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        擠出模具失效因素分析及疏水性涂層制備

        2022-09-15 09:14:40馮仲達阿達依謝爾亞孜旦
        機床與液壓 2022年11期
        關(guān)鍵詞:凹坑水性電化學(xué)

        馮仲達,阿達依·謝爾亞孜旦

        (新疆大學(xué)機械工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830047)

        0 前言

        管材擠出機被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、建工等領(lǐng)域的塑料材料制備。塑料擠出產(chǎn)品的加工質(zhì)量主要由擠出模具決定,且擠出模具的成本占生產(chǎn)設(shè)備總成本的20%以上。而模具表面經(jīng)常會出現(xiàn)尺寸偏差和表面粗糙度下降等現(xiàn)象,對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利的干擾。

        關(guān)于擠出模具,國內(nèi)外學(xué)者都進行了大量的研究。彭清和等分析了塑料模具的主要失效形式與模具選材的關(guān)系。宋稼祺和李治國通過APDL與C++結(jié)合進行ANSYS二次開發(fā),優(yōu)化設(shè)計擠出模具。PLUHACEK等使用改進的微分進化算法,設(shè)計了螺旋擠壓模具。劉芳在加工方面,利用有限元分析法對模具的結(jié)構(gòu)進行預(yù)測與分析。鄧力軍對塑料擠出流動數(shù)值分析及其模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化進行研究。郭幼丹對不同的塑料模具材料進行對比實驗,認(rèn)為塑料模具失效的主要因素是高溫沖蝕與氧化現(xiàn)象。吳有章通過流速、壓力、流量之間的相互關(guān)系,確定原料的流動狀態(tài),從而判斷模具穩(wěn)定性。

        通過閱讀文獻知,模具的失效現(xiàn)象主要是模具出現(xiàn)尺寸偏差與表面精度下降。而造成失效的因素有3個,分別是模具的工作載荷、模具表面的PVC分解造成的腐蝕磨損與原料流動造成的摩擦磨損。本文作者對管材擠出模具進行仿真分析并找出主要失效因素;通過電化學(xué)加工制備疏水性涂層,以提高模具表面性能。

        1 擠出模具主要失效因素分析

        1.1 靜力學(xué)分析

        通過ANSYS軟件對模具內(nèi)模進行簡化并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)進行建模。簡化掉尾部的固定裝置與分流器,整體材質(zhì)選用2Cr13,通過ANSYS-Workbench材料數(shù)據(jù)庫建立材料,其參數(shù)為泊松比0.29,彈性模量100 ℃時為214 GPa、200 ℃時為208 GPa,密度7.75 g/cm。

        ANSYS單元格類型為四面體四節(jié)點,在模具尾部添加一個固定約束,并在圓柱面施加壓力載荷8 MPa,計算圓錐面的等效載荷。在圓錐面施加等效壓力載荷,取等效載荷為5 MPa,仿真模具的工作壓力。在模具圓柱表面施加一個沿軸線的面力,仿真模具圓柱面的摩擦力。圓錐面同上設(shè)置摩擦力,方向沿著圓錐側(cè)面。設(shè)置溫度常量為200 ℃,仿真其工作溫度。

        (1)由圖1可以看出:模具成型腔表面的變形量最為嚴(yán)重,距離成型腔出口越遠(yuǎn)模具的變形量越小,最大變形量集中在模具的成型腔出口處,為0.004 65 mm。

        圖1 ANSYS模具變形云圖

        (2)圖2所示為模具在軸的變形量。可以看出:上下表面的軸變形方向與大小并不相同。圖3所示為模具上下表面的軸方向變形量的絕對值??梢钥闯觯荷媳砻娴妮S變形量明顯大于下表面軸變形量,模具在重力作用下會發(fā)生徑向變形,但相對于軸向變形,徑向變形量較小。

