擠出模具失效因素分析及疏水性涂層制備

馮仲達(dá)，阿達(dá)依·謝爾亞孜旦

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

管材擠出機(jī)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、建工等領(lǐng)域的塑料材料制備。塑料擠出產(chǎn)品的加工質(zhì)量主要由擠出模具決定，且擠出模具的成本占生產(chǎn)設(shè)備總成本的20%以上。而模具表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)尺寸偏差和表面粗糙度下降等現(xiàn)象，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利的干擾。

關(guān)于擠出模具，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。彭清和等分析了塑料模具的主要失效形式與模具選材的關(guān)系。宋稼祺和李治國(guó)通過APDL與C++結(jié)合進(jìn)行ANSYS二次開發(fā),優(yōu)化設(shè)計(jì)擠出模具。PLUHACEK等使用改進(jìn)的微分進(jìn)化算法，設(shè)計(jì)了螺旋擠壓模具。劉芳在加工方面，利用有限元分析法對(duì)模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。鄧力軍對(duì)塑料擠出流動(dòng)數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行研究。郭幼丹對(duì)不同的塑料模具材料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為塑料模具失效的主要因素是高溫沖蝕與氧化現(xiàn)象。吳有章通過流速、壓力、流量之間的相互關(guān)系，確定原料的流動(dòng)狀態(tài)，從而判斷模具穩(wěn)定性。

通過閱讀文獻(xiàn)知，模具的失效現(xiàn)象主要是模具出現(xiàn)尺寸偏差與表面精度下降。而造成失效的因素有3個(gè)，分別是模具的工作載荷、模具表面的PVC分解造成的腐蝕磨損與原料流動(dòng)造成的摩擦磨損。本文作者對(duì)管材擠出模具進(jìn)行仿真分析并找出主要失效因素；通過電化學(xué)加工制備疏水性涂層，以提高模具表面性能。

1 擠出模具主要失效因素分析

1.1 靜力學(xué)分析

通過ANSYS軟件對(duì)模具內(nèi)模進(jìn)行簡(jiǎn)化并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。簡(jiǎn)化掉尾部的固定裝置與分流器，整體材質(zhì)選用2Cr13，通過ANSYS-Workbench材料數(shù)據(jù)庫(kù)建立材料，其參數(shù)為泊松比0.29,彈性模量100 ℃時(shí)為214 GPa、200 ℃時(shí)為208 GPa,密度7.75 g/cm。

ANSYS單元格類型為四面體四節(jié)點(diǎn)，在模具尾部添加一個(gè)固定約束，并在圓柱面施加壓力載荷8 MPa，計(jì)算圓錐面的等效載荷。在圓錐面施加等效壓力載荷，取等效載荷為5 MPa，仿真模具的工作壓力。在模具圓柱表面施加一個(gè)沿軸線的面力，仿真模具圓柱面的摩擦力。圓錐面同上設(shè)置摩擦力，方向沿著圓錐側(cè)面。設(shè)置溫度常量為200 ℃，仿真其工作溫度。

(1)由圖1可以看出：模具成型腔表面的變形量最為嚴(yán)重，距離成型腔出口越遠(yuǎn)模具的變形量越小，最大變形量集中在模具的成型腔出口處，為0.004 65 mm。

圖1 ANSYS模具變形云圖

(2)圖2所示為模具在軸的變形量。可以看出：上下表面的軸變形方向與大小并不相同。圖3所示為模具上下表面的軸方向變形量的絕對(duì)值。可以看出：上表面的軸變形量明顯大于下表面軸變形量，模具在重力作用下會(huì)發(fā)生徑向變形，但相對(duì)于軸向變形，徑向變形量較小。

圖2 模具z軸變形量云圖

圖3 模具z軸變形量曲線

(3)由圖4可知：最大的應(yīng)力集中在模具成型腔和擠壓腔的連接處，應(yīng)力達(dá)到26.656 MPa，失效系數(shù)最高，但遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，屬于彈性變形。

