什么因素決定我的注塑模具可以制造多少零件

1982年版的塑料工業(yè)協(xié)會（現(xiàn)為塑料工業(yè)協(xié)會或PLASTICS）的熱塑性材料注塑模具分類。定義了用于400噸以下機(jī)器的各種類型模具的構(gòu)造要求，并將它們標(biāo)記為101到105型。它還有三種類型的快速更換模具嵌件，分別標(biāo)記為I型到III型。它為需要具有400噸或更多鎖模壓力的機(jī)器指定了類似的分類。每種類型都有特定數(shù)量的模具能夠生產(chǎn)的循環(huán)。

據(jù)說，這些分類早在1996年就已更新。近，2021年8月19日的《塑料新聞》有一篇文章提到，這些標(biāo)準(zhǔn)再次由行業(yè)、協(xié)會成員組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行更新并選擇美國模具制造商協(xié)會的成員。我們應(yīng)該贊揚(yáng)他們?yōu)檫M(jìn)一步完善這份重要文件所做的努力。

我曾經(jīng)的每一位客戶都問過他們的模具可以制造多少個(gè)零件。大多數(shù)模具制造商會這樣回答這個(gè)問題，“嗯，您支付了101類模具的費(fèi)用，因此它應(yīng)該可以生產(chǎn)多達(dá)100萬次循環(huán)。”顯然，這個(gè)答案是基于PLASTICS模具分類的。雖然分類和這些分類的要求非常好，但我不同意指定每種模具應(yīng)該能夠生產(chǎn)的周期數(shù)。

PLASTICS文件旨在作為注塑模具購買者的指南，應(yīng)相應(yīng)地重新命名——指南。問題是許多人認(rèn)為規(guī)定的小周期數(shù)是事實(shí)，如果不是合同的話。這可能會導(dǎo)致未來出現(xiàn)問題。101級模具在一百萬零一個(gè)周期會發(fā)生什么？客戶支付模具的所有維護(hù)和修理費(fèi)用——無論成本有多大？如果腔體破裂，999,000次循環(huán)會發(fā)生什么？模具制造商是否必須自費(fèi)更換它？盡管這個(gè)話題令人不快，但與您的客戶一起制定一些初步的基本規(guī)則可能是值得的。

永遠(yuǎn)不要保證模具的壽命。

決定模具壽命的因素有很多。決定模具復(fù)雜性的零件復(fù)雜性可能是的因素。生產(chǎn)花盆、5加侖桶或飛盤的模具可以使用很長時(shí)間。但更復(fù)雜的模具，例如帶有凸輪動(dòng)作、擰松機(jī)構(gòu)、可折疊型芯、輪廓分型線、滑動(dòng)關(guān)閉裝置等的模具，不會持續(xù)很長時(shí)間，因?yàn)橛懈嗟牧悴考p、斷裂、磨損或卡住.僅僅因?yàn)槟＞呤怯蔁崽幚砉ぞ咪撝瞥傻模⒉灰馕吨鼤槌鰯?shù)十萬個(gè)零件。

例如，如果零件設(shè)計(jì)具有尖銳的外角（意味著模具中的尖銳內(nèi)角）并且承受高注射壓力，則由于可能發(fā)生破裂，其壽命可能會非常短。我見過精心打造的101級熱流道模具在前5分鐘后就失效了，因?yàn)槠绻苤谐錆M了塑料——折斷螺栓和劈開板。十多年來，我還看到過硬的鋁制模具無故障運(yùn)行。

圖1顯示了一個(gè)用于玩具士兵的腔組。它是在1955年通過滾制銅塊制成的。滾齒是一種今天很少使用的制造方法。非合金銅今天也很少使用，因?yàn)樗浅Ｈ彳?。圖2（左）中的小雕像初是用PS模制而成的。圖2（右）中的小雕像是幾周前在我桌子上用液態(tài)硅膠材料澆鑄而成的。鑄件上有一點(diǎn)閃光，但“夾緊壓力”只有大約10磅——由幾根橡皮筋產(chǎn)生。關(guān)鍵是零件幾何是一切開始的地方，并且通常定義了一切結(jié)束的時(shí)間。