        圖2 模具z軸變形量云圖

        圖3 模具z軸變形量曲線

        (3)由圖4可知:最大的應(yīng)力集中在模具成型腔和擠壓腔的連接處,應(yīng)力達到26.656 MPa,失效系數(shù)最高,但遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力,屬于彈性變形。

        圖4 模具等效應(yīng)力云圖

        通過ANSYS對模具的工作狀態(tài)進行仿真,可以得出模具在正常工作的情況下變形量很小,但會因重力影響發(fā)生徑向偏移的情況。

        1.2 表面損傷后的仿真分析

        利用粗糙度測量儀測量模具表面粗糙度,可知模具上下表面的摩擦因數(shù)并不相同,但表面粗糙度對管道流動的摩擦因數(shù)影響較小。查閱資料得上下表面摩擦因數(shù)的取值范圍為0.3~0.38。

        計算模具彎矩,即可計算模具的彎曲正應(yīng)力、最大彎曲變形、彎曲切應(yīng)力,進而分析出相應(yīng)的變形量。

        彎曲正應(yīng)力:

        =

        (1)

        最大彎曲變形:

        =

        (2)

        圓截面彎曲切應(yīng)力:

        (3)

        式中:為抗彎截面系數(shù);為彈性模量;為剪力;為截面面積。

        在ANSYS軟件上進行仿真,把模具表面劃分成A、B、C、D、E、F 6個部分,如圖5所示。其中,模具表面壓力各處相同,但是摩擦力設(shè)置成>=>=>。

        圖5 模具表面劃分示意

        由圖6、圖7可知:當(dāng)擠出機模具工作一段時間后,因為表面磨損所造成的摩擦力不同,單一截面的形變量并不相同,模具變形不相等,這就說明模具會發(fā)生徑向偏移。

        圖6 磨損后模具變形云圖

        圖7 截面變形

        由圖7可知,距離成型腔出口越遠(yuǎn)變形量越小,且上表面變形量略大于下表面變形量。

        綜上可得,模具在工作一段時間后,表面磨損程度不同,摩擦因數(shù)的不同,導(dǎo)致模具徑向微量變形,對于模具失效影響較小。而造成如圖8所示的大尺寸偏差,推測最主要的因素是在加工模具表面時造成的腐蝕磨損與摩擦磨損。

        圖8 模具出口處尺寸偏差

        1.3 模具表面微觀分析

        通過超景深顯微鏡對模具成型腔上下兩個表面進行表面微觀分析。圖9所示為150倍超景深顯微鏡下觀察的模具表面。

        圖9 150倍鏡頭下模具上下面表面形貌

        通過對比可知:

        (1)模具上表面,即圖9(a)(b)(c)所示的表面粗糙度分別為9.15、9.40、14.49 μm;而下表面,即圖9(d)(e)(f)所示的表面粗糙度分別為5.42、6.80、11.14 μm。模具上表面的磨損大于下表面;距離成型腔出口越遠(yuǎn),模具的磨損越小,與模具的工作仿真結(jié)果相同。

        (2)黑色蝕點所影響的面積大于原料流動造成的犁溝效應(yīng)所影響的面積,從而驗證了腐蝕磨損比摩擦磨損所造成的影響更大。

        圖10(a)(b)所示為1 000倍數(shù)的測量實像,圖10(c)(d)分別為表面腐蝕、劃傷輪廓曲線??芍耗>弑砻嬉驗楦g點蝕造成的凹坑深度大于模具表面摩擦磨損所造成的犁溝深度。

        圖10 1 000倍鏡頭下表面微觀

        圖11(a)所示為模具表面形貌。圖11(b)所示為三維成像圖,其中黑色凸起物的主要形成原因為2Cr13金屬在析出的Cl離子與水的腐蝕作用下造成的腐蝕,而后逐漸析出的腐蝕產(chǎn)物逐漸累積,形成黑色凸起。

