液體硅橡膠(LSR)注射成型工藝的設(shè)計(jì)
由于LSR的粘度較低,因此它在注射成型過(guò)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(duì)模具通風(fēng)的要求更加嚴(yán)格??偟膩?lái)說(shuō),現(xiàn)代LSR的快速硫化的循環(huán)時(shí)間更短(某些情況下循環(huán)時(shí)間不到20秒),為了充分利用這一特性,加工機(jī)械、注射成型機(jī)以及部件轉(zhuǎn)移系統(tǒng)等必須相互配合,作為一個(gè)高度集成的整體運(yùn)作。
冷流道成型
現(xiàn)代冷流道體系充分利用了LSR剪切變稀的性質(zhì),真正達(dá)到了無(wú)浪費(fèi),無(wú)毛邊成型。在過(guò)去的三到五年里,冷流道模塑在制造業(yè)中的優(yōu)勢(shì)地位急速上升,并導(dǎo)致橡膠產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、廢品減少、勞動(dòng)成本降低等良好的勢(shì)頭。
LSR不會(huì)在模具中收縮,這一點(diǎn)和熱塑性塑料類(lèi)似。但是由于膨脹系數(shù)較高,加熱時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹,冷卻時(shí)卻僅有微小的收縮。因此,部件通常不能在模具中保持準(zhǔn)確的側(cè)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(yīng)保持較低溫度和可流動(dòng)性,以確保沒(méi)有物料的損失。這種加工方法*適用于在清潔的室內(nèi)環(huán)境中生產(chǎn)大小、結(jié)構(gòu)相似的大體積部件。理想模型是在人為因素影響*小的設(shè)備中晝夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn),并逐步增大運(yùn)轉(zhuǎn)周期(日或周)。
目前所用的冷流道設(shè)備有兩種基本類(lèi)型,即閉合系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng),它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。注射循環(huán)中,閉合系統(tǒng)在每一個(gè)管道中都采用“開(kāi)動(dòng)銷(xiāo)”或“針形閥”來(lái)控制LSR橡膠的流量。而開(kāi)口系統(tǒng)則根據(jù)注射壓力的大小,利用“收縮嘴”和閥門(mén)來(lái)控制物料的流量。
與開(kāi)口系統(tǒng)相比較,閉合系統(tǒng)*典型的特點(diǎn)是在較低的注射壓力下進(jìn)行注塑。設(shè)備中可調(diào)控的“節(jié)流口”可以對(duì)不平衡的分流道以及物料的不同剪切變稀性能進(jìn)行微調(diào)。缺點(diǎn)是對(duì)某些給定大小的部件和模具,設(shè)備需作額外的調(diào)整。
開(kāi)放系統(tǒng)利用通過(guò)噴嘴或者閥門(mén)的高剪切速率,在注射壓力降低時(shí),進(jìn)行截流。一般情況下,開(kāi)放系統(tǒng)的空腔填充時(shí)間要比閉合系統(tǒng)稍微短一些。開(kāi)放系統(tǒng)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?chē)?yán)格匹配。因?yàn)殚_(kāi)放系統(tǒng)的流道尺寸較小,所以通常不用可調(diào)“節(jié)流口”,只需普通閥門(mén)就可以很好的控制流量,并獲得*佳的壓力點(diǎn)。
分模線
設(shè)計(jì)液體硅橡膠注射成型模具時(shí),首先要考慮分模線的位置,因?yàn)榉帜>€內(nèi)部需設(shè)置一些通道,利用這些通道完成通風(fēng)任務(wù),通風(fēng)孔必須設(shè)置在注射物料*后到達(dá)的模具末端。預(yù)先考慮以上因素,有助于避免空氣的夾帶和焊接線邊縫強(qiáng)度的損失。
由于LSR的粘度低,所以必須確保分模型線的**度,避免出現(xiàn)毛邊。雖然如此,*終產(chǎn)品上的分模線清晰可見(jiàn)。部件的幾何形狀和分模線的位置還會(huì)影響脫膜過(guò)程。在部件設(shè)計(jì)中,輕微的根切有助于確保被塑部件與模具空腔之間堅(jiān)固的結(jié)合在一起。
收縮
