塑料模具失效機理及熔覆再制造技術研究

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技術。研究了塑料模具沖蝕磨損失效的機理。優化了激光熔覆修復塑料模具的工藝參數。提出了幾種基于再制造技術的模具結構設計的方法。

關鍵詞：塑料模具；失效機理；熔覆再制造技術

1.塑料模具的主要失效形式

塑料模具隨著現代工業的快速發展得到了廣泛應用，導致模具失效問題越來越普遍，造成大量的模具報廢，嚴重影響了塑料制品的質量，模具的失效已成為制約塑料模具行業使用和發展的重要問題。

（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流動，以及冷卻凝固后的塑料制品從模腔內中脫出，這都會使塑料件和模具型腔表面產生摩擦，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、氟等成分的物質受熱分解后會釋放出氯化氫、氟化氫等腐蝕性氣體，會使模具型腔表面產生腐蝕。這些因素的影響達到一定程度后就引起型腔表面粗糙度升高，最終導致模具尺寸超差而失效，從而造成塑料制品質量不合格。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，它們在加熱、加壓熔融流動的過程中，對壓縮模型腔的磨損也很嚴重，磨損導致模具型腔表面的粗糙度值增大。這類失效的修復一般用氬弧焊、激光、等離子熔覆等工藝后再進行表面修磨、拋光處理。熔覆層比較厚的一般采用加工中心加工，然后進行表面拋光處理。

（2）斷裂

形狀結構復雜的塑料模具會存在棱角和薄壁部位，這些部位會使應力集中。當該應力超出了材料的強度極限時就產生了微裂紋，隨著集中應力的不斷增加，微裂紋也會不斷地擴大，最終導致模具斷裂。斷裂失效是常見的危害嚴重的失效形式，約占總失效形式的三到四成。分型面棱角的斷裂就會造成塑料制品的飛邊，對這類失效一般是用激光熔覆修復，然后進行打磨、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。

2.塑料模具失效機理及預防措施、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，使模具表面產生氧化-沖蝕的失效現象。

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理的重要內容。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出脆性。因此，在研究模具表面磨損和腐蝕機理時，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，這時氧化膜起保護作用，氧化動力學決定了模具表面質量流失隨時間變化的規律，且無沖蝕現象出現。當塑料粒子能量增加，塑料模具表面的氧化膜局部出現了斷裂，此時，因氧化膜還有一定的保護作用，模具表面質量流失隨時間變化曲線出現了不平滑的現象。當粒子速度持續增加，模具表面氧化膜又被消薄，這時，模具型腔表面受到的最大法向力將增大，型腔表面會出現塑性變形，從而出現了沖蝕現象。此時，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變小。如果此時模具表面氧化膜沒發生斷裂剝落，模具表面受到的沖擊力會因氧化膜的存在而減少，此時模具表面質量流失反而下降了。

（2）塑脆流失模型

在低溫狀態下，模具型腔表面的氧化膜薄與基體結合牢固且具有韌性，當模具表面氧化膜在塑料粒子沖擊下開始塑性變形，但并沒有發生開裂或剝落現象，這樣就產生了金屬沖蝕，模具表面質量流失表現出塑性材料的特性。當氧化膜足夠厚且與表面結合強度高的情況下，其沖蝕行為表現出脆性破壞特性。當表面氧化物膜足夠厚，且在沖蝕下發生開裂但還沒大片剝落情況下，這時高溫塑料粒子會被壓入塑料模具表面內，此時氧化膜下的金屬會被擠壓出氧化膜的裂縫，出現一層含有金屬和氧化物的復合層，在這復合層上將發生沖蝕行為，產生氧化影響沖蝕。這時模具表面復合層的沖蝕行為表現出即是塑性又是脆性的，復合層的沖蝕行為的脆塑性表現與該層中的氧化物含量有關。如果氧化膜是脆性且與模具表面結合不牢固，就會產生剝落式和連續式兩種氧化控制沖蝕情況。

對塑料模具表面氧化-沖蝕的研究顯示，模具表面高溫氧化-沖蝕現象存在四種機制，四種機制分別為沖蝕為主、氧化促進沖蝕、氧化抑制沖蝕和氧化為主的4種機制。當溫度從環境溫度升高到T1，這時是以沖蝕為主的區段，模具表面質量損失隨溫度的升高而增加，當溫度從T1升高到T2，這個區段為氧化促進沖蝕，模具表面質量損失隨溫度的升高而增加。當表面氧化層溫度升高到T2后的一個較窄的T2～T3溫度區間，形成氧化抑制沖蝕區域，并起到抗沖蝕的作用。曲線在高溫區段時塑料模具表層質量損失隨溫度升高再度升高。如果溫度繼續升高，氧化變得越來越嚴重而沖蝕作用相對降低，模具表層質量流失將上升。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.再制造技術的概述

再制造技術是對局部損傷的零件采用先進的表面工程技術，通過再制造修復后繼續使用，對已經損壞的部件進行整體更換處理。并針對不同的失效原因采取相應的修復措施使產品的使用壽命延長，挖掘廢舊產品中的潛在附加值是再制造技術的宗旨。

再制造技術不僅僅是維修，它屬于綠色制造，具有自身獨立的學科方向。再制造技術的理論基礎是產品的再制造性評價、失效分析和壽命預測。其內容包括：再制造性評價與設計、產品失效機理分析、產品剩余壽命評估、再制造加工技術。

塑料模具再制造技術的內容（1）在塑料模具的設計階段，要考慮模具的再制造性設計；

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

在塑料模具設計階段應考慮再制造性。型腔用于成型塑料制品外表面，其結構分為整體式、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構。整體式型腔由整塊材料加工而成，使用中剛性好，一般不會產生變形，生產的塑料制品表面質量好，無拼接線。但整體式型腔結構加工困難、熱處理不便、特別是維修困難，因此只適用于形狀簡單的中小型模具。

斜面對合導向結構。使用導柱、導套導向，雖然對中性好，但畢竟由于導柱和導套之間有配合間隙，導向精度相對難以達到極高的標準，因此有采用直接在模板上開設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，不需要經常拆卸更換，且便于調節精度。

4.參考文獻

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