劉軍

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

201儀表板注塑模具斜抽芯崩口成因分析與對(duì)策

劉軍

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西柳州545007）

通過(guò)對(duì)一儀表板模具斜抽芯失效模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造裝配、熱處理工藝分析，得出結(jié)構(gòu)本身限制、制造裝配精度不夠、熱處理工藝選擇不當(dāng)結(jié)果，制定相應(yīng)的方法，解決了斜抽芯反復(fù)發(fā)生的故障，降低了停線率。

注塑模具；斜抽芯；崩口；制造裝配精度；熱處理工藝

在注塑模具設(shè)計(jì)制造中，由于本身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，設(shè)計(jì)上無(wú)法避免的缺陷，可以在制造過(guò)程中通過(guò)對(duì)鋼材、熱處理工藝的選用、制造裝配精度的控制，同樣能彌補(bǔ)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足，延長(zhǎng)模具的使用壽命，減少模具的停機(jī)率，滿足客戶的響應(yīng)及品質(zhì)要求。理論指導(dǎo)實(shí)際，不斷總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在今后的模具設(shè)計(jì)時(shí)，可以有效避免類似材料的結(jié)構(gòu)性故障的產(chǎn)生。

1　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某車型201儀表板主體產(chǎn)品，靠近儀表護(hù)罩頂部的一處結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)一個(gè)斜頂抽芯而出［1］，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較典型特殊，具體如圖1、圖2所示。

由圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)離儀表板頂部很近，斜度很大，因而斜抽芯塊頂部角度很小，平均只有18°～20°左右，抽芯斜塊頂部尖而細(xì)長(zhǎng)，最頂部形成一條刃口狀，且為山峰異形狀，結(jié)構(gòu)很薄弱。

圖1　產(chǎn)品局部示意圖

圖2　斜抽芯正面示意圖

圖3　斜抽芯側(cè)面示意圖

斜塊與下模芯、封膠面有大于0.05 mm的滑動(dòng)間隙。斜塊及模具下型芯選用瑞典一勝百718鋼材，該鋼具有良好的可加工性和耐磨損性、良好的拋光性能，硬度分布均一，廣泛用于大型注塑模具中，出廠狀態(tài)：經(jīng)硬化及回火至HB290-330.其化學(xué)成分如表1所示。

表1718　鋼材化學(xué)成分

試樣硬度為340HBW，在室溫及高溫條件下，其物理性能和化學(xué)性能表現(xiàn)如下：

物理性能：溫度20°C/200°C/400°C，彈性模量:205 000 MPa/200 000 MPa/185 000 MPa.

化學(xué)性能：溫度20°C/200°C/400°C，條件屈服強(qiáng)度980 MPa/925 MPa/770 MPa.

隨著溫度升高，其彈性模量變小，抗彈性變形力變小，條件屈服強(qiáng)度也變小。此產(chǎn)品成型溫度在180℃～205℃之間，相比常溫下，彈性模量變小了，條件屈服強(qiáng)度變小了［2］。

斜抽芯塊經(jīng)過(guò)了淬火處理，硬度HRC55，頂部刃口、山尖部位周邊刃口很容易開(kāi)裂、崩口。產(chǎn)品成型溫度及壓力參數(shù)如下：

成型溫度:180℃～205℃，一般穩(wěn)定在189℃就能滿足成型工藝要求。

最后一段注射壓力為84 MPa，模具溫度在開(kāi)啟冷水機(jī)情況下平均為103℃左右。

從圖1產(chǎn)品局部俯視圖可以看出，進(jìn)料口位于斜抽芯塊背面，熔融狀態(tài)下的塑膠原料在高壓下由背面經(jīng)頂部順勢(shì)而下，首先受沖擊的是斜塊頂部刃口狀的間隙，造成斜塊往外擠壓變形，每經(jīng)一次注塑成型生產(chǎn)，該部位都會(huì)產(chǎn)生一次彈性變形，當(dāng)生產(chǎn)的數(shù)次達(dá)到或超過(guò)彈性變形的疲勞強(qiáng)度時(shí)，斜塊會(huì)從頂部或頂部附近部位開(kāi)裂、崩掉，造成產(chǎn)品缺陷，導(dǎo)致不能繼續(xù)生產(chǎn)而需要拆模補(bǔ)焊、修配間隙，每次維修浪費(fèi)生產(chǎn)時(shí)間7～8 h，每次維修后只能生產(chǎn)兩個(gè)班又產(chǎn)生裂紋，連續(xù)生產(chǎn)4～5天又會(huì)崩掉，如此反復(fù)，生產(chǎn)效率不高。崩口、開(kāi)裂如圖4所示。

