頂針斷裂的原因及預(yù)防

文/Injection Mold Consulting公司Jim Fattori

加工商們可能都會(huì)遇到頂針斷裂問題。頂針的價(jià)格雖然不貴，但是由此導(dǎo)致的設(shè)備損耗、人工損耗和不必要的停機(jī)時(shí)間加起來確是不小的花費(fèi)。事實(shí)上，造成頂針斷裂的原因雖多，但很少是由于頂針的自身問題。本文針對(duì)易引起頂針斷裂的幾個(gè)主要原因進(jìn)行了分析，并提出了簡單的預(yù)防方法。

注塑機(jī)和頂出系統(tǒng)

首先要討論的兩個(gè)易造成頂針斷裂的主要原因是注塑機(jī)和頂出系統(tǒng)。

如果注塑機(jī)的頂出十字架（ejector cross）彎曲，或者十字架的薄導(dǎo)向套磨損，它會(huì)以一個(gè)微小的角度移動(dòng)，并對(duì)模具的頂針底板施加不均勻的載荷（如圖1所示）。

圖1 如果注塑機(jī)的頂出十字架彎曲，它會(huì)對(duì)模具的頂出系統(tǒng)施加不均勻的載荷

這種情況通常伴隨明顯特征，因?yàn)樽⑺軝C(jī)的脫模桿可能無法與移動(dòng)壓板中的一些通孔對(duì)齊，或是和它們發(fā)生摩擦，所以容易察覺。如果彎曲的十字架是鋼材質(zhì)的，可以通過液壓機(jī)將其掰直，恢復(fù)到原來狀態(tài)，但如果是鑄鐵材質(zhì)的，采用這種方法可能導(dǎo)致其斷裂。

頂桿長度不同更容易導(dǎo)致施加在頂針底板上的載荷不均勻。頂桿過長或長度不同是頂出十字架彎曲的主要原因。如果模具有與頂針底板連接的加長頂出桿（如圖2所示），且它們的長度不同，或是其中一個(gè)的固定螺栓松動(dòng)了，也會(huì)導(dǎo)致頂針底板上的載荷不均勻。一些模具零部件供應(yīng)商銷售標(biāo)準(zhǔn)化的加長頂出桿。如果你有自己的設(shè)計(jì)，要確保加長部分不要對(duì)接在頂針面板的背面，因?yàn)檫@樣做容易導(dǎo)致頂針面板的彎曲或斷裂。

如果模具配有一個(gè)螺旋彈簧頂出-回程系統(tǒng)，但是其中的一個(gè)或多個(gè)彈簧壞了，頂針底板可能會(huì)扭曲或彎曲。如果彈簧的長度不同，或者預(yù)加載量因平底擴(kuò)孔深度的變化而變化，也會(huì)導(dǎo)致類似的問題。因此，筆者建議盡量避免使用頂出-回程彈簧。

此外，頂針的位置和頂出部件所需的力也可能會(huì)導(dǎo)致頂針底板上的載荷不均勻。當(dāng)采用一個(gè)偏置型腔（如圖3所示）時(shí)，這種情況可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

圖2 頂桿加長設(shè)計(jì)應(yīng)將設(shè)備的頂出力施加在較厚的頂針底板（左側(cè)）上，而不是較弱的頂針面板（右側(cè)）上

當(dāng)施加到頂針底板上的載荷不均勻時(shí)，它會(huì)彎曲、傾斜或扭曲，并由此引發(fā)連鎖反應(yīng)。如果頂針底板有導(dǎo)向系統(tǒng)，那么導(dǎo)向襯套會(huì)過早磨損。這還會(huì)導(dǎo)致頂針彎曲和斷裂、型芯嵌件中的通孔被磨損成橢圓形或蛋形孔、頂針推出注塑部件時(shí)的力不均勻（這會(huì)使部件變形或更緊地粘在模具中）或是頂針相對(duì)于分模線的高度發(fā)生變化。