雖然液體硅橡膠在注射成型過(guò)程中沒(méi)有收縮,但是由于硅橡膠具有較高的熱膨脹系數(shù),因而在脫膜、冷卻后通常會(huì)有2%-3%的收縮。確切的收縮數(shù)據(jù)主要取決于物料配方,但是從加工的觀點(diǎn)來(lái)看,設(shè)計(jì)者如果在構(gòu)思的時(shí)候,預(yù)先對(duì)影響收縮的一些因素有所考慮的話,*后的收縮情況會(huì)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?yàn)橥ǔN锪显诹鲃?dòng)方向上的收縮要比其垂直方向的收縮來(lái)得明顯些。另外,部件的尺寸也是一個(gè)影響因素,一般來(lái)說(shuō),部件越厚,收縮越小如果在實(shí)際應(yīng)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(fēng)
當(dāng)模具空腔關(guān)閉時(shí),空氣滯留在內(nèi),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(guò)程中,如果空氣不能完全被趕出空腔,將會(huì)夾帶在硫化后的物料中(通常表現(xiàn)為沿部件周邊一圈白邊或是內(nèi)部光滑的小氣泡)。典型的通氣管道寬1-3mm,深0.004-0.005mm,現(xiàn)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)中。
排除空腔滯留空氣的*佳方法,是在每一個(gè)注射成型循環(huán)中,采用抽真空的辦法將空腔中滯留空氣趕走。就是說(shuō),在設(shè)計(jì)分模線時(shí)確保模具密閉,真空泵通過(guò)模具開(kāi)關(guān)下面的夾具將所有空腔抽真空。一旦真空度達(dá)到預(yù)想標(biāo)準(zhǔn)要求,立刻關(guān)閉模具,開(kāi)始注射。
還有一種成功應(yīng)用的方法是,利用調(diào)節(jié)夾具力度達(dá)到趕走空氣的目的。制造者在夾具力較低時(shí)LSR填充至空腔的90%-95%,之后再將夾具力度調(diào)高,同時(shí)避免積壓液體硅橡膠溢出,產(chǎn)生毛邊。
注入口
一個(gè)合適的加工設(shè)計(jì),既希望閥門(mén)的痕跡小而堅(jiān)固,又希望閥門(mén)的位置不易察覺(jué),這是非常困難的。但是如果將閥門(mén)設(shè)置在非臨界區(qū)域或內(nèi)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(tǒng)進(jìn)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(dòng)集約型的生產(chǎn)過(guò)程和大量物料的浪費(fèi)。很多情況下,無(wú)注入口設(shè)計(jì)也將縮短循環(huán)時(shí)間。
如果采用冷流道系統(tǒng),在熱空腔與冷流道之間設(shè)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(kāi)始固化,而如果冷卻太快的話,它會(huì)從模具閥門(mén)區(qū)域吸收過(guò)多熱量,防礙固化的完成。閉合系統(tǒng)的閥門(mén)或是開(kāi)動(dòng)銷(xiāo),一般設(shè)計(jì)為0.5-0.8mm之間,以保證銷(xiāo)和它周?chē)鲃?dòng)的物料的活動(dòng)空間。而開(kāi)口系統(tǒng)中,噴嘴和閥門(mén)通常要小一些(0.2-0.5mm),這樣可以較好的控制流量。
對(duì)于低粘度的LSR來(lái)講,若是通過(guò)傳統(tǒng)注入口注入物料,例如潛伏式閥門(mén)或是錐形閥門(mén),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(lái)了一定的困難。雖然如此,目前LSR橡膠的熱撕裂強(qiáng)度還是能夠滿(mǎn)足脫模要求的,在脫模后基本沒(méi)有損失。應(yīng)用*為普遍的脫模技術(shù)設(shè)備,包括分餾柱塔板,推頂銷(xiāo)和空氣推頂。其他應(yīng)用較多的方法包括滾筒掃除機(jī),排除塔,和機(jī)器人操作。
使用推頂系統(tǒng)時(shí),必須使推頂系統(tǒng)保持在相近的公差范圍內(nèi)。如果推頂銷(xiāo)和套管之間**過(guò)度,或是元件磨損時(shí)間過(guò)長(zhǎng),都會(huì)引起部件毛邊的出現(xiàn)。反錐形或蘑菇形推頂器的接觸壓比較大,可增進(jìn)系統(tǒng)的密閉性,因而功效很強(qiáng)。
模具材料
一般情況下,護(hù)圈板都是采用非合金加工鋼(no. 1.1730, DIN codeC45W)來(lái)制造的。由于模板要暴露在170℃-210℃的高溫下,所以應(yīng)該采用預(yù)回火的鋼材(no.
