模具设计教案讲解

橡胶与塑料模具设计教案

橡胶模具设计

第一节绪论

随着我国橡胶制品工业的发展，橡胶制品的种类日益增多，产量日益扩大，促使着橡胶模具设计与制造由传统的经验设计到理论计算设计。尤其是橡胶生产设备的不断提高与生产工艺的不断改进，橡胶模具越来越多，模具的制造水平与模具复杂程度也越来越高越精致。高效率、自动化、精密、长寿命已经成为橡胶模具发展的趋势。

一、橡胶模具的分类

橡胶模具根据模具结构和制品生产工艺的不同分为：压制成型模具、压铸成型模具、注射成型模具、挤出成型模具四大常用模具，以及一些生产特种橡胶制品的特种橡胶模具，如充气模具、浸胶模具等。

1．压制成型模具

又称为普通压模。它是将混炼过的、经加工成一定形状和称量过的半成品胶料直接放入模具中，而后送入平板硫化机中加压、加热。胶料在加压、加热作用下硫化成型。

特点：模具结构简单，通用性强、使用面广、操作方便，故在橡胶模压制品中占有较大比例。

2．压铸成型模具

又称传递式模具或挤胶法模具。它是将混炼过的、形状简单的、限量一定的胶料或胶块半成品放入压铸模料腔中，通过压铸塞的压力挤压胶料，并使胶料通过浇注系统进入模具型腔中硫化定型。

特点：比普通压模复杂，适用于制作普通模压不能压制或勉强压制的薄壁、细长易弯曲的制品，以及形状复杂、难以加料的橡胶制品。采用这种模具生产的制品致密性好、质量优越。

3．注射成型模具

它是将预加热成塑性状态的胶料经注射模的浇注系统注入模具中定型硫化。

特点：结构复杂、适用于大型、厚壁、薄壁、形状复杂的制品。生产效率高、质量稳定、能实现自动化生产。

4．挤出成型模具

通过机头的成型模具制成各种截面形状的橡胶型材半成品，达到初步造型的目的，而后经过冷却定型输送到硫化罐内进行硫化或用作压模法所需要的预成型半成品胶料。

特点：生产效率高、质量稳定、能实现自动化生产。

二、成型设备

模压法模具使用平板硫化机。（蒸汽硫化机：一般饱和蒸汽的最高压力可达0.6～0.8Mpa，硫化温度在158～168范围内。电阻丝加热平板、油压平板硫化机）

压铸法模具使用压铸机。

注射法模具使用注射机。（注射机工作压力一般为100～140Mpa，硫化温度为140～185，硫化时间为1～5分）

挤出法模具使用挤出机。

第二节橡胶压制成型模具

一、压制成型模具的设计原则

为了保证制品有正确的几何形状和一定的尺寸精度，在设计模具时应遵循如下原则：

1．掌握和了解橡胶制品所选用的橡胶材料（牌号）硬度（邵氏）和收缩率。2．设计的模具结构合理、定位可靠、操作方便、易于清洗和制品修边。3．模具中模腔的数量适当、便于机械加工和使用。

