橡膠注壓模腔填充平衡性技術(shù)

王進文　編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司， 陜西　咸陽　712023）

橡膠注壓模腔填充平衡性技術(shù)

王進文編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計院有限公司， 陜西咸陽712023）

為了提高硫化效率、縮短硫化時間，并使所有模塑件具有穩(wěn)定的質(zhì)量，需要均衡橡膠注壓模具多個模腔的填充順序。實際中，大多數(shù)橡膠注射模具并沒有穩(wěn)定、均勻地均衡模具中所有模腔的填充順序，即使從結(jié)構(gòu)上均衡了流道和模腔布局也是如此。一種稱為“Vanturi效應(yīng)”的新流道設(shè)計技術(shù)有助于解決傳統(tǒng)流道和模腔布局存在的固有不足，實現(xiàn)更加均衡的填充順序。

注射；流道；模腔均衡填充

0　前　言

采用一系列熱流道布局和特殊模腔形狀設(shè)計，制造了專用橡膠注壓模具。采用逐步缺料注射技術(shù)，研究流道和模腔的填充情況。注射系列包括流道和模腔布局相同的相同模具對。在每一對中，模具設(shè)計成典型的平衡性流道結(jié)構(gòu)。每一對的配對模具與第一個相同，只是增加了些輕微的機械調(diào)整，引入了Vanturi效應(yīng)。在嚴格控制注射工藝參數(shù)的情況下，采用幾種膠料試樣對模壓流道進行了比較分析。

眾所周知，橡膠行業(yè)企業(yè)都會遇到注壓過程中多個模腔平衡性填充的問題。因而在模具設(shè)計過程中要進行專門研究，設(shè)計平衡的模腔布局，從而在注射過程中可同時填充模具。問題是注射時間必須足夠長，才能完全填充所有模腔，這可能會長于所需的時間。原因是一些模腔完全填充，而另一些幾乎沒有填充。另一個問題是先填充的模腔可能會過度填充，而最后填充的模腔可能會填充不足。

過度充填模腔會在分型面處出現(xiàn)過量的飛邊，而充填不足的模腔會存在氣孔或充填不足的問題。過度填充可能會導(dǎo)致很薄的斷面處焦燒，而填充不足的模腔的薄斷面可能會欠硫。

隨著模腔復(fù)雜程度的提高以及模具中模腔數(shù)量的增大，模腔均衡填充難度增大。大多數(shù)注壓產(chǎn)品廠家觀察到，隨著模具溫度提高，多模腔均衡填充的難度也增大。

現(xiàn)代注壓技術(shù)的普遍趨勢是不斷加快硫化周期，這通常需要較高的模壓溫度?，F(xiàn)代注壓技術(shù)的另一個普遍趨勢是在模壓區(qū)盡可能多地設(shè)計模腔，以達到經(jīng)濟的規(guī)模。受這些趨勢的影響，注射模具中常常形成多個模腔不能均衡填充的狀況。模具設(shè)計人員為防止或減小模腔不均衡填充狀況，可采取的方法是有限的。

1　8腔U形流道模具

1.1采用普通流道的平衡性模腔布局

圖1所示模具為簡單的8腔U形流道模具。流道系統(tǒng)是半圓形斷面，采用平衡設(shè)計。這里的“平衡”是指在對稱性及結(jié)構(gòu)上的平衡。右側(cè)照片是故意缺料注射的結(jié)果，以說明在這種模腔填充順序下模腔填充的不平衡情況。注意到有一些模腔完全填充（包括排氣孔），而有一些模腔填充量很少。

圖1　幾個特殊注壓模具

1.2帶排氣孔的流道系統(tǒng)

圖2為帶有與圖1相同平衡流道的特殊注壓模具的照片。在圖2中，模具中并沒有實際模腔，每個流道在其端部延伸出一個小的排氣通道。稍令人驚奇的是，人為缺料注壓表明，排氣孔充填不平衡。

圖2　采用典型流道的平衡性模腔布局

1.3不平衡與平衡流道系統(tǒng)對比

圖3所示的不平衡模腔布局具有與圖1所示平衡模具相同的半圓流道的種類和尺寸。不平衡模具中U形流道模腔尺寸與形狀也與圖1所示模具相同。

圖3　帶有不平衡流道模腔布局的特殊注壓模具與平衡流道模腔布局的對比

1.4不平衡與平衡流道系統(tǒng)對比

由圖4可知，與預(yù)期的模壓結(jié)果相符，最接近中心注壓點的模腔填充量最大、通氣孔最長，而距離注射點最遠的模腔僅部分填充。本文介紹一種減小模腔不平衡填充新方法的基本原理，即在流道設(shè)計中采用一種較簡單的機加工結(jié)構(gòu)來有效地減少不平衡模腔填充產(chǎn)生的不利特征。