圖4 模具等效應(yīng)力云圖

通過ANSYS對(duì)模具的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真，可以得出模具在正常工作的情況下變形量很小，但會(huì)因重力影響發(fā)生徑向偏移的情況。

1.2 表面損傷后的仿真分析

利用粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量模具表面粗糙度，可知模具上下表面的摩擦因數(shù)并不相同，但表面粗糙度對(duì)管道流動(dòng)的摩擦因數(shù)影響較小。查閱資料得上下表面摩擦因數(shù)的取值范圍為0.3～0.38。

計(jì)算模具彎矩，即可計(jì)算模具的彎曲正應(yīng)力、最大彎曲變形、彎曲切應(yīng)力，進(jìn)而分析出相應(yīng)的變形量。

彎曲正應(yīng)力：

=

(1)

最大彎曲變形：

=

(2)

圓截面彎曲切應(yīng)力：

(3)

式中:為抗彎截面系數(shù);為彈性模量;為剪力;為截面面積。

在ANSYS軟件上進(jìn)行仿真，把模具表面劃分成A、B、C、D、E、F 6個(gè)部分，如圖5所示。其中，模具表面壓力各處相同，但是摩擦力設(shè)置成>=>=>。

圖5 模具表面劃分示意

由圖6、圖7可知:當(dāng)擠出機(jī)模具工作一段時(shí)間后，因?yàn)楸砻婺p所造成的摩擦力不同，單一截面的形變量并不相同，模具變形不相等，這就說(shuō)明模具會(huì)發(fā)生徑向偏移。

圖6 磨損后模具變形云圖

圖7 截面變形

由圖7可知，距離成型腔出口越遠(yuǎn)變形量越小，且上表面變形量略大于下表面變形量。

綜上可得，模具在工作一段時(shí)間后，表面磨損程度不同，摩擦因數(shù)的不同，導(dǎo)致模具徑向微量變形，對(duì)于模具失效影響較小。而造成如圖8所示的大尺寸偏差，推測(cè)最主要的因素是在加工模具表面時(shí)造成的腐蝕磨損與摩擦磨損。

圖8 模具出口處尺寸偏差

1.3 模具表面微觀分析

通過超景深顯微鏡對(duì)模具成型腔上下兩個(gè)表面進(jìn)行表面微觀分析。圖9所示為150倍超景深顯微鏡下觀察的模具表面。

圖9 150倍鏡頭下模具上下面表面形貌

通過對(duì)比可知：

(1)模具上表面，即圖9(a)(b)(c)所示的表面粗糙度分別為9.15、9.40、14.49 μm；而下表面,即圖9(d)(e)(f)所示的表面粗糙度分別為5.42、6.80、11.14 μm。模具上表面的磨損大于下表面；距離成型腔出口越遠(yuǎn)，模具的磨損越小，與模具的工作仿真結(jié)果相同。

(2)黑色蝕點(diǎn)所影響的面積大于原料流動(dòng)造成的犁溝效應(yīng)所影響的面積，從而驗(yàn)證了腐蝕磨損比摩擦磨損所造成的影響更大。

圖10(a)(b)所示為1 000倍數(shù)的測(cè)量實(shí)像，圖10(c)(d)分別為表面腐蝕、劃傷輪廓曲線。可知：模具表面因?yàn)楦g點(diǎn)蝕造成的凹坑深度大于模具表面摩擦磨損所造成的犁溝深度。

圖10 1 000倍鏡頭下表面微觀

圖11(a)所示為模具表面形貌。圖11(b)所示為三維成像圖，其中黑色凸起物的主要形成原因?yàn)?Cr13金屬在析出的Cl離子與水的腐蝕作用下造成的腐蝕，而后逐漸析出的腐蝕產(chǎn)物逐漸累積，形成黑色凸起。

圖11 1 000倍鏡頭下微觀黑色凸起

隨著模具的使用時(shí)間累計(jì)，模具表面的保護(hù)膜被腐蝕逐步破壞，模具就會(huì)發(fā)生全面腐蝕，大面積地析出腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，會(huì)隨著原料的加工發(fā)生斷裂，變成微粒對(duì)模具造成劃傷。