就像飛機(jī)、汽車、船或摩托車一樣，如果維護(hù)得當(dāng)并在必要時(shí)進(jìn)行維修，模具可能會永遠(yuǎn)存在。只有當(dāng)維修成本超過其價(jià)值時(shí)，模具才會被認(rèn)為無法使用或已達(dá)到其使用壽命。除了零件和模具的復(fù)雜性外，模具的壽命還取決于許多其他因素，包括（但不限于）模具設(shè)計(jì)、鋼材選擇、模具部件和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、運(yùn)行的成型機(jī)、成型材料用于制造零件的類型和成型工藝，以及模具的安裝、拆卸、維護(hù)和儲存。

只有當(dāng)維修成本超過其價(jià)值時(shí)，模具才會被認(rèn)為無法使用或已達(dá)到其使用壽命。

模具制造商的目標(biāo)是根據(jù)項(xiàng)目的預(yù)期壽命限度地提高模具的性能，以盡可能降低每個(gè)零件的總成本。該分析應(yīng)包括將維護(hù)模具的成本降至的目標(biāo)。因此，在審查新項(xiàng)目時(shí)，模具制造商會明智地問：

1.預(yù)計(jì)年產(chǎn)量是多少？這有助于模具制造商決定模具分類和滿足這些年度數(shù)量所需的型腔數(shù)量。

2.零件是做什么用的？如果它是醫(yī)療、光學(xué)或汽車零件，則很有可能要求模具由ESR（電渣減少）不銹鋼制成，以用于潔凈室條件和光學(xué)拋光或模具紋理處理。

3、成型材料是什么？如果是腐蝕性樹脂，例如硬質(zhì)PVC，好的選擇是用不銹鋼制作模具。我說好的選擇，因?yàn)殒嚭推渌繉硬荒荛L時(shí)間保護(hù)碳鋼免受PVC氣體的影響。如果您認(rèn)為不銹鋼太貴，請考慮去除磨損或剝落的鍍層、重新拋光型芯和型腔然后重新電鍍模具的成本。

如果材料是高磨蝕性的，例如帶有玻璃填料的材料，則所有與塑料接觸的表面都需要徹底硬化——越硬越好。這包括澆道襯套和流道嵌件，而不僅僅是型腔和型芯。研磨材料也可以決定插入澆口，因?yàn)樗鼈儗⑹莻€(gè)磨損的東西。碳和鉻含量高的鋼通常具有良好的耐磨性。如果材料具有極強(qiáng)的磨蝕性，例如帶有碳化硅填料的導(dǎo)熱材料，那么典型硬度值約為60洛氏C的粉末金屬工具鋼中的一種可能是合適的。

4.是否有零件的二維尺寸圖？我見過太多嚴(yán)格基于3DCAD模型引用的工作。CAD模型不指定關(guān)鍵尺寸的公差。他們也沒有指定表面光潔度、不能有澆口或頂針標(biāo)記的美學(xué)區(qū)域、二次操作、配合零件等。2D圖紙幾乎總是可以幫助模具制造商決定設(shè)計(jì)和制造模具的方式——或者如果零件甚至可成型為規(guī)定的規(guī)格。

5.成型件有目標(biāo)價(jià)嗎？這是薄壁和商品零件的常見問題，例如瓶蓋和封蓋，其中循環(huán)時(shí)間至關(guān)重要，并且對熱流道系統(tǒng)的需求至關(guān)重要。可能需要高導(dǎo)熱材料，例如銅合金。不幸的是，很少有模具制造商提出這個(gè)問題——除非他們也將成為模具制造商。

就個(gè)人而言，我熱衷于使用導(dǎo)熱材料，尤其是在難以冷卻的區(qū)域。不是因?yàn)樗鼈兩瞄L減少循環(huán)時(shí)間，而是因?yàn)樗鼈兩瞄L實(shí)現(xiàn)均勻冷卻。不均勻的零件冷卻會導(dǎo)致零件翹曲，而翹曲的零件通常是不合格的條件。表2給出了各種模具材料的近似導(dǎo)熱率值。這些值可能因制造商、熱處理和工作溫度而有很大差異。

在選擇制造型腔和型芯的材料時(shí)，成型零件的厚度很重要。如果零件是薄壁的，選擇導(dǎo)熱率極高的材料可能不是選擇。在注射過程中，材料可能會凝固得太快，終可能會出現(xiàn)大量短射或注射壓力超出機(jī)器的能力。相反，如果零件非常厚，則型腔和型芯材料的導(dǎo)熱性幾乎沒有那么重要，因?yàn)槟Ｖ屏慵纬梢粚油馄?，起到絕緣屏障的作用。這就是為什么冷卻時(shí)間與壁厚的關(guān)系圖不是一條直線。這是一條向上突出的曲線。

