基于快速模具技術(shù)的刀割分型面法制造工藝研究

肖宏濤，蔡文伙，陳開源

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

硅橡膠模具的快速制作是快速模具技術(shù)（Rapid Tooling，RT）中非常重要的一種方法，具有良好的物理穩(wěn)定性，對于一些尺寸不大的部件復(fù)制來說比較合適，能對結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面質(zhì)量高、深孔或有倒扣面域的產(chǎn)品進(jìn)行高效復(fù)模復(fù)制。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)一些非標(biāo)零件需要靈活增減時(shí)，如果每個(gè)零件都用傳統(tǒng)的加工工藝，就會(huì)大大延長產(chǎn)品開發(fā)周期，而快速模具能做到跳過傳統(tǒng)的CNC加工，直接對所需零件進(jìn)行復(fù)制。硅橡膠模具還具有良好的耐高溫性能、尺寸精準(zhǔn)復(fù)制性能和彈性，適用于對具有倒扣面域的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)行脫模。根據(jù)硅橡膠模具的步驟不同和真空設(shè)備不同，硅膠模具制作方法可以分為真空澆注法和簡單澆注法兩種大類[1]。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜表面質(zhì)量要求高的就主要采用真空澆注法。對于產(chǎn)品外部特征較多和復(fù)雜的，如雕塑模型，就采用簡單澆注法，這樣可以保證復(fù)雜分型面的準(zhǔn)確性。具體硅膠模的方法如圖1所示。

圖1 硅橡膠模具制造工藝

1 真空澆注刀割分型面法

硅膠在固化前是一種具有黏稠性的流體，在和固化劑充分?jǐn)嚢柽^程中會(huì)產(chǎn)生很多小氣泡。硅膠攪拌后，在澆注時(shí)氣泡因受到原件表面張力影響而吸附在其表面上，隨之固化，會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)制產(chǎn)品的表面質(zhì)量。為去除攪拌澆注所產(chǎn)生的氣泡，在制作模具時(shí)可以采用抽真空的方法，也就是真空澆注法。當(dāng)硅膠固化之后就可以使用工藝刀片進(jìn)去分型。在刀割的過程中，刀尖采用走曲線方式，一層層割，直到上下模分離。其刀割分型法的硅膠模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 真空澆注刀割分型面法

2 塑料瓶蓋硅膠模具制作

1）準(zhǔn)備塑料瓶蓋原型。在澆注硅橡膠模具過程中，硅膠在尚未硫化前處于黏稠狀的流態(tài)，能把原型的瑕疵和缺陷復(fù)制到模具中去，所以在制作模具前要對于塑料瓶蓋原型進(jìn)行打磨拋光。如果瓶蓋表面進(jìn)行打磨拋光時(shí)發(fā)現(xiàn)有較大的缺口，就需要使用膩?zhàn)臃圻M(jìn)行修復(fù)，如圖3所示。

圖3 瓶蓋

2）采用透明薄膜作為分型面。雖然制作硅橡膠模具方便、制作周期短，但如果制作不合理，就會(huì)在循環(huán)使用過程中受到熱腐蝕和化學(xué)腐蝕。特別是分型面不規(guī)整的情況下，就會(huì)加大上下模的摩擦。分型面設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)分不清分模線位置，就容易割錯(cuò)，使模腔錯(cuò)位，到模具制作失敗。所以為提高硅膠模具的質(zhì)量，往往要避免分型面復(fù)雜和刀割分型面不準(zhǔn)情況，這時(shí)可以采用分型線加黑法和分型面延伸法，如圖4所示。