圖4　斜塊頂部開(kāi)裂補(bǔ)焊及開(kāi)裂部位示意圖

2　斜塊開(kāi)裂、崩口原因分析

2.1制造裝配精度超差，滑動(dòng)配合間隙過(guò)大

本產(chǎn)品使用改性PP料進(jìn)行生產(chǎn)，材料的特性如表2所列。

表2　改進(jìn)性PP料特性［1］

由表2可以看出：

（1）成型收縮率大，產(chǎn)品收縮力較大，產(chǎn)生于斜塊的拉力較大，因而作用在斜塊頂部的附近的彈性變形力也較大，彈性力大，斜塊變形部分產(chǎn)生的疲勞損傷也加快。

（2）流動(dòng)性極好，會(huì)產(chǎn)生以下兩點(diǎn)影響：

第一，收縮范圍和收縮值大，會(huì)導(dǎo)致上述（1）點(diǎn)的缺點(diǎn)；

第二，根據(jù)“注塑模具裝配工藝規(guī)范”中要求“裝配好的模具各封膠面必須配合緊密，間隙小于該模具塑料材料溢邊值50%，以避免各封膠面漏膠產(chǎn)生披峰（毛刺）。保證各封膠面有間隙排氣，能保證排氣順暢”，原材料流動(dòng)性極好，模具表面的封膠間隙就會(huì)要求很小，增加了模具制造裝配難度；間隙大，容易產(chǎn)生披鋒（毛刺）。

對(duì)本案例來(lái)說(shuō)，斜塊頂部部分受披峰（毛刺）擠壓產(chǎn)生彈性變形；間隙小，封膠表面排氣不暢，易產(chǎn)生氣孔、注不滿等缺陷，而排氣不暢，原材料流動(dòng)又極快，則導(dǎo)致斜抽零件部位悶氣燒焦。

（3）產(chǎn)品冷卻速度快，對(duì)斜塊端部部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力也大，加大了其彈性變形量，降低了疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而減少了使用壽命。

（4）PP料溢邊值為0.03 mm.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，改性的添加礦物質(zhì)填充料的PP，溢邊值為0.05 mm.根據(jù)“注塑模具裝配工藝規(guī)范”，裝配好的模具各封膠面間隙小于該塑料材料溢邊值的50%，那它的間隙配合應(yīng)小于等于0.03 mm，這對(duì)于異形的抽芯斜塊來(lái)說(shuō)，修配精度要求就很高了。

該產(chǎn)品原材料是經(jīng)過(guò)改性的PP（改性聚丙烯），里面填充了一定比例的礦物質(zhì)，注塑生產(chǎn)時(shí)，礦物質(zhì)以粉末的形式存在于熔融的原材料中，每注射一次，粉末的礦物質(zhì)顆粒會(huì)沖刷斜塊配合面一次，配合面都會(huì)產(chǎn)生微磨損一次，長(zhǎng)久以往，配合間隙就會(huì)越摸越大，越磨越深，滑動(dòng)配合間隙過(guò)大，頂端部位承受的注塑成型力及產(chǎn)品收縮應(yīng)力在斜塊底部形成的一個(gè)杠桿支點(diǎn)作用下，加大了頂端部位的變形力，達(dá)到一定疲勞強(qiáng)度時(shí)，頂端部位就會(huì)開(kāi)裂、崩口。

2.2熱處理工藝選擇不當(dāng)