適當(dāng)?shù)匿摬倪x擇對模具的壽命起著至關(guān)重要的作用。大多數(shù)模具制造商都有自己的“”類型，例如用于模架的1030或4130以及用于型腔和型芯的P-20、420​​或H-13。1030和4130是很好的模架鋼種，但如果項(xiàng)目需要持續(xù)數(shù)年，或者如果成型設(shè)施的水質(zhì)容易出現(xiàn)鈣沉積，則模架應(yīng)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。

預(yù)硬化不銹鋼模架是更好的解決方案。不銹鋼的導(dǎo)熱性沒有那么好，但對于模架來說通常沒關(guān)系。我一直想知道模具制造商更喜歡具有良好可焊性的鋼類型。雖然這是一個(gè)很好的屬性，但它不應(yīng)該是一個(gè)指導(dǎo)因素。一些鋼材偏好是基于多年的經(jīng)驗(yàn)。有些是基于它們加工的容易程度，或者它們在熱處理過程中改變尺寸或翹曲的程度。通常，對于大多數(shù)零件來說，常用的鋼材已經(jīng)綽綽有余。但有時(shí)應(yīng)更多地考慮鋼材的性能。

我已經(jīng)提到過拋光性、導(dǎo)熱性、硬度和耐腐蝕性。但是韌性、抗壓強(qiáng)度、耐磨性和耐磨性呢？這些也是需要考慮的重要屬性，尤其是當(dāng)兩塊鋼相互滑動(dòng)時(shí)，如凸輪、升降器或關(guān)閉裝置。舊的經(jīng)驗(yàn)法則是，如果使用不同的鋼材類型并且它們之間存在10點(diǎn)的RockwellC差異，那么一切都會好起來的。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則并不總是正確的——尤其是當(dāng)力很大并且接觸面積很大的時(shí)候。O-6和A-10鋼非常適合滑動(dòng)應(yīng)用，因?yàn)檫@兩種鋼的微觀結(jié)構(gòu)中含有高濃度的石墨顆粒。O-1、O-2、D-2和S-1也是適用于滑動(dòng)應(yīng)用的良好鋼種。

模具損壞的一個(gè)非常常見的原因是磨損。當(dāng)兩塊鋼相互摩擦或滑動(dòng)時(shí)，它們存在冶金結(jié)合在一起的風(fēng)險(xiǎn)。您通?？梢月牭浇M件在卡住之前不久發(fā)出的吱吱聲。任何時(shí)候都可能發(fā)生磨損——從初的模具取樣到之后的100萬次循環(huán)。從機(jī)器操作員到工廠經(jīng)理，每個(gè)人都應(yīng)該知道這種聲音的含義。及早發(fā)現(xiàn)磨損情況可以減少模具損壞的數(shù)量。

磨損和磨損解釋了為什么人們對各種表面涂層和表面處理以及不同類型配合鋼的冶金相容性給予了很多關(guān)注。

韌性基本上是強(qiáng)度和延展性的結(jié)合，對于高大、獨(dú)立的型芯以及具有尖銳內(nèi)角的型腔很重要，因?yàn)槌尚蛪毫?dǎo)致開裂。H-13具有很好的韌性。S-7也不錯(cuò)。

模具壽命降低的一些常見原因是由于生產(chǎn)車間的事故。戰(zhàn)壕中的人們將此類事件描述為“崩潰”。常見的碰撞之一是凸輪不在位置上——通常是在清潔分型線或移除零件之后，或者僅僅是因?yàn)橥馆喒潭ㄑb置太弱​​，凸輪滑出位置。當(dāng)凸輪偏離位置時(shí)，角銷不會與凸輪上的孔對齊，然后——碰撞——它像樹枝一樣折斷。如果角銷碰到凸輪的頂部，通常沒什么大不了的。只需更換銷釘。但是，如果它擊中任何空腔印痕，那將結(jié)束生產(chǎn)運(yùn)行，并且維修成本要高得多。另一種常見的碰撞類型是處理帶有一個(gè)吊環(huán)螺栓且沒有安全帶的模具。