        圖11 1 000倍鏡頭下微觀黑色凸起

        隨著模具的使用時間累計,模具表面的保護膜被腐蝕逐步破壞,模具就會發(fā)生全面腐蝕,大面積地析出腐蝕產(chǎn)物。這些腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定,會隨著原料的加工發(fā)生斷裂,變成微粒對模具造成劃傷。

        通過模具表面微觀的分析,可以看出:模具表面腐蝕磨損比摩擦磨損所造成的面積大,腐蝕磨損對模具的表面微觀影響較大,同時它所產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物會加重模具表面的摩擦磨損。相比于模具在工作載荷下的微量變形與原料所造成的摩擦磨損,原料分解造成的腐蝕磨損是模具主要的失效因素。并且原料在加工過程中分解的腐蝕性介質(zhì),如HCl,在重力以及螺桿的推動下匯集在成型腔出口處,所以擠出模具應(yīng)當(dāng)注重模具耐腐蝕性,以減少模具的腐蝕量,這樣既能有效地減少尺寸上的腐蝕磨損,還可以降低加工過程中所造成的摩擦磨損,延長模具的使用壽命。

        2 改進措施

        模具表面的性能可以通過不同的加工方式進行提高。例如:對不銹鋼進行電沉積技術(shù)使其表面形成Ni-P耐腐蝕鍍層;通過電化學(xué)方法對模具表面進行表面改性,達到疏水性微觀形貌,減少腐蝕介質(zhì)與模具的接觸角,減緩模具的腐蝕速率。

        本文作者選擇通過電化學(xué)加工改變模具表面的微觀形貌,使模具表面具有疏水性,減少原料加工過程中分解出的HCl等腐蝕性物質(zhì)與模具表面的接觸面積,減少腐蝕現(xiàn)象。同時,疏水性涂層同樣具有耐磨性能,可減少原料加工時的模具磨損。

        2.1 電化學(xué)疏水性表面制備方法

        由于2Cr13不銹鋼的材料性質(zhì),在進行電化學(xué)加工時,對于加工間隙、電解液濃度以及電壓都有要求,可以通過設(shè)定不同的加工參數(shù)研究疏水性表面微細(xì)結(jié)構(gòu)。文中選擇制備的疏水性表面微觀形貌為圓形凹坑表面形貌,在理想模型下表面微織構(gòu)、圓形深坑形貌同樣具有疏水性特點,相比激光技術(shù),電化學(xué)加工更加方便快速。

        圓形深坑形貌在理想模型狀態(tài)下具有疏水性,因為其表面能夠儲存大量的空氣,形成了Cassie狀態(tài),根據(jù)公式:

        cos=cos-1+

        (4)

        式中:為水滴與表面的接觸面積比例,越大接觸角越?。?span id="o0aqosu" class="subscript">為表觀接觸角(WCA);為本征接觸角理想接觸角。

        電化學(xué)光整加工實驗平臺主要由三坐標(biāo)運動平臺、直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、陰極夾具和陽極夾具構(gòu)成。陰極材料選擇直徑為10 mm的銅棒,實驗加工參數(shù)如表1所示。

        表1 電化學(xué)加工參數(shù)

        實驗具體操作如下:

        (1)對2Cr13板材進行清洗,配置相應(yīng)濃度的NaCl溶液放入電解液池,控制電解液池進水與出水口的流速,確保電解液持續(xù)更新。

        (2)放入夾具,使工件與設(shè)備對準(zhǔn)。

        (3)加工完成后,對工件進行超聲波清洗,去除表面污垢。

        (4)配置濃度為0.1 mol/L的十八烷酸溶液,保持恒溫45 ℃,浸泡30 min,降低工件表面能。

        2.2 實驗結(jié)果分析

        通過角接觸測量儀測試各試件WCA,在試件上滴定5 μL的液滴,通過高清攝像系統(tǒng)進行記錄。

        加工試件接觸角如圖12所示。圖(a)為未加工試件的疏水角,圖(b)—(i)分別對應(yīng)試件1-試件8的疏水角。由圖12可知:試件2與試件5的疏水性效果好,接觸角分別達到113.3°與117.5°;與未加工試件相比,可以明顯看出經(jīng)過電化學(xué)加工改性的試件與液滴的接觸角更大。對于2Cr13不銹鋼,可以通過電化學(xué)加工的方式提高其表面疏水性。

