Direct screw fastening in injection-molded thermosets: Influence of screw-in parameters on fatigue strength
本研究表明，对于以管壁破裂为主要失效模式的注塑热固性塑料直接螺钉紧固工艺而言，拧紧扭矩和旋入速度通常对疲劳强度没有统计学上的显著影响，从而允许主要针对工艺稳健性和效率来优化组装参数。
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在制造业领域，有些材料旨在长久使用，而另一些则旨在被重新塑形。热固性塑料属于前者。一旦这些塑料经过加热并模压成型，其内部结构就会永久锁定在一起，就像一颗煮熟的鸡蛋，无法恢复到液态状态。这种永久性的结合赋予了它们极强的耐热性和耐化学性，使其成为汽车、飞机和电子设备中关键部件的首选材料。然而，这种同样的刚性也使其具有脆性；它们在受压时不易弯曲或拉伸。正因如此，将这些部件连接在一起是一项精细的任务。如果连接太弱，部件就会失效；如果连接太紧，脆性的材料会立即开裂。
几十年来，工程师一直依赖金属嵌件或复杂的模具来在这些硬质塑料内部制造螺纹。但这些方法增加了生产线的成本和时间。一个更高效的想法是直接将金属紧固件旋入塑料中，让螺钉在旋转时自行切割出路径。这种被称为“直接螺钉紧固”的方法在较软的塑料中很常见，但在脆性的热固性塑料中却存在风险。工程师们一直面临的问题是：为了确保接头在数年内不损坏，螺钉应该转多快，以及应该拧多紧？如果驱动速度过快，摩擦可能会产生热量，从而削弱塑料；如果拧得太紧，初始压力可能会产生随时间推移而不断扩大的隐藏裂纹。
帕德博恩大学和亚琛工业大学的研究人员致力于通过测试这些直接螺钉连接的长期强度来回答这些问题。他们不仅观察螺钉是否能承受单次重压，而是模拟了部件在整个生命周期中所面临的现实世界磨损。他们选取了四种不同类型的工业热固性材料——两种基于酚醛树脂（常用于汽车部件），两种基于环氧树脂（常见于电子产品）——并将它们模压成小型厚壁管。研究人员将自攻螺钉驱动到这些管材中，并使用一台可以精确控制螺钉转速和施加紧固力度的专用机器。
团队测试了三种不同的驱动速度，范围从缓慢的每分钟250转到较快的每分钟500转。他们还测试了三种不同的紧固力水平，范围从适度的抓紧到非常强力的紧固。在组装了数百个此类接头后，他们对这些接头进行了模拟多年振动和应力的严格测试。机器以一种有节奏的脉冲运动拉动螺钉，每隔一千个循环略微增加载荷，直到接头最终失效。这一过程使研究人员能够准确观察每个接头能承受多少个循环，并且至关重要的是，观察它们是如何失效的。
研究结果为这个复杂问题提供了令人惊讶的清晰度。研究人员发现，材料类型对结果的影响远比安装螺钉时使用的速度或力量更为重要。酚醛树脂材料的表现始终优于环氧树脂，其中一种特定的酚醛化合物平均可承受超过14,000个循环，而最弱的环氧树脂材料在大约8,500个循环后便失效了。这种差异是由塑料内部玻璃纤维和填料的具体混合比例决定的，这决定了材料抵抗裂纹缓慢增长的能力。
更重要的是，研究表明，在所测试的速度和力量范围内，安装参数并不会显著改变接头的长期强度。无论螺钉是以每分钟250转还是500转的速度驱动，接头所能承受的循环次数在统计学上都是相同的。同样，将螺钉拧得更紧或更松，也不会产生一致的失效或成功模式。研究人员曾预期驱动速度过快可能会烧坏塑料，或者拧得太紧可能会导致开裂，但数据表明，在测试范围内并没有出现这种效应。
当接头最终断裂时，研究人员发现失效通常并非发生在螺钉螺纹处。相反，最常见的失效模式是螺钉周围塑料管的破裂。裂纹通常起始于薄壁管与较厚底板的交界处，即应力自然集中的位置。这一发现表明，连接的长期强度并不取决于螺钉切削螺纹的效果如何，而是取决于塑料部件本身的结构完整性。螺钉螺纹保持稳固，但周围的材料在反复应力下最终屈服了。
这一发现改变了工程师设计此类连接的方式。由于在测试窗口内，安装速度和紧固力度并不会损害接头的寿命，制造商可以优先考虑速度和效率。他们可以选择更快地驱动螺钉以缩短生产时间，或者通过加大紧固力度来确保密封或定位的稳固性，而不必担心这些选择会随着时间的推移削弱部件。该研究得出结论：对于这些特定的材料和螺钉类型，组装过程具有足够的鲁棒性，可以处理广泛的设置，允许工厂针对速度和成本进行优化，而不必担心由于机器设置的轻微变化会导致过早失效。持久接头的真正关键不在于螺丝刀，而在于塑料部件本身的质量和成分。
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