王進(jìn)文　編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西　咸陽(yáng)　712023）

橡膠注壓模腔填充平衡性技術(shù)

王進(jìn)文編譯

（西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西咸陽(yáng)712023）

為了提高硫化效率、縮短硫化時(shí)間，并使所有模塑件具有穩(wěn)定的質(zhì)量，需要均衡橡膠注壓模具多個(gè)模腔的填充順序。實(shí)際中，大多數(shù)橡膠注射模具并沒(méi)有穩(wěn)定、均勻地均衡模具中所有模腔的填充順序，即使從結(jié)構(gòu)上均衡了流道和模腔布局也是如此。一種稱為“Vanturi效應(yīng)”的新流道設(shè)計(jì)技術(shù)有助于解決傳統(tǒng)流道和模腔布局存在的固有不足，實(shí)現(xiàn)更加均衡的填充順序。

注射；流道；模腔均衡填充

0　前　言

采用一系列熱流道布局和特殊模腔形狀設(shè)計(jì)，制造了專用橡膠注壓模具。采用逐步缺料注射技術(shù)，研究流道和模腔的填充情況。注射系列包括流道和模腔布局相同的相同模具對(duì)。在每一對(duì)中，模具設(shè)計(jì)成典型的平衡性流道結(jié)構(gòu)。每一對(duì)的配對(duì)模具與第一個(gè)相同，只是增加了些輕微的機(jī)械調(diào)整，引入了Vanturi效應(yīng)。在嚴(yán)格控制注射工藝參數(shù)的情況下，采用幾種膠料試樣對(duì)模壓流道進(jìn)行了比較分析。

眾所周知，橡膠行業(yè)企業(yè)都會(huì)遇到注壓過(guò)程中多個(gè)模腔平衡性填充的問(wèn)題。因而在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中要進(jìn)行專門研究，設(shè)計(jì)平衡的模腔布局，從而在注射過(guò)程中可同時(shí)填充模具。問(wèn)題是注射時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，才能完全填充所有模腔，這可能會(huì)長(zhǎng)于所需的時(shí)間。原因是一些模腔完全填充，而另一些幾乎沒(méi)有填充。另一個(gè)問(wèn)題是先填充的模腔可能會(huì)過(guò)度填充，而最后填充的模腔可能會(huì)填充不足。

過(guò)度充填模腔會(huì)在分型面處出現(xiàn)過(guò)量的飛邊，而充填不足的模腔會(huì)存在氣孔或充填不足的問(wèn)題。過(guò)度填充可能會(huì)導(dǎo)致很薄的斷面處焦燒，而填充不足的模腔的薄斷面可能會(huì)欠硫。

隨著模腔復(fù)雜程度的提高以及模具中模腔數(shù)量的增大，模腔均衡填充難度增大。大多數(shù)注壓產(chǎn)品廠家觀察到，隨著模具溫度提高，多模腔均衡填充的難度也增大。

現(xiàn)代注壓技術(shù)的普遍趨勢(shì)是不斷加快硫化周期，這通常需要較高的模壓溫度?，F(xiàn)代注壓技術(shù)的另一個(gè)普遍趨勢(shì)是在模壓區(qū)盡可能多地設(shè)計(jì)模腔，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)的規(guī)模。受這些趨勢(shì)的影響，注射模具中常常形成多個(gè)模腔不能均衡填充的狀況。模具設(shè)計(jì)人員為防止或減小模腔不均衡填充狀況，可采取的方法是有限的。

1　8腔U形流道模具

1.1采用普通流道的平衡性模腔布局

圖1所示模具為簡(jiǎn)單的8腔U形流道模具。流道系統(tǒng)是半圓形斷面，采用平衡設(shè)計(jì)。這里的“平衡”是指在對(duì)稱性及結(jié)構(gòu)上的平衡。右側(cè)照片是故意缺料注射的結(jié)果，以說(shuō)明在這種模腔填充順序下模腔填充的不平衡情況。注意到有一些模腔完全填充（包括排氣孔），而有一些模腔填充量很少。

