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液體硅橡膠(LSR)注射成型工藝的設計

時間:2005-07-02

關鍵詞:液體硅橡膠 LSR 注射成型工藝設計來源：www.newmaker.com

在過去的三到五年里，熱固性液體硅橡膠（LSR）的注塑技術得到了快速的發展。LSR的注塑設計與剛性工程熱塑料有著重要的差別，這主要是因為這兩種橡膠的物理性質，如低粘度，流變學性質（快速固化），剪切變稀性質，以及較高的熱膨脹系數等區別較大。

         由于LSR的粘度較低，因此它在注射成型過程中，即使在注射壓力較低的情況下，填充流速也可以較快，但是為了避免空氣滯留，對模具通風的要求更加嚴格。總的來說，現代LSR的快速硫化的循環時間更短（某些情況下循環時間不到20秒），為了充分利用這一特性，加工機械、注射成型機以及部件轉移系統等必須相互配合，作為一個高度集成的整體運作。

        冷流道成型

        現代冷流道體系充分利用了LSR剪切變稀的性質，真正達到了無浪費，無毛邊成型。在過去的三到五年里，冷流道模塑在制造業中的優勢地位急速上升，并導致橡膠產品的產量增加、廢品減少、勞動成本降低等良好的勢頭。

        LSR不會在模具中收縮，這一點和熱塑性塑料類似。但是由于膨脹系數較高，加熱時會發生膨脹，冷卻時卻僅有微小的收縮。因此，部件通常不能在模具中保持準確的側邊距，只有在表面積較大的空腔中才可以保持。

        與熱流道模塑相似，在冷流道加工中，熱固LSR應保持較低溫度和可流動性，以確保沒有物料的損失。這種加工方法最適用于在清潔的室內環境中生產大小、結構相似的大體積部件。理想模型是在人為因素影響最小的設備中晝夜不停的運轉，并逐步增大運轉周期（日或周）。

       目前所用的冷流道設備有兩種基本類型，即閉合系統和開放系統，它們各有優缺點。注射循環中，閉合系統在每一個管道中都采用“開動銷”或“針形閥”來控制LSR橡膠的流量。而開口系統則根據注射壓力的大小，利用“收縮嘴”和閥門來控制物料的流量。

        與開口系統相比較，閉合系統最典型的特點是在較低的注射壓力下進行注塑。設備中可調控的“節流口”可以對不平衡的分流道以及物料的不同剪切變稀性能進行微調。缺點是對某些給定大小的部件和模具，設備需作額外的調整。

        開放系統利用通過噴嘴或者閥門的高剪切速率，在注射壓力降低時，進行截流。一般情況下，開放系統的空腔填充時間要比閉合系統稍微短一些。開放系統由于分流道和噴嘴較小，空腔密度較高。分流道則要求自然平衡，并與物料本身的流變性能嚴格匹配。因為開放系統的流道尺寸較小，所以通常不用可調“節流口”，只需普通閥門就可以很好的控制流量，并獲得最佳的壓力點。

        分模線

       設計液體硅橡膠注射成型模具時，首先要考慮分模線的位置，因為分模線內部需設置一些通道，利用這些通道完成通風任務，通風孔必須設置在注射物料最后到達的模具末端。預先考慮以上因素，有助于避免空氣的夾帶和焊接線邊縫強度的損失。

        由于LSR的粘度低，所以必須確保分模型線的精確度，避免出現毛邊。雖然如此，最終產品上的分模線清晰可見。部件的幾何形狀和分模線的位置還會影響脫膜過程。在部件設計中，輕微的根切有助于確保被塑部件與模具空腔之間堅固的結合在一起。

         收縮

       雖然液體硅橡膠在注射成型過程中沒有收縮，但是由于硅橡膠具有較高的熱膨脹系數，因而在脫膜、冷卻后通常會有2％－3％的收縮。確切的收縮數據主要取決于物料配方，但是從加工的觀點來看，設計者如果在構思的時候，預先對影響收縮的一些因素有所考慮的話，最后的收縮情況會有所變化，這些因素主要包括加工的溫度，物料脫膜的溫度，空腔壓力等。

        另外要考慮的是注入口的位置，因為通常物料在流動方向上的收縮要比其垂直方向的收縮來得明顯些。另外，部件的尺寸也是一個影響因素，一般來說，部件越厚，收縮越小如果在實際應用中要求二次硫化，則還要考慮額外增加0.5%－0.7%的收縮。

         通風

        當模具空腔關閉時，空氣滯留在內，隨著LSR的注射，空氣首先被擠壓，接著逐漸被填料趕出空腔，由于LSR的粘度較低，空腔很快被填充。在快速填料過程中，如果空氣不能完全被趕出空腔，將會夾帶在硫化后的物料中（通常表現為沿部件周邊一圈白邊或是內部光滑的小氣泡）。典型的通氣管道寬1－3mm，深0.004－0.005mm，現已成功應用于生產中。

        排除空腔滯留空氣的最佳方法，是在每一個注射成型循環中，采用抽真空的辦法將空腔中滯留空氣趕走。就是說，在設計分模線時確保模具密閉，真空泵通過模具開關下面的夾具將所有空腔抽真空。一旦真空度達到預想標準要求，立刻關閉模具，開始注射。

