頂針斷裂的原因及預防

文/Injection Mold Consulting公司Jim Fattori

加工商們可能都會遇到頂針斷裂問題。頂針的價格雖然不貴，但是由此導致的設備損耗、人工損耗和不必要的停機時間加起來確是不小的花費。事實上，造成頂針斷裂的原因雖多，但很少是由于頂針的自身問題。本文針對易引起頂針斷裂的幾個主要原因進行了分析，并提出了簡單的預防方法。

注塑機和頂出系統

首先要討論的兩個易造成頂針斷裂的主要原因是注塑機和頂出系統。

如果注塑機的頂出十字架（ejector cross）彎曲，或者十字架的薄導向套磨損，它會以一個微小的角度移動，并對模具的頂針底板施加不均勻的載荷（如圖1所示）。

圖1 如果注塑機的頂出十字架彎曲，它會對模具的頂出系統施加不均勻的載荷

這種情況通常伴隨明顯特征，因為注塑機的脫模桿可能無法與移動壓板中的一些通孔對齊，或是和它們發生摩擦，所以容易察覺。如果彎曲的十字架是鋼材質的，可以通過液壓機將其掰直，恢復到原來狀態，但如果是鑄鐵材質的，采用這種方法可能導致其斷裂。

頂桿長度不同更容易導致施加在頂針底板上的載荷不均勻。頂桿過長或長度不同是頂出十字架彎曲的主要原因。如果模具有與頂針底板連接的加長頂出桿（如圖2所示），且它們的長度不同，或是其中一個的固定螺栓松動了，也會導致頂針底板上的載荷不均勻。一些模具零部件供應商銷售標準化的加長頂出桿。如果你有自己的設計，要確保加長部分不要對接在頂針面板的背面，因為這樣做容易導致頂針面板的彎曲或斷裂。

如果模具配有一個螺旋彈簧頂出-回程系統，但是其中的一個或多個彈簧壞了，頂針底板可能會扭曲或彎曲。如果彈簧的長度不同，或者預加載量因平底擴孔深度的變化而變化，也會導致類似的問題。因此，筆者建議盡量避免使用頂出-回程彈簧。

此外，頂針的位置和頂出部件所需的力也可能會導致頂針底板上的載荷不均勻。當采用一個偏置型腔（如圖3所示）時，這種情況可能會經常發生。

圖2 頂桿加長設計應將設備的頂出力施加在較厚的頂針底板（左側）上，而不是較弱的頂針面板（右側）上

當施加到頂針底板上的載荷不均勻時，它會彎曲、傾斜或扭曲，并由此引發連鎖反應。如果頂針底板有導向系統，那么導向襯套會過早磨損。這還會導致頂針彎曲和斷裂、型芯嵌件中的通孔被磨損成橢圓形或蛋形孔、頂針推出注塑部件時的力不均勻（這會使部件變形或更緊地粘在模具中）或是頂針相對于分模線的高度發生變化。

圖3 一個偏置型腔會導致施加在頂出系統上的載荷不均勻

你有沒有想過為什么模具在頂針底板和裝模板之間設有圓形定位銷或支撐釘呢？這是因為如果有污垢或碎屑進入這兩個板之間，一些甚至所有頂針可能會突出于模具的分模線（突出的高度等于碎屑的厚度）。而當要頂出部件時，這些突出的針會造成粘連問題。如果有頂針在凸輪下方，當模具閉合時，頂針或凸輪會損壞。而支撐釘的目的是使兩塊板之間的接觸面積最小化，從而允許一些碎屑積聚而不影響頂出系統的正確定位。

有時，支撐釘會被移動或除去，以為型針或其他組件騰出空間。這時，你會碰到支撐問題。一個比較理想的解決方案是，在可能對頂針底板施加壓力的部件（如一個與模具鋼對接的拉料桿或頂針）附近或下面放置一個支撐釘。另外，在注塑機頂塊的螺紋孔附近設置支撐釘也是有益的，因為如果設備的回程位置設置不正確，頂針可能會拉動、扭曲支撐不良的頂針底板。

頂出外殼（ejector housings）通常在模具的兩個相對端上開口，當模具安裝在設備上時，其中的一個開口端常位于頂部。這對于型芯上帶有倒角的小型成型部件并不罕見。生產這類部件時，頂出一般是從型腔中開始，并在外罩內結束。這會導致頂針底板在下個成型周期有彎曲傾向，而通過安裝頂出外殼蓋或護罩不僅可以輕松解決這個問題，還會帶來其他的好處。

