塑料模具失效与对策研究

屈　超，何　风，周林军（四川化工职业技术学院，四川　泸州　646005）

塑料模具失效与对策研究

屈超，何风，周林军
（四川化工职业技术学院，四川泸州646005）

通过对塑料模的服役条件及失效形式的研究，从材料选择、结构设计、机械加工、热处理及表面处理等方面，提出了延长塑料模具使用寿命的主要对策，对生产实际具有一定指导意义.

塑料模具;失效;使用寿命;对策

随着科技技术的进步和塑料工业的发展，越来越多的塑料制品应用而生，其用途不断扩大，广泛应用于办公设备、通信、汽车、仪器仪表、建材等行业.在日用品以及家用电器行业中，零部件趋于塑料化，全塑产品所占比例越来大[1].塑料模具是塑料制品成型的重要成型工艺装备.在使用过程中，常处于高温、冲击载荷和腐蚀工作状态，其表面性能、硬度和强度将随使用时间的延长而不断降低，致使产品质量达不到使用要求和模具失效.模具失效已成为塑料模具工业发展的瓶颈.据统计，塑料模具的修复成本为20%～30%[2].因此，分析塑料模具失效机理，制定相应的对策，对提高模具的使用寿命、降低模具成本、确保塑料制品的质量具有重要的意义.

1　塑料模的服役条件

按塑料产品原材料性能，塑料模分为热塑性塑料模和热固性塑料模两大类。工作过程中，热塑性塑料注射模承受的工作压力为20～45Mpa，工作温度在180℃以下；热固性塑料模具型腔承受的压力一般为160～200Mpa，工作温度为200～250℃[3].在生产塑料制品时，虽然模具受力不大，处于低应力状态，但模具每生产一个产品，就受一次循环应力，致使塑料模具处于交变循环应力状态.因此，塑料模的服役条件为高温、受压、交变应力.

2　塑料模具失效分析

高温、受压、交变应力等复杂的服役条件，将会导致塑料模具失效.其失效形式主要表现为表面磨损、腐蚀、断裂、变形等[3].

2.1表面磨损和腐蚀失效

表面磨损和腐蚀是塑料模具失效的主要形式，约占塑料模具失效的百分之四十至五十[3].在模具型腔内，熔融的塑料以一定速度和压力流动，经冷却、固化后的塑料产品从模具中脱出，致使模具型腔表面与塑料件之间产生摩擦，引起模具型腔表面磨损.塑料中含有诸如云母粉、硅砂、玻璃纤维、钛白粉等硬质固体填料将加剧磨损.一些含有氯、氟等成分的塑料在高温熔化后，容易分解释放出氯化氢、氟化氢等气体，这些气体具有较强的腐蚀性，将使模具型腔表面产生腐蚀[4].当磨损、腐蚀达到一定程度后将引起型腔尺寸超差、形状变化、表面粗糙度值增大，导致模具失效，从而造成塑料制品质量不合格.

2.2断裂失效

断裂失效在塑料模具失效形式中约占百分之三十到四十[3]，是危害最严重的失效形式.断裂可分为过载折断和疲劳断裂.当模具受到的载荷超过其所能承受的最大极限载荷时将出现过载折断；由于每生产一个产品，就受一次循环应力，塑料模具处于交变循环应力状态[2]，当循环次数达到了一定值后，在棱角和薄壁部位，受应力集中的影响，将产生微裂纹（裂纹源），随着时间推移，微裂纹会不断扩大，最终导致模具疲劳断裂.疲劳断口呈现出光滑区和粗糙区.裂纹源是疲劳产生的源头，光滑区呈水波纹状，以中心向四周扩散.粗糙区是裂纹尺寸达到一定程度后突然断裂的区域[3].

2.3塑性变形失效

收稿日期:2015-06-05

作者简介：屈超（1987-），男，四川达州人，四川化工职业技术学院化学工程系助教，硕士.研究方向：高分子材料加工教学与研究.

塑性变形失效在塑料模具失效形式中约占一到两成[3].模具在使用过程中，其型腔表面受压、受热以及型腔表面有效硬化层过薄可引起表面凹陷、皱纹、棱角堆塌及麻点等局部的塑性变形[3].大吨位设备上工作的小模具更容易产生超负荷塑性变形[4].当模具塑性变形超出了规定要求的尺寸范围时，将造成模具失效.

3　延长塑料模具寿命的对策

在一定的服役条件下,模具材料、结构、机加工质量和热处理是造成模具失效的关键因素，为此，主要从以下方面寻找延长塑料模具寿命的对策.

