塑料模具失效與對策研究

屈　超，何　風(fēng)，周林軍（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川　瀘州　646005）

塑料模具失效與對策研究

屈超，何風(fēng)，周林軍
（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州646005）

通過對塑料模的服役條件及失效形式的研究，從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械加工、熱處理及表面處理等方面，提出了延長塑料模具使用壽命的主要對策，對生產(chǎn)實際具有一定指導(dǎo)意義.

塑料模具;失效;使用壽命;對策

隨著科技技術(shù)的進(jìn)步和塑料工業(yè)的發(fā)展，越來越多的塑料制品應(yīng)用而生，其用途不斷擴(kuò)大，廣泛應(yīng)用于辦公設(shè)備、通信、汽車、儀器儀表、建材等行業(yè).在日用品以及家用電器行業(yè)中，零部件趨于塑料化，全塑產(chǎn)品所占比例越來大[1].塑料模具是塑料制品成型的重要成型工藝裝備.在使用過程中，常處于高溫、沖擊載荷和腐蝕工作狀態(tài)，其表面性能、硬度和強(qiáng)度將隨使用時間的延長而不斷降低，致使產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到使用要求和模具失效.模具失效已成為塑料模具工業(yè)發(fā)展的瓶頸.據(jù)統(tǒng)計，塑料模具的修復(fù)成本為20%～30%[2].因此，分析塑料模具失效機(jī)理，制定相應(yīng)的對策，對提高模具的使用壽命、降低模具成本、確保塑料制品的質(zhì)量具有重要的意義.

1　塑料模的服役條件

按塑料產(chǎn)品原材料性能，塑料模分為熱塑性塑料模和熱固性塑料模兩大類。工作過程中，熱塑性塑料注射模承受的工作壓力為20～45Mpa，工作溫度在180℃以下；熱固性塑料模具型腔承受的壓力一般為160～200Mpa，工作溫度為200～250℃[3].在生產(chǎn)塑料制品時，雖然模具受力不大，處于低應(yīng)力狀態(tài)，但模具每生產(chǎn)一個產(chǎn)品，就受一次循環(huán)應(yīng)力，致使塑料模具處于交變循環(huán)應(yīng)力狀態(tài).因此，塑料模的服役條件為高溫、受壓、交變應(yīng)力.

2　塑料模具失效分析

高溫、受壓、交變應(yīng)力等復(fù)雜的服役條件，將會導(dǎo)致塑料模具失效.其失效形式主要表現(xiàn)為表面磨損、腐蝕、斷裂、變形等[3].

2.1表面磨損和腐蝕失效

表面磨損和腐蝕是塑料模具失效的主要形式，約占塑料模具失效的百分之四十至五十[3].在模具型腔內(nèi)，熔融的塑料以一定速度和壓力流動，經(jīng)冷卻、固化后的塑料產(chǎn)品從模具中脫出，致使模具型腔表面與塑料件之間產(chǎn)生摩擦，引起模具型腔表面磨損.塑料中含有諸如云母粉、硅砂、玻璃纖維、鈦白粉等硬質(zhì)固體填料將加劇磨損.一些含有氯、氟等成分的塑料在高溫熔化后，容易分解釋放出氯化氫、氟化氫等氣體，這些氣體具有較強(qiáng)的腐蝕性，將使模具型腔表面產(chǎn)生腐蝕[4].當(dāng)磨損、腐蝕達(dá)到一定程度后將引起型腔尺寸超差、形狀變化、表面粗糙度值增大，導(dǎo)致模具失效，從而造成塑料制品質(zhì)量不合格.

2.2斷裂失效

斷裂失效在塑料模具失效形式中約占百分之三十到四十[3]，是危害最嚴(yán)重的失效形式.斷裂可分為過載折斷和疲勞斷裂.當(dāng)模具受到的載荷超過其所能承受的最大極限載荷時將出現(xiàn)過載折斷；由于每生產(chǎn)一個產(chǎn)品，就受一次循環(huán)應(yīng)力，塑料模具處于交變循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)[2]，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到了一定值后，在棱角和薄壁部位，受應(yīng)力集中的影響，將產(chǎn)生微裂紋（裂紋源），隨著時間推移，微裂紋會不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致模具疲勞斷裂.疲勞斷口呈現(xiàn)出光滑區(qū)和粗糙區(qū).裂紋源是疲勞產(chǎn)生的源頭，光滑區(qū)呈水波紋狀，以中心向四周擴(kuò)散.粗糙區(qū)是裂紋尺寸達(dá)到一定程度后突然斷裂的區(qū)域[3].

