硅橡膠復(fù)合絕緣子真空注射模具的設(shè)計與制作

李寧，劉峙，趙戰(zhàn)紅

1. 許昌技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)校 河南長葛 461500 2. 河南易和電器有限公司 河南長葛 461500

1 序言

在高壓電器行業(yè)，對產(chǎn)品的絕緣性能和外觀光潔程度要求很高，目的是為了減少設(shè)備漏電、爬電及局部放電等現(xiàn)象發(fā)生，保障高壓電器設(shè)備操作人員的安全，這就要求高壓電器在制造過程中，內(nèi)部及表面不能有任何微小瑕疵存在[1]。

圖1所示為某型號棒形懸式硅橡膠復(fù)合絕緣子，是10～1000kV高壓輸變電線路常用器件，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是增加爬電距離的傘裙特別多，目前采用模具整體注射成型的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品質(zhì)量非常不理想，主要原因在于原材料液態(tài)硅橡膠自模具下方注料，上升過程中硅橡膠液體不斷自各個方向交匯到模具交接面，不可避免地會產(chǎn)生較多的氣泡，這些氣泡隨著黏稠的橡膠液體不斷上升，在硅橡膠上升固化過程中，部分氣泡不能及時排出，存在于產(chǎn)品內(nèi)部或者傘裙表面，造成復(fù)合絕緣子內(nèi)部放電以及表面存污垢后腐蝕放電等，大大降低產(chǎn)品的絕緣性能和使用壽命，給輸變電線路及設(shè)備帶來極大的安全隱患。

根據(jù)液態(tài)硅橡膠注射的特性，通過對注射模具增加抽真空輔助結(jié)構(gòu)裝置，拆分制造模具腔體，以及改善模具腔體拼塊裝配溫度等工藝，解決了注射時硅橡膠固化過程中存在氣泡的問題，提高了傘裙結(jié)合邊界的表面質(zhì)量，增大了高壓電器設(shè)備的爬電距離，大幅提高了復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的絕緣性能、使用壽命、安全保障性能和外觀美感等。

2 注射模具設(shè)計思路

國內(nèi)生產(chǎn)棒形懸式硅橡膠復(fù)合絕緣子普遍采用硅橡膠模具注射成型工藝，存在兩大技術(shù)難題，一是產(chǎn)品外形傘裙多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具設(shè)計和制造難度大；二是液態(tài)硅橡膠注射時，模具腔體存在的氣體與硅橡膠混合，在硅橡膠固化過程中容易產(chǎn)生氣泡，影響產(chǎn)品性能[2]。

模具設(shè)計和制造難度大，主要原因在于復(fù)合絕緣子產(chǎn)品外形復(fù)雜，模具型腔內(nèi)部需要加工多處曲面，機(jī)械加工難度很大。解決此類問題的思路是把復(fù)雜的型腔結(jié)構(gòu)拆分成多個易加工的特征單元，每一個特征單元制作一個拼塊分別進(jìn)行機(jī)械加工，然后把這些加工好的拼塊拼裝起來，再裝配到模具腔體中，合成一個半模，這樣可以解決模具腔體難加工的問題。

產(chǎn)品的氣泡問題，主要原因在于注料時氣體存在于模腔內(nèi)，液態(tài)硅橡膠注射入模具腔體內(nèi)與腔體內(nèi)的氣體混合，最后形成氣泡殘留在硅橡膠中，在硅橡膠固化時存在于產(chǎn)品中。解決此問題的關(guān)鍵是在液態(tài)硅橡膠原料注射入模具腔體前，把模具腔體內(nèi)的氣體全部清空，并且注射過程中不允許外邊的氣體再進(jìn)入模具腔體。在模具設(shè)計中必須要考慮模具的密封問題，即左右模合緊后可以達(dá)到完全密封的狀態(tài)。另外，在注料前，為了把模具腔體內(nèi)的氣體抽空，在模具上方必須設(shè)計一套抽真空裝置，左右半模合模后，先將模具中的空氣完全抽出，模具內(nèi)部達(dá)到真空狀態(tài)，然后開始注料，材料在上升過程中不會產(chǎn)生氣泡，液態(tài)硅橡膠在各腔體內(nèi)交匯翻滾時，藏在注射料內(nèi)的渦流氣隙也會因為真空狀態(tài)下氣體的體積放大而優(yōu)先在模具上方被擠走，從而使固化后硅橡膠內(nèi)部和表面都不會存在微小氣泡。

3 真空注射模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提升生產(chǎn)效率，模具一般設(shè)計兩個型腔，一次注料可以生產(chǎn)兩個產(chǎn)品。模具為左右合模結(jié)構(gòu)，底部為硅橡膠注射孔，頂部為抽真空裝置。同時為了降低模具模腔制造難度，在設(shè)計時把此套模具中每一個傘裙特征部分拆分為一個拼塊，每一個拼塊單獨(dú)進(jìn)行加工，最后再用緊固螺釘把各個拼塊固定到模腔當(dāng)中去，組裝完成整套模具[3]。真空注射模具裝配如圖2所示，其中的零件明細(xì)見表1。

表1 真空注射模具裝配圖樣零件明細(xì)

