201儀表板注塑模具斜抽芯崩口成因分析與對策

劉軍

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

201儀表板注塑模具斜抽芯崩口成因分析與對策

劉軍

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西柳州545007）

通過對一儀表板模具斜抽芯失效模式進行結構設計、制造裝配、熱處理工藝分析，得出結構本身限制、制造裝配精度不夠、熱處理工藝選擇不當結果，制定相應的方法，解決了斜抽芯反復發生的故障，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

在注塑模具設計制造中，由于本身產品結構的限制，設計上無法避免的缺陷，可以在制造過程中通過對鋼材、熱處理工藝的選用、制造裝配精度的控制，同樣能彌補模具結構設計的不足，延長模具的使用壽命，減少模具的停機率，滿足客戶的響應及品質要求。理論指導實際，不斷總結實踐經驗，在今后的模具設計時，可以有效避免類似材料的結構性故障的產生。

1　結構特點

某車型201儀表板主體產品，靠近儀表護罩頂部的一處結構需設計一個斜頂抽芯而出［1］，產品結構比較典型特殊，具體如圖1、圖2所示。

由圖3可以看出，該結構離儀表板頂部很近，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長，最頂部形成一條刃口狀，且為山峰異形狀，結構很薄弱。

圖1　產品局部示意圖

圖2　斜抽芯正面示意圖

圖3　斜抽芯側面示意圖

斜塊與下模芯、封膠面有大于0.05 mm的滑動間隙。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：經硬化及回火至HB290-330.其化學成分如表1所示。

表1718　鋼材化學成分

試樣硬度為340HBW，在室溫及高溫條件下，其物理性能和化學性能表現如下：

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.

化學性能：溫度20°C/200°C/400°C，條件屈服強度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，條件屈服強度也變小。此產品成型溫度在180℃～205℃之間，相比常溫下，彈性模量變小了，條件屈服強度變小了［2］。

斜抽芯塊經過了淬火處理，硬度HRC55，頂部刃口、山尖部位周邊刃口很容易開裂、崩口。產品成型溫度及壓力參數如下：

成型溫度:180℃～205℃，一般穩定在189℃就能滿足成型工藝要求。

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

從圖1產品局部俯視圖可以看出，進料口位于斜抽芯塊背面，熔融狀態下的塑膠原料在高壓下由背面經頂部順勢而下，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，每經一次注塑成型生產，該部位都會產生一次彈性變形，當生產的數次達到或超過彈性變形的疲勞強度時，斜塊會從頂部或頂部附近部位開裂、崩掉，造成產品缺陷，導致不能繼續生產而需要拆模補焊、修配間隙，每次維修浪費生產時間7～8 h，每次維修后只能生產兩個班又產生裂紋，連續生產4～5天又會崩掉，如此反復，生產效率不高。崩口、開裂如圖4所示。

圖4　斜塊頂部開裂補焊及開裂部位示意圖

2　斜塊開裂、崩口原因分析

2.1制造裝配精度超差，滑動配合間隙過大

本產品使用改性PP料進行生產，材料的特性如表2所列。

表2　改進性PP料特性［1］

由表2可以看出：

（1）成型收縮率大，產品收縮力較大，產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，斜塊變形部分產生的疲勞損傷也加快。

（2）流動性極好，會產生以下兩點影響：

第一，收縮范圍和收縮值大，會導致上述（1）點的缺點；

第二，根據“注塑模具裝配工藝規范”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”，原材料流動性極好，模具表面的封膠間隙就會要求很小，增加了模具制造裝配難度；間隙大，容易產生披鋒（毛刺）。

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

（3）產品冷卻速度快，對斜塊端部部位產生的拉應力也大，加大了其彈性變形量，降低了疲勞強度，進而減少了使用壽命。

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

該產品原材料是經過改性的PP（改性聚丙烯），里面填充了一定比例的礦物質，注塑生產時，礦物質以粉末的形式存在于熔融的原材料中，每注射一次，粉末的礦物質顆粒會沖刷斜塊配合面一次，配合面都會產生微磨損一次，長久以往，配合間隙就會越摸越大，越磨越深，滑動配合間隙過大，頂端部位承受的注塑成型力及產品收縮應力在斜塊底部形成的一個杠桿支點作用下，加大了頂端部位的變形力，達到一定疲勞強度時，頂端部位就會開裂、崩口。

