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(chǔ)性裝備，模具設(shè)計水平的高低直接影響裝備制造業(yè)的發(fā)展。我國模具企業(yè)眾多，但模具設(shè)計制造水平與先進國家相比還有一定差距，創(chuàng)新能力不足，特別是在設(shè)計理念、經(jīng)驗積累、材料應用、技術(shù)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(xiàn)實：一副模具設(shè)計可能有多種方案，每種方案即使每一個細節(jié)都不存在問題，也不一定是最優(yōu)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計著力點

模具存在目的是生產(chǎn)產(chǎn)品，希望所生產(chǎn)的產(chǎn)品物美價廉，具有表面質(zhì)量好、尺寸精準、變形小等質(zhì)量特性，能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的模具不一定是優(yōu)秀的模具，模具優(yōu)劣評價標準是一個貫穿于模具設(shè)計、模具制造、產(chǎn)品澆注、后續(xù)服務(wù)等模具全生命周期[2]。筆者認為一個優(yōu)秀的模具包含四個著力點：一是從模具設(shè)計制造環(huán)節(jié)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(tǒng)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(gòu)緊固耐用、磨損小、工作可靠、故障少；四是從模具后續(xù)服務(wù)分析，要求模具維修方便，備件和易損件齊全。模具設(shè)計制造應該重點解決上述問題，避免模具過早失效。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循合理、經(jīng)濟、適用的原則。模具設(shè)計過程中，借鑒典型模具結(jié)構(gòu)，結(jié)合塑件產(chǎn)量和企業(yè)實際生產(chǎn)狀況，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。下面以眼睫毛內(nèi)塞模具結(jié)構(gòu)設(shè)計為例體驗模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路。

模具結(jié)構(gòu)前后設(shè)計思路：為了節(jié)約模具制造成本，模具設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期采用自動脫模的形式，前模內(nèi)腔分體結(jié)構(gòu)，同時按照傳統(tǒng)模式將塑件凸肩朝下設(shè)計，在試模驗證時，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)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(chǎn)品外觀不夠光滑等缺陷。在第一次模具設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，設(shè)計師將塑件朝向改為凸肩朝上設(shè)計，采用獨立頂出機構(gòu)，脫模時，塑件留在后模板上，解決了塑件脫模問題，前模內(nèi)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(chǎn)品質(zhì)量。第一次模具設(shè)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(chǎn)效率低下，經(jīng)過改造后，模具結(jié)構(gòu)雖然更復雜了，成本更高了，但提高了工作效率，滿足了生產(chǎn)需要。這里反映了模具設(shè)計成本與適用性、模具壽命的關(guān)系，強調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計對于塑件成型動作準確和成型結(jié)果的決定性作用。

模具工作原理：融熔料充滿型腔后，經(jīng)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(jié)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(nèi)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(chǎn)，可有效避免模具失效，延長模具壽命。

2.2 零部件設(shè)計思路

模具零部件選擇對產(chǎn)品成型質(zhì)量有重大影響，其關(guān)注點集中在零部件的形狀、結(jié)構(gòu)、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(guān)聯(lián)性。模具設(shè)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(guī)避了專用零部件熱處理工藝和加工工藝品質(zhì)控制難的問題，為后續(xù)模具維護保養(yǎng)和配件準備提供了便利，又保證了產(chǎn)品質(zhì)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(tài)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(nèi)壁表面受熱熔體流動摩擦和沖刷的影響，導致模具型腔內(nèi)表面出現(xiàn)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(huán)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(huán)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(nèi)壁承受熔料張力作用，且反復交替進行，使型腔內(nèi)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(nèi)壁出現(xiàn)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(nèi)。

設(shè)計師還要關(guān)注增強材料對型腔內(nèi)零部件的破壞性影響，以及型腔內(nèi)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(nèi)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(nèi)分解出HCI、HF 等腐蝕性氣體，腐蝕型腔內(nèi)壁，使型腔內(nèi)壁表面凹凸不平，拉毛，動模定模動態(tài)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(chǎn)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(nèi)塞模具設(shè)計中重點強調(diào)結(jié)構(gòu)、材料和裝配三個方面因素。從結(jié)構(gòu)角度看，合理的模具結(jié)構(gòu)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(xiàn)象相對嚴重，當承載力橫截面面積發(fā)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(xiàn)插碰的可能；后模鑲件11 的錐度設(shè)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(nèi)壁抗沖擊力、抗腐蝕性、抗斷裂能力產(chǎn)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(shù)不當?shù)榷紩档湍Ｊ绞褂脡勖?。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(chǎn)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(fā)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(chǎn)品要求、經(jīng)濟性能和材料潛力四個方面選擇模具材料，優(yōu)先考慮工藝性能、經(jīng)濟效益、模具壽命、產(chǎn)品產(chǎn)量和后續(xù)維護。例如，制造過程中，模具零件鋼材要按照文件規(guī)范選擇，不能隨便代用，很多模具失效的原因就是材質(zhì)和熱處理不達標引起的；汽車內(nèi)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(xiàn)爛花、皮紋等現(xiàn)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(diào)質(zhì)處理等，這些經(jīng)驗都是設(shè)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(nèi)塞模具設(shè)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(guān)于復雜型腔模具，在型腔加工完成后會產(chǎn)生應力，導致型腔尺寸變形、鑲件開裂等現(xiàn)象，對于復雜型腔優(yōu)先推薦采用先淬火再進行回火的處理方法，這樣處理的優(yōu)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(nèi)腔越容易開裂。

4.3 模具失效應對策略：優(yōu)化設(shè)計方案

模具設(shè)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(gòu)建設(shè)計技術(shù)標準、審核和審批體系；三是建立模具檔案，構(gòu)建技術(shù)標準，豐富標準庫，作為積累，規(guī)避錯誤；四是做好典型模具標準和要求；五是設(shè)計部門可以設(shè)立專門崗位，審核模具結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)；六是應用二次開發(fā)軟件進行組件設(shè)計。以上六種策略的出發(fā)點就是通過建立企業(yè)設(shè)計規(guī)范和設(shè)計要求避免模具失效，積累個人經(jīng)驗，構(gòu)建設(shè)計團隊，形成企業(yè)特有的設(shè)計理念，以期達到最優(yōu)設(shè)計方案[7]。

4.4 模具失效應對策略：標準化管理

企業(yè)通過制定健全的質(zhì)量管理體系和規(guī)范的生產(chǎn)流程，可以增強管理人員、設(shè)計人員和制造者在理念、質(zhì)量和成本方面的意識。通過重視細節(jié)，完善設(shè)計標準、工作標準和設(shè)計規(guī)范，提升模具設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計的能力，加強裝配技術(shù)人員解決問題的能力，規(guī)范設(shè)計評審流程，細化驗收標準等措施，實現(xiàn)企業(yè)的標準化管理。

5 結(jié)束語

試模是模具生產(chǎn)之前的一個重要環(huán)節(jié)，是一個發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計、機理分析、經(jīng)驗總結(jié)等方面結(jié)合眼睫毛內(nèi)塞模具設(shè)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(diào)是模具設(shè)計非常重視經(jīng)驗的傳承和積累，眼睫毛內(nèi)塞模具設(shè)計將傳統(tǒng)塑件凸肩朝下改為朝上，就是一個逆?zhèn)鹘y(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計避免模具提前失效的成功案例。