整套模具型芯、型腔、抽芯部件都是使用瑞典一勝百718鋼材，其中斜抽芯部件采用了：退火+淬火+水冷熱處理工藝。將工件在加溫爐660℃中預(yù)熱2 h，然后加溫至930℃［3］，保溫2 h工件比較小，需時(shí)間較短）使之全部奧氏體化，然后直接出爐，浸入水中，鋼自?shī)W氏體化溫度冷卻下來(lái)，工件不同部位冷卻速度不同，不同的溫度范圍會(huì)發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變，形成貝氏體、馬氏體或貝氏體+馬氏體及少量的殘留奧氏體。馬氏體的三維組織形狀通常有板條狀和片狀，板條狀馬氏體是低碳鋼，馬氏體時(shí)效鋼，不銹鋼等鐵系合金形成的一種典型的馬氏體組織，因其單元立體形狀為板條狀，故稱板條狀馬氏體。由于它的亞結(jié)構(gòu)主要是由高密度的位錯(cuò)組成，所以又稱位錯(cuò)馬氏體。片狀馬氏體則常見(jiàn)于高、中碳鋼，每個(gè)馬氏體晶體的厚度與徑向尺寸相比很小，其斷面形狀呈針片狀，故稱片狀馬氏體或針狀馬氏體.由于其亞結(jié)構(gòu)主要為細(xì)小孿晶，所以又稱為孿晶馬氏體。

當(dāng)Wc＜0.3%時(shí)，鋼在馬氏體形態(tài)幾乎全為板條馬氏體；

當(dāng)Wc＞1.0%時(shí)，則幾乎全為片狀馬氏體；

當(dāng)Wc=0.3%～1.0%時(shí)，為板條馬氏體和片狀馬氏體的混合物。

隨含碳量的升高，淬火鋼中板條馬氏體的量下降，片狀馬氏體的量上升。片狀馬氏體具有高強(qiáng)度高硬度，但韌性很差，其特點(diǎn)是硬而脆。在具有相同屈服強(qiáng)度的條件下，板條馬氏體比片狀馬氏體的韌性好很多，即在具有較高強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還具有相當(dāng)高的韌性和塑性，其原因是由于在片狀馬氏體中孿晶亞結(jié)構(gòu)的存在大大減少了有效滑移系［4］。

本案例718鋼材C含量大約為0.28%～0.40%，淬火后得到位錯(cuò)型的板條狀馬氏體，其強(qiáng)度和韌性都比較高。但在鋼材中又添加了鉻元素，隨著鉻含量的增加，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)由位錯(cuò)型向?qū)\晶型轉(zhuǎn)化，即孿晶型馬氏體數(shù)量逐漸增加，位錯(cuò)型馬氏體數(shù)量逐漸減少，經(jīng)測(cè)定其斷裂韌性KIC逐漸降低，而且發(fā)現(xiàn)，在屈服強(qiáng)度相同的條件下，亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)型的馬氏體的斷裂韌性高于亞結(jié)構(gòu)為孿晶型的馬氏體的斷裂韌性，斷裂韌性值位錯(cuò)馬氏體比孿晶馬氏體高三倍，而馬氏體的韌性主要決定于馬氏體的亞結(jié)構(gòu)。

亞結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)型的馬氏體韌性高，而孿晶型馬氏體的韌性低，這是因?yàn)槲诲e(cuò)型馬氏體有一定的塑性變形能力，可以緩沖矛盾。而孿晶馬氏體不能發(fā)生塑性變形。

因而，淬火+水冷熱處理后的斜抽芯，硬度達(dá)HRC55，鋼材本身含有的鉻元素，在淬火冷卻過(guò)程中，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)由具有一定變形能力（韌性）的位錯(cuò)型向不能發(fā)生塑性變形的孿晶體轉(zhuǎn)化，最后變脆了，所以斜塊頂部薄弱部分容易開(kāi)裂、崩口。

本模具使用的是軋制718鋼材，出廠狀態(tài)：經(jīng)硬化及回火至HB290-330.根據(jù)文獻(xiàn)資料得知：軋制型材經(jīng)過(guò)880℃高溫加熱后風(fēng)冷，不同位置生成的組織不是單一的馬氏體組織，而是馬氏體和貝氏體的復(fù)合組織。經(jīng)過(guò)580℃或610℃高溫回火，全馬氏體組織的部位生成了回火索氏體；組織為貝氏體的部位生成了較粗大的回火組織。就整個(gè)軋制型材來(lái)看，它是由粗大的貝氏體回火組織和馬氏體回火組織組成的混合組織。經(jīng)580℃二次回火，回火索氏體轉(zhuǎn)變成粗大的回火組織，而原先粗大的回火組織基本上沒(méi)有變化，組織變得更加穩(wěn)定。發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的原因是，回火轉(zhuǎn)變的平衡組織是較粗大的回火貝氏體組織。在第一次回火的冷卻過(guò)程中，貝氏體組織不發(fā)生變化，而殘余奧氏體和馬氏體在向回火索氏體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中有向貝氏體組織靠近的趨勢(shì)，結(jié)果得到回火索氏體和粗大回火組織的復(fù)合組織。所以，回火組織的硬度存在差別。在二次回火時(shí)的冷卻和加熱過(guò)程中，兩種回火組織共同靠近，即在這一冷卻過(guò)程中穿過(guò)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，并共同向貝氏體組織靠近，最終達(dá)到平衡組織。經(jīng)過(guò)二次回火，回火組織更加均勻，硬度的均勻性得到極大改善，幾乎不影響硬度大?。?］。