2.3塑性變形失效

收稿日期:2015-06-05

作者簡介：屈超（1987-），男，四川達(dá)州人，四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系助教，碩士.研究方向：高分子材料加工教學(xué)與研究.

塑性變形失效在塑料模具失效形式中約占一到兩成[3].模具在使用過程中，其型腔表面受壓、受熱以及型腔表面有效硬化層過薄可引起表面凹陷、皺紋、棱角堆塌及麻點(diǎn)等局部的塑性變形[3].大噸位設(shè)備上工作的小模具更容易產(chǎn)生超負(fù)荷塑性變形[4].當(dāng)模具塑性變形超出了規(guī)定要求的尺寸范圍時，將造成模具失效.

3　延長塑料模具壽命的對策

在一定的服役條件下,模具材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)加工質(zhì)量和熱處理是造成模具失效的關(guān)鍵因素，為此，主要從以下方面尋找延長塑料模具壽命的對策.

3.1合理選擇模具材料

依據(jù)塑料模具服役條件下和失效形式，其材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、硬度和韌性；良好的耐蝕性和耐磨性；較高的耐熱性和尺寸穩(wěn)定性；良好的機(jī)械加工性能，熱處理變形小；良好拋光性能[5].一般塑料模具常采用45鋼正火或40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理制造.低耐熱性熱作塑料模具常用5CrMnMo，中耐熱性熱作塑料模具常用用4Cr5MoSiV，高耐熱性熱作塑料模具常選用3Cr2W8V，高負(fù)荷、腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具和透明塑料制品塑料模具常選用2Cr13，制造承受在腐蝕環(huán)境條件下又要求高負(fù)荷、高耐磨的塑料模具選用9Cr18Mo[6].

3.2合理設(shè)計模具結(jié)構(gòu)

模具服役條件比較復(fù)雜,要精確計算工作時的應(yīng)力比較困難,通常憑借經(jīng)驗進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計.合理的模具結(jié)構(gòu)可降低應(yīng)力集中及工作溫度,從而改善模具的工作條件[7].設(shè)計階梯分型面時，為了減少開合模時產(chǎn)生摩擦而燒傷分型面，應(yīng)在平行于開合模方向的分型面上設(shè)計成帶一定角度的斜面相互配合；設(shè)計動、定模成形垂直貼合面時，在動、定模垂直方向剛性貼合處帶有一定角度的斜面或錐面，有利于合模時相互貼緊不易產(chǎn)生飛邊，減少開合模時產(chǎn)生磨損；為避免因摩擦發(fā)熱而燒傷滑動副，在保證有效配合長度的前提下，盡量減少滑動件的配合接觸面；模具圓角應(yīng)根據(jù)塑料制品合理確定，盡量避免出現(xiàn)截面連結(jié)處或過渡處的尖角，以降低應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度；公差選擇不當(dāng)、長徑比過大、截面太薄等都會導(dǎo)致模具過早失效[7].

3.3合理制定機(jī)械加工工藝

熱成型模具的機(jī)械加工主要包含車削加工、銑削、磨削加工、電脈沖強(qiáng)化加工等工序.機(jī)械加工質(zhì)量將影響模具的耐磨性、耐蝕性、抗疲勞破損能力和壽命.如模具表面的明顯刃痕將引發(fā)早期裂紋，將加快疲勞斷裂的產(chǎn)生；研磨模具型腔表面的工藝不合理,會產(chǎn)生磨削裂紋或磨削過燒,疲勞強(qiáng)度降低,易發(fā)生早期失效；電脈沖加工時易在模具表面形成“白亮層”,模具表面的脆性將增大,易造成早期失效；不恰當(dāng)?shù)谋砻娲植诙葘δ＞邏勖灿休^大的影響[7].因此，通過優(yōu)化模具零件的機(jī)械加工工藝、正確選擇刀具幾何角度、控制切削用量，將減少加工誤差，有效確保模具的機(jī)械加工質(zhì)量.

