产品设计 | 一个小小的尖角所引起的失效

对于塑胶件上每一个特征、每一个尺寸、每一个细节，我们都需要本着工匠精神，做到精益求精，确保其符合注塑成型的工艺要求（Design for Manufacturing，简称DFM）。

每一条塑胶件的DFM设计指南，看上去都是简单平常、微不足道，并没有太多的技术含量。然而，如果我们不去遵循这些DFM设计指南，有时会造成灾难性的后果。

本文以一个塑料把手的断裂失效来说明这一点。

1 一个塑料把手的断裂

一个塑料把手，在使用时发生了断裂，这是为什么？

1.1 断裂发生了

一个电子产品的塑胶把手，如图所示，在使用过程中与销钉配合起着一个轴套的作用。多次使用之后，把手因为重复受力而断裂。

1.2 失效原因分析

通过对失效零件的断裂面进行微观分析发现失效是由于疲劳导致的。

裂纹源位于零件表面，断裂面有疲劳纹存在，证明这是典型的疲劳破坏（c）。

裂纹逐渐扩展，直到施加在裂纹尖端的应力超过塑性断裂韧性，此时最终发生断裂。从断裂表面的凹痕形态可以看出，断裂本质上是韧性的（b）。

1.3 失效的根本原因--没有遵循DFM设计指南

通过对把手的详细结构进行分析发现，在图中红色箭头所指处存在尖角的设计，在工作时该处承受拉伸应力。

由于尖角的存在，在注塑成型时该处应力集中，在重复的拉伸应力作用下，该尖角处作为断裂起始点发生断裂，最终失效。

尖角的设计，就是完全忽视了塑胶件DFM设计指南--圆角的设计。

2 塑胶件DFM设计指南--圆角的设计

在设计塑胶件时，对于壁与壁的连接处、在塑胶熔料流动的方向上、壁与加强筋或卡扣或支柱的连接处等，都应当避免尖角、直角或缺口的设计，需要把尖角等改成圆角，这是塑胶件DFM设计指南--圆角的设计。

由于塑胶件形状和截面的变化，使注塑过程中塑胶熔料在尖角处的流态发生急剧变化而产生大的应力，而且残留在尖角处。

应力集中是塑胶件在受力状况下失效的一个主要原因。圆角的设计为了避免在尖角等处产生应力集中。

尖角和圆角的应力分布如下图所示，是不是看着就很容易断裂？

卡扣的应力集中因子（因子越大应力越集中）与圆角和卡扣顶端的厚度关系如下图所示，可以看出，圆角越大，应力集中越小。

最后的话

一个小小的、不起眼的尖角竟然造成一个零件的失效，而带给企业的损失却不可估量，一方面企业会承担产品维修、替换甚至召回的损失，另一方面是企业品牌的损失，可能会永远失去部分客户。

这真是应了一句古话“千里之堤，溃于蚁穴”。

其实产品设计就那么一回事儿，说简单也很简单。

很多失效，事后来看：不就是没有遵循DFM设计指南吗？不就是因为该加圆角的地方没有加圆角，该壁厚均匀的地方没有壁厚均匀吗？

但是，要做到这一点也是一件非常难的事情。

如果不信，我们可以去看看大多数的塑胶件设计，都加圆角了吗？都壁厚均匀了吗？

为什么很难？

这一方面是因为工程师并不清楚产品设计的相关规则和指南，及其背后的真正原理，其实这些规则和指南都是前人经验和教训的总结；另一方面是因为工程师没有“工匠精神”，不愿意静下心来，把一件事情做完美到极致。

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