圖4 利用彩色筆筆描畫出最大分型邊

3）設(shè)計(jì)硅膠模具?？蚺c澆注、排氣系統(tǒng)。?？蛟O(shè)計(jì)需要根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，?？虻拇笮≈苯佑绊懼萍馁|(zhì)量和生產(chǎn)成本。根據(jù)原型零件特點(diǎn)，應(yīng)選擇、制作合適的?？?。當(dāng)模框太小時(shí)，制作出來的模具側(cè)壁太薄，分模時(shí)容易造成模具損壞，影響模具的壽命。當(dāng)模框過大時(shí)，會(huì)造成原料的不必要浪費(fèi)，增加模具制作成本[2]。最佳的方式就是根據(jù)?？虼笮」絹碓O(shè)計(jì)[3]。首先裁出5塊直角的基板，然后用熱熔膠槍分別把基板粘起來。注意在用膠水粘的時(shí)候，一定要細(xì)心粘好，不然在倒入硅膠的時(shí)候，硅膠會(huì)從四周溢出，造成不必要的浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)澆注排氣系統(tǒng)時(shí)，必須遵守傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)的原則，主流道與澆口位置不能過近，避免在澆注時(shí)因壓力影響而導(dǎo)致模腔變形。在設(shè)計(jì)澆口時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)在不影響外觀和容易脫澆的側(cè)壁。對于大型零件，可以采用多澆口進(jìn)膠方式。澆注時(shí)為了能使模腔中的氣體排出，需要對模具設(shè)計(jì)排氣系統(tǒng)。最后，硅膠模具的制作能巧妙地?cái)[脫傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)的路徑，把澆注系統(tǒng)、澆口、排氣系統(tǒng)融合到?？蛑谱髦械闹蜗到y(tǒng)中去。詳細(xì)過程如圖5所示。

圖5 模框制作過程

以原件尺寸為基準(zhǔn)，則硅膠的收縮率S=（LM-LS）/LS×100%，以?？虺叽鐬榛鶞?zhǔn)，則硅膠的收縮率S=（LM-LS）/LM×100%。式中：LS為制品尺寸；LM為模具尺寸。

4）硅膠與固化劑稱量與攪拌。首先，根據(jù)配比計(jì)算硅膠、固化劑用量，將定量的硅膠放進(jìn)真空澆注機(jī)中固定。再把固化劑放進(jìn)真空機(jī)的搖杯中，抽真空10 min。硅膠與固化劑配比公式[3]為W=k·a·b·c·ρ。式中：W為硅橡膠質(zhì)量，g；k為考慮硅橡膠固化收縮、硅橡膠黏壁等損耗因素的安全系數(shù)，一般取1.1～1.3；a為模具長度，mm；b為模具寬度，mm；c為模具高度，mm；ρ為硅橡膠密度，g/mm3。

在本次試驗(yàn)中使用的真空澆注機(jī)為V550，其特點(diǎn)為抽真空快速、真空度大、保壓力大。具體參數(shù)如下：最大注料容量為2600 g，最大模具尺寸為600 mm（長）×600 mm（寬）×500 mm（高），真空度≤-200 kPa，抽真空時(shí)間≤3 min，設(shè)備外形尺寸為1200 mm（長）×700 mm（寬）×1600 mm（高），放氣時(shí)間(可調(diào))≤15 s，真空保壓≤3 kPa/h。

5）硅橡膠澆注。硅膠在沒有完全硫化前是黏稠的流體，所以澆注時(shí)一般從框壁注入，并且澆注時(shí)需要?jiǎng)蛩倬徛M(jìn)行。保證在澆注時(shí)不會(huì)沖倒塑料瓶蓋原型。當(dāng)硅膠溢滿預(yù)設(shè)好的高度時(shí)，應(yīng)該靜止1 min，等待充分充滿?？颍俑鶕?jù)情況填補(bǔ)材料，具體如圖7所示。

圖6 V550全自動(dòng)真空機(jī)

圖7 澆注

6）固化前真空脫泡。硅橡膠澆注后，因?yàn)樗芰掀可w內(nèi)壁有螺紋，并受到原件表面張力影響，有部分氣體不能自然排出，所以為保證模具表面質(zhì)量完好，需要對澆注好的模具進(jìn)行抽真空脫泡。為很好地去除內(nèi)部結(jié)構(gòu)表面的氣泡，此次脫泡時(shí)間應(yīng)比第一次脫泡時(shí)間更長。具體抽真空的時(shí)間可以參考所使用硅膠的性能和固化時(shí)間和硅膠模具大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜等綜合性因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。還可通過觀察法，根據(jù)抽真空時(shí)硅膠的沸騰情況進(jìn)行判斷，當(dāng)在抽真空過程中看到沸騰的氣泡突然減少時(shí)，就可以認(rèn)為脫泡完成。

