具有非垂直結(jié)構特征的硅橡膠壓制模具的加工

劉 峙

（許昌技術經(jīng)濟學校，河南許昌 461000）

1 引言

硅橡膠具有較好的高、低溫性能，它能夠在-70℃～200℃之間仍能保持一定的柔韌性、回彈性和表面硬度，且力學性能無明顯變化。特別是硅橡膠還具有優(yōu)異的絕緣性能、耐電暈性、耐電弧性以及很強的耐候性，在氧、臭氧、紫外線、油、化學試劑等惡劣的戶外環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的物理機械性能、化學穩(wěn)定性能以及電性能，并且硅橡膠無毒、無味、無嗅，不與人體組織發(fā)生粘連，很少會對肌體組織產(chǎn)生反應。因為硅橡膠如此優(yōu)異的特性，現(xiàn)被廣泛用作高壓電器設備絕緣件制作的原材料。下面以某型號高壓互感器外絕緣護套的壓制成型模具為例，介紹具有非垂直結(jié)構特征的硅橡膠壓制模具設計以及解決模具中一些非垂直結(jié)構特征加工難題的技巧。

2 案例來源

某高壓電器生產(chǎn)企業(yè)，主營產(chǎn)品高壓互感器，生產(chǎn)中需要大量配套的高壓互感器絕緣外護套作為互感器的絕緣保護，耐受110KV以上高壓甚至350KV的瞬間高電壓，這需要具有對地、對設備和對自然界生物具有絕對安全的絕緣防護措施。目前，針對高壓互感器設備絕緣防護套通常采用硅橡膠全包絡設計，這種高壓互感器全包絡硅橡膠護套的制作一般有兩種方法：一是采用液體硅橡膠注射模具成型的方式；二是采用混煉型硅橡膠（又稱為固態(tài)硅橡膠）壓制模具成型。因固態(tài)硅橡膠比液態(tài)硅橡膠價格上要便宜很多，且兩種不同形態(tài)的原材料加工后成品的各項性能指標相差不是很大，因此很多電器絕緣件生產(chǎn)企業(yè)都采用了物美價廉的混煉型硅橡膠利用壓制模具壓制成型的辦法來生產(chǎn)高壓電器設備的外絕緣護套。

市面常見某型號高壓互感器產(chǎn)品外觀圖及外形結(jié)構示意圖如圖1所示，電器外圍所包絡棕褐色結(jié)構件為高壓互感器絕緣護套，材質(zhì)為硅橡膠，作用主要起絕緣、隔弧等作用。圖2所示為本案某公司自行設計的高壓互感器的絕緣護套產(chǎn)品結(jié)構示意圖，該產(chǎn)品材質(zhì)為硅橡膠，總體尺寸為345×235×125mm，壁厚為5mm。該產(chǎn)品外形像一個倒扣的“澡盆”，最突出的結(jié)構特征為“澡盆”底有兩個與水平面成77.5°的圓柱筒。

圖1 某型號高壓互感器產(chǎn)品外觀圖和外形全結(jié)構示意圖

圖2 某型號高壓互感器絕緣護套產(chǎn)品設計圖

3 模具整體情況

針對該絕緣護套外形及結(jié)構特征，所設計的該護套壓制模具裝配圖如圖3所示。

圖3 絕緣護套壓制模具裝配圖

3.1 模具結(jié)構

該副模具按照使用功能結(jié)構特征，共分成6個部分，從上向下依次為上模墊板、上模板、上模芯、上模芯拼塊、下模腔、下模墊板。上模墊板、上模板和上模芯之間采用內(nèi)六角螺釘聯(lián)結(jié)，上模墊板與四立柱液壓機的壓排相連。下模腔用內(nèi)六角螺釘固定在下模墊板上，為了脫模方便，上模芯拼塊從下模腔底部兩電極孔穿過，用內(nèi)六角螺釘固定在下模墊板上。

整副模具6個基本組成部分中，上模芯、上模芯拼塊和下模腔采用40Gr材質(zhì)，其它部位均采用45鋼。

為了確保硅橡膠壓制后產(chǎn)品的質(zhì)量、精度和壓制過程中上下模具的位置精度，在上下模具上設置4副定位導柱套結(jié)構。

本壓制模具采用40t四柱三梁液壓機，該型號液壓機公稱壓力為400kN，系統(tǒng)壓力為25MPa，最大行程280mm，最大開口400mm，工作臺600×500mm。