        還有一種成功應用的方法是，利用調節夾具力度達到趕走空氣的目的。制造者在夾具力較低時LSR填充至空腔的90％－95％，之后再將夾具力度調高，同時避免積壓液體硅橡膠溢出，產生毛邊。

       注入口

        一個合適的加工設計，既希望閥門的痕跡小而堅固，又希望閥門的位置不易察覺，這是非常困難的。但是如果將閥門設置在非臨界區域或內表面上，就可以避免很多麻煩，例如前面提到的，利用冷流道系統進行LSR材料的注射成型就可以省去注入口痕跡的消除，從而避免了勞動集約型的生產過程和大量物料的浪費。很多情況下，無注入口設計也將縮短循環時間。

        如果采用冷流道系統，在熱空腔與冷流道之間設置有效的隔離溫度是十分重要的。如果分流道太熱，物料在注射前就開始固化，而如果冷卻太快的話，它會從模具閥門區域吸收過多熱量，防礙固化的完成。閉合系統的閥門或是開動銷，一般設計為0.5－0.8mm之間，以保證銷和它周圍流動的物料的活動空間。而開口系統中，噴嘴和閥門通常要小一些（0.2－0.5mm），這樣可以較好的控制流量。

        對于低粘度的LSR來講，若是通過傳統注入口注入物料，例如潛伏式閥門或是錐形閥門，那么喂料直徑要略小些。（注入口直徑通常在0.2－0.5mm之間。）

         脫模

        除非是較特殊的配方，一般固化LSR容易粘在金屬表面上，這給脫模帶來了一定的困難。雖然如此，目前LSR橡膠的熱撕裂強度還是能夠滿足脫模要求的，在脫模后基本沒有損失。應用最為普遍的脫模技術設備，包括分餾柱塔板，推頂銷和空氣推頂。其他應用較多的方法包括滾筒掃除機，排除塔，和機器人操作。

        使用推頂系統時，必須使推頂系統保持在相近的公差范圍內。如果推頂銷和套管之間清除過度，或是元件磨損時間過長，都會引起部件毛邊的出現。反錐形或蘑菇形推頂器的接觸壓比較大，可增進系統的密閉性，因而功效很強。

        模具材料

        一般情況下，護圈板都是采用非合金加工鋼（no. 1.1730, DIN code C45W）來制造的。由于模板要暴露在170℃－210℃的高溫下，所以應該采用預回火的鋼材（no.
1.2312, DIN code 40 CrMnMoS 8 6）制造，以提高抗沖壓性能。具有空腔的模板最好采用耐溫性好的彈性熱鋼為材料。

        針對像抗油品級這類高填充LSR材料，推薦使用更強硬的材料，例如鍍鉻鋼和粉末金屬都在這一應用上有了較大的發展（鋼no.1.2379, DIN code X 155 CrVMo 12 I）。在為研磨性物料制作模具時，要注意使用特別的插件或者其他可替換加工工具，這樣元件磨損后可以單獨替換，而不必更換整個模具。

        模具空腔表面的優劣對部件的品質有重要的影響，簡單講，鑄好的部件會將模具空腔的原貌準確的復制下來。拋光鋼對于透明部件顯得十分重要。表面經過處理的鈦/鎳鋼具有很高的抗磨損能力，而PTFE/鎳更加容易脫膜。LSR材料在某種程度上具有研磨特性，因而最好不要選擇鋁質材料。在經濟條件允許的情況下，選用最好的金屬材料，以便得到更好的相容性，同時便于由粗產品加工為最終產品。

       溫度控制

       LSR成型工藝中，典型的加熱方式是電加熱，通常采用電熱絲加熱器、加熱管或者加熱盤。LSR的一次型固化過程中，模具內溫度的均勻分配是非常重要的。在大型模具中，最經濟的加熱方法是“油溫控制法”。

        用絕緣板包裹模具，也有助于減少熱損失。如果表面溫度下降過快，會使物料的固化速度降低，不斷抑制部件的釋放，影響部件的品質。加熱器與分模線之間保留一段距離，可以大大避免模板的彎曲與變形，但是會使鑄好的部件出現毛邊。

       如果模具是為冷流道系統設計的，那么在冷熱界面上必須有適合的隔離，這是必不可少的。像3.7165（Ti Al 6V4）這樣的鈦合金，相比其他鋼材料來說，其熱導性能差，因此是冷熱隔離的良好材料。對于整體模具加熱體系，應該在模具與模板之間放置絕緣層，把熱損失降低到最小。

        模擬設計

         LSR分流道系統中，LSR將均勻填充所有的模具空腔，在這樣的一個體系中，LSR分流道規劃的平衡顯得十分重要。采用電腦物流動力學模擬軟件來設計分流道閥門和通風口，可以幫助模具的改進，避免反復試錯法的高消耗。其實驗結果可以用填充研究來論證，但是，正確的模擬要求工程師對所注塑的LSR配方的機械反應性能了如指掌。利用有限元分析法進行部件設計的實驗，可忽略高應力區。

        小結

        予以恰當的設計和規劃，LSR材料的注射成型是一項經濟收益好，操作相對簡潔的生產工藝。充分理解注射成型與流程設計的原則，制造者即可在避免出現問題的同時，進行高效生產，相信LSR出色的空腔填充性能和快速硫化特性，必將帶來高品質、高產出的工業效應

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