3　解決問(wèn)題的對(duì)策

針對(duì)以上造成斜抽芯頂部周邊易開(kāi)裂崩口兩大原因分析，制定了以下兩個(gè)措施予以應(yīng)對(duì)：

（1）用出廠預(yù)硬狀態(tài)的鋼材，通過(guò)粗加工-精加工-磨配，保證斜抽芯與型芯配合處滑動(dòng)間隙、表面封膠間隙盡量控制在0.03 mm以內(nèi)。

（2）修配好的斜抽芯不經(jīng)過(guò)淬火處理，直接進(jìn)行二次回火處理［3］：加溫至580℃，保溫4 h，然后關(guān)掉電源，隨爐溫緩慢冷卻至室溫。檢測(cè)硬度HRC34，雖然硬度相比淬火后低了很多，但韌性卻大大提高了。

經(jīng)過(guò)以上兩點(diǎn)改進(jìn)，更換新的斜抽芯后，已經(jīng)連續(xù)生產(chǎn)4個(gè)月、總模數(shù)已超10萬(wàn)次，沒(méi)有出現(xiàn)原來(lái)開(kāi)裂、崩口現(xiàn)象，滿足了生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

模具在使用過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)預(yù)想不到的故障模式或潛在故障模式，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是通過(guò)制造及生產(chǎn)過(guò)程累積而來(lái)的。在生產(chǎn)中出現(xiàn)問(wèn)題，首先要分析其產(chǎn)生的機(jī)理及原因，然后制定相應(yīng)的對(duì)策及措施，經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)才得以解決。本案例的斜抽芯作為模具中的一件附屬物，為了耐用長(zhǎng)久，得到一定的硬度，都會(huì)進(jìn)行淬火處理，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)而言，能達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。但對(duì)于本案例這類結(jié)構(gòu)特殊或部位特殊的部件，按照常規(guī)做法，得到的結(jié)果會(huì)恰恰相反，需根據(jù)實(shí)際情況采用相應(yīng)的方法。斜抽芯的制作涉及到加工工藝、裝配精度、熱處理工藝的運(yùn)用，這些都為以后的工作積累了很多的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。通過(guò)總結(jié)、沉淀，在以后的設(shè)計(jì)、制造、使用中，能提前預(yù)防相同潛在故障隱患的發(fā)生。

［1］上海市輕工業(yè)學(xué)校.塑料模具設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社出版，1993.

［2］李有才.模具材料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［3］宋冬利，顧劍鋒，胡明娟，等.基于數(shù)值模擬的718塑料模具鋼大模塊淬火新工藝設(shè)計(jì)［J］.鋼鐵，2004，39（9）：64-68.

［4］艾小玲，石淑琴.模具材料與材料成形工藝［M］.第二版.北京：機(jī)械工藝出版社，2014.

［5］胡朝浩.P20、718塑料模具鋼熱處理后截面硬度分布預(yù)測(cè)與組織轉(zhuǎn)變［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2003.

201 the Dashboard Injection Mold Inclined Core-Pulling Crack Reason Analysis and Countermeasure

LIU Jun
（Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Getting through a panel oblique core pulling structure based on the failure mode design，manufacture，assembly，heat treatment process analysis，it is concluded that the structure itself restrictions，precision manufacturing and assembly of the not enough，the improper heat treatment process selection results，formulate the corresponding method，solves the oblique core-pulling fault occur repeatedly，reduce the rate of stop line.

injection mould；angle core pulling；collapse；precision manufacturing and assembly；heat treatment process

TG76

B

1672-545X（2016）08-0161-03

2016-05-08

劉軍（1966-），男，廣西武宣人，工程師，本科，主要從事模具、設(shè)備維修及管理工作。