圖1　幾個(gè)特殊注壓模具

1.2帶排氣孔的流道系統(tǒng)

圖2為帶有與圖1相同平衡流道的特殊注壓模具的照片。在圖2中，模具中并沒(méi)有實(shí)際模腔，每個(gè)流道在其端部延伸出一個(gè)小的排氣通道。稍令人驚奇的是，人為缺料注壓表明，排氣孔充填不平衡。

圖2　采用典型流道的平衡性模腔布局

1.3不平衡與平衡流道系統(tǒng)對(duì)比

圖3所示的不平衡模腔布局具有與圖1所示平衡模具相同的半圓流道的種類和尺寸。不平衡模具中U形流道模腔尺寸與形狀也與圖1所示模具相同。

圖3　帶有不平衡流道模腔布局的特殊注壓模具與平衡流道模腔布局的對(duì)比

1.4不平衡與平衡流道系統(tǒng)對(duì)比

由圖4可知，與預(yù)期的模壓結(jié)果相符，最接近中心注壓點(diǎn)的模腔填充量最大、通氣孔最長(zhǎng)，而距離注射點(diǎn)最遠(yuǎn)的模腔僅部分填充。本文介紹一種減小模腔不平衡填充新方法的基本原理，即在流道設(shè)計(jì)中采用一種較簡(jiǎn)單的機(jī)加工結(jié)構(gòu)來(lái)有效地減少不平衡模腔填充產(chǎn)生的不利特征。

圖4　不平衡流道模具中缺料注壓結(jié)果的照片

從理論上講，如果橡膠通過(guò)流道的層流效應(yīng)與“文氏效應(yīng)”（Venturi）的原理相符，則可能會(huì)有一種在新的實(shí)用方法中利用文氏效應(yīng)的簡(jiǎn)單方式。文氏效應(yīng)可理解為當(dāng)流體流過(guò)一個(gè)管道或通道的受約束斷面時(shí)流體壓力減小的現(xiàn)象。

1.5文氏效應(yīng)——流動(dòng)限制效應(yīng)

本文并不打算討論或量化作為伯努里原理（Bernoulli）推論的文氏效應(yīng)，也不打算討論連續(xù)原理或連續(xù)方程，以及它們與文氏效應(yīng)或伯努里原理的關(guān)系。而是要介紹一些與多腔模具平衡注壓現(xiàn)象相關(guān)的初步原因和效果試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖5　流道中受約束斷面以及流體流經(jīng)流道相應(yīng)斷面后速度與壓力的關(guān)系

1.6Vanturi效應(yīng)——流道流動(dòng)平衡方法

反向文氏效應(yīng)導(dǎo)致的流體特征會(huì)改善模腔填充過(guò)程中的平衡性。這種增大流道或加寬流道的部位被稱為一個(gè)“Vanturi”結(jié)構(gòu)。膠料經(jīng)流道加寬部位時(shí)的流速輕微下降。模腔的填充示于圖6。速度減小能使膠料通過(guò)自校正流動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)行有效的平衡。

圖6　膠料經(jīng)流道加寬部位時(shí)的流速

2　設(shè)計(jì)/原理/方法

本文研究的每一個(gè)模具都具有極高的加工精度和質(zhì)量，保證模腔表面、注口尺寸和流道表面加工精度相同。在研究模具中進(jìn)行了大量的缺料注射，以證明模壓結(jié)果能說(shuō)明定義的注射參數(shù)。

特種產(chǎn)品研究與設(shè)計(jì)公司（PRDS）有一個(gè)模壓設(shè)備——Rutil Technomini橡膠液壓機(jī)。這是一種小型等比例縮小的臺(tái)式臥式橡膠液壓機(jī)，配備電加熱器和液壓合?？刂蒲b置。該注壓機(jī)可以精密調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，因而能夠反復(fù)地精確設(shè)置一組液壓工藝參數(shù)。

