塑料模具失效机理及熔覆再制造技术研究

王昭晨

摘要：本文介绍了塑料模具的种类、塑料模具钢、塑料模具的主要失效形式及常用的模具修复技术。研究了塑料模具冲蚀磨损失效的机理。优化了激光熔覆修复塑料模具的工艺参数。提出了几种基于再制造技术的模具结构设计的方法。

关键词：塑料模具；失效机理；熔覆再制造技术

1.塑料模具的主要失效形式

塑料模具随着现代工业的快速发展得到了广泛应用，导致模具失效问题越来越普遍，造成大量的模具报废，严重影响了塑料制品的质量，模具的失效已成为制约塑料模具行业使用和发展的重要问题。

（1）表面磨损和腐蚀

塑料熔化后塑料颗粒以一定压力和速度在模具型腔内流动，以及冷却凝固后的塑料制品从模腔内中脱出，这都会使塑料件和模具型腔表面产生摩擦，并且塑料中含有较硬的固体填料如硅砂、云母粉、钛白粉、玻璃纤维等，则使磨损更为剧烈。加之，一些塑料熔化后，其中含有氯、氟等成分的物质受热分解后会释放出氯化氢、氟化氢等腐蚀性气体，会使模具型腔表面产生腐蚀。这些因素的影响达到一定程度后就引起型腔表面粗糙度升高，最终导致模具尺寸超差而失效，从而造成塑料制品质量不合格。表面磨损和腐蚀约占总失效形式的四到五成。在压缩模中，塑料原料多以粉末状加入型腔，且多含有木粉等填料，它们在加热、加压熔融流动的过程中，对压缩模型腔的磨损也很严重，磨损导致模具型腔表面的粗糙度值增大。这类失效的修复一般用氩弧焊、激光、等离子熔覆等工艺后再进行表面修磨、抛光处理。熔覆层比较厚的一般采用加工中心加工，然后进行表面抛光处理。

（2）断裂

形状结构复杂的塑料模具会存在棱角和薄壁部位，这些部位会使应力集中。当该应力超出了材料的强度极限时就产生了微裂纹，随着集中应力的不断增加，微裂纹也会不断地扩大，最终导致模具断裂。断裂失效是常见的危害严重的失效形式，约占总失效形式的三到四成。分型面棱角的断裂就会造成塑料制品的飞边，对这类失效一般是用激光熔覆修复，然后进行打磨、抛光处理。

（3）变形

塑料模具在制造和使用过程中，由于模具材料本身承载能力不足以抵抗外加载荷，从而引起表面皱纹、凹陷、棱角堆塌、麻点等局部的塑性变形，超出了模具要求的尺寸范围，造成了模具失效，在失效比例中约占一到两成。局部的塑性变形一般都可以用氩弧焊、激光、等离子熔覆修复。

2.塑料模具失效机理及预防措施、修理方法

2.1 塑料模具表面磨损和腐蚀失效

表面磨损和腐蚀在失效形式中约占四到五成，是塑料模具失效的主要形式。塑料模具在使用过程中表面磨损和腐蚀使型腔表面粗糙度变大、模具尺寸超差，造成塑料制品质量不合格。模具的表面磨损和腐蚀其主要原因是模具在使用过程中其表面在高温腐蚀性塑料固体颗粒冲刷作用下，使模具表面产生氧化-冲蚀的失效现象。

2.2 塑料模具表面氧化-冲蚀的物理模型

（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-冲蚀磨损造成的，从而造成模具的失效。模具材料、表面氧化物、磨粒的性能及磨粒冲击角等是研究塑料模具表面磨损和腐蚀失效机理的重要内容。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则表现出脆性。因此，在研究模具表面磨损和腐蚀机理时，先要考虑模具表面氧化膜受到高温塑料粒子冲击的影响。研究显示，当塑料粒子冲击的能量不足以破坏模具表面的氧化膜所需的能量时，这时氧化膜起保护作用，氧化动力学决定了模具表面质量流失随时间变化的规律，且无冲蚀现象出现。当塑料粒子能量增加，塑料模具表面的氧化膜局部出现了断裂，此时，因氧化膜还有一定的保护作用，模具表面质量流失随时间变化曲线出现了不平滑的现象。当粒子速度持续增加，模具表面氧化膜又被消薄，这时，模具型腔表面受到的最大法向力将增大，型腔表面会出现塑性变形，从而出现了冲蚀现象。此时，模具表面的抗冲蚀能力的大小影响表面金属流失的速度，氧化过程的影响相对变小。如果此时模具表面氧化膜没发生断裂剥落，模具表面受到的冲击力会因氧化膜的存在而减少，此时模具表面质量流失反而下降了。

