随着科学技术的发展,工程塑料在加速社会生产力发展中的作用日益凸现,自上世纪初酚醛塑料问世以来,至今已有300余种。与此并驾齐驱的成型加工技术曰新月异。如:复合精密注射成型;薄壁、高发泡、高速结构泡沫成型;高熔点单体原料的反应注射成型模塑法(RIM)和增强反应注射模塑法(R-RIM);大型制品的冲压成型;整体结构泡沫制品的冲压成型;复合异型挤出成型;多模腔成型;多孔性薄膜制造工艺;工程塑料制品的电镀工艺等,而这些成型方法实施的基础是模具。合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具是现代塑料制品生产中必不可少的三要素。
2塑料压制成型模具按照成型方法的不同,塑料成型模具可分为:压制成型模、压铸成型模、注射成型模、挤出成型中空制品吹塑成型模、真空或压缩空气成型模、泡沫塑料成型模、玻璃纤维增强塑料低压成型模等。
压制成型模是将塑料原料直接加在敞开的模腔内,再将模具闭合,塑料在热和压力作用下成为流动状态并充满模腔,然后由于物化反应使塑料硬化定型,其所用模具即压制成型模具,多用于热固性塑料,也可用来成型流动性很差的热塑性塑料制品如聚酰亚胺(PI)及冷压(不加热)成型聚四氟乙烯坯件。所需模温约为120~350°C,所需压力约在7MPa~56MPa.聚四氟乙烯冷程中还要受到较大的冲击振动作用,易磨损变形,因此,在塑料成型模具中,对压模的材料,提出以下基本要求。
具有较高的冲击韧性。
具有较高的表面硬化特性。
具有较高的热稳定性。
良好的工艺性能,如:切削加工性、冷变形性能、抛光性能、热处理(淬透性、淬硬性、微变形)及皮纹加工性能等。
3塑料压制成型模具的冷挤压成型许多塑料模具的复杂型腔很难在一般机床上切削加工,有时甚至须用手工精雕细刻,不仅难以保证精度,而且劳动生产率很低;电脉冲为复杂模具型腔的加工开劈了通道,但加工效率极低,且对于窄深槽的加工由于排屑困难而受到局限。冷挤压成型法制造模具型腔,为复杂模具(特别是塑料模具)的制造找到了捷径。
模腔的冷挤压成型,是在常温条件下,利用装在压力机上的冲头――凸模,以很大的压力(挤压钢件时可达2000MPa以上,使模坯产生塑性变形,从而形成和凸模形状及大小一致的凹槽(坑),再经适当的修整,即成为所需的凹模型腔。
型腔的冷挤压成型具有如下优点:(1)可以制造难以用机械加工方法成型的复杂型腔,并提高生产率,尤其是一模多腔。型腔形状越复杂,压定模最终承受压力约为30~40MPa.其优越性越显著。
vmn压模在工作时即受高温高压联合作用,。在操作扭u(2)精度和光洁度高(由凸/模来决定)精度可达3级以上,光洁度可达!0.4~0.2!*.可使模坯的金属组织更致密,硬度和耐磨性有很好地改善。
可应用于各种有色金属和低碳钢、中碳钢以及部分有一定塑性的工具钢。
非常适合在一个凹模内获得复式模槽以及一模多腔的压模。
4压模材料的选择及热处理对形状简单、小塑热固性塑料压模材料可选用碳素工具钢T7(T7A)~T12(T12A),因其在珠光体转变区和贝氏体转变区的过冷奥氏体稳定性低,淬透性差,所以必须热处理,使表面获得高硬度和高耐磨性,芯部具有较好的韧性。
4.1凹模材料的选择及热处理当凹模采机械切削法加工时,根据压制塑料的工艺右)使用,P20可采用渗碳淬火。
当凹模采用冷挤压成型技术制造时,模坯用材料要求:①退火软化状态塑性高,变形抗力低,而淬火后变形抗力高;②钢中的含碳量不宜太高,力图采用低碳或超低碳钢材,(描述了含碳量对冷挤压性能的影响)③钢中的合金元素需要加以选择和限制,防止铁素体产生固溶强化。因Cr是强烈形成碳化物元素,几乎不产生固溶强化作用,但却有提高淬透性及淬火硬化效果(如所示),是最理想的合金元素。