3.2 模具中非垂直結(jié)構特征元素

這樣的模具結(jié)構在模具設計行業(yè)算是常見通用型，屬于典型的上下結(jié)構。但是該模具中存在有兩處與上下模板不垂直的結(jié)構特征，這是區(qū)分一般模具的地方，屬于非典型性結(jié)構。如圖4所示，上模芯設計圖中，上模芯底部有兩處圓柱形凸起，凸起的兩圓柱體直徑為?61.5mm，這兩處圓柱形凸起與上模芯整體輪廓結(jié)構不相垂直，且凸起的圓柱體中心線與上模芯豎直中心線呈12.5°的夾角，兩凸起圓柱體距離上模板頂面中心點的位置相距115.8mm，凸起底平面離上模板垂直高度為158.3mm，上模板高度為29.8mm。為了產(chǎn)品使用功能、外觀及脫模需要，上模芯摒棄尖角和直角設計，大多數(shù)的過渡位置都采用圓弧和過渡圓角處理。

圖4 上模芯設計圖

圖5所示為模具下模腔的設計圖，包含了下模腔的主視圖、俯視圖、左視圖和仰視圖，其中主視圖和左視圖為了看清內(nèi)部的結(jié)構，采用了全剖視圖的表達方式。仰視圖重點表達下模板與下模腔之間的聯(lián)結(jié)示意，其它三幅圖重點表達下模腔體的內(nèi)部結(jié)構，特別是與上模芯配套的兩處與整體結(jié)構不垂直的圓柱形腔體的示意圖。A、B兩圓柱形腔體直徑為?71.76mm，兩圓柱形腔體中心線夾角為25°，與下模腔體中心線呈12.5°的夾角，模具的主要結(jié)構特征與模具體的主要輪廓呈非垂直關系，這是這副模具中最為突出的結(jié)構特征。

圖5 下模腔設計圖

4 模具中非垂直結(jié)構特征元素的加工分析

為了保證電壓互感器護套產(chǎn)品的使用性能、結(jié)構功能、產(chǎn)品的制造成本以及產(chǎn)品外觀等要素，模具設計考慮通過模具壓制一次性成型，盡量減少護套產(chǎn)品的二次加工。所以在模具設計時很多關鍵配合部位的表面粗糙度值要求都比較低，很多電極接觸面，模具制造要求達到Ra0.8μm，一些非關鍵配合部位表面粗糙度值也要求在Ra3.2μm以上，非配合表面粗糙度值為Ra6.3μm。

模具上模芯和下模腔，均存在兩處與主要輪廓呈一定夾角關系的形狀特征，這些非垂直的圓柱凸起和圓柱形腔體的中心線與模具體中心線呈12.5°的夾角，與模具體的上下墊板呈77.5°的夾角，這些非垂直性表面結(jié)構特征是整副模具加工的難點。

4.1 加工難點

模具體中大多數(shù)的待加工輪廓結(jié)構都是與機床工作臺保持垂直或水平的位置關系，包括模具體中的一些圓弧結(jié)構特征的待加工部位，對于數(shù)控銑床或者普通加工中心來說都是可以通過圓弧加工程序正常解決的。但是模具中一些與模具體主要輪廓呈非垂直結(jié)構特征的待加工表面，再加上這些待加工表面還有很高的粗糙度要求，這是機械加工的難點。

目前，模具制造通常采用以下3種方式：第一，是模具鉗工+手工制作的方式（這種模具制造方式費時費工，生產(chǎn)效率很低，通常用于單件模具的修護等，此種工藝在工業(yè)生產(chǎn)中基本已淘汰）；第二種方式為利用普通車、銑、鉆、鏜等方式完成，或者利用數(shù)控銑削或數(shù)控加工中心等數(shù)控智能型設備來完成，這種方式一般適合中小型企業(yè)；第三種利用5軸或5軸以上的加工中心的智能機床設備來加工。這種工藝主要存于大中型模具生產(chǎn)企業(yè)或者專門從事機械加工制造企業(yè)，因為一臺5軸或5軸以上的加工中心設備的價格都在百萬以上，有的甚至高達數(shù)百萬，并且這類機床的附件配置下來也需要十幾萬甚至幾十萬，這不是一般的企業(yè)所能承受的。

承擔高壓互感器護套生產(chǎn)任務的企業(yè)，屬于中小型電器生產(chǎn)企業(yè)，具有一般機械加工能力，配置有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、普通銑床、鉆床、數(shù)控鏜床等通用機械加工設備，這也是現(xiàn)代中小型機械加工企業(yè)或電氣設備制造企業(yè)的典型設備配置（高檔設備的利用率低，產(chǎn)品制造成本太高）。一般這類企業(yè)使用的模具和工裝夾具都是有金工車間或者模具車間利用現(xiàn)有設備自行制造完成，基本能滿足本企業(yè)生產(chǎn)需求。

