塑料模具热处理工艺的优化设计

1.塑料模具的类型及特点

按塑料的品种及其成形方法，塑料模具分为热塑性模具和热固性模具两类。

（1）热塑性模具 是在允许的加热温度范围内，可反复软化和冷凝成形的工艺装备。适用的塑料主要是聚乙烯和尼龙等。

（2）热固性模具。是在加热等一定条件下，能直接固化成不熔性塑料制品的工艺装备。适用的塑料主要是酚醛树脂和三聚氰胺树脂等。

两类模具的工作条件和工作特点如表5-34所示。

表5-34 塑料模具的工作条件及特点

2.塑料模具的主要失效形式

1）型腔表面损伤。主要表现在型腔表面粗糙度恶化，尺寸精度超差以及表面侵蚀等。其中，固体填料的摩擦和成形材料释放的氯、氟气体的腐蚀等均会加剧表面损伤。

2）局部塑性变形。模具在持续承受热压的作用下，发生局部塑性变形，导致形位公差和尺寸公差超标，主要是表面硬度低造成的。

3）整体断裂。有时因模具结构复杂，应力集中或受力不均等易造成整体断裂。提高模具的强度和断裂韧性，即可解决，如选用合金钢制作或施以强韧化淬火等。

3.CrWMn钢制胶木模套的热处理工艺设计

（1）所用材料及技术要求 图5-21a所示为CrWMn钢制模套，用于压制胶木元件。要求热处理后硬度为51～55HRC；要求型腔变形B＝0，A＜±0.07mm。

（2）热处理工艺性分析CrWMn钢的淬透性和淬硬性均较好，且淬火变形敏感性也较小。但由于要求B尺寸不得变形，故淬火时尚须采取必要的措施。

根据以往的变形规律，类似模具（型腔窄小，模块较大）淬火后型腔一般有收缩倾向。因此，要求钳工工序将型腔尺寸加工到上限。淬火工序尽量减少热应力和组织应力。

（3）淬火和回火 淬火和回火工艺曲线如图5-21b所示。

图5-21 CrWMn钢制模套及其淬火回火工艺曲线

a）模套 b）淬火回火工艺曲线

（4）处理结果 硬度和变形度均合格。

4.橡胶模的淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 图5-22a所示为压制异形密封圈的橡胶模。模具材料为45钢，热处理后硬度为30～35HRC。

（2）热处理工艺性分析 该模具要求硬度不高，应在热处理调质后通过切削加工对上、中、下模进行配作。但如果热处理变形较大，将因精加工切削余量不足而导致报废。因此，淬火时需采取尽量减少变形的措施。

（3）淬火和回火 为减少淬火变形，采用分级加热和分级冷却工艺，淬火回火工艺曲线如图5-22b所示。

图5-22 橡胶模及其淬火回火工艺曲线

a）橡胶模结构图 b）淬火回火工艺曲线

（4）处理结果 硬度为31～32HRC；由于变形很小，保证了精加工余量。

5.胶木压模的渗碳、淬火和回火工艺设计(www.xing528.com)

（1）所用材料及技术要求 图5-23a所示为20Cr钢制作的模套，用于压制电器胶木衬板。要求硬度为50～54HRC；型孔变形量＜0.1mm。

（2）热处理工艺性分析 用低碳合金钢制作的模具，欲满足高硬度需要应进行化学热处理，考虑模具承受较大压力，为了获得较深的硬化层，宜采用渗碳工艺，且渗碳层深度应为0.8～1.0mm。

（3）热处理工艺设计

1）渗碳：采用固体渗碳法，其工艺参数如图5-23b所示。

2）淬火：在盐浴炉中830～850℃加热，保温3.5～4min，出炉后在空气中预冷到750℃左右（模具表面呈暗红色），转入80～100℃的热油中冷却，停留10～12min后空冷。

图5-23 胶木压模及其固体渗碳工艺曲线

a）压模简图 b）固体渗碳工艺曲线

3）回火：在井式回火炉中，加热温度220～240℃，保温2h后空冷。

（4）处理结果 渗碳层深度为0.8～0.85mm；硬度为50～52HRC；型腔变形量为＋0.06～0.08mm，质量合格。

6.塑料模的真空淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 图5-24a所示为Cr12钢制作的五块拼合的塑料模。要求热处理后硬度为58～62HRC；每块淬火回火后变形量均不得＞0.02mm。

（2）热处理工艺性分析 该塑料模用于注射塑料玩具，由于产品批量大、模具结构复杂，致使加工工序复杂、模具制造费用高等原因，拟采用Cr12钢制作。其热处理的主要关键是变形问题，任何一块变形均影响装配组合。为减少变形和提高其使用寿命，拟采用真空淬火和回火。

（3）淬火和回火工艺 图5-24b为塑料模拼块的真空淬火和回火工艺曲线。

图5-24 Cr12钢拼块塑料模及其真空淬火和回火工艺曲线

a）五块拼合塑料模简图 b）真空淬火和回火工艺曲线

（4）处理结果 硬度为60～62HRC；各模块变形量均不超过0.02mm，不影响装配难度。

7.5NiSCa钢制精密热塑性塑料模预硬化处理工艺设计

目前，国内大部分精密热塑性塑料模，一般采用45、40Cr和T8A钢制作，也有部分企业开始采用P20等新型预硬化塑料模具钢，但用其所制作的模具硬度低、表面粗糙、寿命不高。实践表明，选用5NiSCa钢制作热塑性塑料模，可收到显著效果，模具寿命赶上甚至超过进口的同类模具。

（1）热处理工艺性分析 精密热塑性塑料模具对加工性能及使用寿命均有较高要求。例如，要求热处理变形小、型腔表面尺寸精度高、表面粗糙度值低；有良好的花纹蚀刻性和焊补性；有高的硬度和强韧性要求等。

（2）热处理工艺设计

1）退火：模具毛坯锻后一般经等温退火，即在760～780℃加热，保温2～3h后炉冷到670～690℃，保温4～6h后再炉冷到500℃出炉空冷。退火后硬度为217～230HBW；组织为球状珠光体＋易削相。

2）预硬化处理：在盐浴炉中于880℃加热，按1min／mm计算保温时间（箱式炉取2min／mm），油中冷却，硬度为61～63HRC；回火温度根据预硬化要求确定，如要求45～46HRC、43～44HRC、39～40HRC和34～35HRC时，分别在575℃、600℃、625℃和650℃回火2h后空冷。实践表明，模具预备热处理硬度在38～42HRC时，可顺利进行车、铣、刨等切削加工；当硬度为40HRC时，可加工性与35HRC的P20钢相当。

3）抛光、蚀刻花纹工艺：可按通常的抛光工艺进行，表面粗糙度容易达到0.1μm以下，表面质量好。采用转移漆膜法制作蚀刻花纹时，清晰、逼真。

4）焊补工艺：可用不锈钢焊条进行局部焊补。热影响区最高温度为50HRC，仍可加工。

（3）处理结果 在表面硬度40HRC情况下，表面粗糙度与进口P20、NAK相同，使用寿命超过50万件（进口P20同类模具寿命仅20万件）。