3.4合理選擇熱處理工藝

合理的熱處理工藝是保證模具強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、熱穩(wěn)定性、耐磨性及抗氧化性等性能要求的重要措施.熱處理工藝選擇不合理、操作不規(guī)范等都將影響模具的使用性能及使用壽命。據(jù)統(tǒng)計，因熱處理不當(dāng)所造成的模具失效占52.3%[8].因此，必須合理地制定模具的熱處理工藝.

熱處理后開裂是模具失效中比較常見的現(xiàn)象。為避免模具開裂，必須進(jìn)行去應(yīng)力退火，以消除機(jī)加工后殘余應(yīng)力和熱處理后殘余熱應(yīng)力；控制熱處理工藝防止過熱和過燒現(xiàn)象；采取保護(hù)氣氛中和真空爐加熱模具，防止表面脫碳；形狀復(fù)雜的塑料模具應(yīng)嚴(yán)格控制雙液淬火溫度；小而復(fù)雜的模具零件可采用分級淬火；形狀復(fù)雜、精度高的塑料模具可采用等溫淬火[3].

3.5采用合理的表面工程技術(shù)

塑料模具的工作表面是其表面.據(jù)統(tǒng)計，塑料模具表面損傷占模具失效的80%以上[4]，因此，采用合理的表面工程技術(shù)對模具表面進(jìn)行處理，改變其表層組織和化學(xué)成分，提高其表面硬度、耐磨性、耐蝕性和表面質(zhì)量，能有效延長模具的使用壽命.表面覆層技術(shù)和化學(xué)熱處理是最常用的表面處理方法.目前，較為先進(jìn)的稀土表面技術(shù)和納米表面技術(shù)，能進(jìn)一步增加鍍層的耐磨性、耐蝕性、韌性、硬度和自潤性，將大大地改善模具的綜合性能，延長模具使用壽命[4].

4　結(jié)語

塑料模具失效過程非常復(fù)雜，其影響因素眾多.在生產(chǎn)實際中，應(yīng)結(jié)合模具設(shè)計、制造及使用過程，具體問題具體分析，正確找出造成模具失效的主要因素，制定切實可行的對策，最大限度地提高模具的使用壽命.

[1]郭俊卿,漬霞塑.模具材料選用原則及應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2007（6）:233-240.

[2]郭幼丹.基于失效抗力指標(biāo)的塑料模具材料選擇與應(yīng)用系統(tǒng)[J].2007(10):78-81.

[3]袁柳杰.塑料模具失效機(jī)理及熔覆再制造技術(shù)研究[D].廣西:廣西工學(xué)院,2012:2-3.

[4]侯玉州,王乾,羅廣思.新型塑料模具材料的發(fā)展及研究[J].輕工機(jī)械，2012（10）:108-110.

[5]張文玉,劉先蘭.塑料模具專用鋼的選擇與應(yīng)用[J].模具工業(yè)，2008（1）:61-65.

[6]郭幼丹.塑料模具失效與防治措施的研究[J].電加工與模具，2005（5）:46-49.

[7]傅建紅.模具失效分析與對策[J].新余高專學(xué)報，2005 （2）:40-43.

[8]張培訓(xùn),陳夫進(jìn).塑料模具材料的選用及發(fā)展概況[J].材料熱處理技術(shù)，2010（4）:56-58.

責(zé)任編輯：張隆輝

St udyonFai l ure andCount erm easure of Pl ast i c M oul d

QuChao,heFeng,ZhouLinjun
（SichuanVocationalCollegeofChemicalIndustry,LuzhouSichuan646005）

Through the research of the service condition and failure mode of plastic,the main countermeasures to prolong the service life of the plastic mould are put forward from the aspects of materialselection,mechanismdesign,mechanicalprocessing,heattreatmentandsurfacetreatment.

plasticmold;failure;servicelife;Countermeasures

TG 455

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1672-2094（2015）04-0153-03