塑料模具失效機(jī)理及熔覆再制造技術(shù)研究

王昭晨

摘要：本文介紹了塑料模具的種類、塑料模具鋼、塑料模具的主要失效形式及常用的模具修復(fù)技術(shù)。研究了塑料模具沖蝕磨損失效的機(jī)理。優(yōu)化了激光熔覆修復(fù)塑料模具的工藝參數(shù)。提出了幾種基于再制造技術(shù)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：塑料模具；失效機(jī)理；熔覆再制造技術(shù)

1.塑料模具的主要失效形式

塑料模具隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展得到了廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致模具失效問題越來越普遍，造成大量的模具報(bào)廢，嚴(yán)重影響了塑料制品的質(zhì)量，模具的失效已成為制約塑料模具行業(yè)使用和發(fā)展的重要問題。

（1）表面磨損和腐蝕

塑料熔化后塑料顆粒以一定壓力和速度在模具型腔內(nèi)流動(dòng)，以及冷卻凝固后的塑料制品從模腔內(nèi)中脫出，這都會(huì)使塑料件和模具型腔表面產(chǎn)生摩擦，并且塑料中含有較硬的固體填料如硅砂、云母粉、鈦白粉、玻璃纖維等，則使磨損更為劇烈。加之，一些塑料熔化后，其中含有氯、氟等成分的物質(zhì)受熱分解后會(huì)釋放出氯化氫、氟化氫等腐蝕性氣體，會(huì)使模具型腔表面產(chǎn)生腐蝕。這些因素的影響達(dá)到一定程度后就引起型腔表面粗糙度升高，最終導(dǎo)致模具尺寸超差而失效，從而造成塑料制品質(zhì)量不合格。表面磨損和腐蝕約占總失效形式的四到五成。在壓縮模中，塑料原料多以粉末狀加入型腔，且多含有木粉等填料，它們?cè)诩訜帷⒓訅喝廴诹鲃?dòng)的過程中，對(duì)壓縮模型腔的磨損也很嚴(yán)重，磨損導(dǎo)致模具型腔表面的粗糙度值增大。這類失效的修復(fù)一般用氬弧焊、激光、等離子熔覆等工藝后再進(jìn)行表面修磨、拋光處理。熔覆層比較厚的一般采用加工中心加工，然后進(jìn)行表面拋光處理。

（2）斷裂

形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料模具會(huì)存在棱角和薄壁部位，這些部位會(huì)使應(yīng)力集中。當(dāng)該應(yīng)力超出了材料的強(qiáng)度極限時(shí)就產(chǎn)生了微裂紋，隨著集中應(yīng)力的不斷增加，微裂紋也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大，最終導(dǎo)致模具斷裂。斷裂失效是常見的危害嚴(yán)重的失效形式，約占總失效形式的三到四成。分型面棱角的斷裂就會(huì)造成塑料制品的飛邊，對(duì)這類失效一般是用激光熔覆修復(fù)，然后進(jìn)行打磨、拋光處理。

（3）變形

塑料模具在制造和使用過程中，由于模具材料本身承載能力不足以抵抗外加載荷，從而引起表面皺紋、凹陷、棱角堆塌、麻點(diǎn)等局部的塑性變形，超出了模具要求的尺寸范圍，造成了模具失效，在失效比例中約占一到兩成。局部的塑性變形一般都可以用氬弧焊、激光、等離子熔覆修復(fù)。

2.塑料模具失效機(jī)理及預(yù)防措施、修理方法

2.1 塑料模具表面磨損和腐蝕失效

表面磨損和腐蝕在失效形式中約占四到五成，是塑料模具失效的主要形式。塑料模具在使用過程中表面磨損和腐蝕使型腔表面粗糙度變大、模具尺寸超差，造成塑料制品質(zhì)量不合格。模具的表面磨損和腐蝕其主要原因是模具在使用過程中其表面在高溫腐蝕性塑料固體顆粒沖刷作用下，使模具表面產(chǎn)生氧化-沖蝕的失效現(xiàn)象。