4．在保证模具强度和刚度情况下力求模具轻便。

5．模具设计符合标准化。

二、压制成型模具的结构

1．开放式

利用上下模最终吻合时的压力压制制品，多余胶料从分型面益出，制品有水平方向飞边。

适用于硬度较低，具有较大流动性的胶料和形状简单的制品。

结构形式

2．封闭式

封闭式模具型腔上端带有一定高度的模具配合高度，压制过程中胶料不易外溢，能充分地充满型腔，制品致密性好。

封闭式模具适用于夹布、及其他织物的制品、胶料硬度较高、流动性差的制品。

结构形式

3．半封闭式

模具一端带有一定深度锥面配合。特点是操作安全、定位可靠、不易拉毛配合面，使用面广。

适用于上下带有型腔、制品同轴度要求较高的单腔模具。

结构形式

4．铰链式（合页式）

适用于制品件较小或模具中的镶块暴露在凸模上，操作时容易碰伤的情况。

结构形式

5．外箍压紧式

适用于夹布胶带、平胶带等带夹织物制品。

结构形式

第一节模具设计

一、模具设计步骤

1．模具结构的选择

2．分型面的选择

3．型腔尺寸的确定

4．镶块及型芯安装方法的确定

5．其它尺寸的确定。

模具结构的形式直接关系到制品质量、生产效率、模具加工难易、使用寿命等。制品不同，模具结构不同；制品相同，使用的设备不同、加工工艺不同，模具结构也不同。

二、分型面的选择

1．分型面：分开模具，取出制品的面。

2．分型面选择位置的不同直接影响到胶料的填充、制品质量、模具加工、模具使用、制品修边等。

3．分型面设计原则

⑴保证制品顺利取出与脱模

具体结构见下图。

⑵模具的分型面应尽量闭开制品的工作面

具体结构见下图。

⑶同一类型制品不同分型面的选择

同一类型制品的分型面选择必须考虑到制品的取出。制品能否取出决定于制品厚度、断面与内径的大小。

具体结构见下图。

⑷分型面选择的最大特点

分型面的选择在制品的非工作面上，或者在制品的边角、圆弧突出点的面上。突出点在边角或圆弧相交的制品，分型面一般设置在边角或圆弧相交处为宜。如图所示。

⑸夹布、夹织物制品的分型面

夹布、夹织物制品的分型面的选择，既要考虑胶料与夹布织物的安放与填充，又要考虑胶料与织物的压紧和压实，因此，分型面必须有适当的镶嵌的深度。常用的镶嵌深度H=3～6mm。如图所示。