2.2熱處理工藝選擇不當

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℃中預熱2 h，然后加溫至930℃［3］，保溫2 h工件比較小，需時間較短）使之全部奧氏體化，然后直接出爐，浸入水中，鋼自奧氏體化溫度冷卻下來，工件不同部位冷卻速度不同，不同的溫度范圍會發生不同的組織轉變，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。由于它的亞結構主要是由高密度的位錯組成，所以又稱位錯馬氏體。片狀馬氏體則常見于高、中碳鋼，每個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.由于其亞結構主要為細小孿晶，所以又稱為孿晶馬氏體。

當Wc＜0.3%時，鋼在馬氏體形態幾乎全為板條馬氏體；

當Wc＞1.0%時，則幾乎全為片狀馬氏體；

當Wc=0.3%～1.0%時，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度高硬度，但韌性很差，其特點是硬而脆。在具有相同屈服強度的條件下，板條馬氏體比片狀馬氏體的韌性好很多，即在具有較高強度、硬度的同時，還具有相當高的韌性和塑性，其原因是由于在片狀馬氏體中孿晶亞結構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%，淬火后得到位錯型的板條狀馬氏體，其強度和韌性都比較高。但在鋼材中又添加了鉻元素，隨著鉻含量的增加，馬氏體的亞結構由位錯型向孿晶型轉化，即孿晶型馬氏體數量逐漸增加，位錯型馬氏體數量逐漸減少，經測定其斷裂韌性KIC逐漸降低，而且發現，在屈服強度相同的條件下，亞結構為位錯型的馬氏體的斷裂韌性高于亞結構為孿晶型的馬氏體的斷裂韌性，斷裂韌性值位錯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構。

亞結構為位錯型的馬氏體韌性高，而孿晶型馬氏體的韌性低，這是因為位錯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生塑性變形。

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

本模具使用的是軋制718鋼材，出廠狀態：經硬化及回火至HB290-330.根據文獻資料得知：軋制型材經過880℃高溫加熱后風冷，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合組織。經過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。就整個軋制型材來看，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580℃二次回火，回火索氏體轉變成粗大的回火組織，而原先粗大的回火組織基本上沒有變化，組織變得更加穩定。發生這種轉變的原因是，回火轉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程中，貝氏體組織不發生變化，而殘余奧氏體和馬氏體在向回火索氏體轉變的過程中有向貝氏體組織靠近的趨勢，結果得到回火索氏體和粗大回火組織的復合組織。所以，回火組織的硬度存在差別。在二次回火時的冷卻和加熱過程中，兩種回火組織共同靠近，即在這一冷卻過程中穿過貝氏體轉變區，并共同向貝氏體組織靠近，最終達到平衡組織。經過二次回火，回火組織更加均勻，硬度的均勻性得到極大改善，幾乎不影響硬度大小［5］。

3　解決問題的對策

針對以上造成斜抽芯頂部周邊易開裂崩口兩大原因分析，制定了以下兩個措施予以應對：

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

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

經過以上兩點改進，更換新的斜抽芯后，已經連續生產4個月、總模數已超10萬次，沒有出現原來開裂、崩口現象，滿足了生產、產品質量要求。

4　結束語

模具在使用過程中，往往會出現預想不到的故障模式或潛在故障模式，設計經驗是通過制造及生產過程累積而來的。在生產中出現問題，首先要分析其產生的機理及原因，然后制定相應的對策及措施，經多次反復試驗才得以解決。本案例的斜抽芯作為模具中的一件附屬物，為了耐用長久，得到一定的硬度，都會進行淬火處理，對于一般結構而言，能達到延長使用壽命的目的。但對于本案例這類結構特殊或部位特殊的部件，按照常規做法，得到的結果會恰恰相反，需根據實際情況采用相應的方法。斜抽芯的制作涉及到加工工藝、裝配精度、熱處理工藝的運用，這些都為以后的工作積累了很多的經驗教訓。通過總結、沉淀，在以后的設計、制造、使用中，能提前預防相同潛在故障隱患的發生。

［1］上海市輕工業學校.塑料模具設計［M］.北京：中國輕工業出版社出版，1993.

［2］李有才.模具材料［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［3］宋冬利，顧劍鋒，胡明娟，等.基于數值模擬的718塑料模具鋼大模塊淬火新工藝設計［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測與組織轉變［D］.沈陽：東北大學，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、設備維修及管理工作。