        圖12 加工試件接觸角

        通過超景深顯微鏡對8個加工試件的表面進行微觀對比,分析電壓、溶液濃度與加工間隙在電化學(xué)對試件制備疏水性表面微觀的影響,結(jié)果如圖13所示。對比試件1、6與試件3、4可知:在電壓、加工間隙相同的情況下,電解液濃度越高,試件的加工越平整,尖峰和谷底的去除量越大;形成的圓形凹坑半徑過大,疏水性形貌并不好,使用較低濃度的電解液試件表面會形成一個個微凸體,疏水性反而較好。對比試件2、5與試件7、8,分析電壓對試件的影響,可知:電壓越大材料去除量越多,根據(jù)電化學(xué)加工的特性,在尖峰處的去除量大于凹坑的去除量,所以在高電壓下,在表面尖峰處會形成凹坑結(jié)構(gòu),但也會造成凹坑半徑或凹坑深度過大,不利于疏水性表面微觀的制備,在電壓為10、15、20 V下,電壓為15 V的加工性能最好。對比試件1、5與試件6、7,分析加工間隙對加工效果的影響,可知:加工間隙越小,去除量越大,越有利于增加表面凹坑的深度,在加工間隙為0.5、1、1.5 mm下,加工間隙0.5 mm的加工效果最好。

        圖13 超景深顯微鏡下試件1—8的表面微觀形貌

        由以上分析可知試件5的疏水性最好,在超景深顯微鏡下觀察,其表面微觀形貌如圖14所示??芍罕砻嬗忻黠@的圓形凹坑,深度最大為5.22 μm,平均凹坑半徑約為10.21 μm。當(dāng)液滴在其表面運動時,這些微小凹坑會儲存空氣,支撐液滴,形成Cassie狀態(tài)。

        圖14 試件5表面微觀形貌

        對試件進行10%濃度HCl溶液腐蝕實驗,模擬原料分解產(chǎn)物HCl對2Cr13不銹鋼的腐蝕效果,每次滴落量為1 mL。圖15所示為未電化學(xué)加工試件與電化學(xué)加工試件經(jīng) HCl溶液腐蝕的對比。可知:經(jīng)過電化學(xué)加工的表面,在接觸HCl液滴時,接觸角明顯大于90°,與HCl接觸的面積更小。反應(yīng)一段時間后,去除表面HCl液滴,將試件放入乙醇溶液進行超聲波清洗,并稱重對比。

        圖15 HCl溶液腐蝕對比

        測量結(jié)果如下:經(jīng)過電化學(xué)加工的試件的腐蝕量為0.007 g,而機加工試件的腐蝕量為0.012g。由此可知,在模具腐蝕工況下,經(jīng)過電化學(xué)表面改性的試件使用壽命更高。

        3 結(jié)論

        (1)擠出機模具在工作時,工作載荷會使模具產(chǎn)生拉伸彈性變形,模具成型腔部位的變形最嚴(yán)重。但是工作載荷對模具的徑向變形量影響較小,并非造成模具失效的主要因素。

        (2)原料的分解腐蝕是造成模具表面磨損的主要因素。模具在使用過程中,因腐蝕而析出腐蝕產(chǎn)物,且腐蝕產(chǎn)物會留在模具表面,并在原料的推動下對模具表面造成劃傷。在設(shè)計、改進、修復(fù)擠出模具時,應(yīng)主要考慮耐腐蝕性。

        (3)通過電化學(xué)加工改變2Cr13金屬的表面形貌,制備圓形凹坑狀的疏水性涂層,可以有效提高模具的耐腐蝕性,進而增加模具的使用壽命。

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