⑹橡胶制品中各类套管、防尘罩、橡胶轴承分型面的选择

上述制品分型面的选择应根据工厂的实际情况考虑，但一定要保证模具导热均匀，制品取出方便。分型面可分为立式、卧式。具体见下图。

对于一般细长套管（两头大、中间小，或带有台阶的各类保护套），当立式分型面加料困难，且模具闭合高度超过模具宽度而影响导热时，通常采用卧式分

型面的模具结构。如图。

对于波浪形的防尘罩，分型面采用卧式两瓣模结构。模芯由多件（5～6块）镶块组合。如图所示。

如果防尘罩台阶较少，其中一端口径较大，制品厚度小于1.5mm，也可采用整体模芯结构。这样模具加工容易，操作方便。也可采用圆片形拼合模芯结构。如图所示。

另外，橡胶轴承制品分型选择应根据制品高度确定。当制品高度超过60mm 时，模具应采用卧式分型面。如图所示。

常用O型圈分型面的选择，一般按使用要求可分为180°和45°分型面的结构。如图所示。

180°分型面一般适用于固定（静态）密封的场合，45°分型面一般适用往复直线、旋转运动的动态密封场合（固定密封也可使用）。

三、模具定位

模具型腔一般由多块模板组成,要确保制品在型腔中获得准确的形状与位置,必须采用不同的方式的定位,不然难以压制出准确的制品。

模具定位的结构方式：

1．圆柱面定位

结构形式如图所示。

特点：通用性强，加工方便，定位可靠。

设计要求：

（1）定位配合长度h应大于制品的高度H，否则易压坏模具。

（2）圆柱面定位有单向定位、双向加强定位结构。

单向定位：如图。

合理结构因为制品在硫化时会钻缝，导致出模时制品边缘拉伤以及钻缝残留飞边，影响制品外观质量。

双向定位：适用于长壁管类的制品。

特点：双向定位加料方便、并具有良好的定位性能、制品壁厚均匀、型芯不易歪斜等。

定位方式有球面定位和圆锥面定位，如图所示。

2．圆锥面与斜面定位

结构形式：

特点：性能可靠，精度高，加工较难，操作方便，斜面配合不易损伤、拉毛，模具使用寿命长。

技术要求：

（1）圆锥面、斜面定位采用6°～15°，常用10°。配合定位高度为6～10mm。

3．导柱、导套定位

结构形式：

特点：适用于多腔模具。

技术要求：

（1）导柱排列方式：三孔丁字形排列（比后者好，因此应用较多））；一大一小对角排列。

（2）导柱直径：6、8、12、16mm；长度：24、28、34、38、44、48mm，比模具闭合后短1～2mm。也可视模具高度而定。

（3）配合精度：见图：

4．镶块与V形挡板定位：适用于压制异形胶管、护套、空芯嵌条等卧式模具，它既解决了模具加工困难，又能拉紧模具。

结构形式：

特点：能解决加料后型芯的定位问题，从根本上防止上下模或型芯压坏的现象。

5．螺钉定位

形式较多，特点是既可起调节作用，又可起拉紧、定向作用。

（1）螺钉调节高度定位

带有金属嵌件活门的杂件制品，由于嵌件尺寸误差不相一致，如嵌件为上偏差，导致压胶时嵌件高度变形；如嵌件为下偏差，导致制品缺胶或出现微孔不致密状态；如增加胶料，则制品飞边增厚。用螺钉调节嵌件高度，可以避免压胶时造成的飞边增厚、变形、缺胶等现象。

用螺钉调节嵌件定位高度，操作比较麻烦。压胶前必须先压紧上模，待螺钉高度（压紧嵌件状态）调整后，再卸下压紧螺钉，而后加料、加压硫化。

否则嵌件与模具高度H必须作到一致，将比较困难。如图所示。

（2）骑缝螺钉定位

带方形或异形的型芯要求定位时，可用骑缝螺钉或骑缝圆柱销定位，如图所示。

（3）嵌件或型芯螺钉定位

此方法适用于制品中带有镶件制品，或用卧式模具成型的制品中型芯用螺钉拉紧定位的情况。如图所示。

四、胶料收缩率的确定

（1）胶料收缩率的定义

胶料在压制、加热硫化过程中，胶料内部发生变形和交联，由此产生热膨胀力，硫化胶料在冷却过程中，应力趋于消除。胶料的线性尺寸成比例缩小。

因此，在模具设计中，成型部分的尺寸需相应地加大。收缩率比例一般采用百分比表示。

（2）影响胶料收缩率的因素

橡胶的热膨涨、制品的结构形式如端面壁厚、有无金属非金属嵌件、制品的含胶率、硫化温度、胶料的致密程度、硫化工艺等。

①制品收缩率随所用胶料量的增加而增大。如图所示。

②制品收缩率随硫化后的橡胶硬度增加而成马鞍形变化。如图所示。

③制品收缩率随硫化温度的变化曲线。如图所示。

④半成品胶料重量与收缩率的关系

（3）胶料收缩率的一般规律

①硫化温度越高（超过正硫化温度），收缩率越大。在一般情况下，温度每升高10°C，其收缩率就增加0.1%～0.2%。

②胶料压延方向和在模具中流动方向的收缩率大于垂直方向的收缩率；流动距离越长，收缩率越大。

③半成品胶料量越多，制成品致密度越高，其收缩率越小。

④胶料的可塑性越大，收缩率越小；胶料的硬度越高，收缩率越小。（高硬度例外，据实验测定，胶料硬度超过邵氏90度以上，其收缩率有上升的趋势）

⑤填充剂用量越多，收缩率越小；含胶量越高，收缩率越大。

⑥多型腔模具中，中间模腔压出制品的收缩率比边沿模腔制品的收缩率略小。

⑦注射法制品比模压法制品的收缩率小。

⑧薄形制品（断面厚度小于3mm）比厚制品（10mm以上）的收缩率大0.2%～

0.6%.

⑨一般制品的收缩率随制品内外径和截面的增大而减小。不同类型橡胶的收缩率大小依次为氟橡胶、硅橡胶、三元乙丙胶、天然胶、丁晴胶、氯丁胶。（以上橡胶类型按胶种而言，不是按胶种配方牌号）。

