供氧面罩連接管壓注模設(shè)計

馬宏偉，藺小慧，袁開波

航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441003

1 序言

供氧面罩是提供持續(xù)氧氣的重要保障，連接管是供氧面罩中呼吸活門組件和供氧組件的橋梁，在面罩中起連接和密封作用。連接管要求至少能承受2kPa壓力，HB8233-2022-M2級精度，外觀要求表面粗糙度值Ra0.8μm、無熔接痕及毛刺等，由于材料特殊、產(chǎn)量低且定制成本高，所以公司決定自制模具。本文分析了連接管的使用要求和成型工藝，制定了模壓成型和壓注成型兩種方案，通過對比方案，最終采用壓注成型來加工連接管。

2 連接管工藝分析

2.1 連接管工藝要求

連接管結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料為硅橡膠，收縮率2.5%，外徑（4±0.2）mm，內(nèi)孔φ（2±0.15）mm，長度為100mm。零件外觀要求光滑，表面粗糙度值Ra0.8μm，無熔接痕、氣泡、缺膠和毛刺等缺陷，精度要求高，尺寸控制困難。

圖1 連接管結(jié)構(gòu)

2.2 連接管加工難點分析

連接管加工難點：①零件長度長，精度要求高，材料收縮率大，模具尺寸不易確定。②零件外觀要求高，不允許有熔接痕跡等，這對模具設(shè)計提出了更高要求。③零件長度長且內(nèi)孔小，型芯設(shè)計制造難度大。④型芯較長且剛度低，難以保證正常開、合模。

基于以上難點，在設(shè)計模具時需對硅橡膠連接管壓制成型工藝進行分析，設(shè)計合理的模具結(jié)構(gòu)，這就要求設(shè)計員對細長軸加工、深孔加工路線進行研究。

3 成型方案選擇

產(chǎn)品用硅橡膠主要是在高分子材料聚甲基乙烷基硅氧烷的生膠中增加添加劑、硫化材料等，在高溫、高壓下硫化生成的彈性體[1]。公司硅橡膠成型工藝主要是固態(tài)熱壓成型，該工藝是利用壓力機溫度和壓力，通過對模具加溫、加壓硫化成型的方法成型零件。通過對連接管使用要求和工藝進行分析，制定了兩種成型方案——模壓成型和壓注成型，從成型零件的外觀質(zhì)量、模具加工工藝等方面進行對比，選取最優(yōu)方案。

3.1 模壓成型

模壓成型工藝是把固體硅橡膠放在與零件形狀相似的模具型腔內(nèi)，通過對模具加溫、加壓、保溫和冷卻等操作后成型零件[2]。其工作過程為：模具加熱→上、下模分模，取出型芯并在下模型腔內(nèi)均勻放入硅橡膠→放入型芯，保證型芯與硅橡膠均勻接觸→合模（見圖2a）利用平板硫化機對模具進行加壓、升溫、冷卻等操作→開模（見圖2b）取出 零件。

圖2 模壓成型

此方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，型腔在上、下模表面易加工；加工難點是型芯；缺點是分模面位于外圓面，外觀有分模痕跡和毛刺，去毛刺難度大，合格率僅為30%左右。成型零件時，橡膠必須均勻放置在下模型腔中，再用力按壓型芯來擠壓橡膠，將型芯按壓至下模定位槽中，合模成型零件。該方案中，操作人員既要對4個型腔填料，又要手動定位型芯。經(jīng)統(tǒng)計，熟練操作人員大約需要5min，而且對操作人員技能要求高，所需輔助工時長。

3.2 壓注成型

壓注成型工藝是把固體硅橡膠放置在模具壓注倉中，對橡膠加熱軟化，通過壓力機對模具加壓成型[3]。其工作過程為：加熱模具→打開壓注板，將原材料放至壓注倉中，合模加熱軟化→對模具加壓，將軟化的原材料擠壓至模具型腔中，保壓冷卻定型→開模取出零件。

該方案的優(yōu)點：①模具操作簡單，填料時間在10s以內(nèi)，對操作人員技能要求低。②分模面在兩端面，零件外觀質(zhì)量高，去毛刺效率為1min/件。該方案的缺點是模具結(jié)構(gòu)復雜，模具加工難度大，需要使用慢走絲加工工藝，模具加工費用約3000元。