圖3 一個(gè)偏置型腔會(huì)導(dǎo)致施加在頂出系統(tǒng)上的載荷不均勻

你有沒有想過為什么模具在頂針底板和裝模板之間設(shè)有圓形定位銷或支撐釘呢？這是因?yàn)槿绻形酃富蛩樾歼M(jìn)入這兩個(gè)板之間，一些甚至所有頂針可能會(huì)突出于模具的分模線（突出的高度等于碎屑的厚度）。而當(dāng)要頂出部件時(shí)，這些突出的針會(huì)造成粘連問題。如果有頂針在凸輪下方，當(dāng)模具閉合時(shí)，頂針或凸輪會(huì)損壞。而支撐釘?shù)哪康氖鞘箖蓧K板之間的接觸面積最小化，從而允許一些碎屑積聚而不影響頂出系統(tǒng)的正確定位。

有時(shí)，支撐釘會(huì)被移動(dòng)或除去，以為型針或其他組件騰出空間。這時(shí)，你會(huì)碰到支撐問題。一個(gè)比較理想的解決方案是，在可能對(duì)頂針底板施加壓力的部件（如一個(gè)與模具鋼對(duì)接的拉料桿或頂針）附近或下面放置一個(gè)支撐釘。另外，在注塑機(jī)頂塊的螺紋孔附近設(shè)置支撐釘也是有益的，因?yàn)槿绻O(shè)備的回程位置設(shè)置不正確，頂針可能會(huì)拉動(dòng)、扭曲支撐不良的頂針底板。

頂出外殼（ejector housings）通常在模具的兩個(gè)相對(duì)端上開口，當(dāng)模具安裝在設(shè)備上時(shí)，其中的一個(gè)開口端常位于頂部。這對(duì)于型芯上帶有倒角的小型成型部件并不罕見。生產(chǎn)這類部件時(shí)，頂出一般是從型腔中開始，并在外罩內(nèi)結(jié)束。這會(huì)導(dǎo)致頂針底板在下個(gè)成型周期有彎曲傾向，而通過安裝頂出外殼蓋或護(hù)罩不僅可以輕松解決這個(gè)問題，還會(huì)帶來其他的好處。

對(duì)于采用彈簧加載的頂針底板引發(fā)的事故，它們是一個(gè)很好的安全預(yù)防措施，比在板邊緣涂抹OSHA黃更有效。有時(shí)，頂針位于凸輪下方，操作人員可能會(huì)試圖用撬棒推進(jìn)頂針底板，在這種情況下，頂出外殼蓋有助于防止可能對(duì)模具造成的損壞。通常安裝在裝模板和頂針底板之間的支撐釘也可以加在頂針面板和支撐板之間，用于替代護(hù)罩。這形成了一個(gè)3/16 in（1 in=2.54 cm）板的撓曲阻力與其厚度的三次方成正比。在同一公式中，無支撐長度也與三次方成正比。這就是為什么注塑機(jī)的頂桿間隔均勻非常重要。的間隙，如此一來，污垢、碎片或偶爾的小雜散部件不會(huì)導(dǎo)致頂針底板的傾斜或彎曲。筆者只是建議采用這一點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的加工商將頂出前進(jìn)位置設(shè)置為與支撐板背面平齊，而不是保持一小段距離，即使有足夠的頂出行程。

另外，筆者還建議安裝適用于模具的、來自塑料工業(yè)協(xié)會(huì)（Plastics Industry Association，以下簡稱“PLASTICS”）的所有頂出模式（如圖4所示）。如果你不知道它們是什么，請(qǐng)從PLASTICS獲取AN-109推薦指南（可互換模具安裝尺寸的副本）。然后，由安裝人員決定使用哪種頂出模式。小型注塑機(jī)上的液壓頂出氣缸頂出力一般為1～5 t，更大的設(shè)備可高達(dá)80 t。這個(gè)力不可忽視。因?yàn)樵诖笮湍＞咧?，如果頂桿之間沒有足夠遠(yuǎn)的距離，就可能導(dǎo)致頂針底板以中間為折點(diǎn)朝向支撐板彎曲。

