注射模失效原因分析與材料選用

鐵盛武，朱黎鑫

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545005）

1 注射模成本介紹

1.1 模具總成本

模具的總體成本包括下面幾個方面。

（1）生產(chǎn)用物料成本：油缸熱流道（20%～25%）、材料銅料（10%～15%）、模架（8%～10%）、石墨、配件散件（7%～10%）等。

（2）制造成本：刀具及工裝夾具（5%）、外發(fā)費用（10%～15%）、耗材（1.5%）、設計+編程、加工成本、人工（工資與福利）、水電場地租金、機臺折舊等。

（3）試模成本：試模費用、膠料、包材等。

（4）模具修/改模成本：返工成本是隱性成本。

（5）品質檢測成本：檢測設備折舊、工件及樣板檢測費用等。

（6）量產(chǎn)維護保養(yǎng)成本：模具清洗保養(yǎng)、再內應力消除、再拋光清理、再涂裝、破裂或磨損零件更換。

（7）包裝運輸、報關、稅收等成本、說明書編寫成本。

（8）生產(chǎn)力損失成本：客戶商譽損失、因交期與品質造成的客戶扣款、風險擔保費用、壞帳等。

1.2 模具價格

模具價格取決于：合格的品質+準時的交貨期+合理的價格+完善的售后服務體系。

2 模具壽命分級及材料選用

（1）模具壽命是指模具自正常服役至工作失效期間內所能完成制件加工的次數(shù)。若模具在使用中需返修或更換配件，則模具總壽命為各次返修完成制件加工數(shù)的總和。

（2）按生產(chǎn)數(shù)將模具壽命分5級:

a.一級模具在百萬次以上：薄壁模200或300萬次以上。

b.二級模具是50萬～100萬次：汽車模具與家電模具。

c.三級模具在30萬～50萬次：普通的家電模具與汽車模具。

d.四級模具在10萬～30萬次：普通家電與試驗模。

e.五級模具在10萬次以下：試驗模或少訂單模具。

（3）對模具壽命及長期維護成本起決定性的因素。材料的選材、熱處理、模具表面處理（涂層）、塑件設計、模具設計、模具加工、模具保養(yǎng)、注射成型過程控制等。通常模具材料成本為模具成本的10%不到，在整個模具系統(tǒng)成本中只是一小部分，不可為省點材料錢而購買廉價模具材料，后期反給客戶帶來更大維護與生產(chǎn)力損失成本。

（4）按模具壽命等級考慮，模具材料選用建議。

a.一級與二級模具內模材料選用。

通常選用可熱處理成硬度達50～54HRC左右的全硬料鋼材。出廠硬度一般是20HRC左右。這類模具選用鋼材時，注意鋼材的強度、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、高硬度下良好切削加工性、較好的熱處理等性能。常用于一級、二級模具的材料有：

①熱作模具鋼：因工作條件主要特點是與熱態(tài)金屬相接觸。常做錘鍛模、熱擠壓模、壓鑄模、玻璃模、高硬塑膠模5類。

常用于塑膠模具的熱作模具鋼：①H11系列：1.2343、1.2343ESR、SKD6；②H13系 列：1.2344、1.2344ESR、SHD61、1.2367（H13+Mo改良）。此類材料特點：含碳量低（0.4），添加相應合金元素，以增加淬透性，提高耐磨性、紅硬性，對硬度要求適當，導熱性較好。

②不銹鋼系列：腐蝕性膠料，內模甚至模架選用不銹鋼。通常膠料腐蝕性比較大的膠料（如PVC、POM等）已經(jīng)醫(yī)療塑件的模具選用這類鋼材。

b.三級模具材料的選用（壽命30萬～50萬）。

三級模具內模材料多選預硬料，常用材料型號有：

①P20及P20改良系列預硬料：618HH、618T、718HH、738HH、P20HH、NIMAX、XPM、XPMV ESR等。

②不銹鋼系列預硬性：1.2083H、S136H、MIRRAX 40、1.2316H、S-STAR、ROYALLOY等。預硬HB270～340（28～36HRC）甚至到36～42HRC。這類鋼材不需再進行淬火熱處理。