圖2 真空注射模具裝配圖樣

4 模具制作技術(shù)難題及解決方案

4.1 技術(shù)難題

該套模具制作和裝配過程中存在5個技術(shù)難題。

1）產(chǎn)品帶有多個傘裙結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特征和機(jī)床加工特點(diǎn)將模腔拆分為多個容易加工的結(jié)構(gòu)拼塊。

2）模具型腔比較深，銑削加工中很容易出現(xiàn)腔體內(nèi)表面與底面不垂直的情況，需要單獨(dú)考慮加工工藝。

3）事先做好拼塊，放入模腔中，需要考慮拼塊與模腔配合的尺寸問題，同時每一拼塊的尺寸公差、幾何公差在設(shè)計時都經(jīng)過細(xì)致的計算或仿真，以免拼塊裝入模腔后，左右模具間的傘裙錯位，導(dǎo)致模具注射時產(chǎn)品各結(jié)合邊界不光滑。

4）各拼塊和模腔裝配時要保證嚴(yán)密性，需要采用熱裝工藝，這就要求控制模具型腔在合適的加熱溫度，在熱裝過程中不能使模具型腔氧化，同時還應(yīng)防止模具在熱裝中急速降溫，必須考慮模具裝配中的保溫措施。

5）硅橡膠注射時，為了防止產(chǎn)生氣泡影響產(chǎn)品質(zhì)量，模具頂部增加抽真空裝置，來保障整個模腔內(nèi)的真空環(huán)境，同時還要考慮整套模具的密封問題，以免在注料時出現(xiàn)其他地方進(jìn)氣的情況。該套模具的典型特點(diǎn)是合模線較長，而且模具內(nèi)部有20塊拼塊要在模具中固定，軸芯還需要伸出模具，形成了復(fù)雜的交接面等，需要考慮多處的密封問題。

4.2 解決方案

針對各技術(shù)難題，逐一給出如下解決方案。

1）關(guān)于拼塊分界的問題。由于整個傘裙結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此模具傘裙腔體部分很難一次在機(jī)床上加工完成。按照圖3所示拼塊分界方法，在傘裙凹模結(jié)構(gòu)特征末端圓弧的180°象限點(diǎn)處進(jìn)行分界，這樣傘裙凹模就可以拆分成兩個半圓弧過渡的圓錐面結(jié)構(gòu)，拆分后的結(jié)構(gòu)利用普通數(shù)控車床來加工，可以輕松保障傘裙的尺寸公差和幾何公差。

2）關(guān)于模具型腔較深的問題。銑削加工時，因刀桿伸出較長，故容易出現(xiàn)模具腔體與底面不垂直的現(xiàn)象。破解這一難題的方案是首先增加銑刀刀桿強(qiáng)度，使用特制刀桿；其次采用多工步小進(jìn)給量的方式銑削加工。通過這兩種辦法，完全可以解決問題。

3）關(guān)于拼塊與拼塊在模腔裝配時，左右模具間的傘裙錯位，模具注射時產(chǎn)品各結(jié)合邊界不光滑的問題。解決這一問題的方案是精加工傘裙凹模形狀特征，充分保證傘裙凹模內(nèi)部形狀的尺寸公差和幾何公差，然后把凹模拼塊組裝到一起，確保在傘裙凹模無錯位的情況下，通過銑床銑削拼塊的外表面，同時注意為拼塊外部尺寸預(yù)留正向偏差，以保證拼塊與模腔裝配時的過盈配合。

4）關(guān)于拼塊和模腔熱裝工藝問題。通過查詢P20材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)以及組裝拼塊的過盈尺寸大小，換算計算確定模腔的加熱溫度，一般模腔加熱溫度控制在220～260℃。模腔加熱溫度一定不要過高，否則很容易導(dǎo)致模腔內(nèi)金屬被氧化，模腔表面金屬的氧化皮會在注射時凝固在產(chǎn)品外表面而產(chǎn)生黑色斑點(diǎn)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。若拼塊與模腔裝配時過盈量過大，不易裝配時，可以考慮適當(dāng)減少拼塊的過盈量。

5）關(guān)于整套模具的密封問題。需要密封的地方主要有3處。一是左右兩半模合模時的密封，特別是整套模具的合模線較長時；二是產(chǎn)品內(nèi)部拼塊要在模具型腔中固定時，螺釘?shù)拿芊鈫栴}；三是軸芯伸出模具的密封問題。解決方案分別為在左右半模合模處增加定制的硅橡膠密封圈，在拼塊的固定螺釘上加裝硅橡膠密封環(huán)，然后把伸出模具的軸芯固定在抽真空裝置中。

5 結(jié)束語

硅橡膠復(fù)合絕緣子產(chǎn)品存在的氣泡、黑點(diǎn)等質(zhì)量問題，主要原因是液態(tài)硅橡膠注射時模具型腔中的氣體難以排除，同時復(fù)合絕緣子傘裙部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模具制造及改型難度較大，成本較高，且形狀不易保證，成為生產(chǎn)廠家提升質(zhì)量的瓶頸。本文根據(jù)液態(tài)硅橡膠特性，設(shè)計制作真空注射模具并增加抽真空輔助結(jié)構(gòu)裝置，通過拆分制造模具腔體、改善拼塊裝配溫度等工藝，解決了模具腔體難加工和產(chǎn)品氣泡問題，取得了事半功倍的效果。