對塑料水杯模具的設計與熱處理畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 蝕 氧化破化程度又有一定的下降。如果塑料模具表面氧化膜的耐沖蝕能力不如塑料模具表面材料，它將在粒子沖擊下和塑料模具表面材料一起流失。而且，隨著溫度的升高，塑料模具表面的氧化率增加很快，流失率也隨著增加。也就是說，在一特征溫度下，沖蝕 — 腐蝕率中氧化皮造成的流失大于塑料模具表面金屬造成的流失量時 , 沖蝕在塑料模 具表面材料流失機制中占主導地位。但達到臨界溫度值后，氧化皮在粒子沖擊間隔時間內變得更厚，且與塑料模具表面材料的結合強度更高，足以抵抗隨后的磨粒沖擊，這時材料的沖蝕腐蝕率會逐漸下降，而使其流失機制轉入“腐蝕為主”的范圍 ②沖擊速度的影響 沖擊速度大表明磨粒對塑料模具表面沖擊的能量大、時間短，這對高溫環境中塑料模具表面的氧化皮生長和破壞產生明顯的影響。試驗表明，相同的磨粒流量在不同的沖擊速度下沖蝕同種塑料模具表面，雖然沖蝕率隨環境溫度的變化仍顯示出最大沖蝕的臨界溫度規律，但最大沖蝕率及其對應的溫度值將隨粒子速 度的增大而明顯增加。 ③塑料模具材料的影響 塑料模具材料的性能主要是指材料自身的抗氧化和耐腐蝕性能，研究結果表明，塑料模具表面材料流失與溫度關系曲線，將隨它們的抗氧化能力或鉻含量的增加而向高溫方向移動，因為鉻鋼在含氧氣氛中會生成 Cr2O3，塑料模具在沖蝕條件下，塑料模具表層金屬流失后又會生成新的 Cr2O3 層，而且含鉻越高，越容易生成這種保護層，這種保護層對塑料模具表面起較好的保護作用。 此外塑料粒子的沖擊角、塑料粒子性能也是影響塑料模具表面高溫沖蝕 氧化現象的重要因素。 提高塑料模具表 面抗高溫沖蝕方法 從上面的研究分析可以看出，造成塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度破壞的主要因素是塑料模具在使用中產生高溫沖蝕 — 氧化現象，而且這一現象又是不可避免的因此，如何降低高溫沖蝕 — 氧化對塑料模具的影響、降低其對塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度的破壞，是延長塑料模具使用壽命、提高生產產品質量的重要課題，為此得出以下結論供參考。 (1)合理選擇制造塑料模具的材料。不同的塑料模具材料具有不同的使用環境 , 特別是溫度環境的不同 , 塑料模具表面產生沖蝕 — 氧化的情況也完全不同。以5CrMnMo、 4Cr5MoSiV 和 3Cr2W8V 三種塑料模具鋼為例，它們的抗沖蝕 — 氧化能力逐次提高，分別可作低耐熱性熱作塑料模具鋼、中耐熱性熱作塑料模具鋼和高耐熱性熱作塑料模具鋼。而 2Cr13 屬于馬氏體類型鋼，機械加工性能較好，經熱處理后耐腐蝕性能較好，適宜制造承受高負荷并在腐蝕作用下的塑料模具和透明塑料制品塑料模具； 9Cr18Mo 則是一種高碳高鉻馬氏體不銹鋼，它具有更高的硬度、耐磨性、抗回火穩定性和耐腐蝕性能以及較好的高溫尺寸溫度性，適宜制造承受在腐蝕環境條件下又要求高負荷、高耐磨的塑料模具。 (2)改變塑料模具材料的合金成分。 從塑料模具表面材料流失的情況可以看出，提高鉻含量，也能較好的提高塑料模具表面抗沖蝕 — 氧化的能力。在塑料模具材料中加入和氧親和力大的合金元素如 Cr，實現優先氧化，在塑料模具表面生成薄而致密的氧化膜。隨著鉻含量的增加，塑料模具表面材料流失向高溫方向移動，塑料模具表面抗氧化和腐蝕性能性能提高。當鋼中的 Cr 達 18%以上時，鉻鋼在含氧氣氛中會生成完整的 Cr2O3 膜，塑料模具表面發生沖蝕時，塑料模具表層金屬流失后又會生成新的 Cr2O3 層，而且含鉻越高，越容易生成這種保護層，這種保護層對塑料模具表面能起較好的保護作用。 