繩鋸橡膠成型模具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

余曉明,朱飛雷,黃小偉,羅唐暢

(桂林特邦新材料有限公司,廣西桂林 541004)

繩鋸橡膠成型模具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

余曉明,朱飛雷,黃小偉,羅唐暢

(桂林特邦新材料有限公司,廣西桂林 541004)

介紹了橡膠成型模具的類型,各種橡膠模具的特點(diǎn)及適用范圍。闡述了如何選取橡膠模具的分型面、模具的定位、模腔布局、模具材質(zhì)和橡膠收縮率的問題。最后介紹了金剛石繩鋸固定橡膠注壓成型模具結(jié)構(gòu),并根據(jù)制品檢測數(shù)據(jù)對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

橡膠模具;注壓成型;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;金剛石繩鋸

1 引 言

橡膠模具是橡膠制品生產(chǎn)的專用工作部件,是膠料或半成品在一定溫度、壓力、時(shí)間條件下、借助模具完成制品的硫化,即可獲得所需形狀的橡膠模制品。隨著我國橡膠制品工業(yè)的發(fā)展,橡膠制品的種類日益增多,產(chǎn)量日益擴(kuò)大,促使著橡膠模具設(shè)計(jì)與制造由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到理論計(jì)算設(shè)計(jì),尤其是橡膠生產(chǎn)設(shè)備的不斷提高與生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn),橡膠模具越來越多,模具的制造水平與模具的復(fù)雜程度也越來越高。高效率、自動(dòng)化、精密、長壽命已經(jīng)成為橡膠模具發(fā)展的趨勢。模具設(shè)計(jì)是否合理會直接影響制品的外形尺寸,物理性能和外觀質(zhì)量。

2 橡膠模具類型

橡膠模具根據(jù)模具結(jié)構(gòu)和制品生產(chǎn)工藝的不同分為壓制成型模具、注壓成型模具、注射成型模具、擠出成型模具四大常用類型。

(1)壓制成型模具

是指將一定形狀的膠料,經(jīng)稱量加入敞開的型腔內(nèi),用壓機(jī)閉模加壓,然后膠料在受熱受壓條件下呈現(xiàn)塑性流動(dòng)充滿整個(gè)模腔,經(jīng)過一定時(shí)間后完成硫化,再脫模和清除飛邊得到所需制品的方法。

特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡單,通用性強(qiáng),適用面廣,操作方便。如:平板硫化機(jī)上用的模具(該類模具在生產(chǎn)中占較大的比例)

(2)注壓成型模具

是指將塑煉過的膠料裝入模具專用或通用外加料室中,通過液壓機(jī)規(guī)定的壓力,將膠料由模具的澆注系統(tǒng)擠入預(yù)先閉合好的模具型腔內(nèi),保持規(guī)定的硫化溫度及時(shí)間以成型制品的方法。

特點(diǎn):型腔先閉合,再注入膠料,膠邊少,制品致密性好,質(zhì)量高,但注壓模造價(jià)稍高,操作勞動(dòng)強(qiáng)度大。適用于一些形狀較復(fù)雜、細(xì)長、薄壁、多嵌件、以及直接裝膠有困難的制品。

(3)注射成型模具

在注射機(jī)上(注壓機(jī))專用的模具,利用注射機(jī)的螺桿或柱塞,將膠料直接由機(jī)筒注入模腔,完成成型并進(jìn)行硫化的生產(chǎn)方法。

特點(diǎn):先閉模,再注膠,膠邊少,質(zhì)量高,且生產(chǎn)和自動(dòng)化程度高,但造價(jià)高,結(jié)構(gòu)上比壓鑄模復(fù)雜。適于大型成批生產(chǎn)的厚、薄壁以及幾何形狀復(fù)雜的制品。

(4)擠出成型模具

通過螺桿的旋轉(zhuǎn),使膠料在螺桿和機(jī)筒之間受到強(qiáng)大的擠壓力并不斷被向前移送,通過機(jī)頭上的口型模而擠出各種截面形狀的橡膠半成品。

特點(diǎn):成本低、效率高,制品致密性好。

3 橡膠模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橡膠模具是生產(chǎn)橡膠制品硫化的主要設(shè)備之一,而模具設(shè)計(jì)要根據(jù)制品形狀、特性和使用要求來進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。針對上述要點(diǎn),模具設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則:

(1)了解橡膠制品的材料種類、材料硬度、收縮率;

(2)橡膠制品分型面、撕邊槽、余料槽的合理選定;