相反，如果頂桿位于最外邊緣，且有一些頂針推動(dòng)流道和模具中間的部件，頂針底板也要在中間彎曲，不過是朝遠(yuǎn)離支撐板的方向。因此，要確保頂桿間隔均勻。對(duì)于大型模具，可以考慮使用附加的頂桿來幫助將力均勻地分布在整個(gè)頂針底板上。

安裝將頂針面板連接到頂針底板上的附加螺栓可以增加一些強(qiáng)度，以防止兩塊板試圖彎曲或扭曲。不過，它們?cè)诜乐鬼斸樏姘鍙澢矫娓行АＴ诨爻提?、拉料桿和任何頂針組附近設(shè)計(jì)的附加螺栓有助于防止組件回退時(shí)較弱的頂針面板與頂針底板分離。

用于計(jì)算一塊矩形板在一組特定條件下?lián)锨康墓斤@示，

圖4 建議為一副模具配備所有可能的機(jī)器頂出模式，且不要吝嗇添加支撐釘

當(dāng)成型有大投影面積的部件或計(jì)算熱流道模具中的支撐板或模仁板的厚度時(shí)，這個(gè)撓曲公式很重要。但對(duì)于頂針底板來說，1 in或1.125 in的標(biāo)準(zhǔn)厚度一般是足夠的。如果你的板存在撓曲問題，根本原因可能不在于板的厚度，而是載荷不均勻的問題。

但是，筆者記得他們?cè)?jīng)有一副或兩副大型模具使用了1.375 in厚的頂針底板，因?yàn)樗紳M了來自支模柱和許多其他模具組件的孔。

曾經(jīng)，筆者對(duì)采用S-7鋼制成的頂針底板進(jìn)行熱處理并用直線球軸承引導(dǎo)它，以生產(chǎn)液晶聚合物制成的電連接器。原因不是板撓曲，而是因?yàn)閳D紙上的頂針高度公差為-0.0005～0.0000 in。如果頂針頭部在較軟的頂針底板上造成了輕微凹陷，或者頂針底板略微偏離沒有對(duì)齊，部件就不合格。

雖然此內(nèi)容有點(diǎn)超出了本文的范圍，但筆者強(qiáng)調(diào)，頂針應(yīng)該在頂出部件表面下方0.0005～0.0015 in的位置，這是一個(gè)好習(xí)慣，有助于確保部件不會(huì)掛在頂針上，否則就需要額外的頂桿脈沖。它還有助于減少部件本身的應(yīng)力痕跡和“打滑”痕跡。相反，如果頂針略微刺進(jìn)部件里，可能會(huì)出現(xiàn)由物料流湍流引起的美觀性問題，特別是在薄壁部件上。這種情況還可能發(fā)生在有凹陷刻花的部件上，此類部件通過模具鋼中凸起的刻花而成型。

熱膨脹是導(dǎo)致頂針無法對(duì)齊的主要原因，特別是在高溫下運(yùn)行的大型模具中。雖然頂針底板在工作臺(tái)上來回自由移動(dòng)，但這并不意味著在生產(chǎn)條件下頂針底板和頂針無法配合在一起。而導(dǎo)致頂針和頂針底板無法對(duì)齊的真正原因是：型芯和支撐板很少處于環(huán)境溫度下，但頂針底板幾乎一直處于環(huán)境溫度下，如果型芯板膨脹（或收縮）而頂針底板沒有，就會(huì)有一些頂針（通常是外側(cè)的頂針）無法對(duì)齊。這一切是溫度升高以及外側(cè)頂針之間的距離而導(dǎo)致的。

不過，這種熱膨脹問題很容易解決，只需要做兩件事：首先，在頂針底板中添加冷卻線路（水或油介質(zhì)）；另外，如果頂針底板需要引導(dǎo)，在支撐板而并非頂出裝模板中安裝引導(dǎo)銷。筆者個(gè)人的偏好是將導(dǎo)銷安裝在每副模具的支撐板中。

