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(gè)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(fèi)用（10%～15%）、耗材（1.5%）、設(shè)計(jì)+編程、加工成本、人工（工資與福利）、水電場(chǎng)地租金、機(jī)臺(tái)折舊等。

（3）試模成本：試模費(fèi)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(zhì)檢測(cè)成本：檢測(cè)設(shè)備折舊、工件及樣板檢測(cè)費(fèi)用等。

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

（7）包裝運(yùn)輸、報(bào)關(guān)、稅收等成本、說(shuō)明書編寫成本。

（8）生產(chǎn)力損失成本：客戶商譽(yù)損失、因交期與品質(zhì)造成的客戶扣款、風(fēng)險(xiǎn)擔(dān)保費(fèi)用、壞帳等。

1.2 模具價(jià)格

模具價(jià)格取決于：合格的品質(zhì)+準(zhǔn)時(shí)的交貨期+合理的價(jià)格+完善的售后服務(wù)體系。

2 模具壽命分級(jí)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(nèi)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(jí):

a.一級(jí)模具在百萬(wàn)次以上：薄壁模200或300萬(wàn)次以上。

b.二級(jí)模具是50萬(wàn)～100萬(wàn)次：汽車模具與家電模具。

c.三級(jí)模具在30萬(wàn)～50萬(wàn)次：普通的家電模具與汽車模具。

d.四級(jí)模具在10萬(wàn)～30萬(wàn)次：普通家電與試驗(yàn)?zāi)！?/p>

e.五級(jí)模具在10萬(wàn)次以下：試驗(yàn)?zāi)；蛏儆唵文＞摺?/p>

（3）對(duì)模具壽命及長(zhǎng)期維護(hù)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(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具加工、模具保養(yǎng)、注射成型過(guò)程控制等。通常模具材料成本為模具成本的10%不到，在整個(gè)模具系統(tǒng)成本中只是一小部分，不可為省點(diǎn)材料錢而購(gòu)買廉價(jià)模具材料，后期反給客戶帶來(lái)更大維護(hù)與生產(chǎn)力損失成本。

（4）按模具壽命等級(jí)考慮，模具材料選用建議。

a.一級(jí)與二級(jí)模具內(nèi)模材料選用。

通常選用可熱處理成硬度達(dá)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(shí)，注意鋼材的強(qiáng)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(jí)、二級(jí)模具的材料有：

①熱作模具鋼：因工作條件主要特點(diǎn)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(diǎn)：含碳量低（0.4），添加相應(yīng)合金元素，以增加淬透性，提高耐磨性、紅硬性，對(duì)硬度要求適當(dāng)，導(dǎo)熱性較好。

②不銹鋼系列：腐蝕性膠料，內(nèi)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(jí)模具材料的選用（壽命30萬(wàn)～50萬(wàn)）。

三級(jí)模具內(nèi)模材料多選預(yù)硬料，常用材料型號(hào)有：

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

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

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

c.四級(jí)模具材料的選用（壽命：10萬(wàn)～30萬(wàn)）。

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(jìn)行熱處理。也可直接在模架上做型腔。

d.五級(jí)模具用材料的選用（壽命：10萬(wàn)次以下及試驗(yàn)?zāi)＞撸?/p>

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(guó)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(duì)材料磨損大：選用高硬度與高耐磨性材料，甚至表面進(jìn)行涂層處理。

b.阻燃劑對(duì)材料腐蝕大：選用耐 腐蝕性不銹鋼，或模具表面進(jìn)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(dǎo)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(qiáng)度：如PA與TPE軟膠料。

