實驗室橡膠硫化試樣用模具的設計及優化

趙桂英，王忠光，王再學，鄭招展，覃　彪

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

實驗室橡膠硫化試樣用模具的設計及優化

趙桂英，王忠光，王再學，鄭招展，覃彪

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140）

通過對實驗室橡膠硫化試樣用模具的設計及優化，包括對模板、模腔、墊片及墊環等的設計，解決了在實驗室對多種圓柱體橡膠試樣的硫化，減少了硫化模具的數量和加工成本，降低了模具用錯的幾率，同時節省了模具存放空間，便于實驗室管理；通過墊片和墊環的恰當組合，相同厚度的試樣可同時壓制成型，節約了能源，提高了效率，實現了多功能化。

硫化試樣；模具；模腔；墊片；墊環

橡膠模具是將膠料模制成制品的裝置，具有一定可塑度的膠料，經預制成簡單形狀后填入或直接注入模腔，經加壓加熱硫化后，即可獲得所需形狀的制品。目前，生產上采用模具制造的橡膠制品占到了整個產品品種的80%，模具已成為橡膠企業重要的生產手段，一個工廠至少要有幾百套模具，多者甚至達到了幾千種之多，模具費用已經占到生產設備購置量的20%~40%，除了一般的雜品小模之外，像注射機模、工礦大雜品模、制鞋模和輪胎模等的價值均在上萬元到10萬元之間；橡膠模具不僅代表了橡膠工業的生產能力、加工效率和技術水平，同時在很大程度上也決定著橡膠制品外觀質量的優劣[1]。

橡膠企業新產品研發或高校教學科研都會在實驗室開展大量的實驗工作，其中試樣制備是必不可少的步驟，硫化試樣的質量直接影響著性能測試的結果；相對于企業實際生產所用的模具來講，實驗室主要采用橡膠壓模進行硫化試樣的制備，壓模是將一定形狀的膠料，加入敞開的型腔內，用壓機閉模加壓，在平板硫化機中硫化成型的一種模具，它結構簡單，造價相對來講較低，因此在硫化實驗室應用廣泛[2]。

1　現有硫化試樣用模具的不足

橡膠性能測試所用的試樣按形狀主要分為四類：矩形試片（用于啞鈴型、直角形等試樣的制備）、圓柱體試樣、圓柱體帶孔試樣或長條形試樣，其中圓柱體試樣應用較多；國家標準對幾種圓柱體試樣的尺寸做了明確的規定，具體見表1[3]。

表1　圓柱體橡膠試樣的類型及尺寸

從表1可以看出，圓柱體試樣主要用于橡膠磨耗、回彈性、壓縮永久變形等性能的測試，盡管其形狀相同，但具體的尺寸有一定的差別，歸結起來其直徑在10~29 mm之間，高度在6.0~12.5 mm之間。

目前，實驗室所用的圓柱體試樣模具由三塊模板組合而成，中模板內部設置有多個模腔，模腔的尺寸為圓柱體試樣的尺寸，先將中下模板組合后，在模腔中加入膠料，蓋上上模板后即可硫化成型，制得硫化試樣；因為一個模具僅能制備一種試樣，如果要測試多種性能，或多組學生同時開展試驗，就必須準備更多的模具。

存在以下問題：

（1）準備多幅模具，需要增加模具的投入成本。

（2）多幅模具占用較大的存放空間，對于尺寸相近的模具使用時容易選錯，給實驗室管理帶來一定的難度。

（3）由于橡膠試樣在壓制前，必須提前預熱模具，因此多幅模具的使用不僅造成能源浪費，還會耗用大量的人力和時間[4]。

2　硫化試樣用模具的設計及優化

根據現有技術存在的不足，經過調研分析，遵循模具設計的基本原則，將模腔尺寸的調整作為設計及優化的重點和出發點，主要設計了墊片和墊環等，并通過墊片和墊環的靈活組合，提供了一種簡易多功能橡膠硫化試樣用模具；采用該模具可在實驗室進行多種橡膠圓柱體試樣的硫化。結合圖1對該模具具體總結闡述如下。

2.1模板的設計

模板是模具的基本部件，其形狀和結構直接關系到加工成本，應力求簡化，容易組合和拆裝，加料及制品取出應盡量方便，不要損壞制品，便于模具內部的清洗等，為此設計了上、中、下三塊模板。

（1）上中下三塊模板形狀為矩形，其長度和寬度均為100 mm×130 mm，厚度分別為13 mm、12.5 mm以及13 mm，也可根據教學實際需要以及平板硫化機的類型增加模板的長度、寬度及厚度，但中模板的厚度不能改變。

（2）三塊模板需組合后才能進行試樣的制備，為使其能良好的配合，定位，保證制品的形狀和尺寸，同時防止模板滑落，砸傷操作人員，造成安全事故，本設計采用定位銷進行定位；在下模板上設置呈等邊三角形對稱的三個定位銷（詳見圖1），定位銷頂端做成圓頭錐形，容易插入銷孔；中模板相同位置開設定位孔，上模板相同位置開設一定深度的凹槽，定位銷的直徑和長度與定位孔和凹槽相配合，起到固定作用。