3.1合理选择模具材料

依据塑料模具服役条件下和失效形式，其材料应具有足够的强度、硬度和韧性；良好的耐蚀性和耐磨性；较高的耐热性和尺寸稳定性；良好的机械加工性能，热处理变形小；良好抛光性能[5].一般塑料模具常采用45钢正火或40Cr钢经调质处理制造.低耐热性热作塑料模具常用5CrMnMo，中耐热性热作塑料模具常用用4Cr5MoSiV，高耐热性热作塑料模具常选用3Cr2W8V，高负荷、腐蚀介质作用下的塑料模具和透明塑料制品塑料模具常选用2Cr13，制造承受在腐蚀环境条件下又要求高负荷、高耐磨的塑料模具选用9Cr18Mo[6].

3.2合理设计模具结构

模具服役条件比较复杂,要精确计算工作时的应力比较困难,通常凭借经验进行模具结构尺寸设计.合理的模具结构可降低应力集中及工作温度,从而改善模具的工作条件[7].设计阶梯分型面时，为了减少开合模时产生摩擦而烧伤分型面，应在平行于开合模方向的分型面上设计成带一定角度的斜面相互配合；设计动、定模成形垂直贴合面时，在动、定模垂直方向刚性贴合处带有一定角度的斜面或锥面，有利于合模时相互贴紧不易产生飞边，减少开合模时产生磨损；为避免因摩擦发热而烧伤滑动副，在保证有效配合长度的前提下，尽量减少滑动件的配合接触面；模具圆角应根据塑料制品合理确定，尽量避免出现截面连结处或过渡处的尖角，以降低应力集中，提高疲劳强度；公差选择不当、长径比过大、截面太薄等都会导致模具过早失效[7].

3.3合理制定机械加工工艺

热成型模具的机械加工主要包含车削加工、铣削、磨削加工、电脉冲强化加工等工序.机械加工质量将影响模具的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳破损能力和寿命.如模具表面的明显刃痕将引发早期裂纹，将加快疲劳断裂的产生；研磨模具型腔表面的工艺不合理,会产生磨削裂纹或磨削过烧,疲劳强度降低,易发生早期失效；电脉冲加工时易在模具表面形成“白亮层”,模具表面的脆性将增大,易造成早期失效；不恰当的表面粗糙度对模具寿命也有较大的影响[7].因此，通过优化模具零件的机械加工工艺、正确选择刀具几何角度、控制切削用量，将减少加工误差，有效确保模具的机械加工质量.

3.4合理选择热处理工艺

合理的热处理工艺是保证模具强度、硬度、塑性、韧性、热稳定性、耐磨性及抗氧化性等性能要求的重要措施.热处理工艺选择不合理、操作不规范等都将影响模具的使用性能及使用寿命。据统计，因热处理不当所造成的模具失效占52.3%[8].因此，必须合理地制定模具的热处理工艺.

热处理后开裂是模具失效中比较常见的现象。为避免模具开裂，必须进行去应力退火，以消除机加工后残余应力和热处理后残余热应力；控制热处理工艺防止过热和过烧现象；采取保护气氛中和真空炉加热模具，防止表面脱碳；形状复杂的塑料模具应严格控制双液淬火温度；小而复杂的模具零件可采用分级淬火；形状复杂、精度高的塑料模具可采用等温淬火[3].

3.5采用合理的表面工程技术

塑料模具的工作表面是其表面.据统计，塑料模具表面损伤占模具失效的80%以上[4]，因此，采用合理的表面工程技术对模具表面进行处理，改变其表层组织和化学成分，提高其表面硬度、耐磨性、耐蚀性和表面质量，能有效延长模具的使用寿命.表面覆层技术和化学热处理是最常用的表面处理方法.目前，较为先进的稀土表面技术和纳米表面技术，能进一步增加镀层的耐磨性、耐蚀性、韧性、硬度和自润性，将大大地改善模具的综合性能，延长模具使用寿命[4].

4　结语

塑料模具失效过程非常复杂，其影响因素众多.在生产实际中，应结合模具设计、制造及使用过程，具体问题具体分析，正确找出造成模具失效的主要因素，制定切实可行的对策，最大限度地提高模具的使用寿命.

[1]郭俊卿,渍霞塑.模具材料选用原则及应用[J].塑料工业，2007（6）:233-240.

[2]郭幼丹.基于失效抗力指标的塑料模具材料选择与应用系统[J].2007(10):78-81.

[3]袁柳杰.塑料模具失效机理及熔覆再制造技术研究[D].广西:广西工学院,2012:2-3.

[4]侯玉州,王乾,罗广思.新型塑料模具材料的发展及研究[J].轻工机械，2012（10）:108-110.

[5]张文玉,刘先兰.塑料模具专用钢的选择与应用[J].模具工业，2008（1）:61-65.

[6]郭幼丹.塑料模具失效与防治措施的研究[J].电加工与模具，2005（5）:46-49.

[7]傅建红.模具失效分析与对策[J].新余高专学报，2005 （2）:40-43.

[8]张培训,陈夫进.塑料模具材料的选用及发展概况[J].材料热处理技术，2010（4）:56-58.

责任编辑：张隆辉

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