對于采用彈簧加載的頂針底板引發的事故，它們是一個很好的安全預防措施，比在板邊緣涂抹OSHA黃更有效。有時，頂針位于凸輪下方，操作人員可能會試圖用撬棒推進頂針底板，在這種情況下，頂出外殼蓋有助于防止可能對模具造成的損壞。通常安裝在裝模板和頂針底板之間的支撐釘也可以加在頂針面板和支撐板之間，用于替代護罩。這形成了一個3/16 in（1 in=2.54 cm）板的撓曲阻力與其厚度的三次方成正比。在同一公式中，無支撐長度也與三次方成正比。這就是為什么注塑機的頂桿間隔均勻非常重要。的間隙，如此一來，污垢、碎片或偶爾的小雜散部件不會導致頂針底板的傾斜或彎曲。筆者只是建議采用這一點，因為大多數的加工商將頂出前進位置設置為與支撐板背面平齊，而不是保持一小段距離，即使有足夠的頂出行程。

另外，筆者還建議安裝適用于模具的、來自塑料工業協會（Plastics Industry Association，以下簡稱“PLASTICS”）的所有頂出模式（如圖4所示）。如果你不知道它們是什么，請從PLASTICS獲取AN-109推薦指南（可互換模具安裝尺寸的副本）。然后，由安裝人員決定使用哪種頂出模式。小型注塑機上的液壓頂出氣缸頂出力一般為1～5 t，更大的設備可高達80 t。這個力不可忽視。因為在大型模具中，如果頂桿之間沒有足夠遠的距離，就可能導致頂針底板以中間為折點朝向支撐板彎曲。

相反，如果頂桿位于最外邊緣，且有一些頂針推動流道和模具中間的部件，頂針底板也要在中間彎曲，不過是朝遠離支撐板的方向。因此，要確保頂桿間隔均勻。對于大型模具，可以考慮使用附加的頂桿來幫助將力均勻地分布在整個頂針底板上。

安裝將頂針面板連接到頂針底板上的附加螺栓可以增加一些強度，以防止兩塊板試圖彎曲或扭曲。不過，它們在防止頂針面板彎曲方面更有效。在回程針、拉料桿和任何頂針組附近設計的附加螺栓有助于防止組件回退時較弱的頂針面板與頂針底板分離。

用于計算一塊矩形板在一組特定條件下撓曲量的公式顯示，

圖4 建議為一副模具配備所有可能的機器頂出模式，且不要吝嗇添加支撐釘

當成型有大投影面積的部件或計算熱流道模具中的支撐板或模仁板的厚度時，這個撓曲公式很重要。但對于頂針底板來說，1 in或1.125 in的標準厚度一般是足夠的。如果你的板存在撓曲問題，根本原因可能不在于板的厚度，而是載荷不均勻的問題。

但是，筆者記得他們曾經有一副或兩副大型模具使用了1.375 in厚的頂針底板，因為它布滿了來自支模柱和許多其他模具組件的孔。

曾經，筆者對采用S-7鋼制成的頂針底板進行熱處理并用直線球軸承引導它，以生產液晶聚合物制成的電連接器。原因不是板撓曲，而是因為圖紙上的頂針高度公差為-0.0005～0.0000 in。如果頂針頭部在較軟的頂針底板上造成了輕微凹陷，或者頂針底板略微偏離沒有對齊，部件就不合格。

雖然此內容有點超出了本文的范圍，但筆者強調，頂針應該在頂出部件表面下方0.0005～0.0015 in的位置，這是一個好習慣，有助于確保部件不會掛在頂針上，否則就需要額外的頂桿脈沖。它還有助于減少部件本身的應力痕跡和“打滑”痕跡。相反，如果頂針略微刺進部件里，可能會出現由物料流湍流引起的美觀性問題，特別是在薄壁部件上。這種情況還可能發生在有凹陷刻花的部件上，此類部件通過模具鋼中凸起的刻花而成型。

熱膨脹是導致頂針無法對齊的主要原因，特別是在高溫下運行的大型模具中。雖然頂針底板在工作臺上來回自由移動，但這并不意味著在生產條件下頂針底板和頂針無法配合在一起。而導致頂針和頂針底板無法對齊的真正原因是：型芯和支撐板很少處于環境溫度下，但頂針底板幾乎一直處于環境溫度下，如果型芯板膨脹（或收縮）而頂針底板沒有，就會有一些頂針（通常是外側的頂針）無法對齊。這一切是溫度升高以及外側頂針之間的距離而導致的。

不過，這種熱膨脹問題很容易解決，只需要做兩件事：首先，在頂針底板中添加冷卻線路（水或油介質）；另外，如果頂針底板需要引導，在支撐板而并非頂出裝模板中安裝引導銷。筆者個人的偏好是將導銷安裝在每副模具的支撐板中。