通過模具表面微觀的分析，可以看出：模具表面腐蝕磨損比摩擦磨損所造成的面積大，腐蝕磨損對(duì)模具的表面微觀影響較大，同時(shí)它所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會(huì)加重模具表面的摩擦磨損。相比于模具在工作載荷下的微量變形與原料所造成的摩擦磨損，原料分解造成的腐蝕磨損是模具主要的失效因素。并且原料在加工過程中分解的腐蝕性介質(zhì)，如HCl，在重力以及螺桿的推動(dòng)下匯集在成型腔出口處，所以擠出模具應(yīng)當(dāng)注重模具耐腐蝕性，以減少模具的腐蝕量，這樣既能有效地減少尺寸上的腐蝕磨損，還可以降低加工過程中所造成的摩擦磨損，延長(zhǎng)模具的使用壽命。

2 改進(jìn)措施

模具表面的性能可以通過不同的加工方式進(jìn)行提高。例如：對(duì)不銹鋼進(jìn)行電沉積技術(shù)使其表面形成Ni-P耐腐蝕鍍層；通過電化學(xué)方法對(duì)模具表面進(jìn)行表面改性，達(dá)到疏水性微觀形貌，減少腐蝕介質(zhì)與模具的接觸角，減緩模具的腐蝕速率。

本文作者選擇通過電化學(xué)加工改變模具表面的微觀形貌，使模具表面具有疏水性，減少原料加工過程中分解出的HCl等腐蝕性物質(zhì)與模具表面的接觸面積，減少腐蝕現(xiàn)象。同時(shí)，疏水性涂層同樣具有耐磨性能，可減少原料加工時(shí)的模具磨損。

2.1 電化學(xué)疏水性表面制備方法

由于2Cr13不銹鋼的材料性質(zhì)，在進(jìn)行電化學(xué)加工時(shí)，對(duì)于加工間隙、電解液濃度以及電壓都有要求，可以通過設(shè)定不同的加工參數(shù)研究疏水性表面微細(xì)結(jié)構(gòu)。文中選擇制備的疏水性表面微觀形貌為圓形凹坑表面形貌，在理想模型下表面微織構(gòu)、圓形深坑形貌同樣具有疏水性特點(diǎn)，相比激光技術(shù)，電化學(xué)加工更加方便快速。

圓形深坑形貌在理想模型狀態(tài)下具有疏水性，因?yàn)槠浔砻婺軌騼?chǔ)存大量的空氣,形成了Cassie狀態(tài)，根據(jù)公式:

cos=cos-1+

(4)

式中：為水滴與表面的接觸面積比例，越大接觸角越小；為表觀接觸角(WCA)；為本征接觸角理想接觸角。

電化學(xué)光整加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、陰極夾具和陽(yáng)極夾具構(gòu)成。陰極材料選擇直徑為10 mm的銅棒，實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)如表1所示。

表1 電化學(xué)加工參數(shù)

實(shí)驗(yàn)具體操作如下：

(1)對(duì)2Cr13板材進(jìn)行清洗，配置相應(yīng)濃度的NaCl溶液放入電解液池，控制電解液池進(jìn)水與出水口的流速，確保電解液持續(xù)更新。

(2)放入夾具，使工件與設(shè)備對(duì)準(zhǔn)。

(3)加工完成后，對(duì)工件進(jìn)行超聲波清洗，去除表面污垢。

(4)配置濃度為0.1 mol/L的十八烷酸溶液，保持恒溫45 ℃，浸泡30 min，降低工件表面能。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過角接觸測(cè)量?jī)x測(cè)試各試件WCA，在試件上滴定5 μL的液滴，通過高清攝像系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

加工試件接觸角如圖12所示。圖(a)為未加工試件的疏水角，圖(b)—(i)分別對(duì)應(yīng)試件1-試件8的疏水角。由圖12可知：試件2與試件5的疏水性效果好，接觸角分別達(dá)到113.3°與117.5°；與未加工試件相比，可以明顯看出經(jīng)過電化學(xué)加工改性的試件與液滴的接觸角更大。對(duì)于2Cr13不銹鋼，可以通過電化學(xué)加工的方式提高其表面疏水性。