（3） 在中模板兩平行邊的上下面上分別開有啟?？?，用于將模板分開，取出制品；三塊模板的另外兩端分別設置有手柄，便于操作。

2.2模腔的設計

由于硫化試樣為小型制品，為避免平板硫化機不致因模具太小，局部受壓過大而早期損壞，同時為了提高試驗效率，降低能耗，往往一副模具中設置多個模腔；本設計結合教學實際，在中模板內設置了6個模腔，模腔的內徑為29 mm，高度為12.5 mm，可一次硫化成型2~6個試樣。

2.3墊片及墊環的設計

為制備出不同尺寸的圓柱體試樣，靈活調整模腔的內徑和高度，分別設計了一組墊片和墊環，同時在墊片和墊環的表面印有明顯的型號和尺寸，便于其快速，準確的組合到模腔內。

本設計墊片共有兩個，安裝在模腔的底部，用于調整模腔的高度；墊片的直徑與模腔的內徑相配合，墊片的厚度分別為2.5 mm、3.7 mm；墊環共有三個，安裝在模腔內，用于調整模腔的內徑；墊環的內徑分別為16 mm、13 mm及10 mm，與之相對應的高度分別為6.3 mm、6.3 mm及10 mm，墊環的外徑分別與模腔或組合墊環的內徑相配合。

圖1　硫化試樣用模具的結構示意圖

3　模具材料及制備方法

目前橡膠模具使用的金屬材料，一般多為軟鋼，半硬鋼，鑄鐵，特種鋁合金，不銹鋼等等；本設計從成本、性能和耐久性方面考慮，下模板，中模板、上模板、墊片和墊環的材質全部選擇S45C鋼，由于這類鋼材的切削加工良好，因此該模具采用機械方法加工而成，要求模具內部表面光滑，以確保硫化試樣的外觀質量符合要求；為使硫化橡膠能較容易地從模腔內脫離取出，并防止給模具造成污染，采用了最常見的鍍硬鉻對模具表面進行處理[5]。

4　硫化試樣用模具的使用方法[6]

先根據欲制作橡膠試樣的厚度選擇合適的墊片組合，使模腔內腔的高度是所需試樣的厚度，然后根據試樣的直徑選擇合適的墊環組合，使模腔內腔的直徑是所需試樣的直徑。

（1）當需要制備輥筒磨耗試樣時，選擇裝入厚度為2.5 mm和3.7 mm的墊片，以及內徑為16 mm、高度為6.3 mm的墊環；這樣模腔內腔的高度變為6.3 mm,內徑變為16 mm。

（2）當需要制備壓縮永久變形B型試樣時，選擇裝入2.5 mm和3.7 mm厚的墊片，再選擇裝入內徑為16 mm，高度為6.3 mm的墊環，最后選擇裝入內徑為13 mm，高度為6.3 mm的墊環；這樣模腔內腔的高度變為6.3 mm，內徑變為13 mm。

（3）當需要制備壓縮永久變形C型試樣時，選擇裝入2.5 mm厚的墊片，以及內徑為10 mm，高度為10 mm的墊環；使模腔內腔的高度變為10 mm，內徑變為10 mm。

（4）當需要制備回彈性和壓縮永久變形A型試樣時，不需要裝入墊片和墊環。

（5）墊片組合后模腔高度相同的試樣可以同時壓制成型，否則應分批壓制。

（6）分批壓制時，建議將膠料放置于對稱的模腔中。

具體選擇方式見表2。

表2　圓柱體橡膠試樣的類型及組合方式

然后將下模、中模、上模、墊片和墊環同時預熱，放入橡膠膠料，蓋上上模進行硫化。硫化結束后，打開下模和上模，從中模模腔中取出試樣，同時頂出墊片和墊環。

5　效果

經過對橡膠硫化試樣用模具進行設計，達到了以下效果。

（1）一副模具，通過不同的墊片和墊環組合，能夠制備出多種圓柱體試樣，減少了模具的數量和加工成本。

（2）節省了模具的存放空間，減少了用錯的幾率，便于實驗室管理。

（3）組合后相同厚度的試樣可同時壓制成型，節約了能源，提高了效率，實現了多功能化。

6　結語

通過對橡膠硫化試樣用模具的設計和優化，包括對模板、模腔、墊片和墊環的設計，通過選取不同墊片和墊環的組合，只需一副模具就能制備出多種圓柱體試樣，減少了模具的數量和加工成本；節省了模具的存放空間，減少了用錯的幾率，便于管理；組合后相同厚度的試樣可同時壓制成型，節約了能源，提高了效率，實現了多功能化；該裝置結構簡單，操作方便，有利于模具的清洗，提高硫化試樣的外觀質量。

[1] 于清溪. 橡膠模具發展概觀[J]. 橡塑技術與裝備，2007，33（04）：13~22.

[2] 劉希春. 橡膠加工設備及模具[M]. 化學工業出版社，2014. [3] 趙桂英,王忠光. 高分子材料性能測試技術[M]. 化學工業出版社，2014.

[4] 徐州工業職業技術學院. 簡易多功能復合橡塑模具[P]. ZL201420043181.1.

[5] 胡華南. 橡膠模具的設計及應用[J]. 模具技術，2006，03（04）：25~35.

[6] 徐州工業職業技術學院. 組合式模具[P]. ZL201420777114.2.

Design and optimization of laboratory rubber vulcanization sample mold

TQ330.41

1009-797X(2015)19-0037-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.19.009

趙桂英（1969-），女，學士，副教授，研究方向為高分子材料應用技術。

項目來源：2014年度徐州工業職業技術學院教改項目，項目編號：XGY201425

2015-03-09