如果你猶豫是否應該添加一個導向式頂出系統，可以想想這些板是否很重，每年的循環次數是否達到100 000次或更多。如果你對其中一個問題的回答是肯定的，那么頂出系統就需要導向。否則，在模具的使用壽命內，你可能會碰到頂針過早磨損及與之相關的向下溢料。即使對這兩個問題的答案都是否定的，安裝導向式頂出系統仍非常有益，它有助于避免磨損和頂針斷裂的問題。PLASTICS有一本名為《熱塑性材料注塑模具的分類（Classification of Injection Molds for Thermoplastic Materials）》的出版物。它規定101型和401型模具必須采用導向頂出，也推薦102型和402型模具采用。

非常大的模具應該有6～8個頂出回程針，而并非通常設置的4個。附加的回程針有助于確保頂針底板被均勻地向后推。如果頂針底板未連接到注塑機的頂出十字架上，增加的回程針會減少模仁板表面上的模壓量。

這也會發生在采用預硬或較軟鋼材制成的小模具上。一些快速更換模具嵌件僅提供兩個回程針，并且它們要比長期運行的模具所要求的尺寸小得多。

總之，為了避免頂針失效，頂針底板應該平行于模具的中心線移動，并且板承受和施加的載荷要分布均勻。

頂針的無支撐長度

頂針是通過其主體的通孔和頭部的埋頭孔而安裝在頂針面板上。標準頂針的典型頭徑公差標稱 值 為 -0.010～0.000 in。 而 在 頂針面板上與頂針頭部匹配的埋頭孔直徑通常比標稱值大1/32 in。另外，標準頂針的典型頭部厚度公 差 標 稱 值 為 -0.002～0.000 in。而頂針面板中與頂針頭部匹配的埋頭孔深度通常比標稱值深0.001～0.003 in。大多數的頂針有1/32 in范圍是其針軸與針頭部相交的位置，因此必須為該區域提供間隙。大多數模具供應商提供的頂針埋頭孔套裝自動添加倒角，配合頂針上的這一區域。

頂針直徑的公差各不相同，具體取決于頂針尺寸、類型和制造商。它可以低于標稱值-0.0010～0.0000 in。大多數模具設計師在頂針面板中為某一頂針設計的通孔要比頂針的標稱值大1/64 in，這一方面便于采用標準化鉆頭加工,另一方面,當頂針面板上的通孔無法與型芯中的通孔精確對齊時,這種做法為頂針面板上的通孔提供了大約不超過0.008 in的浮動空間。

頂針面板可以有用于頂針、頂出襯套、型針、導向襯套、回程針、支撐柱、拉料桿、螺桿和各種其他組件的孔。基本上，這些板看起來很像奶酪。如果板承受的壓力不均勻，就可能斷裂（如圖5所示）。

頂針的無支撐長度也是導致其彎曲和斷裂的常見原因。無支撐長度等于一個物體上兩個固定點之間的距離，對頂針來說也是如此。在材料、硬度、直徑甚至頂針長度都沒有變化的條件下，僅改變了無支撐長度會發生什么？如果你看過撐桿跳高比賽，就可以想象類似的情況。這些撐桿長度可以超過16 ft（4.88 m），如果選手握住桿子末端，桿子會彎曲多少？而換做握著桿子中間，又會彎曲多少呢？顯然，不會那么多。

圖5 頂針面板在承受不均勻載荷時會開裂

一位名叫倫納德·歐拉（Leonard Euler）的瑞士數學家和物理學家在18世紀中期發明了兩個公式，現在的模具制造商仍然可以用它們來預測頂針是否會彎曲和折斷。其中的一個公式很簡單，被稱為細長比（Slenderness Ratio）。該比率等于一根細長柱（如頂針）的無支撐長度除以回轉半徑。而頂針的回轉半徑等于其直徑尺寸除以4。所以公式為：

如果這一比值大于100，可以預測頂針會因彎曲而失效。筆者曾經在細長比值為100的條件下，計算擁有不同直徑的頂針的最大無支撐長度（L），表1中詳細列出了直徑為1/32～1/4 in的頂針的計算結果。

表1 在細長比為100的條件下，頂針直徑與最大無支撐長度

表2 導致頂針彎曲的力

圖6 模具背面的隔塊解決了最小疊層高度的問題

歐拉還發明了另一個更復雜的公式，對于這個公式，筆者在本文中只介紹它如何用來計算細長柱（如頂針）在彎曲之前能承受的力，不會對其他細節進行額外討論。對于理解頂針的無支撐長度與其彎曲之前所能施加到頂出部件上的力這二者之間的直接關系，這個公式是非常有用的。

