有效避免注塑模具失效的策略分析

汪 峰，方永祥，樂振土

（杭州技師學院，浙江 杭州 311500）

1 概述

模具是一個國家不可或缺的基礎性裝備，模具設計水平的高低直接影響裝備制造業的發展。我國模具企業眾多，但模具設計制造水平與先進國家相比還有一定差距，創新能力不足，特別是在設計理念、經驗積累、材料應用、技術標準、管理流程等方面還存在一定距離[1]，差距存在使我們面臨一個重要現實：一副模具設計可能有多種方案，每種方案即使每一個細節都不存在問題，也不一定是最優方案，也有可能導致模具提前失效。如何解決上述問題，避免模具過早失效，設計制造一副性價比高的模具，并找到相應對策正是本文要解決的問題。

2 模具結構設計著力點

模具存在目的是生產產品，希望所生產的產品物美價廉，具有表面質量好、尺寸精準、變形小等質量特性，能生產出合格產品的模具不一定是優秀的模具，模具優劣評價標準是一個貫穿于模具設計、模具制造、產品澆注、后續服務等模具全生命周期[2]。筆者認為一個優秀的模具包含四個著力點：一是從模具設計制造環節分析，要求模具制造周期短、制造成本低、熱處理工藝合理、加工工藝先進、標準件應用廣；二是從模具工作過程分析，要求模具成型條件低，周期短、冷卻速度快、頂出系統干脆利落；三是從模具應用效果層面分析，要求模具壽命長，機構緊固耐用、磨損小、工作可靠、故障少；四是從模具后續服務分析，要求模具維修方便，備件和易損件齊全。模具設計制造應該重點解決上述問題，避免模具過早失效。

2.1 結構設計思路

模具結構設計遵循合理、經濟、適用的原則。模具設計過程中，借鑒典型模具結構，結合塑件產量和企業實際生產狀況，進行結構設計。下面以眼睫毛內塞模具結構設計為例體驗模具結構優化設計思路。

模具結構前后設計思路：為了節約模具制造成本，模具設計師在結構設計初期采用自動脫模的形式，前模內腔分體結構，同時按照傳統模式將塑件凸肩朝下設計，在試模驗證時，發現這種結構容易造成塑件粘連前模板，導致無法自動脫模，壓模后配件容易損壞，產品外觀不夠光滑等缺陷。在第一次模具設計經驗基礎上，設計師將塑件朝向改為凸肩朝上設計，采用獨立頂出機構，脫模時，塑件留在后模板上，解決了塑件脫模問題，前模內腔成型部位布置鑲件，增強了型腔的耐磨性和抗沖擊力，避免了型腔因壓力和溫度變化造成的磨損、變形和龜裂等配件失效形式，保證了產品質量。第一次模具設計雖然制造成本低，但是造成脫模困難，故障率高，模具維修頻繁、生產效率低下，經過改造后，模具結構雖然更復雜了，成本更高了，但提高了工作效率，滿足了生產需要。這里反映了模具設計成本與適用性、模具壽命的關系，強調結構設計對于塑件成型動作準確和成型結果的決定性作用。

模具工作原理：融熔料充滿型腔后，經填充、保壓、冷卻、固化等過程成型，模具在注塑機的推動下開模，塑件14 首先從前模鑲件21 脫離，由于包緊力作用，塑件14 緊緊包裹在后模鑲件11 上，注塑機開模行程結束后，在注塑機頂桿作用下，推動頂針板5向前移動，同時帶動推板螺栓33 推動推件板10 頂出塑件14，完成一次脫模，如圖1 所示。眼睫毛內塞模具原理簡單，成型條件低，成型動作少且可靠，故障率低，適合大批量生產，可有效避免模具失效，延長模具壽命。

2.2 零部件設計思路

模具零部件選擇對產品成型質量有重大影響，其關注點集中在零部件的形狀、結構、精度和制造工藝性，材料和熱處理工藝的準確性，還要注意零部件視圖表達與加工制造關聯性。模具設計盡可能采用標準化零件，有效降低模具制造時間，縮短制造周期，降低制造成本，標準件廣泛應用，延長了模具壽命，規避了專用零部件熱處理工藝和加工工藝品質控制難的問題，為后續模具維護保養和配件準備提供了便利，又保證了產品質量[3]。

3 模具失效機理分析

溫度和壓力是影響模具工作狀態的兩個重要要素，也是造成模具失效的主要原因。一是模具型腔內壁表面受熱熔體流動摩擦和沖刷的影響，導致模具型腔內表面出現摩擦磨損；二是模具工作過程是一個受熱和冷卻相互交替循環的過程，溫度呈周期性變化，注塑模的機械負載也隨之周期性循環變化，容易造成動模和定模配合部位黏合磨損；三是模具在澆注過程中，型腔內壁承受熔料張力作用，且反復交替進行，使型腔內壁承受脈動拉應力作用，從而引起熱疲勞破壞，造成變形和龜裂。當溫度和壓力共同作用下達到一定條件就會在型腔內壁出現麻點，在棱角處脹大起皺，形成縱向彎曲，導致模具失效。所以，一般注塑模模溫控制在50℃以下，型腔壓力25～45MPa 以下，精密注塑模型腔壓力控制在100MPa 以內。