圖12 加工試件接觸角

通過超景深顯微鏡對(duì)8個(gè)加工試件的表面進(jìn)行微觀對(duì)比，分析電壓、溶液濃度與加工間隙在電化學(xué)對(duì)試件制備疏水性表面微觀的影響，結(jié)果如圖13所示。對(duì)比試件1、6與試件3、4可知：在電壓、加工間隙相同的情況下，電解液濃度越高，試件的加工越平整，尖峰和谷底的去除量越大；形成的圓形凹坑半徑過大，疏水性形貌并不好，使用較低濃度的電解液試件表面會(huì)形成一個(gè)個(gè)微凸體，疏水性反而較好。對(duì)比試件2、5與試件7、8，分析電壓對(duì)試件的影響，可知：電壓越大材料去除量越多，根據(jù)電化學(xué)加工的特性，在尖峰處的去除量大于凹坑的去除量，所以在高電壓下，在表面尖峰處會(huì)形成凹坑結(jié)構(gòu)，但也會(huì)造成凹坑半徑或凹坑深度過大，不利于疏水性表面微觀的制備，在電壓為10、15、20 V下，電壓為15 V的加工性能最好。對(duì)比試件1、5與試件6、7，分析加工間隙對(duì)加工效果的影響，可知：加工間隙越小，去除量越大，越有利于增加表面凹坑的深度，在加工間隙為0.5、1、1.5 mm下，加工間隙0.5 mm的加工效果最好。

圖13 超景深顯微鏡下試件1—8的表面微觀形貌

由以上分析可知試件5的疏水性最好，在超景深顯微鏡下觀察，其表面微觀形貌如圖14所示。可知：表面有明顯的圓形凹坑，深度最大為5.22 μm，平均凹坑半徑約為10.21 μm。當(dāng)液滴在其表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些微小凹坑會(huì)儲(chǔ)存空氣，支撐液滴，形成Cassie狀態(tài)。

圖14 試件5表面微觀形貌

對(duì)試件進(jìn)行10%濃度HCl溶液腐蝕實(shí)驗(yàn)，模擬原料分解產(chǎn)物HCl對(duì)2Cr13不銹鋼的腐蝕效果，每次滴落量為1 mL。圖15所示為未電化學(xué)加工試件與電化學(xué)加工試件經(jīng) HCl溶液腐蝕的對(duì)比。可知：經(jīng)過電化學(xué)加工的表面，在接觸HCl液滴時(shí)，接觸角明顯大于90°，與HCl接觸的面積更小。反應(yīng)一段時(shí)間后，去除表面HCl液滴，將試件放入乙醇溶液進(jìn)行超聲波清洗，并稱重對(duì)比。

圖15 HCl溶液腐蝕對(duì)比

測(cè)量結(jié)果如下：經(jīng)過電化學(xué)加工的試件的腐蝕量為0.007 g，而機(jī)加工試件的腐蝕量為0.012g。由此可知，在模具腐蝕工況下，經(jīng)過電化學(xué)表面改性的試件使用壽命更高。

3 結(jié)論

(1)擠出機(jī)模具在工作時(shí)，工作載荷會(huì)使模具產(chǎn)生拉伸彈性變形，模具成型腔部位的變形最嚴(yán)重。但是工作載荷對(duì)模具的徑向變形量影響較小，并非造成模具失效的主要因素。

(2)原料的分解腐蝕是造成模具表面磨損的主要因素。模具在使用過程中,因腐蝕而析出腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物會(huì)留在模具表面，并在原料的推動(dòng)下對(duì)模具表面造成劃傷。在設(shè)計(jì)、改進(jìn)、修復(fù)擠出模具時(shí)，應(yīng)主要考慮耐腐蝕性。

(3)通過電化學(xué)加工改變2Cr13金屬的表面形貌，制備圓形凹坑狀的疏水性涂層，可以有效提高模具的耐腐蝕性，進(jìn)而增加模具的使用壽命。