最好的防磨耗對(duì)策：淬火熱處理+表面涂層。

最好的防腐蝕對(duì)策：選用不銹鋼或表面防銹涂層CrN處理。

強(qiáng)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(wú)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(xué)鏡片模具選用，超級(jí)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(yù)硬）；百祿M310、M303（預(yù)硬）、M300（預(yù)硬）；斯穆2083 ESR、PH X Supra（預(yù)硬）、2083H ESR（預(yù)硬）；薩爾Collex（HQ）；大同NAK-PRM（預(yù)硬）、PAK90。

c.可做汽車車燈模具的材料：一勝百VIDAR1 ESR、NIMAX（預(yù)硬）、718HH（預(yù)硬）；斯穆PH42 SUPRA（預(yù)硬）；薩爾MFR X5 Sonder（預(yù)硬）；大同NAK80（預(yù)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(yán)重磨損或損壞而不能用一般修復(fù)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(duì)的是內(nèi)?；虺尚筒课患爸饕瑒?dòng)部位而言，一些標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)而引起的失效約占60%；設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的失效約占10%，如表2所示，但每次需要按實(shí)際的情況進(jìn)行具體的分析。

表2 關(guān)于模具早期失效原因的統(tǒng)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不好，硬度太高。

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

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

e.困氣：模具設(shè)計(jì)不當(dāng)，合模時(shí)氣體被困而影響成形，可通過(guò)模流分析調(diào)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(lái)越高，影響塑件質(zhì)量及生產(chǎn)周期。改良水道設(shè)計(jì)或使用鈹銅合金作鑲件，調(diào)整模溫機(jī)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(qiáng)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(duì)模具壽命的影響：選用材料時(shí)必須同時(shí)兼顧。

a.滿足模具對(duì)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(gòu)方便，交期快。

d.價(jià)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(shè)計(jì)對(duì)模具壽命影響。

a.模具結(jié)構(gòu)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(guān)系，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，還要保證模具零件有足夠的強(qiáng)度和剛度。

b.應(yīng)力集中的評(píng)估。在模具結(jié)構(gòu)允許時(shí)，模具零件各表面的轉(zhuǎn)角應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成圓角過(guò)渡，不可出現(xiàn)尖角與利邊，以避免應(yīng)力集中。對(duì)于凹模、型腔及部分凸模、型芯，可采用組合或鑲拼結(jié)構(gòu)來(lái)消除應(yīng)力集中。

c.模具防護(hù)裝置評(píng)估。包括模具監(jiān)視器、頂針復(fù)位行程開關(guān)、行位行程開關(guān)、頂針強(qiáng)制復(fù)位裝置等。

細(xì)長(zhǎng)凸?；蛐托?，在結(jié)構(gòu)上需采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施；塑件掉落時(shí)是否可能掉入行位滑槽內(nèi)。

d.模具零件的可加工性及模具維修的方便性。

e.導(dǎo)柱導(dǎo)套強(qiáng)度評(píng)估：在模具開合過(guò)程中起導(dǎo)向作用，考慮其強(qiáng)度及耐磨性。

（3）模具制造質(zhì)量對(duì)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(yīng)力集中去除：由于構(gòu)件截面尺寸突然變化而引起應(yīng)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(nèi)模后，需要進(jìn)行再去應(yīng)力處理；⑥電火花加工對(duì)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(huì)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(huì)嚴(yán)重降低模具壽命；⑦焊接工藝對(duì)模具失效的影響，按每種材料特定工藝進(jìn)行正確操作，如：焊接區(qū)準(zhǔn)備、焊絲的選擇、焊前預(yù)熱、焊接過(guò)程中模具溫度和冷卻的控制、焊后熱處理等，焊接才會(huì)得到滿意結(jié)果。

（4）熱處理工藝對(duì)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(dāng)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(qiáng)化處理對(duì)模具失效的影響。模具表面強(qiáng)化技術(shù)是在模具型腔表面產(chǎn)生一層強(qiáng)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(xué)氣相沉淀、物理化學(xué)氣相沉淀）技術(shù)、及表面噴丸、離子注入、激光表面強(qiáng)化處理、納米表面技術(shù)等新工藝也被廣泛采用。

c.納米復(fù)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(qiáng)的耐磨性、良好的潤(rùn)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(wú)氫類金剛石涂層兩種。DLC涂層具備質(zhì)量穩(wěn)定、與基體結(jié)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(dòng)與活動(dòng)部件及軸承等等。

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