圖4　不平衡流道模具中缺料注壓結(jié)果的照片

從理論上講，如果橡膠通過流道的層流效應(yīng)與“文氏效應(yīng)”（Venturi）的原理相符，則可能會有一種在新的實用方法中利用文氏效應(yīng)的簡單方式。文氏效應(yīng)可理解為當流體流過一個管道或通道的受約束斷面時流體壓力減小的現(xiàn)象。

1.5文氏效應(yīng)——流動限制效應(yīng)

本文并不打算討論或量化作為伯努里原理（Bernoulli）推論的文氏效應(yīng)，也不打算討論連續(xù)原理或連續(xù)方程，以及它們與文氏效應(yīng)或伯努里原理的關(guān)系。而是要介紹一些與多腔模具平衡注壓現(xiàn)象相關(guān)的初步原因和效果試驗數(shù)據(jù)。

圖5　流道中受約束斷面以及流體流經(jīng)流道相應(yīng)斷面后速度與壓力的關(guān)系

1.6Vanturi效應(yīng)——流道流動平衡方法

反向文氏效應(yīng)導(dǎo)致的流體特征會改善模腔填充過程中的平衡性。這種增大流道或加寬流道的部位被稱為一個“Vanturi”結(jié)構(gòu)。膠料經(jīng)流道加寬部位時的流速輕微下降。模腔的填充示于圖6。速度減小能使膠料通過自校正流動調(diào)節(jié)進行有效的平衡。

圖6　膠料經(jīng)流道加寬部位時的流速

2　設(shè)計/原理/方法

本文研究的每一個模具都具有極高的加工精度和質(zhì)量，保證模腔表面、注口尺寸和流道表面加工精度相同。在研究模具中進行了大量的缺料注射，以證明模壓結(jié)果能說明定義的注射參數(shù)。

特種產(chǎn)品研究與設(shè)計公司（PRDS）有一個模壓設(shè)備——Rutil Technomini橡膠液壓機。這是一種小型等比例縮小的臺式臥式橡膠液壓機，配備電加熱器和液壓合?？刂蒲b置。該注壓機可以精密調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，因而能夠反復(fù)地精確設(shè)置一組液壓工藝參數(shù)。

將每一種注射模具安裝到Technomini中，采用多種注壓參數(shù)進行一系列逐步缺料注壓。還用模具注壓了幾種膠料（逐步缺料注射）。規(guī)定了一系列逐步缺料注射，獲取一個模具的一組注壓參數(shù)，證實是以可再現(xiàn)的穩(wěn)定方式得到的模壓結(jié)果。調(diào)節(jié)注射壓力、注射時間或注射體積，收集一系列缺料注射結(jié)果。缺料注射是逐步進行的，開始時模腔全部填滿，并逐步產(chǎn)生充填較少的模壓結(jié)果。由于是在逐步缺料注射過程單獨觀察充填特征，所以最好延長模壓硫化時間，使充填不完全的膠料充分硫化，以完整脫模，避免生成大量的污染物。

將逐步缺料注壓試樣擺放到一起，就可以看到模腔的相互充填情況，就像橡膠注入模腔時你可以透過模板觀察一樣。注壓機的精密控制和體積計量能力決定著一種逐步缺料注射系列獨立填充工序的個數(shù)。

2.18腔U形流道模具

圖7 的模腔布局與圖1相同，但模具帶有Vanturi結(jié)構(gòu)。Vanturi結(jié)構(gòu)是一個簡單的球狀凹坑，位于流道交叉點處，用圓頭銑刀的端部加工。球坑的深度等于半圓流道的深度，Vanturi結(jié)構(gòu)的直徑約為半圓流道直徑和寬度的3倍。

圖7　帶有Vanturi結(jié)構(gòu)平衡模腔布局

存在Vanturi結(jié)構(gòu)的流道機加工交叉點處應(yīng)仔細打磨，除去Vanturi結(jié)構(gòu)內(nèi)部表面上的銳邊。圖7示出了逐步缺料條件下的注壓結(jié)果，顯然，與圖1所示無Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具相比，8個模腔的平衡性都得到了改善。

圖8（a）所示逐步缺料注壓結(jié)果的對比清楚表明，與無Vanturi結(jié)構(gòu)的模具相比，Vanturi結(jié)構(gòu)可使模腔填充更加平衡。圖8（b）所示為人為逐步缺料注壓FKM膠料的照片，模壓條件和所用FKM膠料與圖8（a）所示注壓示例相同，只是硫化溫度設(shè)定為204 ℃。可以清楚地看出，與無Vanturi結(jié)構(gòu)的模具相比，Vanturi結(jié)構(gòu)改善了模腔填充條件。