將每一種注射模具安裝到Technomini中，采用多種注壓參數(shù)進(jìn)行一系列逐步缺料注壓。還用模具注壓了幾種膠料（逐步缺料注射）。規(guī)定了一系列逐步缺料注射，獲取一個(gè)模具的一組注壓參數(shù)，證實(shí)是以可再現(xiàn)的穩(wěn)定方式得到的模壓結(jié)果。調(diào)節(jié)注射壓力、注射時(shí)間或注射體積，收集一系列缺料注射結(jié)果。缺料注射是逐步進(jìn)行的，開(kāi)始時(shí)模腔全部填滿，并逐步產(chǎn)生充填較少的模壓結(jié)果。由于是在逐步缺料注射過(guò)程單獨(dú)觀察充填特征，所以最好延長(zhǎng)模壓硫化時(shí)間，使充填不完全的膠料充分硫化，以完整脫模，避免生成大量的污染物。

將逐步缺料注壓試樣擺放到一起，就可以看到模腔的相互充填情況，就像橡膠注入模腔時(shí)你可以透過(guò)模板觀察一樣。注壓機(jī)的精密控制和體積計(jì)量能力決定著一種逐步缺料注射系列獨(dú)立填充工序的個(gè)數(shù)。

2.18腔U形流道模具

圖7 的模腔布局與圖1相同，但模具帶有Vanturi結(jié)構(gòu)。Vanturi結(jié)構(gòu)是一個(gè)簡(jiǎn)單的球狀凹坑，位于流道交叉點(diǎn)處，用圓頭銑刀的端部加工。球坑的深度等于半圓流道的深度，Vanturi結(jié)構(gòu)的直徑約為半圓流道直徑和寬度的3倍。

圖7　帶有Vanturi結(jié)構(gòu)平衡模腔布局

存在Vanturi結(jié)構(gòu)的流道機(jī)加工交叉點(diǎn)處應(yīng)仔細(xì)打磨，除去Vanturi結(jié)構(gòu)內(nèi)部表面上的銳邊。圖7示出了逐步缺料條件下的注壓結(jié)果，顯然，與圖1所示無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具相比，8個(gè)模腔的平衡性都得到了改善。

圖8（a）所示逐步缺料注壓結(jié)果的對(duì)比清楚表明，與無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)的模具相比，Vanturi結(jié)構(gòu)可使模腔填充更加平衡。圖8（b）所示為人為逐步缺料注壓FKM膠料的照片，模壓條件和所用FKM膠料與圖8（a）所示注壓示例相同，只是硫化溫度設(shè)定為204 ℃?？梢郧宄乜闯?，與無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)的模具相比，Vanturi結(jié)構(gòu)改善了模腔填充條件。

圖8　標(biāo)準(zhǔn)FМK膠料在一組規(guī)定模壓條件下人為缺料注壓對(duì)比照片

圖9　帶Vanturi結(jié)構(gòu)的平衡模腔布局

2.2FKМ膠料對(duì)比

2.2.1平衡流道

對(duì)圖8（a）與圖8（b）所示的模壓結(jié)果作進(jìn)一步的比較表明，與176 ℃下硫化的試樣相比，204 ℃下模腔的不平衡度增大。這證實(shí)了大多數(shù)人的觀點(diǎn)，即在相同條件下，高溫會(huì)使膠料的流動(dòng)性變差。盡管如此，較寬溫度下的模壓結(jié)果證實(shí)，在注射流道中引入Vanturi結(jié)構(gòu)能夠改善模腔平衡。

2.2.2帶排氣孔的流道系統(tǒng)

圖10　兩種結(jié)構(gòu)的填充順序

圖9使用的模具與圖2相同，但在流道變化點(diǎn)處設(shè)有Vanturi結(jié)構(gòu)。人為缺料注壓結(jié)果表明，Vanturi結(jié)構(gòu)使排氣孔的充填較為平衡。