2.2 塑料模具表面氧化-沖蝕的物理模型

（1）表面氧化模型

塑料模具在使用中造成表面粗糙度值提高和尺寸超差主要是由于氧化-沖蝕磨損造成的，從而造成模具的失效。模具材料、表面氧化物、磨粒的性能及磨粒沖擊角等是研究塑料模具表面磨損和腐蝕失效機(jī)理的重要內(nèi)容。一般塑料模具的材料具有良好的延展性，而塑料模具表面氧化物則表現(xiàn)出脆性。因此，在研究模具表面磨損和腐蝕機(jī)理時(shí)，先要考慮模具表面氧化膜受到高溫塑料粒子沖擊的影響。研究顯示，當(dāng)塑料粒子沖擊的能量不足以破壞模具表面的氧化膜所需的能量時(shí)，這時(shí)氧化膜起保護(hù)作用，氧化動(dòng)力學(xué)決定了模具表面質(zhì)量流失隨時(shí)間變化的規(guī)律，且無沖蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)塑料粒子能量增加，塑料模具表面的氧化膜局部出現(xiàn)了斷裂，此時(shí)，因氧化膜還有一定的保護(hù)作用，模具表面質(zhì)量流失隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)了不平滑的現(xiàn)象。當(dāng)粒子速度持續(xù)增加，模具表面氧化膜又被消薄，這時(shí)，模具型腔表面受到的最大法向力將增大，型腔表面會(huì)出現(xiàn)塑性變形，從而出現(xiàn)了沖蝕現(xiàn)象。此時(shí)，模具表面的抗沖蝕能力的大小影響表面金屬流失的速度，氧化過程的影響相對(duì)變小。如果此時(shí)模具表面氧化膜沒發(fā)生斷裂剝落，模具表面受到的沖擊力會(huì)因氧化膜的存在而減少，此時(shí)模具表面質(zhì)量流失反而下降了。

（2）塑脆流失模型

在低溫狀態(tài)下，模具型腔表面的氧化膜薄與基體結(jié)合牢固且具有韌性，當(dāng)模具表面氧化膜在塑料粒子沖擊下開始塑性變形，但并沒有發(fā)生開裂或剝落現(xiàn)象，這樣就產(chǎn)生了金屬?zèng)_蝕，模具表面質(zhì)量流失表現(xiàn)出塑性材料的特性。當(dāng)氧化膜足夠厚且與表面結(jié)合強(qiáng)度高的情況下，其沖蝕行為表現(xiàn)出脆性破壞特性。當(dāng)表面氧化物膜足夠厚，且在沖蝕下發(fā)生開裂但還沒大片剝落情況下，這時(shí)高溫塑料粒子會(huì)被壓入塑料模具表面內(nèi)，此時(shí)氧化膜下的金屬會(huì)被擠壓出氧化膜的裂縫，出現(xiàn)一層含有金屬和氧化物的復(fù)合層，在這復(fù)合層上將發(fā)生沖蝕行為，產(chǎn)生氧化影響沖蝕。這時(shí)模具表面復(fù)合層的沖蝕行為表現(xiàn)出即是塑性又是脆性的，復(fù)合層的沖蝕行為的脆塑性表現(xiàn)與該層中的氧化物含量有關(guān)。如果氧化膜是脆性且與模具表面結(jié)合不牢固，就會(huì)產(chǎn)生剝落式和連續(xù)式兩種氧化控制沖蝕情況。

