螺柱試片及現有問題說明

目前市面上的機車（速克達），全車的外觀件可分為四大類，分別是頭 燈、前斜板、左右側板，以及與後尾燈相接的貨架。

由於這些外觀件的組裝必須考量到拆卸問題（因為維修時可能需要拆 下），因此機構工程師在設計組裝時多半採用螺柱。螺柱的優點在於組裝成 本低廉，能夠抵抗一定的震動力，可以承受多次的組裝與拆卸；但是螺柱 設計的最大問題，在於底部與產品外觀相接的位置，往往因為肉厚問題而 發生局部縮水現象，如果產品需要噴漆或電鍍，縮水的現象會更嚴重。

為了解決這個問題，廠商改用修改後的螺柱外型設計，以避免產品表 面發生縮水問題。修改後的螺柱外型與傳統螺柱的最大不同，在於螺柱與 底部肉厚相接的位置，由原本的圓柱直接相接，改成以肋相接。另外，在 肋與底部相接處，還會做局部的肉厚調整，以減少日後產品表面發生縮水

（如圖5.41）。常用的螺柱修改後機構造型如圖 5.42 所示。

由於螺柱的本體零件還必須經過噴漆甚至是耐溫測試後，再進行鎖 附；螺柱強度往往因為過程中之應力（射出成型、噴漆，以及耐溫測試等）

而與原始設計有所誤差，因此廠商設計了如圖5.43 的螺柱樣品，測試不同 規格的螺柱承受扭矩的能力。

螺柱試片有三種高度，分別是 10mm、20mm，以及 30mm；三種螺柱 造型，分別是TypeA、TypeB，以及 TypeC（如圖 5.44）[71]其中 TypeA 與

TypeB 為目前使用的螺柱造型，TypeC 為傳統螺柱，主要是用來比對成形後 的表面縮水現象。另外，螺柱試片的底板部分有兩種厚度，分別是 2.0mm 與 2.5mm。廠商在完成實驗試片製作後，可以利用扭力板手轉入螺柱，記 錄螺柱破壞時的扭矩大小，進而確認螺柱的設計規範是否合理。

螺柱的強度會影響設計人員決定螺柱的數量與位置，因此設計人員希 望在不更改現有的產品與模具設計下，找出一種能夠提高螺柱強度的方 法。由於螺柱破壞的位置多半位於下方肋與底板相接處（如圖 5.45 與圖 5.46），因此如何改善該處的強度就成為重點之一。

為了解決這個問題，研究中先以模流分析軟體找出螺柱破壞的可能原 因。圖5.47 是塑料在通過產品破壞區域時的充填狀況，從流動波前圖中可 確認在肋與底板的相接位置，由於產品肉厚的突然變化，在該處會形成結 合線（底部與肋相接的位置）。結合線的位置強度往往會出問題，再加上肋 與底板相接的位置未了避免表面縮水而作了局部肉厚調整，使得該位置成 為破壞時的第一個位置。

在產品外型以及模具機構都不變更的要求下，最簡單的方法既是將滑 塊本體加熱，讓塑料在滑塊位置產生結合線時其結合力不會下降太多。因 此參考中華民國新型專利M351142 的方式，在滑塊上安裝了加熱棒，對滑 塊進行溫度調整設定。

5.4.5 實驗步驟

螺柱試片模具的模具組立圖如圖 5.48，完成的模具圖如圖 5.49~圖 5.51。]

製作試片的射出成型機為全力發 250 噸之射出成型機（CLF-250T），如圖 5.52；成形條件如表 5.8；材料選用丙烯睛–丁二烯–苯乙烯三元共聚物

（ABS，料號：Toray Toyolac 100），製作完成的樣品如圖 5.53；完成試片 後必須以扭力板手進行破壞測試，扭力板手如圖 5.54，實驗試片則是以 C 型夾固定於桌面，如圖5.55。

實驗採用兩組溫度設定。第一組設定採用室溫（25℃），加熱裝置不作 動；第二組設定則是將滑塊溫度設定60℃（與模具溫度相同）。之所以沒有 設定較高的溫度，主要是怕滑塊因為溫度升高而造成體積膨脹，在運動過 程中與滑塊的壓板與底部的耐磨板發生干涉現象。

在完成實驗試片後，將試片以 C 型夾固定於桌面，並且以扭力板手轉 入螺柱，並且記錄螺柱破壞時扭力板手上顯示的扭矩大小。

5.4.6 螺柱試片實驗結果討論

為了取得較平均的數據，總共作了四十組實驗；由於有兩種肉厚（2.0mm

& 2.5mm），加上兩組加熱溫度設定（25℃ & 60℃），因此總共有一百六十 個試片需要測試。表5.9 為底部肉厚 2.0mm 的扭矩測試，表 5.10 為底部肉 厚 2.5mm 的扭矩測試，每一個表中有四十組的扭矩測試結果，以及平均扭

矩大小，以下將分為三部分討論：

1. 底板厚度對於螺柱強度的影響

圖 5.56 是 TypeA 針對兩種不同厚度的底板進行的比較。圖中可發現 2.5mm 底板厚度的螺柱，強度會比 2.0mm 底板厚度來得大；根據實驗結果，

強度大約增加 5%~10％。但是當螺柱高度為 30mm 時，強度增加的效果就 沒有那麼明顯。

圖 5.57 則是 TypeB 針對兩種不同厚度的底板進行的比較。與 TypeA 相 同，底板厚度越厚，螺柱的強度也越高（大約提昇5%~20%）；TypeB 螺柱 與 TypeA 螺柱最大的不同，在於螺柱高度的影響比較大。結果中顯示螺柱 高度較高時，底板厚度提昇螺柱的強度效果更加明顯。

