PBT-GF30),分别依据ISO 1183-1《塑料.非泡沫塑料的密度测定方法》、ISO 3451-1《塑料.灰分的测定.第1部分:一般方法》、ISO 11357-3《塑料.差热扫描量热法(DSC).熔化和结晶焓和温度的测定》和GB/T 6040《红外光谱分析方法通则》进行了有关分析工作,具体项目和结果见表1。

表1 失效锁芯外壳材质的分析项目和结果
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另外,通过对失效件燃烧残余灰分(图3)进行仔细观察并结合其扫描电镜图片(图4)可知残余灰分的主要成分为“玻纤”;分析失效件红外谱图(图5)中的特征峰[2]并结合熔融温度(PBT熔点:220~230 ℃,PET熔点:245~260 ℃)曲线(图6)的试验结果可知,实测材质为PET-GF30,符合产品定义。

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图3 失效件燃烧后的残余灰分

3.2 失效件断面分析

图7为失效件断面的扫描电镜图,由图7a可知,表面大量玻纤呈长条状裸露在外,同时分布着许多孔洞,说明材料在断裂时大量玻纤被整体拔出;由图7b可知,被拔出的玻纤表面极其光滑,对比玻纤与树脂粘接良好的电镜照片示例(图8),能明显看出失效件材料中的增强玻纤与树脂基体界面的粘接性较差,降低了材料的增强效果。

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图4 燃烧灰分的电镜照片
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图5 锁芯外壳PET红外谱图(特征峰)
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图6 锁芯外壳熔融温度分析曲线
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图7 断面电镜图
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图8 玻纤与树脂粘接良好的断面(×2 000)

3.3 材料力学性能分析

为检验失效锁芯外壳材料的力学性能是否满足标准技术要求,抽取与开裂锁芯外壳同批次的原材料样条,分别依据ISO527《塑料-拉伸性能测试》、ISO178《塑料-弯曲性能的测定》和ISO179-1《塑料-简支梁冲击强度的测定》进行力学性能的测试,结果见表2。

表2 失效锁芯外壳原材料力学性能的测试结果
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锁芯外壳材料样条关键力学性能的实测结果均低于材料技术标准的要求,尤其缺口冲击强度的测试值偏低较多,验证了失效件断面分析的结论。

3.4 模流分析

3.4.1 模流分析内容

将失效件剖开后,能清晰地看到失效件的内壁(图9)结构复杂、壁厚不一,尤其内壁的台阶均为90°转角面,同区域的最大壁厚落差约2.2 mm(图10)。为协助评估失效件在注塑工艺和设计等方面可能存在的缺陷,参考锁芯壳体失效件的主要注塑工艺参数(锁芯壳体尺寸为19.4 mm×30 mm×45.5 mm,料筒温度:270~290 ℃,模温:80~120 ℃,注射压力:30~130 MPa,注射速度:90 cm/s),采用3D网格模型(图11和图12)对锁芯壳体零件的注塑过程进行模流分析,主要对熔体填充模拟、熔体前沿温度模拟、熔接线模拟和填充速度模拟4个项目进行分析。

3.4.2 熔体填充模拟

在模拟锁芯壳体原材料熔体填充的过程中,能看到熔体初期的填充还是比较均匀的;当熔体填充进行到0.5 s时,熔体遇到第1个工艺孔,并被分割成二股料流后在工艺孔的另一端再次会合。结合熔体填充模拟(图13)过程并与图1中失效件的裂纹位置进行对比,发现失效件开裂处都是熔体的料流结合处。

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图9 失效件内壁(一半)
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图10 失效件壁厚
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图11 3D网格
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图12 采用单点浇口进胶
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图13 熔体填充模拟

3.4.3 熔体流动前沿温度模拟

随着锁芯壳体熔体的进一步填充,伴随着锁芯壳体内壁厚度的快速变化,薄壁处的熔体前沿温度下降明显(图14),容易出现滞流。薄壁处快速冷却的熔体与厚壁处的前沿高温熔体之间产生了一定的剪切应力,使锁芯壳体内壁厚度相差较大的部位成型后容易因应力集中而开裂。

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图14 熔体流动前沿温度模拟

3.4.4 熔接线模拟

锁芯壳体设计有多个工艺孔,工艺孔的存在一定会产生熔接线。从图15的模拟结果可以看出,锁芯壳体的熔接线较多(图中加粗线条),特别是工艺孔处的熔接线对失效件的受力开裂起到了一定的诱导作用(对比图1可见裂纹和部分熔接线重合)。

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图15 锁芯壳体的熔接线

3.4.5 充填速度模拟

锁芯壳体在注塑过程中,如果熔体在模具内的填充速度不均匀,就会增大成型时的内应力,从图16可以看出锁芯壳体尖角处的充填速度。

综上,通过模流分析可以看出,在锁芯壳体开裂的位置都有熔接线的产生,且受壁厚及产品结构的影响,熔接线处的强度也较其它位置弱;“L”形孔尖角的设计也使应力在此处更加集中,这些都是导致产品开裂的因素。

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图16 充填速度模拟结果

4 整改及验证
4.1 整改措施

针对失效件存在的问题,整改方案有以下两种。

a.更换原材料。选用材料力学性能完全满足标准值的PBT-GF30新材料,并开展耐久试验验证,满足要求后进行切换;

b.对锁芯壳体的结构设计进行优化,对模具进行修改等。

考虑到整改所需的时间、成本和难度等因素,优先选用第1种方案,以后再进行产品结构优化和模具修改等。

4.2 方案验证

更换原材料供应商,用新的PBT-GF30材料生产一批锁芯壳体样件,装配到油箱口盖总成后,再安装到耐久试验台上(图17),进行10 000次模拟开锁耐久试验。试验后锁芯外壳无明显磨损和开裂现象(图18),锁芯开关功能正常,说明更换原材料后的锁芯壳体的耐久性能满足产品技术要求,可以进行批量切换。

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图17 台架耐久试验


5 结论
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图18 台架耐久试验前、后的锁芯外壳

a.失效油箱口盖锁芯外壳的实测材质虽然满足产品定义,但其材料主要力学性能不达标;通过失效件的断面电镜图看出,玻纤与基体粘接性较差,玻纤增强效果不理想,需优化材料配方或更换为满足标准值的原材料。

b.工艺孔处尖角设计不合理导致应力在尖角处集中,建议优化产品设计(包含壁厚变化处的过渡方式),对工艺孔增加倒角设计或更改成圆形结构。

c.失效油箱口盖锁芯外壳上的裂纹与模流分析中的熔接线(模拟)位置重合,说明熔接线处的强度较其它位置弱,建议提高熔体温度和模具温度。


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