顶针断裂的原因及预防

文/Injection Mold Consulting公司Jim Fattori

加工商们可能都会遇到顶针断裂问题。顶针的价格虽然不贵，但是由此导致的设备损耗、人工损耗和不必要的停机时间加起来确是不小的花费。事实上，造成顶针断裂的原因虽多，但很少是由于顶针的自身问题。本文针对易引起顶针断裂的几个主要原因进行了分析，并提出了简单的预防方法。

注塑机和顶出系统

首先要讨论的两个易造成顶针断裂的主要原因是注塑机和顶出系统。

如果注塑机的顶出十字架（ejector cross）弯曲，或者十字架的薄导向套磨损，它会以一个微小的角度移动，并对模具的顶针底板施加不均匀的载荷（如图1所示）。

图1 如果注塑机的顶出十字架弯曲，它会对模具的顶出系统施加不均匀的载荷

这种情况通常伴随明显特征，因为注塑机的脱模杆可能无法与移动压板中的一些通孔对齐，或是和它们发生摩擦，所以容易察觉。如果弯曲的十字架是钢材质的，可以通过液压机将其掰直，恢复到原来状态，但如果是铸铁材质的，采用这种方法可能导致其断裂。

顶杆长度不同更容易导致施加在顶针底板上的载荷不均匀。顶杆过长或长度不同是顶出十字架弯曲的主要原因。如果模具有与顶针底板连接的加长顶出杆（如图2所示），且它们的长度不同，或是其中一个的固定螺栓松动了，也会导致顶针底板上的载荷不均匀。一些模具零部件供应商销售标准化的加长顶出杆。如果你有自己的设计，要确保加长部分不要对接在顶针面板的背面，因为这样做容易导致顶针面板的弯曲或断裂。

如果模具配有一个螺旋弹簧顶出-回程系统，但是其中的一个或多个弹簧坏了，顶针底板可能会扭曲或弯曲。如果弹簧的长度不同，或者预加载量因平底扩孔深度的变化而变化，也会导致类似的问题。因此，笔者建议尽量避免使用顶出-回程弹簧。

此外，顶针的位置和顶出部件所需的力也可能会导致顶针底板上的载荷不均匀。当采用一个偏置型腔（如图3所示）时，这种情况可能会经常发生。

图2 顶杆加长设计应将设备的顶出力施加在较厚的顶针底板（左侧）上，而不是较弱的顶针面板（右侧）上

当施加到顶针底板上的载荷不均匀时，它会弯曲、倾斜或扭曲，并由此引发连锁反应。如果顶针底板有导向系统，那么导向衬套会过早磨损。这还会导致顶针弯曲和断裂、型芯嵌件中的通孔被磨损成椭圆形或蛋形孔、顶针推出注塑部件时的力不均匀（这会使部件变形或更紧地粘在模具中）或是顶针相对于分模线的高度发生变化。

图3 一个偏置型腔会导致施加在顶出系统上的载荷不均匀

你有没有想过为什么模具在顶针底板和装模板之间设有圆形定位销或支撑钉呢？这是因为如果有污垢或碎屑进入这两个板之间，一些甚至所有顶针可能会突出于模具的分模线（突出的高度等于碎屑的厚度）。而当要顶出部件时，这些突出的针会造成粘连问题。如果有顶针在凸轮下方，当模具闭合时，顶针或凸轮会损坏。而支撑钉的目的是使两块板之间的接触面积最小化，从而允许一些碎屑积聚而不影响顶出系统的正确定位。

有时，支撑钉会被移动或除去，以为型针或其他组件腾出空间。这时，你会碰到支撑问题。一个比较理想的解决方案是，在可能对顶针底板施加压力的部件（如一个与模具钢对接的拉料杆或顶针）附近或下面放置一个支撑钉。另外，在注塑机顶块的螺纹孔附近设置支撑钉也是有益的，因为如果设备的回程位置设置不正确，顶针可能会拉动、扭曲支撑不良的顶针底板。

顶出外壳（ejector housings）通常在模具的两个相对端上开口，当模具安装在设备上时，其中的一个开口端常位于顶部。这对于型芯上带有倒角的小型成型部件并不罕见。生产这类部件时，顶出一般是从型腔中开始，并在外罩内结束。这会导致顶针底板在下个成型周期有弯曲倾向，而通过安装顶出外壳盖或护罩不仅可以轻松解决这个问题，还会带来其他的好处。