⑩常用的橡胶制品的收缩率

?棉布经涂胶后与橡胶分层贴合的夹布制品，其收缩率一般在0～0.4%；

?夹涤纶线制品，其收缩率一般在0.4～1.5%；

?夹锦纶丝、尼龙布制品，其收缩率一般在0.8～1.8%；

?夹层织物越多，收缩率越小。

?衬有金属嵌件的橡胶制品收缩率小，且朝金属方向收缩，其收缩率一般在0～0.4%；

?单向粘合制品其收缩率一般在0.4～1.0%；(如骨架油封结构中嵌件粘合部分其收缩率一般在0～0.4%；唇口部分（纯胶部分）收缩率为阶梯形式，离嵌件一端越近，其收缩率越小，反之越大。)

?硬质橡胶（邵氏硬度大于90度），含胶量约在20%时，制品其收缩率一般在1.5%；

?橡胶与塑料拼用像塑制品的收缩率一般在1.1%～1.6%；约比同类橡胶制品小0.1%～0.3%；

?带槽方形制品，由于橡胶压制时挤压方向关系，B向比A向收缩率大0.2%～0.4%,如图。

（4）胶料收缩率的计算方法

胶料收缩率随胶种、模具、工艺条件等因素的不同而不同，现在还没有一个准确的、完美且具有实用价值的计算公式。有经验的设计人员常凭经验数据估计和积累实际测定数据为参考。

常用的橡胶收缩率计算公式如下。

1．橡胶制品与模腔相应尺寸计算公式：

C=（L2—L1）/ L1 X 100%

C—制品胶料的收缩率：

L1—室温时测得的橡胶制品尺寸；

L2—室温时测得的模具型腔尺寸。

2．以邵氏硬度计算制品胶料收缩率的经验公式：

C=（2.8---0.02K）X 100%

K—橡胶的邵氏硬度。（查《橡胶模具设计制造与使用》，虞福荣编。）3．以橡胶硫化温度计算制品胶料的收缩率的一般公式：

C=（α—β）ΔT ·R X 100%

α—橡胶的线形膨胀系数；

β—模具材料的线形膨胀系数，

ΔT—硫化温度与测量温度差，

R—生胶、硫磺、有机配合剂在橡胶中的体积百分数（%）。

α、β常见值见下表

五、模具型腔尺寸计算

收缩率对制品成型尺寸影响很大，另外，制品尺寸的波动还取决于合模压力、硫化过程中的工艺条件，也取决于模具结构和工艺过程。所以考虑模具尺寸时应综合考虑，并配以经验数据，以得到合理的成型尺寸。

计算模具型腔尺寸的方法有以下几种。

1．厚、薄制品模具型腔内外径尺寸计算

制品厚、薄、断面宽度对胶料收缩率有一定影响。实践证明：制品越厚，收缩率越小；断面宽度越大，相对收缩率也越小。制品厚度、断面宽度对胶料收缩率的影响（又称补偿值）见表。

表制品厚度H、断面宽度W对胶料收缩率S补偿值S

1

在上表中，当H、W不在同一数值范围内时，S

1

值取H、W中尺寸范围小

者为补偿值。如：H=3、W=25时，应取H=3相对补偿值S

1= （S

Max

－0.1）%。

厚、薄制品的模具型腔外径尺寸按下式计算：

D

1= D＋（D×S

1

）

式中：D

1

—型腔外径尺寸；

D—制品外径尺寸；

S

1

—胶料收缩率补偿值。

厚、薄制品的模具型腔内径尺寸按下式计算：

d

1= d＋（d×S

1

）

式中：d

1

—型腔内径尺寸；

d—制品内径尺寸；

S

1

—胶料收缩率补偿值。

2．衬有金属嵌件制品的收缩率

衬有金属嵌件橡胶制品，其收缩率较小，且朝金属嵌件方向收缩。对一般带有金属嵌件的制品，可以按下列经验公式计算其自由收缩值。

制品形状如图所示。

双向制品时：U ≈HC

2

＋(W·S)

单向制品时：U≈H·C＋(W·S)

式中：U—自由收缩最深深度；

H—制品胶料厚度（嵌件粘接高度）；

S—胶料收缩率；

W—制品断面宽度。

3．橡胶O形圈模具型腔内径及断面尺寸计算

3.1 O型圈型腔内径尺寸及公差的计算，可按下列公式计算：

d

1

= d (1 + S )±Δ

式中：d

1

—型腔内径尺寸；