（2）塑脆流失模型

在低温状态下，模具型腔表面的氧化膜薄与基体结合牢固且具有韧性，当模具表面氧化膜在塑料粒子冲击下开始塑性变形，但并没有发生开裂或剥落现象，这样就产生了金属冲蚀，模具表面质量流失表现出塑性材料的特性。当氧化膜足够厚且与表面结合强度高的情况下，其冲蚀行为表现出脆性破坏特性。当表面氧化物膜足够厚，且在冲蚀下发生开裂但还没大片剥落情况下，这时高温塑料粒子会被压入塑料模具表面内，此时氧化膜下的金属会被挤压出氧化膜的裂缝，出现一层含有金属和氧化物的复合层，在这复合层上将发生冲蚀行为，产生氧化影响冲蚀。这时模具表面复合层的冲蚀行为表现出即是塑性又是脆性的，复合层的冲蚀行为的脆塑性表现与该层中的氧化物含量有关。如果氧化膜是脆性且与模具表面结合不牢固，就会产生剥落式和连续式两种氧化控制冲蚀情况。

对塑料模具表面氧化-冲蚀的研究显示，模具表面高温氧化-冲蚀现象存在四种机制，四种机制分别为冲蚀为主、氧化促进冲蚀、氧化抑制冲蚀和氧化为主的4种机制。当温度从环境温度升高到T1，这时是以冲蚀为主的区段，模具表面质量损失随温度的升高而增加，当温度从T1升高到T2，这个区段为氧化促进冲蚀，模具表面质量损失随温度的升高而增加。当表面氧化层温度升高到T2后的一个较窄的T2～T3温度区间，形成氧化抑制冲蚀区域，并起到抗冲蚀的作用。曲线在高温区段时塑料模具表层质量损失随温度升高再度升高。如果温度继续升高，氧化变得越来越严重而冲蚀作用相对降低，模具表层质量流失将上升。研究表明，温度高低、塑料粒子的冲击速度快慢和冲击角度的大小以及模具材料性能优劣直接影响塑料模具表面高温氧化-冲蚀程度。

3.再制造技术的概述

再制造技术是对局部损伤的零件采用先进的表面工程技术，通过再制造修复后继续使用，对已经损坏的部件进行整体更换处理。并针对不同的失效原因采取相应的修复措施使产品的使用寿命延长，挖掘废旧产品中的潜在附加值是再制造技术的宗旨。

再制造技术不仅仅是维修，它属于绿色制造，具有自身独立的学科方向。再制造技术的理论基础是产品的再制造性评价、失效分析和寿命预测。其内容包括：再制造性评价与设计、产品失效机理分析、产品剩余寿命评估、再制造加工技术。

塑料模具再制造技术的内容（1）在塑料模具的设计阶段，要考虑模具的再制造性设计；

（2）在塑料模具的服役至报废阶段，要考虑模具的全寿命周期信息跟踪；（3）在塑料模具的报废阶段，要考虑对模具的非破坏性拆解、低排放式物理清洗；（4）要进行塑料模具的失效分析及剩余寿命演变规律的探索；（5）要完成塑料模具失效部位的具有高结合强度和良好力学性能的表面覆层的设计，以及在修复后模具尺寸超差部位的机械加工及质量控制等。

在塑料模具设计阶段应考虑再制造性。型腔用于成型塑料制品外表面，其结构分为整体式、局部镶嵌式、大面积或四壁拼合的组合式。如图所示为整体式型腔结构。整体式型腔由整块材料加工而成，使用中刚性好，一般不会产生变形，生产的塑料制品表面质量好，无拼接线。但整体式型腔结构加工困难、热处理不便、特别是维修困难，因此只适用于形状简单的中小型模具。

斜面对合导向结构。使用导柱、导套导向，虽然对中性好，但毕竟由于导柱和导套之间有配合间隙，导向精度相对难以达到极高的标准，因此有采用直接在模板上开设出定位斜面或者采用斜面定位镶块，并在定位斜面上镶嵌上耐磨的淬火镶块。这样就能提高使用寿命，不需要经常拆卸更换，且便于调节精度。

4.参考文献

[1] 肖文军，等.我国塑料模具钢发展前景及应用状况[J].南方金属，2006，（149）：2

[2] 江健.浅析注塑模具的发展[J].广西轻工业，2011，（3）：1～2

[3] 赵蓓蓓.初探塑料模具材料现状及发展方向[J].科技资讯，2009，（34）：1～2