有效避免注塑模具失效的策略分析

汪 峰，方永祥，乐振土

（杭州技师学院，浙江 杭州 311500）

1 概述

模具是一个国家不可或缺的基础性装备，模具设计水平的高低直接影响装备制造业的发展。我国模具企业众多，但模具设计制造水平与先进国家相比还有一定差距，创新能力不足，特别是在设计理念、经验积累、材料应用、技术标准、管理流程等方面还存在一定距离[1]，差距存在使我们面临一个重要现实：一副模具设计可能有多种方案，每种方案即使每一个细节都不存在问题，也不一定是最优方案，也有可能导致模具提前失效。如何解决上述问题，避免模具过早失效，设计制造一副性价比高的模具，并找到相应对策正是本文要解决的问题。

2 模具结构设计着力点

模具存在目的是生产产品，希望所生产的产品物美价廉，具有表面质量好、尺寸精准、变形小等质量特性，能生产出合格产品的模具不一定是优秀的模具，模具优劣评价标准是一个贯穿于模具设计、模具制造、产品浇注、后续服务等模具全生命周期[2]。笔者认为一个优秀的模具包含四个着力点：一是从模具设计制造环节分析，要求模具制造周期短、制造成本低、热处理工艺合理、加工工艺先进、标准件应用广；二是从模具工作过程分析，要求模具成型条件低，周期短、冷却速度快、顶出系统干脆利落；三是从模具应用效果层面分析，要求模具寿命长，机构紧固耐用、磨损小、工作可靠、故障少；四是从模具后续服务分析，要求模具维修方便，备件和易损件齐全。模具设计制造应该重点解决上述问题，避免模具过早失效。

2.1 结构设计思路

模具结构设计遵循合理、经济、适用的原则。模具设计过程中，借鉴典型模具结构，结合塑件产量和企业实际生产状况，进行结构设计。下面以眼睫毛内塞模具结构设计为例体验模具结构优化设计思路。

模具结构前后设计思路：为了节约模具制造成本，模具设计师在结构设计初期采用自动脱模的形式，前模内腔分体结构，同时按照传统模式将塑件凸肩朝下设计，在试模验证时，发现这种结构容易造成塑件粘连前模板，导致无法自动脱模，压模后配件容易损坏，产品外观不够光滑等缺陷。在第一次模具设计经验基础上，设计师将塑件朝向改为凸肩朝上设计，采用独立顶出机构，脱模时，塑件留在后模板上，解决了塑件脱模问题，前模内腔成型部位布置镶件，增强了型腔的耐磨性和抗冲击力，避免了型腔因压力和温度变化造成的磨损、变形和龟裂等配件失效形式，保证了产品质量。第一次模具设计虽然制造成本低，但是造成脱模困难，故障率高，模具维修频繁、生产效率低下，经过改造后，模具结构虽然更复杂了，成本更高了，但提高了工作效率，满足了生产需要。这里反映了模具设计成本与适用性、模具寿命的关系，强调结构设计对于塑件成型动作准确和成型结果的决定性作用。

模具工作原理：融熔料充满型腔后，经填充、保压、冷却、固化等过程成型，模具在注塑机的推动下开模，塑件14 首先从前模镶件21 脱离，由于包紧力作用，塑件14 紧紧包裹在后模镶件11 上，注塑机开模行程结束后，在注塑机顶杆作用下，推动顶针板5向前移动，同时带动推板螺栓33 推动推件板10 顶出塑件14，完成一次脱模，如图1 所示。眼睫毛内塞模具原理简单，成型条件低，成型动作少且可靠，故障率低，适合大批量生产，可有效避免模具失效，延长模具寿命。

2.2 零部件设计思路

模具零部件选择对产品成型质量有重大影响，其关注点集中在零部件的形状、结构、精度和制造工艺性，材料和热处理工艺的准确性，还要注意零部件视图表达与加工制造关联性。模具设计尽可能采用标准化零件，有效降低模具制造时间，缩短制造周期，降低制造成本，标准件广泛应用，延长了模具寿命，规避了专用零部件热处理工艺和加工工艺品质控制难的问题，为后续模具维护保养和配件准备提供了便利，又保证了产品质量[3]。

3 模具失效机理分析

温度和压力是影响模具工作状态的两个重要要素，也是造成模具失效的主要原因。一是模具型腔内壁表面受热熔体流动摩擦和冲刷的影响，导致模具型腔内表面出现摩擦磨损；二是模具工作过程是一个受热和冷却相互交替循环的过程，温度呈周期性变化，注塑模的机械负载也随之周期性循环变化，容易造成动模和定模配合部位黏合磨损；三是模具在浇注过程中，型腔内壁承受熔料张力作用，且反复交替进行，使型腔内壁承受脉动拉应力作用，从而引起热疲劳破坏，造成变形和龟裂。当温度和压力共同作用下达到一定条件就会在型腔内壁出现麻点，在棱角处胀大起皱，形成纵向弯曲，导致模具失效。所以，一般注塑模模温控制在50℃以下，型腔压力25～45MPa 以下，精密注塑模型腔压力控制在100MPa 以内。