1.2312, DIN code 40 CrMnMoS 86)制造,以提高抗沖壓性能。具有空腔的模板*好采用耐溫性好的彈性熱鋼為材料。
針對(duì)像抗油品級(jí)這類(lèi)高填充LSR材料,推薦使用更強(qiáng)硬的材料,例如鍍鉻鋼和粉末金屬都在這一應(yīng)用上有了較大的發(fā)展(鋼no.1.2379,DIN code X 155 CrVMo 12I)。在為研磨性物料制作模具時(shí),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(dú)替換,而不必更換整個(gè)模具。
模具空腔表面的優(yōu)劣對(duì)部件的品質(zhì)有重要的影響,簡(jiǎn)單講,鑄好的部件會(huì)將模具空腔的原貌準(zhǔn)確的復(fù)制下來(lái)。拋光鋼對(duì)于透明部件顯得十分重要。表面經(jīng)過(guò)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*好不要選擇鋁質(zhì)材料。在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,選用*好的金屬材料,以便得到更好的相容性,同時(shí)便于由粗產(chǎn)品加工為*終產(chǎn)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(pán)。LSR的一次型固化過(guò)程中,模具內(nèi)溫度的均勻分配是非常重要的。在大型模具中,*經(jīng)濟(jì)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(guò)快,會(huì)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(zhì)。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(huì)使鑄好的部件出現(xiàn)毛邊。
如果模具是為冷流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 Al6V4)這樣的鈦合金,相比其他鋼材料來(lái)說(shuō),其熱導(dǎo)性能差,因此是冷熱隔離的良好材料。對(duì)于整體模具加熱體系,應(yīng)該在模具與模板之間放置絕緣層,把熱損失降低到*小。
模擬設(shè)計(jì)
LSR分流道系統(tǒng)中,LSR將均勻填充所有的模具空腔,在這樣的一個(gè)體系中,LSR分流道規(guī)劃的平衡顯得十分重要。采用電腦物流動(dòng)力學(xué)模擬軟件來(lái)設(shè)計(jì)分流道閥門(mén)和通風(fēng)口,可以幫助模具的改進(jìn),避免反復(fù)試錯(cuò)法的高消耗。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用填充研究來(lái)論證,但是,正確的模擬要求工程師對(duì)所注塑的LSR配方的機(jī)械反應(yīng)性能了如指掌。利用有限元分析法進(jìn)行部件設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),可忽略高應(yīng)力區(qū)。
小結(jié)
予以恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和規(guī)劃,LSR材料的注射成型是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)收益好,操作相對(duì)簡(jiǎn)潔的生產(chǎn)工藝。充分理解注射成型與流程設(shè)計(jì)的原則,制造者即可在避免出現(xiàn)問(wèn)題的同時(shí),進(jìn)行高效生產(chǎn),相信LSR出色的空腔填充性能和快速硫化特性,必將帶來(lái)高品質(zhì)、高產(chǎn)出的工業(yè)效應(yīng)。