③只有P20及不銹鋼有預硬材料。熱作模具鋼與冷作模具鋼沒有預硬鋼。除日立的FDAC外，是H13快切削預硬鋼，可做為小批量壓鑄模、塑膠模、擠壓模內模，出廠硬度38～42HRC。

c.四級模具材料的選用（壽命：10萬～30萬）。

此類模具材料可選用P20、718、738、618、1.2311、1.2711、及依膠料特性與塑件要求選擇合適的材料等，再進行熱處理。也可直接在模架上做型腔。

d.五級模具用材料的選用（壽命：10萬次以下及試驗模具）。

通常該類模具要求特低，材料可用王牌S50C、S45C、1.1740、1.1730、鋁合金、國產(chǎn)45鋼，可直接在模架上做型腔。

（5）考慮膠料及添加劑特性選用材料。

a.玻璃纖維對材料磨損大：選用高硬度與高耐磨性材料，甚至表面進行涂層處理。

b.阻燃劑對材料腐蝕大：選用耐 腐蝕性不銹鋼，或模具表面進行氮化鉻CrN涂層或鍍鉻或表面沉鎳處理（只有30HRC）。

c.高溫膠料：考慮材料的導熱性與散熱性，甚至選用鈹銅做鑲件。

d.高硬度膠料選用：材料熱處理全硬，甚至選用粉末合金鋼。

e.高膨脹的膠料考慮材料的強度：如PA與TPE軟膠料。

最好的防磨耗對策：淬火熱處理+表面涂層。

最好的防腐蝕對策：選用不銹鋼或表面防銹涂層CrN處理。

強腐蝕性膠料有：PVC、POM、PPS、阻燃膠料等。

弱腐蝕性膠料有：PBT、PC、PMMA、PA等；這些料本身無腐蝕，因分解產(chǎn)生分解氣，分解氣略有腐蝕性，才腐蝕模具。

（6）塑件外觀要求考慮，而選用特定材料。

a.表面要求極高的透鏡或光學鏡片模具選用，超級鏡面高硬耐腐蝕不銹鋼：一勝百POLMAX（一勝百拋光性最好的）；ESR+VAR。百祿M333、M333ESR、M330 VMR。斯穆2190 ESR、薩爾Anoxin（HQ）、大同D-STAR。

b.鏡面拋光耐腐蝕模具可選用鏡面耐腐蝕不銹鋼：一勝百STAVAX ESR、MIRRAX ESR、MIRRAX40（預硬）；百祿M310、M303（預硬）、M300（預硬）；斯穆2083 ESR、PH X Supra（預硬）、2083H ESR（預硬）；薩爾Collex（HQ）；大同NAK-PRM（預硬）、PAK90。

c.可做汽車車燈模具的材料：一勝百VIDAR1 ESR、NIMAX（預硬）、718HH（預硬）；斯穆PH42 SUPRA（預硬）；薩爾MFR X5 Sonder（預硬）；大同NAK80（預硬）；百祿M268；薩爾MS40 ESR。

3 模具失效的表現(xiàn)形式及原因分析

（1）模具失效。指模具失去正常工作的能力，模具工作部分發(fā)生嚴重磨損或損壞而不能用一般修復方法（返磨、拋光、燒焊、更換配件等等）使其重新服役的現(xiàn)象。

主要針對的是內?；虺尚筒课患爸饕瑒硬课欢?，一些標準配件的更換不在此例。

（2）模具的主要失效形式。

模具的主要失效形式如表1所示。

表1 模具的主要失效形式

（3）模具失效原因。因材料和熱處理不當而引起的失效約占60%；設計不當引起的失效約占10%，如表2所示，但每次需要按實際的情況進行具體的分析。

表2 關于模具早期失效原因的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

（4）塑料模具失效的主要表現(xiàn)。

a.拋光不良：表面光潔度不好、紋面脫落。

b.材料開裂崩裂：材料韌性差，模具結構設計不好，硬度太高。

c.腐蝕生銹：材料選 材不當，模具防護不當，表面鍍鉻或PVD防銹涂層，保持啤塑環(huán)境通風干燥等措施。

d.咬合、擦花插燒、磨損：材料選擇不當，表面未處理，潤滑不當，選用不同材料做磨擦件，且硬度差處理。

e.困氣：模具設計不當，合模時氣體被困而影響成形，可通過模流分析調整澆口位置與數(shù)量（成本較高）或選用透氣鋼做鑲件或排氣鑲針。

f.散熱不足：模具厚薄不一，熱量難以帶走，模溫越來越高，影響塑件質量及生產(chǎn)周期。改良水道設計或使用鈹銅合金作鑲件，調整模溫機循環(huán)水的壓力與流量，以改善冷卻效果。