如果你猶豫是否應(yīng)該添加一個(gè)導(dǎo)向式頂出系統(tǒng)，可以想想這些板是否很重，每年的循環(huán)次數(shù)是否達(dá)到100 000次或更多。如果你對(duì)其中一個(gè)問題的回答是肯定的，那么頂出系統(tǒng)就需要導(dǎo)向。否則，在模具的使用壽命內(nèi)，你可能會(huì)碰到頂針過早磨損及與之相關(guān)的向下溢料。即使對(duì)這兩個(gè)問題的答案都是否定的，安裝導(dǎo)向式頂出系統(tǒng)仍非常有益，它有助于避免磨損和頂針斷裂的問題。PLASTICS有一本名為《熱塑性材料注塑模具的分類（Classification of Injection Molds for Thermoplastic Materials）》的出版物。它規(guī)定101型和401型模具必須采用導(dǎo)向頂出，也推薦102型和402型模具采用。

非常大的模具應(yīng)該有6～8個(gè)頂出回程針，而并非通常設(shè)置的4個(gè)。附加的回程針有助于確保頂針底板被均勻地向后推。如果頂針底板未連接到注塑機(jī)的頂出十字架上，增加的回程針會(huì)減少模仁板表面上的模壓量。

這也會(huì)發(fā)生在采用預(yù)硬或較軟鋼材制成的小模具上。一些快速更換模具嵌件僅提供兩個(gè)回程針，并且它們要比長期運(yùn)行的模具所要求的尺寸小得多。

總之，為了避免頂針失效，頂針底板應(yīng)該平行于模具的中心線移動(dòng)，并且板承受和施加的載荷要分布均勻。

頂針的無支撐長度

頂針是通過其主體的通孔和頭部的埋頭孔而安裝在頂針面板上。標(biāo)準(zhǔn)頂針的典型頭徑公差標(biāo)稱 值 為 -0.010～0.000 in。 而 在 頂針面板上與頂針頭部匹配的埋頭孔直徑通常比標(biāo)稱值大1/32 in。另外，標(biāo)準(zhǔn)頂針的典型頭部厚度公 差 標(biāo) 稱 值 為 -0.002～0.000 in。而頂針面板中與頂針頭部匹配的埋頭孔深度通常比標(biāo)稱值深0.001～0.003 in。大多數(shù)的頂針有1/32 in范圍是其針軸與針頭部相交的位置，因此必須為該區(qū)域提供間隙。大多數(shù)模具供應(yīng)商提供的頂針埋頭孔套裝自動(dòng)添加倒角，配合頂針上的這一區(qū)域。

頂針直徑的公差各不相同，具體取決于頂針尺寸、類型和制造商。它可以低于標(biāo)稱值-0.0010～0.0000 in。大多數(shù)模具設(shè)計(jì)師在頂針面板中為某一頂針設(shè)計(jì)的通孔要比頂針的標(biāo)稱值大1/64 in，這一方面便于采用標(biāo)準(zhǔn)化鉆頭加工,另一方面,當(dāng)頂針面板上的通孔無法與型芯中的通孔精確對(duì)齊時(shí),這種做法為頂針面板上的通孔提供了大約不超過0.008 in的浮動(dòng)空間。

頂針面板可以有用于頂針、頂出襯套、型針、導(dǎo)向襯套、回程針、支撐柱、拉料桿、螺桿和各種其他組件的孔。基本上，這些板看起來很像奶酪。如果板承受的壓力不均勻，就可能斷裂（如圖5所示）。

頂針的無支撐長度也是導(dǎo)致其彎曲和斷裂的常見原因。無支撐長度等于一個(gè)物體上兩個(gè)固定點(diǎn)之間的距離，對(duì)頂針來說也是如此。在材料、硬度、直徑甚至頂針長度都沒有變化的條件下，僅改變了無支撐長度會(huì)發(fā)生什么？如果你看過撐桿跳高比賽，就可以想象類似的情況。這些撐桿長度可以超過16 ft（4.88 m），如果選手握住桿子末端，桿子會(huì)彎曲多少？而換做握著桿子中間，又會(huì)彎曲多少呢？顯然，不會(huì)那么多。