設計師還要關注增強材料對型腔內零部件的破壞性影響，以及型腔內化學反應作用。如無機纖維作為增強材料加到融熔料中時會增加型腔內壁摩擦磨損；聚氯乙烯阻燃級ABS 作為塑件材料時，塑件在成型過程中，會在型腔內分解出HCI、HF 等腐蝕性氣體，腐蝕型腔內壁，使型腔內壁表面凹凸不平，拉毛，動模定模動態間隙增加，尖角變圓、平面下陷，刃門鈍化，甚至尺寸超差[4]。此外，還有因零部件加工時應力集中產生的裂紋或斷裂等破壞作用。

4 注塑模具避免失效應對策略

模具壽命受多種因素影響，在眼睫毛內塞模具設計中重點強調結構、材料和裝配三個方面因素。從結構角度看，合理的模具結構有助于提高模具的承載能力，減輕模具零件機械負荷。如圖1 所示，后模鑲件11 應力集中現象相對嚴重，當承載力橫截面面積發生變化時，零件尖角處就容易開裂；合模過程中后模鑲件11 和前模頂桿22 會出現插碰的可能；后模鑲件11 的錐度設計會影響配合精度。從材料角度看，要求模具在使用性能方面具有較高的強度、硬度、耐磨性和熱疲勞性；在工藝性能方面要求較好的鍛造工藝性、切削加工性、熱處理工藝性和淬透性，這些性能會對型腔內壁抗沖擊力、抗腐蝕性、抗斷裂能力產生影響。從裝配角度看，模具裝配精度和模具使用過程中維護和參數不當等都會降低模式使用壽命。除此之外，筆者著重闡述以下四項策略供讀者參考。

4.1 模具失效應對策略：模具材料的選擇

模具零件選材受塑件材料、產品批量、形狀、尺寸和精度等多種因素綜合影響，恰當選材對延遲模具使用壽命、激發模具潛能和降低模具成本起著重要作用。筆者建議按照客戶需求、產品要求、經濟性能和材料潛力四個方面選擇模具材料，優先考慮工藝性能、經濟效益、模具壽命、產品產量和后續維護。例如，制造過程中，模具零件鋼材要按照文件規范選擇，不能隨便代用，很多模具失效的原因就是材質和熱處理不達標引起的；汽車內飾面模具，要求使用同一鋼材制造，否則注塑件外表面就會出現爛花、皮紋等現象，嚴重的導致整套模具報廢；制作模具運動副零件要求選用相同的鋼材；在成型耐腐蝕性氣體的塑料制品的模具時，要求選用耐腐蝕性好的鋼材，例如選用預硬鋼（H）[5]，不要在加工過程中采用調質處理等，這些經驗都是設計師在選擇材料是重點考慮的項目。正確選擇模具材料有助于降低模具失效的幾率。在眼睫毛內塞模具設計中拉桿、拉板、頂板導柱、頂板導套等采用T8A 材料，推桿直徑為直徑4mm，采用是SKD61 材料；定模底座、動模底座、型芯固定板、限位釘、限位塊、支撐柱等采用的是45 號鋼，精密定位件采用HRC52-54動模板選用718H 材料，定模板選用HRC48-52 材料，鑲件選用HRC52-54 材料。

4.2 模具失效應對策略：正確選擇冷加工與熱處理方法

正確選擇冷加工與熱處理方法，一是關于復雜型腔模具，在型腔加工完成后會產生應力，導致型腔尺寸變形、鑲件開裂等現象，對于復雜型腔優先推薦采用先淬火再進行回火的處理方法，這樣處理的優點是硬度高，韌性好，材料的組織均勻，消除軋鋼過程中的缺陷[6]；二是在處理薄壁零件和尖角時，氮化處理會降低耐腐蝕性鋼的性能，氮化層不宜太厚，氮化層越厚，脆性越大，模具內腔越容易開裂。

4.3 模具失效應對策略：優化設計方案

模具設計出錯的原因有很多，除了人為因素外，一般還要考慮以下幾個方面。一是完善合理的組織框架；二是構建設計技術標準、審核和審批體系；三是建立模具檔案，構建技術標準，豐富標準庫，作為積累，規避錯誤；四是做好典型模具標準和要求；五是設計部門可以設立專門崗位，審核模具結構設計環節；六是應用二次開發軟件進行組件設計。以上六種策略的出發點就是通過建立企業設計規范和設計要求避免模具失效，積累個人經驗，構建設計團隊，形成企業特有的設計理念，以期達到最優設計方案[7]。

4.4 模具失效應對策略：標準化管理

企業通過制定健全的質量管理體系和規范的生產流程，可以增強管理人員、設計人員和制造者在理念、質量和成本方面的意識。通過重視細節，完善設計標準、工作標準和設計規范，提升模具設計人員在結構設計和布局設計的能力，加強裝配技術人員解決問題的能力，規范設計評審流程，細化驗收標準等措施，實現企業的標準化管理。

5 結束語

試模是模具生產之前的一個重要環節，是一個發現問題卻不能完全避免模具失效的過程。本文模具失效策略分析就是從結構設計、機理分析、經驗總結等方面結合眼睫毛內塞模具設計案例分析模具失效的因素和應對的辦法，避免模具提前失效。需要強調是模具設計非常重視經驗的傳承和積累，眼睫毛內塞模具設計將傳統塑件凸肩朝下改為朝上，就是一個逆傳統經驗設計避免模具提前失效的成功案例。