7）硅膠模固化。為了壓縮硅膠模的固化時(shí)間，提高模具開發(fā)的效率，當(dāng)攪拌好的硅膠和固化劑混合物遇到溫度升高時(shí)，就會(huì)加速硫化，固化的速度加快，所以可以把脫泡后的硅膠模放進(jìn)60 ℃的烤箱中進(jìn)行加速固化。

8）刀割分型。當(dāng)模具完全固化后，就可以開模，首先拆除圍框和主流道，清理模具飛邊。然后準(zhǔn)備刀割開模，使用鋒利的刀片對準(zhǔn)前面設(shè)計(jì)的分型面和黑色分型線，根據(jù)“S”形走向，一層層割到分型面層處，直到上下模分離，如圖8所示。

圖8 刀割開模

3 技術(shù)難點(diǎn)分析與改進(jìn)

3.1 ?？虻脑O(shè)計(jì)與拼接黏合工藝

?？虻脑O(shè)計(jì)與拼接黏合工藝是硅膠模具制作中的重要環(huán)節(jié)。?？蛑谱魇枪枘z快速模具的第一步。當(dāng)原件尺寸較小時(shí)，若選用較大的?？蚓蜁?huì)導(dǎo)致硅膠原料的浪費(fèi)，并提高開模的難度。當(dāng)原件尺寸一定時(shí)，選用的?？虺叽缙。蜁?huì)導(dǎo)致在快速澆注時(shí)模腔受到壓力并變形。所以選用?？驎r(shí)要適中，在制作工藝上選用統(tǒng)一規(guī)格的透明基板。為了靈活調(diào)整模具的尺寸，可以選用“回”字形的制作工藝，如圖9所示。?？蛩谋凇⒌酌婢嘣芜吘売?0～30 mm距離，保證模具的剛度足夠。側(cè)面基板高度為模具設(shè)計(jì)高度的3倍左右，是為了保證真空脫泡時(shí)沸騰的硅膠不溢出?？颉?/p>

圖9 “回”字圍框

3.2 硅膠模具分型面與鎖緊位設(shè)計(jì)技巧

硅膠模具與傳統(tǒng)模具不一樣，使用手工脫模方法，模具在反復(fù)使用過程中容易磨損。為了避免磨損和提高生產(chǎn)效率，分型面設(shè)計(jì)就要符合化難為簡的基本要求。先設(shè)計(jì)分析線，通常選取投影面積最大的位置，然后使用透明膠帶延伸出分型面。再在透明膠的外邊沿涂上黑色的墨水，讓后期刀割分型面有精準(zhǔn)的目標(biāo)。

3.3 澆注、排氣系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4]

硅膠模具制作具有靈活性，在制作時(shí)可以把澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成制作模具的支撐原件系統(tǒng)，讓原件定位在?？蛑行摹５谥谱髂＞哌^程中需要考慮后期制件的實(shí)現(xiàn)，在保證模具制作成功的前提下，還要考慮澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)對原件表面的影響和脫模難度。以塑料瓶蓋為例，進(jìn)膠口和排氣口應(yīng)該設(shè)計(jì)在瓶蓋的邊沿處。

主流道設(shè)計(jì)和排氣道設(shè)計(jì)可以用6 mm的ABS棒，這樣可以保證AB料在足夠流動(dòng)性情況下能快速充滿模腔。排氣道也是用6 mm，可以保證預(yù)留足夠大的排空腔和注塑余料腔。