通過加入 Cr，塑料模具表面生成尖晶石結構的氧化膜，由于尖晶石具有復雜致密的結構，粒子在這種膜中的移動速度緩慢，移動所需的激活能增大，因此顯示出優異的抗氧化性能。在塑料模具材料中加入稀土元素，增強氧化膜與塑料模具表面材料的附著力，也能提高抗高溫氧化的能力。此外，還可以在塑料模具材料中加入不同的合金元素，控制氧化膜中的晶格缺陷，減少氧化膜的晶格缺陷濃度，降低離子的擴散速度，達到提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 — 氧化的能力。 (3)對塑料模具表面進行合理的處理。進行表面熱處理、表面化學熱處理和高能量密度表面處理等技術 ，使塑料模具材料既具有高硬度又使材料中的碳化物等硬化相的組成、形貌和分布合理，提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 — 氧化能力，也能較好的保證塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度。 （ 4）對塑料模具材料進行表面處理。根據表面工程理論，對塑料模具表面進行冶金、粘涂和表面薄膜層技術，改善塑料模具表面性能，提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 — 氧化能力，保證塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度，提高塑料模具的使用壽命和生產產品的質量。 （ 5）采取合理的生產工藝和工藝參數。在使用塑料模具生產產品時，采取合理的生產工藝和工藝參數，特別 是控制溫度、塑料粒子的流動速度等，也可以較好的減少和降低塑料模具使用時沖蝕 — 氧化現象對塑料模具表面的破壞。 塑料模表面桔皮和麻坑現象 塑料模表面常見的缺陷是桔皮和麻坑。這些缺陷一般發生在表面要求高度拋光的塑料模具上，特別是采用較大壓力的機械拋光時更是如此 [7]。 桔皮是塑料模具表面出現的一種微小塑性的變形，是塑料模具由于被拉伸到超過其屈服點時，產生了永久塑性變形。 但在遇到桔皮表面或麻坑時，一般都認為是鋼材的材料不好，然而大多數情況并不是鋼材的情況造成的。如果是鋼材有問題，那可能是因為鋼材的組織結構 特殊或者因為含有夾雜物，則桔皮和麻坑會出現在塑料模具的任意位置上，而不是整個模具的表面。但現桔皮和麻坑一般都是比較廣泛地分布在整個塑料模具的表面，而這就是過分拋光所造成的結果。 原因分析 （ 1）過度拋光引起的表面缺陷 要了解過分拋光的受力情況，必須先要弄清楚鋼材應力與應變的關系。當鋼材所受的應力低于其屈服點位置時，鋼材處于彈性變形階段，當應力去除后，它將恢復到原來的形狀。如應力在屈服點和極限強度之間位置時，就會發生永久的塑性變形階段。而鋼材的屈服點取決于鋼材的硬度，鋼材越硬，其屈服點越高。當鋼材 所承受的應力超過其極限強度值位置時，鋼材就會出現斷裂。在塑料模具的拋光過程中，當模具表面所受的應力低于其屈服點，模具處于彈性變形階段，不會發生永久的塑性變形，而是在模具表面由于拋光力的影響產生殘余應力；當施加在模具表面上拋光應力強過了鋼材的屈服點，由于鋼材永久塑性變形的出現，會引起模具表面產生桔皮，出現桔皮后拋光機對模具自然需要施加更大的壓力，然而這樣做，則超過了鋼材表面的極限強度，小的顆粒或者微塊雖然除掉了，但是留下了小點狀的凹坑即麻坑。 （ 2）過熱引起的表面缺陷 在熱處理過程中由于熱處理溫度過高而發生過 熱時，高合金鋼將處于混雜有馬氏體與奧氏體的混合結構，這樣使模具表面的硬度不一致（奧氏體比馬氏體軟一些），因此較軟的奧氏體組成物比較硬的馬氏體組成物更快變形和被磨削掉。