塑料模具的失效形式及其修复技术研究

1. 塑料模具的失效形式

由于长期服役在高温、高压、高应力、磨损、疲劳和腐蚀的工况条件下，塑料模具不可避免地会产生失效。塑料模具的失效主要表现在尺寸、形状和功能等方面，其基本的失效形式为：表面磨损，断裂和变形。

（1）表面磨损。由于塑料成型材料对模具表面的严重摩擦、强腐蚀性气体的腐蚀以及塑料中含有的云母粉、硅砂、玻璃纤维等固体无机硬质材料的高强度磨擦，引起塑料模具型腔表面的粗糙度增大，型腔尺寸超差，达到一定程度后就会造成塑料模具失效，在失效比例中占40%-50%。表面磨损造成的塑料模具失效在各种失效形式中比例较大。

（2）断裂。塑料制品成型模具形状复杂，存在许多棱角，薄壁等部位，在这些部位会产生严重的应力集中，当应力集中超过材料的强度极限，产生微裂纹；随着应力的增加，裂纹不断扩展，扩展到一定的程度就会发生断裂失效。断裂失效是一种危害性较大的快速失效形式，在失效比例中占30%-40%。

（3）变形。当塑料模具（特别是小型塑料模具）用在大吨位压力机上使用时，由于超载、循环受热、周期受压，应力分布极不均匀，以及模具型腔表面的硬化层过薄、变形抗力不足等原因，塑料模具会产生局部的塑性变形而引起表面皱纹、凹陷、麻点、棱角堆塌，超出要求的尺寸范围造成模具失效，在失效比例中占10%-20%。塑料模具的失效不仅影响产品的质量而且增加生产成本，频繁更换模具更会导致生产量下降，给企业带来巨大的经济损失。另一方面，由于塑料模具的种类多，标准件少，制造周期长，加工费用高（尤其是精密复杂模具或大型模具制造加工费高达数十万元乃至数百万元），企业常因塑料模具的失效减产或停产。因此，需要采用各种先进技术对失效的塑料模具进行快速、精密修复，大幅度延长、提高模具的使用寿命。

2. 塑料模具的修复技术

目前，国内外塑料模具主要的修复技术有：

（1）喷涂。主要采用火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速喷涂等将粉末状、丝状的金属或非金属材料加热熔化形成熔滴，并以一定速度射向预处理过的基体表面，形成具有一定结合强度的涂层来修复模具。用于塑料模具的精密修复中多是火焰喷涂、等离子喷涂。喷涂工艺过程简单易于操作，被喷涂物体的尺寸、大小和形状不受限制；既可对大型模具进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；镀覆层厚度在0.1-2.nm之间，方便可调。但涂层与基体结合方式为机械结合，涂层易于剥落，而且有些喷涂的设备复杂，工艺条件要求高，不易操作。

（2）电刷镀。常温和无槽条件下，在工件局部表面快速电化学沉积一种金属或合金的一门新技术，已经被广泛应用于各工业部门，并取得了显著的经济效益。刷镀具有设备简单、工艺简单、操作灵活、沉积速度快、镀层粗糙度低、镀层硬度与耐蚀性高等优点，成功地修复了风扇叶模具。但电刷镀的镀液易产生污染，电源价格较高，劳动强度大，修复成本高。

（3）堆焊。其原理是将填充金属焊接在模具损坏处的表面上，以便得到所要求的性能和规格。按工艺方法分为电弧堆焊和火花堆焊。电弧堆焊是采用极间低电压大电流持续供电所产生的电弧将金属熔化后进行焊接的一种方法，它是现代工业生产的一项重要加工工艺，具有省金属材料，减轻劳动强度，以及保持良好的水密、气密的特点。电火花堆焊是利用电火花放电的高能量电能把电击棒（补材）的各种材料瞬间无热量输入的情况下，熔渗进金属模具表面。堆焊技术在传统上多是手工焊，也能够成功地修复塑料模具。文献报道其成功修复了Cr12、er12Mov塑料模具。