例如，表2中顯示了有3 in無支撐長度的直徑5/64 in的頂針，可以在彎曲前用99 lb(1 lb=0.4536 kg)的力推動一個塑料部件；而直徑相同、無支撐長度為1.5 in的頂針可以在彎曲之前用394 lb的力推動一個部件。雖然表面上來看，后一個頂針彎曲前所能施加的力是前一個頂針的4倍，但這是因為將無支撐長度減半的原因。如果在直徑相同的條件下，將頂針的無支撐長度從3 in減小到2.5 in，力僅增加43 lb，約1.4倍。不管怎樣，這個例子說明了無支撐長度的重要性。

如果你認為模具中可能存在無支撐長度過長的問題，該如何使之縮短呢？首先要做的是預估需要多少頂出行程才能安全地將部件從型芯中頂出。對于一副新模具來說，這個數值會有所不同，具體取決于模具的設計、部件的幾何形狀、材料和其他因素。

通常，你可能會在部件的整體高度上增加大約0.5 in，但是這一切都取決于頂出速度、倒陷、模具設計、機械手和其他各種因素。

當你訂購（或設計）一個模座時，你可以規定頂出外殼的高度。這一尺寸等于所需的頂出行程加上頂針底板和支撐釘的厚度。如果模具設計沒有預期壓機所需要的最小疊層高度（這對于大型扁平部件是常見的），那么在頂出裝模板的后側添加隔板來彌補差距是非常容易且相對便宜的（如6所示）。值得一提的是，隔板最好安裝在模具上而并非注塑機的壓板上。

假設當模具投入生產時，開始出現頂針彎曲問題。如果可以縮短頂出行程，就不要添加限位間隔塊。它們對減少頂針的無支撐長度沒有幫助。此時需要做的是將導軌的高度和所有頂出及回程針的長度減少相等的量。有的加工商可能希望通過避免頂針底板行程過長來延長模具的使用壽命，從而選擇安裝了頂出行程限制器。這里提醒一點，頂出行程限制器只有在不存在頂針彎曲問題的情況下才有用。

圖7 如果必須使用頂出行程限制器，尼龍或硬質聚氨酯是很好的材料選擇

對于這一點，怎么強調都不為過，因為它可能是造成頂針底板彎曲的最常見原因之一。筆者喜歡用尼龍或硬質聚氨酯制作行程限制器（如圖7所示），以幫助吸收由動量或不正確的機器設置引起的沖擊。如表1和表2中所示，頂針的直徑越小，所能承受的無支撐長度就越短。任何7/64 in或更小的頂針都應該是階梯式或帶肩式，以減少無支撐長度。階梯式頂針的肩部直徑應該是1/8 in，有1/2 in、2 in、3 in和4 in的長度可供選擇。當頂針底板靠在支撐釘上時，你可能希望頂針的肩部進入頂針底板，如果4 in的肩部仍然不夠長，可以使用訂制的頂針，或使用一根加長頂針。

不過，比較奇怪的一件事是，據筆者所知有幾家模具零部件供應商提供頂出襯套加長，但沒有供應商提供頂針加長服務。也許有一天他們會意識到這是成型商需要的東西。而現在，我們必須自己進行加長，圖8中展示了幾種加長的方法。

圖8 用不同方法制作的加長頂針的截面圖

圖9 可以使用幾種方法來減少頂針的無支撐長度

在圖9中，左側的頂針安裝在加長部分中，因為肩部太短而無法進入頂針底板的背面。其他頂針與底板底部、支撐板頂部以及底板的底部和頂部上的軸承嵌件在一起。這些軸承嵌件是減少頂針無支撐長度的一種簡單方法。

它們可以用各種類型的金屬制成，從青銅到熱處理模具鋼均可。右側的頂針使用了一個薄壁鉆套，筆者發現這種鉆套非常適合這種應用。

在這里，讓我們進行一個測試，圖9中的哪個或哪些頂針會因為無支撐長度過長而發生彎曲呢？

測試中還需要采用在頂出回程板中為頂針周圍預留橫向浮動空間的做法。雖然它聽起來像一種補償不對齊問題的實用方法，但是一項研究表明，這種增加的間隙實際上促進了型芯中通孔的磨損并降低了頂針在彎曲之前可承受的力。如果頂針面板中的通孔有明顯的間隙，這相當于增加了無支撐長度，增加的量就等于通孔長度。

例如，頂桿面板的厚度通常為1/2 in或5/8 in。小直徑頂針的頭部厚度為1/8 in。如果頂針面板中的通孔與頂針之間存在明顯間隙，那么頂針的無支撐長度相當于增加了3/8～1/2 in。如果頂針的直徑為7/64 in或更小，增加的無支撐長度對于頂針而言是一個很大的量。但對于直徑超過1/8 in的頂針來說這一點不必擔心。

只要你的做法不超過在細長比為100的條件下計算所得的最大無支撐長度，那頂針就不會因為材料在頂針面上施加的塑料壓力而斷裂。