當拋光時用了較大壓力時，塑料模具表面將很容易產生桔皮和麻坑。 （ 3）過分滲碳引起的表面缺陷 在塑料模具滲碳的過程中，鋼材表面吸附了碳化物，得到碳彌散的均勻組織結構，因而提高了模具表面的硬度。但如果鋼材過熱，雖然能加速滲碳過程，但炭化物會在晶粒邊緣成團出現，這樣在模具表面就形成了不均勻表面硬度。結果由于拋光時從模具表面不均勻地切掉金屬，產生了疙瘩 狀表面。如果拋光壓力太高，成團的炭化物就會從模具表面脫落，從而出現麻坑。 表面缺陷的處理方法 （ 1）拋光時應避免過大的壓力手工油石研磨和手工拋光需要花費高的生產成本，加工時間也較長，因此現在越來越多地采用機械裝置研磨和拋光。采用手工拋光，加工應力很少會超過鋼材表面的屈服強度，因此不會出現桔皮和麻坑。但采用機械拋光如果控制不當，壓力就會超過屈服強度，從產生桔皮和麻坑。因此在采用機械拋光時應非常小心，避免采用大的壓力。但在采用機械拋光時，總是希望較快完成，這樣就需要采用較大的壓力來清除以前的切削痕跡 ，而這樣就會造成更大的桔皮或麻坑。因此在拋光時一定要避免過大的壓力。 （ 2）修理模具表面的桔皮和麻坑 修理模具表面的桔皮和麻坑基本步驟： ①用油石磨光的方法除掉有缺陷的表面。通常是在進行金剛石拋光前用新的油石來磨光。 ②消除應力，把模具的表面從高度受力的狀態下解除出來。消除應力時的溫度應該比模具的回火溫度低 100℃。這樣不至于使模具鋼軟化。 ③應力消除之后，用金剛石拋光，這次用力要輕。 提高硬度有助于防止產生桔皮和麻坑 ,因為只有對鋼材所施加的應力大于屈服點，才出現桔皮 .因此可以通過提高模具硬度 ,使模具能承受 更大的壓力而不出現桔皮，麻坑也隨硬度的提高而減少。因此滲碳模具由于表面較硬可以得到很好的拋光性能；氮化得好的模具在拋光過程中也不會產生桔皮和麻坑 . 4 塑料模具的表面處理技術 塑料模具的表面性能要求及其失效形式 為保證成型后塑料制品的表面質量，從而對塑料模具的表面狀態提出了以下要求 : ①型腔表面光滑。成型面要求拋光成鏡面，表面粗糙度低于 014μ m ,以使壓制件具有良好的外觀并便于脫模。 ②型腔表面耐磨抗蝕。一般要求成型面硬度達 30～ 60HRC，且表面粗糙度長期保持不變，長期受熱表面不軟化、不氧化。通常 ，塑料模具的主要失效形式為 :成型面磨損、塑性變形和斷裂。 表面磨損是指塑料對模具成型面的摩擦，使表面拉毛的現象。當原料中含有無機填料時，將明顯加劇模具的磨損，除型腔表面粗糙度迅速惡化外，型腔尺寸也由于磨損而急劇變化。 塑性變形是指模具在持續受熱、受壓作用下，發生局部塑性變形而失效的方式。這種失效是由于模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足或是模具在熱處理時回火不足，在服役時發生組織轉變所致。 斷裂失效是危害最大的一種失效形式。塑料成形模具形狀復雜，存在許多角薄邊，在這些位置會造成應力集中，產生斷裂。此外 ,回 火不足也可能發生斷裂。 塑料模具的表面處理 按照塑料模具的性能要求，可對其進行多種方式的表面處理。通常，可根據所用工藝的特點將其分成 :表面淬火、化學熱處理、電鍍、化學鍍、氣相沉積和三束改性等幾類。 表面熱處理 表面熱處理包括表面淬火、化學熱處理兩大類。 表面淬火是指僅對工件表面進行熱處理以改變其組織和性能的工藝方式，諸如感應加熱淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱淬火、電解液淬火等。通過工件表面的急熱急冷，可使表面一定厚度內發生相變硬化而心部保持韌性，模具變形小且不會使表面變得粗糙。研究表 明，對塑料模具型腔口處采用局部淬火，可以解決因分型面和型腔周邊塌陷而產生的溢料現象。塑料模具的化學熱處理通常