對(duì)塑料模具表面氧化-沖蝕的研究顯示，模具表面高溫氧化-沖蝕現(xiàn)象存在四種機(jī)制，四種機(jī)制分別為沖蝕為主、氧化促進(jìn)沖蝕、氧化抑制沖蝕和氧化為主的4種機(jī)制。當(dāng)溫度從環(huán)境溫度升高到T1，這時(shí)是以沖蝕為主的區(qū)段，模具表面質(zhì)量損失隨溫度的升高而增加，當(dāng)溫度從T1升高到T2，這個(gè)區(qū)段為氧化促進(jìn)沖蝕，模具表面質(zhì)量損失隨溫度的升高而增加。當(dāng)表面氧化層溫度升高到T2后的一個(gè)較窄的T2～T3溫度區(qū)間，形成氧化抑制沖蝕區(qū)域，并起到抗沖蝕的作用。曲線在高溫區(qū)段時(shí)塑料模具表層質(zhì)量損失隨溫度升高再度升高。如果溫度繼續(xù)升高，氧化變得越來越嚴(yán)重而沖蝕作用相對(duì)降低，模具表層質(zhì)量流失將上升。研究表明，溫度高低、塑料粒子的沖擊速度快慢和沖擊角度的大小以及模具材料性能優(yōu)劣直接影響塑料模具表面高溫氧化-沖蝕程度。

3.再制造技術(shù)的概述

再制造技術(shù)是對(duì)局部損傷的零件采用先進(jìn)的表面工程技術(shù)，通過再制造修復(fù)后繼續(xù)使用，對(duì)已經(jīng)損壞的部件進(jìn)行整體更換處理。并針對(duì)不同的失效原因采取相應(yīng)的修復(fù)措施使產(chǎn)品的使用壽命延長(zhǎng)，挖掘廢舊產(chǎn)品中的潛在附加值是再制造技術(shù)的宗旨。

再制造技術(shù)不僅僅是維修，它屬于綠色制造，具有自身獨(dú)立的學(xué)科方向。再制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是產(chǎn)品的再制造性評(píng)價(jià)、失效分析和壽命預(yù)測(cè)。其內(nèi)容包括：再制造性評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)、產(chǎn)品失效機(jī)理分析、產(chǎn)品剩余壽命評(píng)估、再制造加工技術(shù)。

塑料模具再制造技術(shù)的內(nèi)容（1）在塑料模具的設(shè)計(jì)階段，要考慮模具的再制造性設(shè)計(jì)；

（2）在塑料模具的服役至報(bào)廢階段，要考慮模具的全壽命周期信息跟蹤；（3）在塑料模具的報(bào)廢階段，要考慮對(duì)模具的非破壞性拆解、低排放式物理清洗；（4）要進(jìn)行塑料模具的失效分析及剩余壽命演變規(guī)律的探索；（5）要完成塑料模具失效部位的具有高結(jié)合強(qiáng)度和良好力學(xué)性能的表面覆層的設(shè)計(jì)，以及在修復(fù)后模具尺寸超差部位的機(jī)械加工及質(zhì)量控制等。

在塑料模具設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮再制造性。型腔用于成型塑料制品外表面，其結(jié)構(gòu)分為整體式、局部鑲嵌式、大面積或四壁拼合的組合式。如圖所示為整體式型腔結(jié)構(gòu)。整體式型腔由整塊材料加工而成，使用中剛性好，一般不會(huì)產(chǎn)生變形，生產(chǎn)的塑料制品表面質(zhì)量好，無拼接線。但整體式型腔結(jié)構(gòu)加工困難、熱處理不便、特別是維修困難，因此只適用于形狀簡(jiǎn)單的中小型模具。

斜面對(duì)合導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。使用導(dǎo)柱、導(dǎo)套導(dǎo)向，雖然對(duì)中性好，但畢竟由于導(dǎo)柱和導(dǎo)套之間有配合間隙，導(dǎo)向精度相對(duì)難以達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)，因此有采用直接在模板上開設(shè)出定位斜面或者采用斜面定位鑲塊，并在定位斜面上鑲嵌上耐磨的淬火鑲塊。這樣就能提高使用壽命，不需要經(jīng)常拆卸更換，且便于調(diào)節(jié)精度。

4.參考文獻(xiàn)

[1] 肖文軍，等.我國(guó)塑料模具鋼發(fā)展前景及應(yīng)用狀況[J].南方金屬，2006，（149）：2

[2] 江健.淺析注塑模具的發(fā)展[J].廣西輕工業(yè)，2011，（3）：1～2

[3] 趙蓓蓓.初探塑料模具材料現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].科技資訊，2009，（34）：1～2