2. 螺柱外型對於螺柱強度的影響

圖 5.58 是 2.0mm 底板厚度的結果，圖 5.59 則是 2.5mm 底板厚度的結 果。當底板厚度為2.0mm 時，TypeA 與 TypeB 螺柱的強度均大幅增加（大 約提昇20%），而且越短的螺柱效果越明顯；底板厚度為2.5mm 時，兩種類 型的螺柱強度也是大幅增加。

3. 加熱機構對於螺柱強度的影響

圖5.60 為 20mm 螺柱的結果，圖 5.61 則是 30mm 螺柱的結果。從實驗 結果顯示，相同厚度底板，相同外型及高度的螺柱，當加熱機構運作時，

20mm 的螺柱強度比未運作前大約可提昇 10%，30mm 的螺柱強度則是提昇

約2%~5%。

5.4.7 結論

局部加熱機構證明了在嵌入成形製程中，能夠提高嵌入件的溫度，改 善塑料在嵌入件位置造成的結合線強度降低；另外，由於局部加熱機構是 以滑塊方式進行加熱，因此可以適用於安裝滑塊的模具。對於實驗中的螺 柱試片而言，由於滑塊加熱的位置剛好是底板與肋相接形成結合線的位 置，加熱滑塊能夠改善結合線區域的強度，提高螺柱承受扭力的大小。

5.5 應用熱處理消除殘留應力之實驗

本實驗將利用熱處理進行殘留應力實驗的應力消除，在完成實驗試 片，再以光彈法量測並且計算其殘留應力。所有的實驗試片會量測兩次殘 留應力，一次是熱處理前，一次是熱處理後。主要的目的在於掌握熱處理 參數對於殘留應力大小的影響。

5.5.1 實驗步驟

本研究採用四種不同肉厚規格的實驗試片，成形材料為 PC，分別是 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 以及 2.5mm。實驗試片規格如圖 5.62 所示，試片的 成形條件如表 5.11。本研究包含了兩個實驗。實驗一在於確認熱處理的溫 度上限，實驗二則是測試不同的熱處理時間對於殘留應力的影響。

為了得到量化的資料，必須量測實驗試片的殘留應力數值。本實驗採 用光彈法觀測試片，照相紀錄試片於射出成型後之殘留應力分佈，並觀察 記錄試片x 軸、 AB 、CD 上各量測點之條紋級數（fringe order）與等傾角

（equal dip angle），進而計算殘留應力大小。每一個實驗試片有六個量測點 位置（如圖5.63 所示）。實驗流程如圖 5.64。

研究中分為兩個實驗，以下將分別說明兩個實驗的實驗步驟。

實驗一的目的在於確認熱處理溫度的上限，實驗方式則是以玻璃轉換 點溫度以下 20℃範圍的溫度內對試片進行加熱，再量測試片在加熱後的變 形狀況。由於實驗材料之玻璃轉換點溫度為 150℃，因此測試溫度選定為 127℃、130℃、133℃。將試片放置於熱處理爐內加熱一小時候，取出冷卻 至室溫，再進行尺寸量測，選擇以不會使試片尺寸變形之最高溫度，作為 往後熱處理之溫度上限。試片之翹曲量定義如圖5.65。

實驗二則是測試不同的熱處理時間對於殘留應力的影響。實驗試片總 共有四種厚度規格，在進行實驗前先對四種規格的試片進行光彈法量測原 始的殘留應力值，然後再進行實驗。實驗二中針對每一種厚度的試片施以 六種不同的熱處理時間，加熱結束後將試片放置於熱處理爐內冷卻三小 時，再從爐內取出冷卻至室溫，然後再以光彈法量測計算試片在經過熱處 理實驗後之等效應力變化；實驗二的目的在於確認不同厚度的試片在不同 的熱處理時間下其殘留應力的降低效果。

5.5.2 殘留應力實驗結果檢討

實驗一主要是要確認熱處理的溫度。在以不同的熱處理溫度進行加熱/

冷卻後，試片的量測變形量大小如表 5.12，從實驗一中可以確認，在本實 驗中，熱處理溫度的上限為130℃（溫度再高的話試片會發生嚴重變形）。

實驗二則是測試熱處理時間對於殘留應力的影響。實驗試片上有六個 量測點，將六個點的殘留應力降低值繪製成曲線圖，圖 5.66~圖 5.71 為 1.0mm 的試片，在不同的熱處理時間條件下，六個量測位置在熱處理前後 的殘留應力變化值。

利用相同的方法，計算出四種厚度試片在六個不同的熱處理條件下其 應力變化，以熱處理時間為X 軸，殘留應力降低比值為 Y 軸，繪製出如圖 5.72 之熱處理時間與等效應力降低百分比之關係。圖 5.73 為 X 軸取 0~100 分鐘時之局部放大圖。從圖5.73 及圖 5.74 中可觀察得知，殘留應力的降低 狀況大約可以分為兩個階段。第一階段是在試片在熱處理 30 分鐘左右。第 一階段的等效應力降低的效果相當明顯，四種厚度的降低效果分別是 7.3

％（1.0mm），12.55％（1.5mm），18.05％（2.0mm），以及 19.2％（2.5mm）。

[65]根據這部份結果可以得知，相同時間內，試片的厚度越大，應用熱處理 消除殘留應力的效果越明顯。

當熱處理時間超過 30 分鐘，雖然殘留應力仍然可以降低，但是降低效

果就不如第一階段。三種厚度試片的殘留應力例降低效果分別是 3.2％

果就不如第一階段。三種厚度試片的殘留應力例降低效果分別是 3.2％