圖8　標準FМK膠料在一組規(guī)定模壓條件下人為缺料注壓對比照片

圖9　帶Vanturi結(jié)構(gòu)的平衡模腔布局

2.2FKМ膠料對比

2.2.1平衡流道

對圖8（a）與圖8（b）所示的模壓結(jié)果作進一步的比較表明，與176 ℃下硫化的試樣相比，204 ℃下模腔的不平衡度增大。這證實了大多數(shù)人的觀點，即在相同條件下，高溫會使膠料的流動性變差。盡管如此，較寬溫度下的模壓結(jié)果證實，在注射流道中引入Vanturi結(jié)構(gòu)能夠改善模腔平衡。

2.2.2帶排氣孔的流道系統(tǒng)

圖10　兩種結(jié)構(gòu)的填充順序

圖9使用的模具與圖2相同，但在流道變化點處設(shè)有Vanturi結(jié)構(gòu)。人為缺料注壓結(jié)果表明，Vanturi結(jié)構(gòu)使排氣孔的充填較為平衡。

2.2.3采用Vanturi結(jié)構(gòu)時填充順序的比較

圖10所示為無Vanturi結(jié)構(gòu)的模具與有Vanturi結(jié)構(gòu)的模具的兩個人為缺料注壓順序。顯然，在模腔填充順序中，每一個增量下，有Vanturi結(jié)構(gòu)模具的人為缺料注壓系列改善了模腔平衡填充狀況。

2.3丁腈橡膠膠料對比

在圖11中，丁腈橡膠膠料在無Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具中進行了3種逐步缺料注壓。三個模具的注壓參數(shù)相同，只是模具設(shè)置的硫化溫度不同。

圖11的比較分析再次表明，模壓溫度越高，模腔填充條件不平衡性越大。選用93 ℃的模壓溫度模擬典型注壓冷流道板的工藝條件。將這些逐步缺料注射試樣的硫化時間延長到足夠長，使其達到完全硫化的程度，從模具中取出。該系列試樣逐步缺料表明，在整個填充順序內(nèi)，模腔填充狀況基本平衡。

圖11　標準流道模壓溫度比較

2.3.1模擬冷流道條件

圖12　93 ℃下無Vanturi結(jié)構(gòu)特殊模具以及丁腈橡膠膠料人為缺料注壓結(jié)果（注壓參數(shù)模擬典型冷流道板的條件）

在較低的溫度條件下，如注壓冷流道板，基本無須Vanturi結(jié)構(gòu)來改善平衡。但是，隨著模壓溫度升至典型模壓溫度，模腔不平衡性增大。

逐步缺料注射的例子表明，所采用的Vanturi結(jié)構(gòu)不足以完全平衡模腔順序，但可顯著改善平衡。對Vanturi結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和位置進行進一步的實驗研究，可能有助于改善均衡填充狀況，甚至可采用人為不平衡的流道布局。

2.3.2不平衡流道比較

盡管所采用的Vanturi結(jié)構(gòu)不能完全消除不平衡流道布局，但由帶Vanturi結(jié)構(gòu)的模具進行的逐步缺料注壓系列表明，在模腔填充過程中，各種增量條件下都可改善模腔填充平衡狀況。

圖13　一對未平衡模具的模壓結(jié)果

圖14　無和有Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具兩個逐步缺料注壓順序

3　結(jié)　論［1］

模壓流道試樣的比較分析表明，在流道設(shè)計中引入Vanturi效應(yīng)后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究結(jié)果表明，膠料經(jīng)流道中產(chǎn)生Vanturi效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時，流經(jīng)流道的膠料流體特性之間存在有價值的相互關(guān)系，從而可以改善流道和模腔的均衡充填。

需要進一步研究注塑流道中Vanturi結(jié)構(gòu)的最佳形狀、尺寸和位置。

初步研究表明，熱流道注射模具或配置熱流道的傳遞模壓模具采用Vanturi結(jié)構(gòu)可以改善模腔平衡性填充條件。

［1］Chapin J，Walworth V. Cavity Fill Balancing Technique for Rubber Injection Molding［D/OL］. New York：SAE International，［2015-04-14］. http：//papers. sae org/2015-01-0715. DOI：10.4271/2015-01-0715.

［責任編輯：翁小兵］

TQ 330.6+4

B

1671-8232（2016）09-0041-05

2016-06-10

王進文（1967— ），男，陜西澄城人，教授級高級工程師，主要從事期刊審校、信息及專業(yè)翻譯工作，發(fā)表論文及譯著近60篇。

模壓流道試樣的比較分析表明，在流道設(shè)計中引入Vanturi效應(yīng)后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究結(jié)果表明，膠料經(jīng)流道產(chǎn)生Vanturi效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時，流道中膠料的流體特性之間存在有價值的相互關(guān)系，從而可以改善流道和模腔的平衡性充填。