设计师还要关注增强材料对型腔内零部件的破坏性影响，以及型腔内化学反应作用。如无机纤维作为增强材料加到融熔料中时会增加型腔内壁摩擦磨损；聚氯乙烯阻燃级ABS 作为塑件材料时，塑件在成型过程中，会在型腔内分解出HCI、HF 等腐蚀性气体，腐蚀型腔内壁，使型腔内壁表面凹凸不平，拉毛，动模定模动态间隙增加，尖角变圆、平面下陷，刃门钝化，甚至尺寸超差[4]。此外，还有因零部件加工时应力集中产生的裂纹或断裂等破坏作用。

4 注塑模具避免失效应对策略

模具寿命受多种因素影响，在眼睫毛内塞模具设计中重点强调结构、材料和装配三个方面因素。从结构角度看，合理的模具结构有助于提高模具的承载能力，减轻模具零件机械负荷。如图1 所示，后模镶件11 应力集中现象相对严重，当承载力横截面面积发生变化时，零件尖角处就容易开裂；合模过程中后模镶件11 和前模顶杆22 会出现插碰的可能；后模镶件11 的锥度设计会影响配合精度。从材料角度看，要求模具在使用性能方面具有较高的强度、硬度、耐磨性和热疲劳性；在工艺性能方面要求较好的锻造工艺性、切削加工性、热处理工艺性和淬透性，这些性能会对型腔内壁抗冲击力、抗腐蚀性、抗断裂能力产生影响。从装配角度看，模具装配精度和模具使用过程中维护和参数不当等都会降低模式使用寿命。除此之外，笔者着重阐述以下四项策略供读者参考。

4.1 模具失效应对策略：模具材料的选择

模具零件选材受塑件材料、产品批量、形状、尺寸和精度等多种因素综合影响，恰当选材对延迟模具使用寿命、激发模具潜能和降低模具成本起着重要作用。笔者建议按照客户需求、产品要求、经济性能和材料潜力四个方面选择模具材料，优先考虑工艺性能、经济效益、模具寿命、产品产量和后续维护。例如，制造过程中，模具零件钢材要按照文件规范选择，不能随便代用，很多模具失效的原因就是材质和热处理不达标引起的；汽车内饰面模具，要求使用同一钢材制造，否则注塑件外表面就会出现烂花、皮纹等现象，严重的导致整套模具报废；制作模具运动副零件要求选用相同的钢材；在成型耐腐蚀性气体的塑料制品的模具时，要求选用耐腐蚀性好的钢材，例如选用预硬钢（H）[5]，不要在加工过程中采用调质处理等，这些经验都是设计师在选择材料是重点考虑的项目。正确选择模具材料有助于降低模具失效的几率。在眼睫毛内塞模具设计中拉杆、拉板、顶板导柱、顶板导套等采用T8A 材料，推杆直径为直径4mm，采用是SKD61 材料；定模底座、动模底座、型芯固定板、限位钉、限位块、支撑柱等采用的是45 号钢，精密定位件采用HRC52-54动模板选用718H 材料，定模板选用HRC48-52 材料，镶件选用HRC52-54 材料。

4.2 模具失效应对策略：正确选择冷加工与热处理方法

正确选择冷加工与热处理方法，一是关于复杂型腔模具，在型腔加工完成后会产生应力，导致型腔尺寸变形、镶件开裂等现象，对于复杂型腔优先推荐采用先淬火再进行回火的处理方法，这样处理的优点是硬度高，韧性好，材料的组织均匀，消除轧钢过程中的缺陷[6]；二是在处理薄壁零件和尖角时，氮化处理会降低耐腐蚀性钢的性能，氮化层不宜太厚，氮化层越厚，脆性越大，模具内腔越容易开裂。

4.3 模具失效应对策略：优化设计方案

模具设计出错的原因有很多，除了人为因素外，一般还要考虑以下几个方面。一是完善合理的组织框架；二是构建设计技术标准、审核和审批体系；三是建立模具档案，构建技术标准，丰富标准库，作为积累，规避错误；四是做好典型模具标准和要求；五是设计部门可以设立专门岗位，审核模具结构设计环节；六是应用二次开发软件进行组件设计。以上六种策略的出发点就是通过建立企业设计规范和设计要求避免模具失效，积累个人经验，构建设计团队，形成企业特有的设计理念，以期达到最优设计方案[7]。

4.4 模具失效应对策略：标准化管理

企业通过制定健全的质量管理体系和规范的生产流程，可以增强管理人员、设计人员和制造者在理念、质量和成本方面的意识。通过重视细节，完善设计标准、工作标准和设计规范，提升模具设计人员在结构设计和布局设计的能力，加强装配技术人员解决问题的能力，规范设计评审流程，细化验收标准等措施，实现企业的标准化管理。

5 结束语

试模是模具生产之前的一个重要环节，是一个发现问题却不能完全避免模具失效的过程。本文模具失效策略分析就是从结构设计、机理分析、经验总结等方面结合眼睫毛内塞模具设计案例分析模具失效的因素和应对的办法，避免模具提前失效。需要强调是模具设计非常重视经验的传承和积累，眼睫毛内塞模具设计将传统塑件凸肩朝下改为朝上，就是一个逆传统经验设计避免模具提前失效的成功案例。