圖5 頂針面板在承受不均勻載荷時(shí)會(huì)開裂

一位名叫倫納德·歐拉（Leonard Euler）的瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家在18世紀(jì)中期發(fā)明了兩個(gè)公式，現(xiàn)在的模具制造商仍然可以用它們來預(yù)測頂針是否會(huì)彎曲和折斷。其中的一個(gè)公式很簡單，被稱為細(xì)長比（Slenderness Ratio）。該比率等于一根細(xì)長柱（如頂針）的無支撐長度除以回轉(zhuǎn)半徑。而頂針的回轉(zhuǎn)半徑等于其直徑尺寸除以4。所以公式為：

如果這一比值大于100，可以預(yù)測頂針會(huì)因彎曲而失效。筆者曾經(jīng)在細(xì)長比值為100的條件下，計(jì)算擁有不同直徑的頂針的最大無支撐長度（L），表1中詳細(xì)列出了直徑為1/32～1/4 in的頂針的計(jì)算結(jié)果。

表1 在細(xì)長比為100的條件下，頂針直徑與最大無支撐長度

表2 導(dǎo)致頂針彎曲的力

圖6 模具背面的隔塊解決了最小疊層高度的問題

歐拉還發(fā)明了另一個(gè)更復(fù)雜的公式，對(duì)于這個(gè)公式，筆者在本文中只介紹它如何用來計(jì)算細(xì)長柱（如頂針）在彎曲之前能承受的力，不會(huì)對(duì)其他細(xì)節(jié)進(jìn)行額外討論。對(duì)于理解頂針的無支撐長度與其彎曲之前所能施加到頂出部件上的力這二者之間的直接關(guān)系，這個(gè)公式是非常有用的。

例如，表2中顯示了有3 in無支撐長度的直徑5/64 in的頂針，可以在彎曲前用99 lb(1 lb=0.4536 kg)的力推動(dòng)一個(gè)塑料部件；而直徑相同、無支撐長度為1.5 in的頂針可以在彎曲之前用394 lb的力推動(dòng)一個(gè)部件。雖然表面上來看，后一個(gè)頂針彎曲前所能施加的力是前一個(gè)頂針的4倍，但這是因?yàn)閷o支撐長度減半的原因。如果在直徑相同的條件下，將頂針的無支撐長度從3 in減小到2.5 in，力僅增加43 lb，約1.4倍。不管怎樣，這個(gè)例子說明了無支撐長度的重要性。

如果你認(rèn)為模具中可能存在無支撐長度過長的問題，該如何使之縮短呢？首先要做的是預(yù)估需要多少頂出行程才能安全地將部件從型芯中頂出。對(duì)于一副新模具來說，這個(gè)數(shù)值會(huì)有所不同，具體取決于模具的設(shè)計(jì)、部件的幾何形狀、材料和其他因素。

通常，你可能會(huì)在部件的整體高度上增加大約0.5 in，但是這一切都取決于頂出速度、倒陷、模具設(shè)計(jì)、機(jī)械手和其他各種因素。

當(dāng)你訂購（或設(shè)計(jì)）一個(gè)模座時(shí)，你可以規(guī)定頂出外殼的高度。這一尺寸等于所需的頂出行程加上頂針底板和支撐釘?shù)暮穸?。如果模具設(shè)計(jì)沒有預(yù)期壓機(jī)所需要的最小疊層高度（這對(duì)于大型扁平部件是常見的），那么在頂出裝模板的后側(cè)添加隔板來彌補(bǔ)差距是非常容易且相對(duì)便宜的（如6所示）。值得一提的是，隔板最好安裝在模具上而并非注塑機(jī)的壓板上。