(3)模具結(jié)構(gòu)合理、定位可靠、模腔數(shù)量適當(dāng)、便于加工和使用;

(4)模具材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度,力求外形小、重量輕。

3.1 模具分型面的設(shè)計(jì)

模具的設(shè)計(jì)必須考慮制品工作面、制品高度、脫模、制品外觀要求等因素。設(shè)計(jì)時(shí)模具的分型面應(yīng)盡量避開制品工作面。凡制品高度超過3mm或帶有骨架的產(chǎn)品,在設(shè)計(jì)模具時(shí)都應(yīng)該考慮制品排氣和取出方便,否則產(chǎn)品易產(chǎn)生氣泡、缺料。另外,模具分型面的選取必須考慮到產(chǎn)品易脫模。

3.2 模具的定位

模具一般由多塊模板拼合而成,要確保制品在模腔中獲得準(zhǔn)確的形狀和位置,必須采用不同的方式定位,常用的有圓柱面、圓錐面、斜邊、導(dǎo)柱導(dǎo)套等定位方式。

3.3 模具型腔布局和模具材質(zhì)

確定模具外形尺寸時(shí),首先必須考慮制品的幾何形狀、模腔的數(shù)量、硫化設(shè)備和模具加工設(shè)備、年需求量等因素。為了合理掌握模具模腔數(shù),應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)對需求量很少的,可采用一模一腔,這樣既滿足了需求量,又縮短了加工周期;

(2)對需求量很大的,形狀簡單的可采用一模多腔,這樣既提高了生產(chǎn)效率,又降低了單件成本,同時(shí)具有一定的市場竟?fàn)幜?

(3)對于形狀復(fù)雜或帶有骨架的制品,模腔不宜過多。

3.4 橡膠收縮率

熱硫化時(shí),膠料內(nèi)部發(fā)生形變和交聯(lián),由此而產(chǎn)生的應(yīng)力被硫化過程所固定。在硫化膠料冷卻過程中應(yīng)力趨于消除,制品的線性尺寸成比例縮小。橡膠硫化后收縮率(相對模腔尺寸而言)一般為1.5%～3.0%。因此,在設(shè)計(jì)模具時(shí)尺寸需相應(yīng)加大,加大的比例即為模壓制品的橡膠收縮率。影響橡膠收縮率的因素很多,如橡膠熱膨脹、產(chǎn)品壁厚、有無骨架、含膠量、膠料致密度及硫化工藝等因素。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以圖1所示金剛石繩鋸橡膠檢測試樣的硫化成型為例,探討了注壓成型模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并根據(jù)試模制品的性能檢測與分析后對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 金剛石繩鋸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of diamond wire saw

圖1所示產(chǎn)品為金剛石繩鋸橡膠檢測試樣,金剛石繩鋸主要由鋼絲繩、金剛石串珠(7粒)、橡膠固定材料三部分組成,該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):

(1)串珠通過橡膠與鍍銅鋼絲繩結(jié)合在一起,串珠基體與橡膠必須具有很好的結(jié)合性,橡膠與鍍銅鋼絲繩也必須具有很好的結(jié)合性;

(2)繩鋸結(jié)構(gòu)特殊,串珠間由橡膠隔開,每節(jié)橡膠都要設(shè)置獨(dú)立澆口;

(3)串珠基體內(nèi)孔和鋼絲繩間隙較小(最大只有0.3mm),且橡膠必須充滿該間隙;

(4)繩鋸具有繩索的柔性,橡膠固定材料要具有良好的耐曲撓龜裂性能;

(5)金剛石繩鋸工作時(shí)切割速度較快,串珠摩擦升溫較高,因此橡膠固定材料要具有良好的耐熱老化性能。

4.1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)金剛石繩鋸橡膠檢測試樣外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合公司實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備,選擇50t平板硫化設(shè)備,為了橡膠檢測試樣生產(chǎn)的方便和高效,設(shè)計(jì)注壓成型模具,模具共分3層,模具結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 繩鋸注壓模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of wire saw injection molding die

4.2 模具使用

(1)模具清理干凈后,將組合的3塊模具分開平鋪于平板硫化機(jī)上預(yù)熱;

(2)裁剪長120～130mm、厚度6～10mm一定重量的橡膠條備用;

(3)裁剪400～500mm干凈的鍍銅鋼絲繩,每根鋼絲繩上穿7顆串珠;

(4)模具預(yù)熱達(dá)到設(shè)定溫度后,將鋼絲繩和串珠放于下模板型腔內(nèi);