综上所述,冷挤压成型凹模材料可选用渗碳淬火型塑料模具钢,如表1所示。较浅模型可选用油淬钢9CrWMn,对较深模腔,因需要几道工序的挤压才能完成,会出现加工硬化。因此,在各道挤压工序之间,凹模应进行再结晶退火,采用控制气氛,惰性填料装箱的热处理方式保护凹模表面,以降低凹模修整、抛光成本。
Cr5Mo1V及Cr12Mo1V属于空冷硬化钢,是一种适用于高模压和高模温下成型的耐磨钢,高碳高铬成分的Cr12型钢具有较高的强度和耐磨性,但这两种钢的切削、磨削及光整加工较困难,因此其材料成本及加工成本都较高,故仅用于制造工作强度很高的模具。
当压制乙烯基塑料时,由于在较高的压制温度下,塑料会发生分解并释放出腐蚀性气体,凹模会被腐蚀,常采用Cr12Mo1V上镀硬铬的方法。
含Cr的热作模具钢,如H11(4Cr5MoVSi)、H13(4Cr5MoV1Si)具有极好的冲击韧性,适用于高模温、高模压、中等耐磨性及一定淬火精度的场合,这类钢可在空气或油中淬硬,含W的热作模具钢H26(5Cr4W18)可在极高的工作温度的场合下用作压模材料,例如用于工作温度高达316~400=的氟化基塑料制品的场合,由于这几种钢的成本及其切削、磨削与抛光等加工成本都很高,因此,只用于工作强度要求很高的压模。
在压制腐蚀性很大的塑料或湿度极重时,会引起出现水滴的现象,可用马氏体型不锈钢(2Cr13~3Cr13),采用冷挤压方法,取得轮廓较简单的浅模腔,若轮廓形状复杂,必须机械切削,可靠的耐腐蚀性能,必须完全淬硬。
4.2凸模材料的选择及热处理含碳量与冷压抗力的关系耐冲击工具钢5CrW2Si和5CrSi2Mn广泛用于制造压制塑料凸模或型芯。5CrW2Si往往采用固体渗碳而后淬火以保持最好的表面状况和最高的表面硬度。
当凸模采用冷挤压成型时,材料要求为:①足够高的抗压强度以保证冷挤压成型的需要(挤压钢制模坯时,能承受2500MP:的挤压力);②足够高的抗拉强度以保证凸模从坯料中拔出;③高的表面硬度以保证耐磨(>HRC60),同时具有一定的冲击韧性;④良好的淬透性,以便使工作部分能基本淬透,淬火变形量又较小。
冷挤压成型能否成功,关键在于凸挤凸模的材料选择。过去成功的经验是选用耐冲击工具钢5CrW2Si、Cr5MolV、Crl2MolV等,Cr5MolV仅适合于制造压入深入较浅的凸模,国外还发展过一种改进型耐冲击钢(0.55%C、0.90%Mn、1.00%Si、0.40%Cr、0.20%V、0.50%Mo、2.70%Ni),这些耐冲击钢均需淬火硬化后使用。与此不同的是,高锰钢(ZGMn13)奇异的耐冲击,耐磨特性和动态响应性能特征正合上述条件。关于高猛钢在模具制造中的应用,作者已另文专述,本文不予深入讨论。
为了提高型腔表面质量并便于脱模,在挤压前应在凸模表面涂以很薄的硫酸铜溶液作为润滑剂。
5镀硬铬光整底模(凹模)上的镀铬,可用在油淬及渗碳淬火的塑料压模钢上,其目的为:①帮助消除塑件在底模中的粘结现象;②保护模具型腔表面使其在长期贮存期间或工作期间不发生腐蚀。在模具使用前予以镀铬以及出现显著磨损时予以重镀,可延长模具寿命。
镀铬的缺点是往往不能再对模具重新加工,另外,当模具设计不当时,还会出现铬层的剥落现象,尖锐的凹角与交角是最不利的部分。
值得强调的是:铬层非但不能覆盖缺陷,反而会加深这些表面缺陷。因此,施镀的凹模要求较高的光整质量。
6结束语模具的工作尺寸、模具零部件的设计、模具的寿命、压制材料以及压制的工艺温度、压力等都是选择压模钢所考虑的因素,在模具设计中,模具材料的原始成本并不是重点要素,模具的材料成本只占很小的比例。
因此,与其选择价格低廉的材料,倒不如选择为满足其特殊要求而成本较高的钢,这样更能保证模具的投资不致损失。
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