对于采用弹簧加载的顶针底板引发的事故，它们是一个很好的安全预防措施，比在板边缘涂抹OSHA黄更有效。有时，顶针位于凸轮下方，操作人员可能会试图用撬棒推进顶针底板，在这种情况下，顶出外壳盖有助于防止可能对模具造成的损坏。通常安装在装模板和顶针底板之间的支撑钉也可以加在顶针面板和支撑板之间，用于替代护罩。这形成了一个3/16 in（1 in=2.54 cm）板的挠曲阻力与其厚度的三次方成正比。在同一公式中，无支撑长度也与三次方成正比。这就是为什么注塑机的顶杆间隔均匀非常重要。的间隙，如此一来，污垢、碎片或偶尔的小杂散部件不会导致顶针底板的倾斜或弯曲。笔者只是建议采用这一点，因为大多数的加工商将顶出前进位置设置为与支撑板背面平齐，而不是保持一小段距离，即使有足够的顶出行程。

另外，笔者还建议安装适用于模具的、来自塑料工业协会（Plastics Industry Association，以下简称“PLASTICS”）的所有顶出模式（如图4所示）。如果你不知道它们是什么，请从PLASTICS获取AN-109推荐指南（可互换模具安装尺寸的副本）。然后，由安装人员决定使用哪种顶出模式。小型注塑机上的液压顶出气缸顶出力一般为1～5 t，更大的设备可高达80 t。这个力不可忽视。因为在大型模具中，如果顶杆之间没有足够远的距离，就可能导致顶针底板以中间为折点朝向支撑板弯曲。

相反，如果顶杆位于最外边缘，且有一些顶针推动流道和模具中间的部件，顶针底板也要在中间弯曲，不过是朝远离支撑板的方向。因此，要确保顶杆间隔均匀。对于大型模具，可以考虑使用附加的顶杆来帮助将力均匀地分布在整个顶针底板上。

安装将顶针面板连接到顶针底板上的附加螺栓可以增加一些强度，以防止两块板试图弯曲或扭曲。不过，它们在防止顶针面板弯曲方面更有效。在回程针、拉料杆和任何顶针组附近设计的附加螺栓有助于防止组件回退时较弱的顶针面板与顶针底板分离。

用于计算一块矩形板在一组特定条件下挠曲量的公式显示，

图4 建议为一副模具配备所有可能的机器顶出模式，且不要吝啬添加支撑钉

当成型有大投影面积的部件或计算热流道模具中的支撑板或模仁板的厚度时，这个挠曲公式很重要。但对于顶针底板来说，1 in或1.125 in的标准厚度一般是足够的。如果你的板存在挠曲问题，根本原因可能不在于板的厚度，而是载荷不均匀的问题。

但是，笔者记得他们曾经有一副或两副大型模具使用了1.375 in厚的顶针底板，因为它布满了来自支模柱和许多其他模具组件的孔。

曾经，笔者对采用S-7钢制成的顶针底板进行热处理并用直线球轴承引导它，以生产液晶聚合物制成的电连接器。原因不是板挠曲，而是因为图纸上的顶针高度公差为-0.0005～0.0000 in。如果顶针头部在较软的顶针底板上造成了轻微凹陷，或者顶针底板略微偏离没有对齐，部件就不合格。

虽然此内容有点超出了本文的范围，但笔者强调，顶针应该在顶出部件表面下方0.0005～0.0015 in的位置，这是一个好习惯，有助于确保部件不会挂在顶针上，否则就需要额外的顶杆脉冲。它还有助于减少部件本身的应力痕迹和“打滑”痕迹。相反，如果顶针略微刺进部件里，可能会出现由物料流湍流引起的美观性问题，特别是在薄壁部件上。这种情况还可能发生在有凹陷刻花的部件上，此类部件通过模具钢中凸起的刻花而成型。

热膨胀是导致顶针无法对齐的主要原因，特别是在高温下运行的大型模具中。虽然顶针底板在工作台上来回自由移动，但这并不意味着在生产条件下顶针底板和顶针无法配合在一起。而导致顶针和顶针底板无法对齐的真正原因是：型芯和支撑板很少处于环境温度下，但顶针底板几乎一直处于环境温度下，如果型芯板膨胀（或收缩）而顶针底板没有，就会有一些顶针（通常是外侧的顶针）无法对齐。这一切是温度升高以及外侧顶针之间的距离而导致的。

不过，这种热膨胀问题很容易解决，只需要做两件事：首先，在顶针底板中添加冷却线路（水或油介质）；另外，如果顶针底板需要引导，在支撑板而并非顶出装模板中安装引导销。笔者个人的偏好是将导销安装在每副模具的支撑板中。