随着塑料模具向小型、超大型、精密、复杂、多样化等方向的发展，传统修复塑料模具技术由于技术本身的限制已不能满足要求，其不足主要体现在：①不易实现自动化，工作效率低；

②热量输入大，模具的热影响区大，易变形，甚至开裂、剥落；

③涂层稀释率大，基体与涂层的性能低；

④基体和涂层材料非冶金结合，使用寿命短；

⑤不适于精密地修复小型塑料模具、局部受损模具和精密度要求高的塑料模具。

因此，为了能够满足塑料模具的发展和修复失效模具技术的要求，需要一种热影响小、稀释率低、基体与涂层结合强度高、能修复尺寸精度要求高且能够实现自动化的精密修复技术。

3. 塑料模具的精密修复

塑料模具的发展趋势是小型化、精密化、复杂化，其失效的尺寸己是毫米级、微米级，需要精密的修复技术。目前可采用的是激光焊接修复技术。激光焊接修复是利用激光焊接原理，以激光高能量集中定点的焊接技术，有效地进行微小部分的焊接及修补工作，弥补了传统氨气烧焊、冷焊技术在修补焊接精细表面的不足之处。焊接修复无需预热，无咬边，快捷精密；焊后无沙眼、气孔，粘接强度高，冶金结合不容易脱落虽然激光焊接修复技术能够精密地修复尺寸精度要求高的失效塑料模具，然而其焊丝成分、尺寸固定，一方面不能针对失效模具的材料、组织以及失效形式进行合理设计，另一方面修复层中存在的缺陷较多，限制了激光焊接技术在精密修复塑料模具中的广泛应用，故不常用

4. 激光熔覆精密修复技术

激光熔覆技术是近几年发展起来的新工艺，已经广泛地应用于金属材料的表面强化、新材料的制备以及材料的修复。由于熔覆层的材料、性能均可根据实际失效形式进行调整，熔覆层厚度在可调。实际生产中可以根据原模具材料和性能的要求，较易匹配材料和性能，且工艺过程简单易操作。因此近年来国内外在塑料模具修复方面，对该技术进行了深入广泛的研究并取得了丰硕的成果，这种工艺方法也日趋成熟。熔覆的特点是能将两种或两种以上的不同材料结合到一起，来充分发挥各自的性能。激光熔覆技术可分为预置法激光熔覆和同步送粉法激光熔覆。预置法激光熔覆的原理为：采用适当的方法在需要处理的零部件表面预置一层能满足使用要求的特殊粉末，然后用高能激光束对涂层进行快速扫描处理，预置粉末在瞬间熔化并凝固，同时基体金属也随之熔化薄薄的一层，二者之间的界面在很小的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，同时形成牢固的冶金结合。同步送粉法激光熔覆的原理为：用高功率激光束以恒定功率与热粉流同时入射到模具表面上，一部分入射光被反射，一部分光被吸收，瞬间被吸收的能量超过临界值后，金属熔化产生熔池。然后，快速凝固使得粉末材料与基体形成冶金结合的覆层。预置粉末法由于粉末间有空隙，不利于激光热传导，并且容易形成裂纹、气孔，影响涂层与基体的冶金结合。同步送粉末法是粉末由保护气体带入激光束中，激光直接照射粉末和基体，两者共同熔化形成冶金结合。这种方法所需的激光能量低于预置粉末法，且涂层与基体冶金结合出现的缺陷几率小。无接触型处理、无污染，能实现自动化、洁净化与柔性加工。激光熔覆修复是一种无接触点的修复方法，借助于适宜反转的反射镜，可使激光光束指向工件的任何位置。原则上，只要是光束可以到达的地方，特别是内表面的局部（如：盲孔的内壁或底部，工件的拐角、复杂的沟槽、深孔或齿轮牙等），都可以进行处理。正因为具有上述技术上的优势，激光熔覆修复技术弥补了传统塑料模具修复技术与激光焊接修复技术的缺陷，顺应了精密修复塑料模具的要求，为塑料模具的精密修复提供了强大的技术支持，必将得到很大的发展。

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