假設(shè)當(dāng)模具投入生產(chǎn)時(shí)，開始出現(xiàn)頂針彎曲問題。如果可以縮短頂出行程，就不要添加限位間隔塊。它們對(duì)減少頂針的無支撐長度沒有幫助。此時(shí)需要做的是將導(dǎo)軌的高度和所有頂出及回程針的長度減少相等的量。有的加工商可能希望通過避免頂針底板行程過長來延長模具的使用壽命，從而選擇安裝了頂出行程限制器。這里提醒一點(diǎn)，頂出行程限制器只有在不存在頂針彎曲問題的情況下才有用。

圖7 如果必須使用頂出行程限制器，尼龍或硬質(zhì)聚氨酯是很好的材料選擇

對(duì)于這一點(diǎn)，怎么強(qiáng)調(diào)都不為過，因?yàn)樗赡苁窃斐身斸樀装鍙澢淖畛Ｒ娫蛑?。筆者喜歡用尼龍或硬質(zhì)聚氨酯制作行程限制器（如圖7所示），以幫助吸收由動(dòng)量或不正確的機(jī)器設(shè)置引起的沖擊。如表1和表2中所示，頂針的直徑越小，所能承受的無支撐長度就越短。任何7/64 in或更小的頂針都應(yīng)該是階梯式或帶肩式，以減少無支撐長度。階梯式頂針的肩部直徑應(yīng)該是1/8 in，有1/2 in、2 in、3 in和4 in的長度可供選擇。當(dāng)頂針底板靠在支撐釘上時(shí)，你可能希望頂針的肩部進(jìn)入頂針底板，如果4 in的肩部仍然不夠長，可以使用訂制的頂針，或使用一根加長頂針。

不過，比較奇怪的一件事是，據(jù)筆者所知有幾家模具零部件供應(yīng)商提供頂出襯套加長，但沒有供應(yīng)商提供頂針加長服務(wù)。也許有一天他們會(huì)意識(shí)到這是成型商需要的東西。而現(xiàn)在，我們必須自己進(jìn)行加長，圖8中展示了幾種加長的方法。

圖8 用不同方法制作的加長頂針的截面圖

圖9 可以使用幾種方法來減少頂針的無支撐長度

在圖9中，左側(cè)的頂針安裝在加長部分中，因?yàn)榧绮刻潭鵁o法進(jìn)入頂針底板的背面。其他頂針與底板底部、支撐板頂部以及底板的底部和頂部上的軸承嵌件在一起。這些軸承嵌件是減少頂針無支撐長度的一種簡單方法。

它們可以用各種類型的金屬制成，從青銅到熱處理模具鋼均可。右側(cè)的頂針使用了一個(gè)薄壁鉆套，筆者發(fā)現(xiàn)這種鉆套非常適合這種應(yīng)用。

在這里，讓我們進(jìn)行一個(gè)測試，圖9中的哪個(gè)或哪些頂針會(huì)因?yàn)闊o支撐長度過長而發(fā)生彎曲呢？

測試中還需要采用在頂出回程板中為頂針周圍預(yù)留橫向浮動(dòng)空間的做法。雖然它聽起來像一種補(bǔ)償不對(duì)齊問題的實(shí)用方法，但是一項(xiàng)研究表明，這種增加的間隙實(shí)際上促進(jìn)了型芯中通孔的磨損并降低了頂針在彎曲之前可承受的力。如果頂針面板中的通孔有明顯的間隙，這相當(dāng)于增加了無支撐長度，增加的量就等于通孔長度。

例如，頂桿面板的厚度通常為1/2 in或5/8 in。小直徑頂針的頭部厚度為1/8 in。如果頂針面板中的通孔與頂針之間存在明顯間隙，那么頂針的無支撐長度相當(dāng)于增加了3/8～1/2 in。如果頂針的直徑為7/64 in或更小，增加的無支撐長度對(duì)于頂針而言是一個(gè)很大的量。但對(duì)于直徑超過1/8 in的頂針來說這一點(diǎn)不必?fù)?dān)心。

只要你的做法不超過在細(xì)長比為100的條件下計(jì)算所得的最大無支撐長度，那頂針就不會(huì)因?yàn)椴牧显陧斸樏嫔鲜┘拥乃芰蠅毫Χ鴶嗔选?/p>