如果你犹豫是否应该添加一个导向式顶出系统，可以想想这些板是否很重，每年的循环次数是否达到100 000次或更多。如果你对其中一个问题的回答是肯定的，那么顶出系统就需要导向。否则，在模具的使用寿命内，你可能会碰到顶针过早磨损及与之相关的向下溢料。即使对这两个问题的答案都是否定的，安装导向式顶出系统仍非常有益，它有助于避免磨损和顶针断裂的问题。PLASTICS有一本名为《热塑性材料注塑模具的分类（Classification of Injection Molds for Thermoplastic Materials）》的出版物。它规定101型和401型模具必须采用导向顶出，也推荐102型和402型模具采用。

非常大的模具应该有6～8个顶出回程针，而并非通常设置的4个。附加的回程针有助于确保顶针底板被均匀地向后推。如果顶针底板未连接到注塑机的顶出十字架上，增加的回程针会减少模仁板表面上的模压量。

这也会发生在采用预硬或较软钢材制成的小模具上。一些快速更换模具嵌件仅提供两个回程针，并且它们要比长期运行的模具所要求的尺寸小得多。

总之，为了避免顶针失效，顶针底板应该平行于模具的中心线移动，并且板承受和施加的载荷要分布均匀。

顶针的无支撑长度

顶针是通过其主体的通孔和头部的埋头孔而安装在顶针面板上。标准顶针的典型头径公差标称 值 为 -0.010～0.000 in。 而 在 顶针面板上与顶针头部匹配的埋头孔直径通常比标称值大1/32 in。另外，标准顶针的典型头部厚度公 差 标 称 值 为 -0.002～0.000 in。而顶针面板中与顶针头部匹配的埋头孔深度通常比标称值深0.001～0.003 in。大多数的顶针有1/32 in范围是其针轴与针头部相交的位置，因此必须为该区域提供间隙。大多数模具供应商提供的顶针埋头孔套装自动添加倒角，配合顶针上的这一区域。

顶针直径的公差各不相同，具体取决于顶针尺寸、类型和制造商。它可以低于标称值-0.0010～0.0000 in。大多数模具设计师在顶针面板中为某一顶针设计的通孔要比顶针的标称值大1/64 in，这一方面便于采用标准化钻头加工,另一方面,当顶针面板上的通孔无法与型芯中的通孔精确对齐时,这种做法为顶针面板上的通孔提供了大约不超过0.008 in的浮动空间。

顶针面板可以有用于顶针、顶出衬套、型针、导向衬套、回程针、支撑柱、拉料杆、螺杆和各种其他组件的孔。基本上，这些板看起来很像奶酪。如果板承受的压力不均匀，就可能断裂（如图5所示）。

顶针的无支撑长度也是导致其弯曲和断裂的常见原因。无支撑长度等于一个物体上两个固定点之间的距离，对顶针来说也是如此。在材料、硬度、直径甚至顶针长度都没有变化的条件下，仅改变了无支撑长度会发生什么？如果你看过撑杆跳高比赛，就可以想象类似的情况。这些撑杆长度可以超过16 ft（4.88 m），如果选手握住杆子末端，杆子会弯曲多少？而换做握着杆子中间，又会弯曲多少呢？显然，不会那么多。

图5 顶针面板在承受不均匀载荷时会开裂

一位名叫伦纳德·欧拉（Leonard Euler）的瑞士数学家和物理学家在18世纪中期发明了两个公式，现在的模具制造商仍然可以用它们来预测顶针是否会弯曲和折断。其中的一个公式很简单，被称为细长比（Slenderness Ratio）。该比率等于一根细长柱（如顶针）的无支撑长度除以回转半径。而顶针的回转半径等于其直径尺寸除以4。所以公式为：

如果这一比值大于100，可以预测顶针会因弯曲而失效。笔者曾经在细长比值为100的条件下，计算拥有不同直径的顶针的最大无支撑长度（L），表1中详细列出了直径为1/32～1/4 in的顶针的计算结果。

表1 在细长比为100的条件下，顶针直径与最大无支撑长度

表2 导致顶针弯曲的力

图6 模具背面的隔块解决了最小叠层高度的问题

欧拉还发明了另一个更复杂的公式，对于这个公式，笔者在本文中只介绍它如何用来计算细长柱（如顶针）在弯曲之前能承受的力，不会对其他细节进行额外讨论。对于理解顶针的无支撑长度与其弯曲之前所能施加到顶出部件上的力这二者之间的直接关系，这个公式是非常有用的。