(5)將中模板對齊合在下模板上,把裁剪好的橡膠條放在中模板的料槽里;

(6)將注塞對齊中模板的料槽后合上上模板,接著把三個(gè)模板一起放到平板機(jī)加熱板上加壓加熱硫化。

4.3 橡膠檢測試樣的檢測

金剛石繩鋸橡膠檢測試樣只要是檢測串珠基體與鍍銅鋼絲繩間的固定強(qiáng)度。測試時(shí)選取試樣中間的5粒串珠并把串珠兩端的橡膠去除,將試樣鋼絲繩一端固定在試驗(yàn)機(jī)上夾具上,另一端待測串珠固定在試驗(yàn)機(jī)下夾具上,勻速移動(dòng)上夾具,記錄串珠剝離時(shí)的剪切力。

模具首次試模的試樣檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 串珠基體與鋼絲繩固定強(qiáng)度測試-首次試模的數(shù)據(jù)(N)Table 1 Fixation strength test of bead matrix and wire rope-data of the initial test mold(N)

從試模的試樣檢測數(shù)據(jù)可以看到不同串珠與鋼絲繩固定強(qiáng)度差異較大,試樣橡膠硫化后的外觀很好(沒有氣泡或注不滿的現(xiàn)象)。經(jīng)過分析認(rèn)為是串珠基體與鋼絲繩間存在氣泡是造成串珠與鋼絲繩固定強(qiáng)度差異較大的主要原因。從模具結(jié)構(gòu)可以看到橡膠是在注塞作用下從澆口同時(shí)壓進(jìn)硫化型腔的,串珠基體兩端的橡膠也是同時(shí)填充基體與鋼絲繩間的間隙,這樣就會導(dǎo)致串珠與鋼絲繩間存在氣泡。于是確定從改變排氣槽位置和不同位置澆口的形狀來改變串珠基體兩端橡膠的填充順序,從而避免串珠基體與鋼絲繩間產(chǎn)生氣泡。

模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試模的試樣檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 串珠基體與鋼絲繩固定強(qiáng)度測試-結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試模的數(shù)據(jù)(N)Table 2 Fixation strength test of bead matrix and wire rope-data of the test mold after structure optimization(N)

經(jīng)過模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,繩鋸橡膠試樣不同串珠與鋼絲繩固定強(qiáng)度波動(dòng)降低很多,滿足了串珠與鋼絲繩固定強(qiáng)度檢測試驗(yàn)條件要求。后續(xù)制作的多條繩鋸橡膠試樣測試的串珠與鋼絲繩固定強(qiáng)度波動(dòng)幅度都較小,因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的橡膠硫化模具可以用于橡膠原材料串珠固定強(qiáng)度檢測。

5 結(jié)束語

隨著橡膠工業(yè)的發(fā)展,各種形狀復(fù)雜、外形尺寸精度高、質(zhì)量好的橡膠制品日益增多。橡膠模具設(shè)計(jì)要根據(jù)制品形狀、特性和使用要求來進(jìn)行合理考慮模具分型面、模腔排氣、型腔結(jié)構(gòu)、橡膠收縮率、模具材質(zhì)等。

[1] 虞福榮.橡膠模具實(shí)用手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996.

[2] 馮炳堯.模具設(shè)計(jì)與制造簡明手冊[M].上海:上海科學(xué)出版社, 1985.

[3] 張敬之.橡膠通用物理和化學(xué)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)綜述(下)[J].化工標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量監(jiān)督,1998(12):9-13.

[4] 張新熳.橡膠的粘接試驗(yàn)方法[J].橡膠譯叢,1994(1): 56-63.

Design and Application of Rubber Molding Die of Wire Saw

YU Xiao-ming,ZHU Fei-lei,HUANG Xiao-wei,LUO Tang-chang
(Guilin Tebon Superhard Material Co.,Ltd,Guilin,Guangxi 541004)

Different types of rubber molding dies and their characteristics and range of application have been introduced in this article.And the mold joint selection,mold positioning,cavity layout,mold material and rubber shrinkage are expounded.In the end of the article,the structure of fixed rubber injection molding die for diamond wire saw has been introduced and the mold structure has been optimally designed based on the test data of the product.

rubber mold;injection molding;structure optimization;diamond wire saw

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0015-04

2016-10-18

余曉明(1985-),男,助理工程師。E-mail:yxm053412@163.com。

余曉明,朱飛雷,黃小偉,等.繩鋸橡膠成型模具設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].超硬材料工程,2017,29(1):15-18.