普通數(shù)控銑床和3軸或3軸半加工中心，刀具相對于工作臺只能按照上下、前后、左右的方向移動，刀具以Z軸為中心的旋轉(zhuǎn)運動，甚至有些機床的工作臺還能相對于XY平面實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，這一類CNC機床的刀具一般都不能實現(xiàn)相對于XYZ軸的傾斜旋轉(zhuǎn)，所以對于本案中非垂直的圓柱形凸起和非垂直圓柱形腔體的加工則顯得束手無策。

4.2 解決思路

針對非垂直結(jié)構特征機械形體的加工，業(yè)內(nèi)常用有3種解決辦法：一種辦法是制作鑲塊，把圓柱體凸起和圓柱體型腔，切挖出來，單獨加工好后，再焊接或裝配到整個模具體上；第二種辦法就是購買5軸或5軸以上加工中心，利用高檔智能型機床進行加工；第三種辦法就是利用墊鐵把非垂直性結(jié)構調(diào)整為與CNC機床工作臺水平或者垂直的位置狀態(tài)，滿足加工需求。

對比以上3種解決辦法，第一種模具壓制過程中焊接的鑲塊或機械裝配上的鑲塊很難承受住幾百千牛壓力和數(shù)十兆帕壓強，且鑲塊裝配時兩連接件之間會存在一定的不平度，在壓制過程中，嚴重影響高壓互感器絕緣護套的產(chǎn)品質(zhì)量，甚至會降低絕緣護套的機械力學性能及化學穩(wěn)定性能，無法滿足產(chǎn)品的使用性能要求。第二種加工方法，需要購買昂貴的高檔機床加工設備，一般企業(yè)都不愿意進行此項投資。第三種方法通過制作工裝或墊鐵，對待加工部位進行調(diào)整找平。因此，第三種加工方案則顯得簡單易行，并且具有很強的可操作性。

5 模具體非垂直結(jié)構特征機械加工輔助工裝的設計與制造

根據(jù)以上的分析，此種具有非垂直結(jié)構特征模具體的加工，最好的方式就是利用墊鐵把非垂直的結(jié)構特征墊平，利用水平儀和百分表進行找正，然后利用數(shù)控銑床或者普通加工中心完成機械加工。此種解決方案的設計靈感來源于正弦規(guī)工作原理。圖6所示為根據(jù)此靈感設計的模具非垂直結(jié)構特征機械加工的輔助工裝。

圖6 模具非垂直結(jié)構特征機械加工輔助工裝

此工裝設計共分上中下3個部分，最下邊一部分為固定旋轉(zhuǎn)滑臺，用螺栓固定在CNC機床工作臺上；中間一部分半圓柱體形狀為可旋轉(zhuǎn)滑臺，這一部分放置在最下部固定滑臺與半圓柱體等徑的半圓柱體凹槽內(nèi)，通過緊定螺釘和定位柱銷實現(xiàn)下部與中部的精確定位聯(lián)結(jié)；最上邊部分為固定平板，主要作用是實現(xiàn)與上模芯大平面或下模腔下平面的聯(lián)結(jié)。此輔助工裝采用45鋼。

此輔助工裝在使用時，首先把輔助工裝的最下部固定在CNC機床的工作臺上合適的位置，用螺栓進行固定；第二步放置工裝中部可轉(zhuǎn)動滑臺到工裝最下部的圓柱體凹槽內(nèi)，并調(diào)整到前后兩端平齊的位置；第三步把最上部的固定平板通過內(nèi)六角螺釘固定在可轉(zhuǎn)動滑臺上；第四步把待加工上模芯或下模腔固定在此工裝最上邊的固定平板上；第五步對工裝中部可轉(zhuǎn)動滑臺部分進行位置調(diào)整，利用百分表、水平儀等輔助工量具，對非垂直特征結(jié)構待加工位置進行找正，讓兩處非垂直結(jié)構待加工圓柱體（或圓柱腔體）中心線調(diào)整到相對于機床工作臺呈垂直狀態(tài)；第六步利用緊定螺釘和定位銷釘對可轉(zhuǎn)動滑臺進行固定，確保機械加工過程中的待加工零件不會產(chǎn)生相對位移。經(jīng)過這六步對輔助工裝的調(diào)整即可滿足數(shù)控銑床或普通加工中心此模具體中非垂直結(jié)構部位的加工。

6 結(jié)束語

在模具制造中，一些非垂直性結(jié)構特征的機械加工，一直以來都是中小型機械制造企業(yè)無法回避的難題，這類特征結(jié)構的零部件加工難度很大，尺寸精度和形位公差不好保證，加工后的表面質(zhì)量也很難達到要求。本例中，針對這一類特征結(jié)構零件的機械加工，設計開發(fā)出了一副非常實用的工裝，輕松解決了這一技術難題，并且操作使用相當簡便，加工質(zhì)量非?？煽?，制造成本也比較低廉，非常值得推廣。