例如，表2中显示了有3 in无支撑长度的直径5/64 in的顶针，可以在弯曲前用99 lb(1 lb=0.4536 kg)的力推动一个塑料部件；而直径相同、无支撑长度为1.5 in的顶针可以在弯曲之前用394 lb的力推动一个部件。虽然表面上来看，后一个顶针弯曲前所能施加的力是前一个顶针的4倍，但这是因为将无支撑长度减半的原因。如果在直径相同的条件下，将顶针的无支撑长度从3 in减小到2.5 in，力仅增加43 lb，约1.4倍。不管怎样，这个例子说明了无支撑长度的重要性。

如果你认为模具中可能存在无支撑长度过长的问题，该如何使之缩短呢？首先要做的是预估需要多少顶出行程才能安全地将部件从型芯中顶出。对于一副新模具来说，这个数值会有所不同，具体取决于模具的设计、部件的几何形状、材料和其他因素。

通常，你可能会在部件的整体高度上增加大约0.5 in，但是这一切都取决于顶出速度、倒陷、模具设计、机械手和其他各种因素。

当你订购（或设计）一个模座时，你可以规定顶出外壳的高度。这一尺寸等于所需的顶出行程加上顶针底板和支撑钉的厚度。如果模具设计没有预期压机所需要的最小叠层高度（这对于大型扁平部件是常见的），那么在顶出装模板的后侧添加隔板来弥补差距是非常容易且相对便宜的（如6所示）。值得一提的是，隔板最好安装在模具上而并非注塑机的压板上。

假设当模具投入生产时，开始出现顶针弯曲问题。如果可以缩短顶出行程，就不要添加限位间隔块。它们对减少顶针的无支撑长度没有帮助。此时需要做的是将导轨的高度和所有顶出及回程针的长度减少相等的量。有的加工商可能希望通过避免顶针底板行程过长来延长模具的使用寿命，从而选择安装了顶出行程限制器。这里提醒一点，顶出行程限制器只有在不存在顶针弯曲问题的情况下才有用。

图7 如果必须使用顶出行程限制器，尼龙或硬质聚氨酯是很好的材料选择

对于这一点，怎么强调都不为过，因为它可能是造成顶针底板弯曲的最常见原因之一。笔者喜欢用尼龙或硬质聚氨酯制作行程限制器（如图7所示），以帮助吸收由动量或不正确的机器设置引起的冲击。如表1和表2中所示，顶针的直径越小，所能承受的无支撑长度就越短。任何7/64 in或更小的顶针都应该是阶梯式或带肩式，以减少无支撑长度。阶梯式顶针的肩部直径应该是1/8 in，有1/2 in、2 in、3 in和4 in的长度可供选择。当顶针底板靠在支撑钉上时，你可能希望顶针的肩部进入顶针底板，如果4 in的肩部仍然不够长，可以使用订制的顶针，或使用一根加长顶针。

不过，比较奇怪的一件事是，据笔者所知有几家模具零部件供应商提供顶出衬套加长，但没有供应商提供顶针加长服务。也许有一天他们会意识到这是成型商需要的东西。而现在，我们必须自己进行加长，图8中展示了几种加长的方法。

图8 用不同方法制作的加长顶针的截面图

图9 可以使用几种方法来减少顶针的无支撑长度

在图9中，左侧的顶针安装在加长部分中，因为肩部太短而无法进入顶针底板的背面。其他顶针与底板底部、支撑板顶部以及底板的底部和顶部上的轴承嵌件在一起。这些轴承嵌件是减少顶针无支撑长度的一种简单方法。

它们可以用各种类型的金属制成，从青铜到热处理模具钢均可。右侧的顶针使用了一个薄壁钻套，笔者发现这种钻套非常适合这种应用。

在这里，让我们进行一个测试，图9中的哪个或哪些顶针会因为无支撑长度过长而发生弯曲呢？

测试中还需要采用在顶出回程板中为顶针周围预留横向浮动空间的做法。虽然它听起来像一种补偿不对齐问题的实用方法，但是一项研究表明，这种增加的间隙实际上促进了型芯中通孔的磨损并降低了顶针在弯曲之前可承受的力。如果顶针面板中的通孔有明显的间隙，这相当于增加了无支撑长度，增加的量就等于通孔长度。

例如，顶杆面板的厚度通常为1/2 in或5/8 in。小直径顶针的头部厚度为1/8 in。如果顶针面板中的通孔与顶针之间存在明显间隙，那么顶针的无支撑长度相当于增加了3/8～1/2 in。如果顶针的直径为7/64 in或更小，增加的无支撑长度对于顶针而言是一个很大的量。但对于直径超过1/8 in的顶针来说这一点不必担心。

只要你的做法不超过在细长比为100的条件下计算所得的最大无支撑长度，那顶针就不会因为材料在顶针面上施加的塑料压力而断裂。