任何時(shí)候都可能發(fā)生磨損——從初的模具取樣到之后的100萬次循環(huán)。

當(dāng)一個(gè)大模具分成兩半掛在機(jī)器中時(shí)，可能會發(fā)生不常見但非常嚴(yán)重的碰撞。如果其中一個(gè)半部意外地偏離了180°的位置，并且由于模具無法關(guān)閉而設(shè)置人員忽略了低壓設(shè)置模式，那么就會發(fā)生非常糟糕的事情。有幾次，我看到一臺成型機(jī)的液壓閥壞了。模具全速關(guān)閉并震動(dòng)了整個(gè)建筑物。但幸運(yùn)的是，意外的模具崩潰是罕見的一次性事件。

真正的模具殺手——對于任何復(fù)雜的模具來說——是分型線飛邊。當(dāng)塑料或其他碎屑粘附在模具的分型線上時(shí)，它會通過留下壓痕或壓痕使模具變形。如果你想一想，當(dāng)碎屑夾在兩個(gè)平面之間并暴露在數(shù)百噸的夾緊壓力下時(shí)，它無處可去，只能進(jìn)去。

讓我們做一些簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算。假設(shè)子澆口部分留下1/16英寸。直徑分型線上的薄片。1/16英寸。直徑薄片的面積為0.0031英寸2。模具在500噸的壓力機(jī)上。壓力=力÷面積，所以在這種情況下：

500噸÷0.0031英寸2=大約160,000psi。

P-20鋼的屈服強(qiáng)度約為125,000psi。1030和4130鋼的屈服強(qiáng)度約為64,000psi。這個(gè)方程甚至不包括由于移動(dòng)壓板的關(guān)閉速度和動(dòng)量而施加到碎屑上的附加力。圖3顯示了當(dāng)施加的壓力遠(yuǎn)大于鋼的屈服強(qiáng)度時(shí)，澆口薄片對模具的影響。

如果注射或保壓壓力過大，或者合模壓力不足，塑料會試圖從型腔中滲出。這通常會導(dǎo)致空腔的邊緣銳利的周邊開始看起來像是有人在其上添加了一個(gè)小半徑。隨著時(shí)間的推移，空腔周圍會出現(xiàn)越來越多的閃光。飛邊的問題是，一旦模具表面出現(xiàn)凹痕，它就永遠(yuǎn)不會變好。它只會變得更糟。它需要修復(fù)，并在次發(fā)現(xiàn)時(shí)確定和糾正根本原因。為操作員提供剃須刀片或其他工具來去除飛邊并不是適當(dāng)?shù)募m正措施。

Flash永遠(yuǎn)不會變得更好。它只會變得更糟。

雖然具有高抗壓強(qiáng)度的熱處理工具鋼確實(shí)可以延緩飛邊損傷的數(shù)量或嚴(yán)重程度，但它不能使模具不受損壞。圖4顯示了由噴嘴串引起的預(yù)硬化28-32RockwellC模具的嚴(yán)重滾齒分型線。一般來說，工具鋼越硬，越脆。顯然，在金屬的物理特性方面存在權(quán)衡。根據(jù)幾個(gè)因素，您可能需要考慮使用更具延展性的材料，或制作備用空腔組作為保險(xiǎn)。

塑料的硬度以及模具的硬度可以決定模具損壞的速度和嚴(yán)重程度。如果熱襯套在P-20模具中使UltemPEI流口水，不久之后您就需要在分型線上磨掉千分之幾來清理它。我知道模具制造商故意將模芯提高0.005英寸，因?yàn)樗麄兿嘈旁谀＞叩氖褂脡勖陂g他們會多次研磨分型線。但塑料和鋼材的硬度并不是導(dǎo)致飛邊的因素。潛在原因的清單非常長。以下是一些較常見的：

劣質(zhì)模具設(shè)計(jì)

劣質(zhì)模具結(jié)構(gòu)

模板厚度

不足支撐柱面積不足

分型線釋放不足

模具設(shè)置不當(dāng)

鎖模壓力不足

鎖模壓力過大

型腔不平衡

加工參數(shù)不佳

注射過多或包裝壓力

材料粘度低

排氣不足

排氣深度過大

使用不干膠標(biāo)簽作為排氣孔

機(jī)器襯套磨損

機(jī)器壓板磨損

未對準(zhǔn)

磨損關(guān)閉

磨料成型材料

磨料填充物

噴嘴拉絲

副澆口剝落

粘附部件或流道

生銹或腐蝕

缺乏預(yù)防性維護(hù)