g.塌陷變形：模具強度不夠，或掏空部位太多，增加支撐柱。

4 模具失效的影響因素

（1）材料對模具壽命的影響：選用材料時必須同時兼顧。

a.滿足模具對塑性變形抗力、斷裂抗力、疲勞抗力、冷熱疲勞抗力、高溫性能（熱硬性、紅硬性）等性能的要求。

b.綜合考慮材料的耐磨性、韌性、切削加工性、耐蝕性、淬硬性、拋光性、蝕紋效果等性能。

c.材料采購方便，交期快。

d.價格合理，成本低。

e.玻纖填充或腐蝕性材料或打凍水模具，材料選用尤為重要。

（2）設計對模具壽命影響。

a.模具結構合理性、可使用性及安全性。模架的大小，模腔的壁厚，壽命與制造成本的關系，模具結構設計時，盡量結構緊湊、操作方便，還要保證模具零件有足夠的強度和剛度。

b.應力集中的評估。在模具結構允許時，模具零件各表面的轉角應盡可能設計成圓角過渡，不可出現(xiàn)尖角與利邊，以避免應力集中。對于凹模、型腔及部分凸模、型芯，可采用組合或鑲拼結構來消除應力集中。

c.模具防護裝置評估。包括模具監(jiān)視器、頂針復位行程開關、行位行程開關、頂針強制復位裝置等。

細長凸模或型芯，在結構上需采取適當?shù)谋Ｗo措施；塑件掉落時是否可能掉入行位滑槽內。

d.模具零件的可加工性及模具維修的方便性。

e.導柱導套強度評估：在模具開合過程中起導向作用，考慮其強度及耐磨性。

（3）模具制造質量對模具壽命的影響。①模具零件加工精度的影響；②模腔表面粗糙度的影響；③模具硬度均勻性的影響；④應力集中去除：由于構件截面尺寸突然變化而引起應力局部增大的現(xiàn)象。主要發(fā)生部位：孔、溝槽、凸肩、階梯等；⑤CNC精加工深凹內模后，需要進行再去應力處理；⑥電火花加工對模具失效影響大：放電加工（包括線切割及電火花）后，鋼材表面會產(chǎn)生重新熔化層（白化層）與再淬火回火層，此兩層組織十分脆，因此，會嚴重降低模具壽命；⑦焊接工藝對模具失效的影響，按每種材料特定工藝進行正確操作，如：焊接區(qū)準備、焊絲的選擇、焊前預熱、焊接過程中模具溫度和冷卻的控制、焊后熱處理等，焊接才會得到滿意結果。

（4）熱處理工藝對模具壽命的影響。在模具失效的諸多因素中，由于模具選材和熱處理不當而引起的失效約占50%。由此可見，正確的模具用材及其熱處理在提高模具壽命中的重要作用。模具熱處理目的是為使模具獲得理想組織，從而獲得所需性能。

（5）表面強化處理對模具失效的影響。模具表面強化技術是在模具型腔表面產(chǎn)生一層強度高，有極好耐磨性的化合物涂覆層，以提高模具表面硬度和耐磨性。

a.表面處理工藝有：滲碳、滲氮（離子氮化）、氮碳共滲（軟氮化）、滲硼、TD處理、稀土-硼、碳-氮-硼共滲、鍍鉻等方法。

b.表面涂層工藝中的PVD、CVD、PCVD（等離子化學氣相沉淀、物理化學氣相沉淀）技術、及表面噴丸、離子注入、激光表面強化處理、納米表面技術等新工藝也被廣泛采用。

c.納米復合涂層是指將除有納米相外還有其它相存在的納米涂層涂覆在材料表面，獲得超強的耐磨性、良好的潤滑性和高的熱穩(wěn)定性，提高耐磨性和壽命，提高加工精度和使用性能。微粒奈米陶瓷處理。

d.類金剛石涂層（Diamond-like Carbon）DLC涂層。該涂層是一種非晶態(tài)膜，分為含氫類和無氫類金剛石涂層兩種。DLC涂層具備質量穩(wěn)定、與基體結合力好、耐磨性好、摩擦系數(shù)低、耐腐蝕性好等綜合優(yōu)良性能。DLC涂層:常用于模具的滑動與活動部件及軸承等等。

模具失效是綜合因素引起的，只有在實際工作中不斷總結原因，積累經(jīng)驗，熟練掌握各種鋼材特性，靈活運用鋼材加工及熱處理技術，才能有效地減少和控制模具失效發(fā)生的可能性。