從模具加工費用、模具加工效率、成型質(zhì)量、人工成本和輔助工時等方面對比模壓成型和壓注成型，選擇壓注成型（見圖3）。

圖3 壓注成型

4 壓注模設(shè)計和制造

壓注模由壓注板、上模、中模、型芯和下模等組成，模具重點是具有料倉和注射口的上模，型腔的中模以及型芯，解決以上3個問題就可以保證模具能夠加工出合格零件。

4.1 上模設(shè)計和制造

上模由料倉和注射孔組成，作用是存放原材料、擠壓成型通道[4]。結(jié)合零件產(chǎn)量需求，模具采用1模4腔結(jié)構(gòu)，單用料20g、損耗10%，總料量88g，材料密度為0.87kg/m3，料倉尺寸為100mm×90mm×12mm，四周1°拔模角起導向和脫模作用。上模結(jié)構(gòu)如圖4所示，料倉可容納100g原材料，注射孔尺寸為4mm×φ2mm，兩側(cè)有1mm×1mm槽。此設(shè)計既可用中間孔對型芯定位，防止注射時型芯受力偏移，又可利用兩側(cè)的槽進行注膠。注膠孔是設(shè)計的重點，尺寸過小，注膠時流量小，影響成型；尺寸過大，會在零件上留下澆口點，影響零件外觀。

圖4 上模結(jié)構(gòu)

4.2 中模設(shè)計和制造

中模由型腔和定位孔組成，作用是成型零件和定位模具。中模型腔是連接管成型的關(guān)鍵部位，其重點是型腔尺寸和加工工藝的確定。中模結(jié)構(gòu)如圖5所示，經(jīng)過計算，型腔直徑為4.1mm，長度為102.5mm，零件直徑小，按收縮率計算，但其長度計算不準確，通過試驗得出長度值應為103mm。在對中模結(jié)構(gòu)進行分析后，設(shè)計基準面為厚度面和右上角直角面，難點是加工型腔φ4.1mm×103mm孔。經(jīng)分析，該孔可用慢走絲加工，進絲孔是難點。經(jīng)過反復試驗，制定出的進絲孔加工工藝為：制φ2mm中心孔→用銑刀制定位孔→用φ2mm加長鉆制孔→用穿孔機沿φ2mm孔制φ1.5mm進絲孔，加工時兩面對打才能保證孔垂直于基準面。

圖5 中模結(jié)構(gòu)

4.3 型芯設(shè)計和制造

型芯作用是成型連接管內(nèi)孔，型芯結(jié)構(gòu)如圖6所示。連接管長度為100mm，經(jīng)過計算，型芯長度為125mm。為了方便操作者合模，把型芯前端設(shè)計成錐型，方便型芯進入上模定位孔內(nèi)，重復定位精度高。型芯結(jié)構(gòu)簡單，但硬度高（50～55HRC），加工難度大，傳統(tǒng)加工方法無法滿足使用要求，需要定制加長頂桿。

圖6 型芯結(jié)構(gòu)

5 模具試模

對裝配合格的模具進行試模，3次成型時出現(xiàn)的問題分別是分模面處缺料有凹坑、合模困難和零件難脫模。經(jīng)分析，分模面處缺料可能是因為注膠孔尺寸不合適，重新設(shè)計注膠孔尺寸，長度調(diào)整至3mm，寬度調(diào)整至0.5mm，成型后分模面處凸起，可通過后期修剪至合格尺寸（見圖7）。模具合模困難主要原因是型芯過長，將型芯導向部分加長6mm，合模得到改善。針對零件難以脫模的問題，利用高壓氣槍對準中模型孔吹氣（見圖8），脫模問題得以解決。

圖7 改善前與改善后對比

圖8 零件脫模

6 結(jié)束語

分析連接管的成型工藝，分析制定出2種成型方案，通過對比，采用壓注模（見圖9）成型零件。該方案經(jīng)過生產(chǎn)驗證，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，零件外觀質(zhì)量較好，脫模方便，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足了生產(chǎn)要求，為面罩順利交付提供了保障。

圖9 壓注模實物