2.2.3采用Vanturi結(jié)構(gòu)時(shí)填充順序的比較

圖10所示為無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)的模具與有Vanturi結(jié)構(gòu)的模具的兩個(gè)人為缺料注壓順序。顯然，在模腔填充順序中，每一個(gè)增量下，有Vanturi結(jié)構(gòu)模具的人為缺料注壓系列改善了模腔平衡填充狀況。

2.3丁腈橡膠膠料對(duì)比

在圖11中，丁腈橡膠膠料在無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具中進(jìn)行了3種逐步缺料注壓。三個(gè)模具的注壓參數(shù)相同，只是模具設(shè)置的硫化溫度不同。

圖11的比較分析再次表明，模壓溫度越高，模腔填充條件不平衡性越大。選用93 ℃的模壓溫度模擬典型注壓冷流道板的工藝條件。將這些逐步缺料注射試樣的硫化時(shí)間延長(zhǎng)到足夠長(zhǎng)，使其達(dá)到完全硫化的程度，從模具中取出。該系列試樣逐步缺料表明，在整個(gè)填充順序內(nèi)，模腔填充狀況基本平衡。

圖11　標(biāo)準(zhǔn)流道模壓溫度比較

2.3.1模擬冷流道條件

圖12　93 ℃下無(wú)Vanturi結(jié)構(gòu)特殊模具以及丁腈橡膠膠料人為缺料注壓結(jié)果（注壓參數(shù)模擬典型冷流道板的條件）

在較低的溫度條件下，如注壓冷流道板，基本無(wú)須Vanturi結(jié)構(gòu)來(lái)改善平衡。但是，隨著模壓溫度升至典型模壓溫度，模腔不平衡性增大。

逐步缺料注射的例子表明，所采用的Vanturi結(jié)構(gòu)不足以完全平衡模腔順序，但可顯著改善平衡。對(duì)Vanturi結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和位置進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，可能有助于改善均衡填充狀況，甚至可采用人為不平衡的流道布局。

2.3.2不平衡流道比較

盡管所采用的Vanturi結(jié)構(gòu)不能完全消除不平衡流道布局，但由帶Vanturi結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行的逐步缺料注壓系列表明，在模腔填充過(guò)程中，各種增量條件下都可改善模腔填充平衡狀況。

圖13　一對(duì)未平衡模具的模壓結(jié)果

圖14　無(wú)和有Vanturi結(jié)構(gòu)的相同模具兩個(gè)逐步缺料注壓順序

3　結(jié)　論［1］

模壓流道試樣的比較分析表明，在流道設(shè)計(jì)中引入Vanturi效應(yīng)后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究結(jié)果表明，膠料經(jīng)流道中產(chǎn)生Vanturi效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，流經(jīng)流道的膠料流體特性之間存在有價(jià)值的相互關(guān)系，從而可以改善流道和模腔的均衡充填。

需要進(jìn)一步研究注塑流道中Vanturi結(jié)構(gòu)的最佳形狀、尺寸和位置。

初步研究表明，熱流道注射模具或配置熱流道的傳遞模壓模具采用Vanturi結(jié)構(gòu)可以改善模腔平衡性填充條件。

［1］Chapin J，Walworth V. Cavity Fill Balancing Technique for Rubber Injection Molding［D/OL］. New York：SAE International，［2015-04-14］. http：//papers. sae org/2015-01-0715. DOI：10.4271/2015-01-0715.

［責(zé)任編輯：翁小兵］

TQ 330.6+4

B

1671-8232（2016）09-0041-05

2016-06-10

王進(jìn)文（1967— ），男，陜西澄城人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事期刊審校、信息及專業(yè)翻譯工作，發(fā)表論文及譯著近60篇。

模壓流道試樣的比較分析表明，在流道設(shè)計(jì)中引入Vanturi效應(yīng)后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究結(jié)果表明，膠料經(jīng)流道產(chǎn)生Vanturi效應(yīng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，流道中膠料的流體特性之間存在有價(jià)值的相互關(guān)系，從而可以改善流道和模腔的平衡性充填。