澆口的位置對于制件表面質(zhì)量有直接影響，如果其位置和大小選擇不合理，就會(huì)導(dǎo)致制件難脫模、接位過大、脫模拉裂、應(yīng)力缺角等缺陷。澆口的形狀、位置和尺寸等參數(shù)可以參考傳統(tǒng)模具，對澆口和排氣口的形狀、位置、尺寸再設(shè)計(jì)，但需要注意有以下幾點(diǎn)：1）澆口應(yīng)該設(shè)計(jì)在原件邊沿處，又要離各角落等距。同時(shí)保證澆口進(jìn)膠能與最快速度充滿模腔，避免在澆注到一半時(shí)AB料凝固，從而影響制件成型質(zhì)量。2）澆口應(yīng)設(shè)在樹脂制件壁厚較厚的部位，使樹脂材料從厚端面流入薄端面，以利于補(bǔ)料。澆口設(shè)置應(yīng)有利于排氣和補(bǔ)縮，這樣可以避免產(chǎn)生縮孔和凹陷。3）澆口尺寸應(yīng)小于產(chǎn)品壁厚，這樣可以避免脫模拉裂制件的情況。澆口和排氣口都應(yīng)設(shè)置在不影響樹脂制件外觀的部位，還可以保證制件有良好的外觀。4）當(dāng)原型較大時(shí)，為了提高成型質(zhì)量，就可以設(shè)計(jì)多澆口，保證以最短時(shí)間注滿模腔，這樣可以克服制件翹曲變形。5）排氣口設(shè)計(jì)。在可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，排氣口盡量設(shè)計(jì)在尖角位，這樣有利于排氣。

因此，澆口和排氣口對制作硅膠模具非常重要，對于要求非常高的模具，還可以采用CAE分析方法，優(yōu)化模具流動(dòng)性，準(zhǔn)確找到澆口位置。

3.4 保證硅橡膠材料混合均勻

按照硅膠的配比準(zhǔn)確稱量硅膠和固化劑，一般為10∶1，必須嚴(yán)格按照比例稱量，當(dāng)比例不對時(shí)就會(huì)造成硅膠固化不均勻或直接不固化。攪拌時(shí)可以采用機(jī)器攪拌，在材料較少時(shí)可以采用手工攪拌，前提就是保證充分?jǐn)嚢?，硅膠能充分硫化固化。

3.5 正確控制開模刀行走路線

刀割開模時(shí)，先割去模具周邊的飛邊，然后沿著制作模具所設(shè)計(jì)的分模線外沿進(jìn)刀。首刀切入大約為10 mm，紋路為“S”形，刀尖走直線、刀尾走波浪，走完一圈一層，直到分型面的黑色邊沿處，上下模分離。在走刀時(shí)需要一氣呵成，不能出現(xiàn)多次抬刀后再下刀的情況。需要分割成多個(gè)部分時(shí)，要考慮合模時(shí)錯(cuò)位、夾線、漏膠等問題。使硅橡膠模具的分型面形狀不規(guī)則，這樣可以確保上、下模合模時(shí)準(zhǔn)確定位，避免因合模錯(cuò)位引起誤差，如圖10所示。

圖10 刀割波浪形分型面

4 結(jié)語

硅橡膠模具制作工藝簡單，制作成本較低，制作周期較短。硅膠模還具有較好的復(fù)制性能，模具收縮性小，可以保證制件尺寸精度，對于復(fù)制結(jié)構(gòu)的原件還可以使用強(qiáng)制脫模法，所以對于一些比較急的生產(chǎn)鏈就可以采用硅膠模具進(jìn)行快速小批量制件[5]。該種工藝的硅膠模具需要的配件材料簡單，不需要高精度的傳統(tǒng)制造裝備，只需要幾塊基板和硅膠和真空機(jī)就可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)制作出精度高的模具。硅膠模具還具有重復(fù)使用性能，一套模具可以重復(fù)利用200次，而且還能保持制件形狀和小批量生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸精度，并能直接復(fù)制出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品。免去傳統(tǒng)加工工藝的復(fù)雜工序，脫模十分容易，大大縮短產(chǎn)品的制作周期，后期改模成本也較低。目前硅橡膠模具已部分取代金屬模具，用于生產(chǎn)手辦、工藝品、類ABS工程零件、透明制件、硬轉(zhuǎn)軟零件，以及低熔點(diǎn)合金（如鉛、鋅及鋁合金）零件。