趙桂英，王忠光，王再學(xué)，鄭招展，覃　彪

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

實驗室橡膠硫化試樣用模具的設(shè)計及優(yōu)化

趙桂英，王忠光，王再學(xué)，鄭招展，覃彪

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140）

通過對實驗室橡膠硫化試樣用模具的設(shè)計及優(yōu)化，包括對模板、模腔、墊片及墊環(huán)等的設(shè)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(shù)量和加工成本，降低了模具用錯的幾率，同時節(jié)省了模具存放空間，便于實驗室管理；通過墊片和墊環(huán)的恰當(dāng)組合，相同厚度的試樣可同時壓制成型，節(jié)約了能源，提高了效率，實現(xiàn)了多功能化。

硫化試樣；模具；模腔；墊片；墊環(huán)

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(jīng)預(yù)制成簡單形狀后填入或直接注入模腔，經(jīng)加壓加熱硫化后，即可獲得所需形狀的制品。目前，生產(chǎn)上采用模具制造的橡膠制品占到了整個產(chǎn)品品種的80%，模具已成為橡膠企業(yè)重要的生產(chǎn)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(jīng)占到生產(chǎn)設(shè)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(yè)的生產(chǎn)能力、加工效率和技術(shù)水平，同時在很大程度上也決定著橡膠制品外觀質(zhì)量的優(yōu)劣[1]。

橡膠企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)或高校教學(xué)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(zhì)量直接影響著性能測試的結(jié)果；相對于企業(yè)實際生產(chǎn)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(nèi)，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(jié)構(gòu)簡單，造價相對來講較低，因此在硫化實驗室應(yīng)用廣泛[2]。

1　現(xiàn)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(yīng)用較多；國家標(biāo)準(zhǔn)對幾種圓柱體試樣的尺寸做了明確的規(guī)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(jié)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(nèi)部設(shè)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(xué)生同時開展試驗，就必須準(zhǔn)備更多的模具。

存在以下問題：

（1）準(zhǔn)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(yù)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(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，經(jīng)過調(diào)研分析，遵循模具設(shè)計的基本原則，將模腔尺寸的調(diào)整作為設(shè)計及優(yōu)化的重點和出發(fā)點，主要設(shè)計了墊片和墊環(huán)等，并通過墊片和墊環(huán)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(jié)合圖1對該模具具體總結(jié)闡述如下。

2.1模板的設(shè)計

模板是模具的基本部件，其形狀和結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到加工成本，應(yīng)力求簡化，容易組合和拆裝，加料及制品取出應(yīng)盡量方便，不要損壞制品，便于模具內(nèi)部的清洗等，為此設(shè)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(jù)教學(xué)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(shè)計采用定位銷進行定位；在下模板上設(shè)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(shè)定位孔，上模板相同位置開設(shè)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模孔，用于將模板分開，取出制品；三塊模板的另外兩端分別設(shè)置有手柄，便于操作。

2.2模腔的設(shè)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(shè)置多個模腔；本設(shè)計結(jié)合教學(xué)實際，在中模板內(nèi)設(shè)置了6個模腔，模腔的內(nèi)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(huán)的設(shè)計

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

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

圖1　硫化試樣用模具的結(jié)構(gòu)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(shè)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(huán)的材質(zhì)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(nèi)部表面光滑，以確保硫化試樣的外觀質(zhì)量符合要求；為使硫化橡膠能較容易地從模腔內(nèi)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(jù)欲制作橡膠試樣的厚度選擇合適的墊片組合，使模腔內(nèi)腔的高度是所需試樣的厚度，然后根據(jù)試樣的直徑選擇合適的墊環(huán)組合，使模腔內(nèi)腔的直徑是所需試樣的直徑。

（1）當(dāng)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(nèi)徑為16 mm、高度為6.3 mm的墊環(huán)；這樣模腔內(nèi)腔的高度變?yōu)?.3 mm,內(nèi)徑變?yōu)?6 mm。

（2）當(dāng)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(nèi)徑為16 mm，高度為6.3 mm的墊環(huán)，最后選擇裝入內(nèi)徑為13 mm，高度為6.3 mm的墊環(huán)；這樣模腔內(nèi)腔的高度變?yōu)?.3 mm，內(nèi)徑變?yōu)?3 mm。

（3）當(dāng)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(nèi)徑為10 mm，高度為10 mm的墊環(huán)；使模腔內(nèi)腔的高度變?yōu)?0 mm，內(nèi)徑變?yōu)?0 mm。

（4）當(dāng)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(huán)。

（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(yīng)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(huán)同時預(yù)熱，放入橡膠膠料，蓋上上模進行硫化。硫化結(jié)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(huán)。

5　效果

經(jīng)過對橡膠硫化試樣用模具進行設(shè)計，達到了以下效果。

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

（2）節(jié)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(jié)約了能源，提高了效率，實現(xiàn)了多功能化。

6　結(jié)語

通過對橡膠硫化試樣用模具的設(shè)計和優(yōu)化，包括對模板、模腔、墊片和墊環(huán)的設(shè)計，通過選取不同墊片和墊環(huán)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(shù)量和加工成本；節(jié)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(jié)約了能源，提高了效率，實現(xiàn)了多功能化；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，有利于模具的清洗，提高硫化試樣的外觀質(zhì)量。

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

[2] 劉希春. 橡膠加工設(shè)備及模具[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2014. [3] 趙桂英,王忠光. 高分子材料性能測試技術(shù)[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[4] 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院. 簡易多功能復(fù)合橡塑模具[P]. ZL201420043181.1.

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

[6] 徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(xué)士，副教授，研究方向為高分子材料應(yīng)用技術(shù)。

項目來源：2014年度徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改項目，項目編號：XGY201425

2015-03-09