肖宏濤，蔡文伙，陳開源

（佛山職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528137）

0 引言

硅橡膠模具的快速制作是快速模具技術（Rapid Tooling，RT）中非常重要的一種方法，具有良好的物理穩(wěn)定性，對于一些尺寸不大的部件復制來說比較合適，能對結構復雜、表面質量高、深孔或有倒扣面域的產品進行高效復模復制。在實際生產過程中，當一些非標零件需要靈活增減時，如果每個零件都用傳統(tǒng)的加工工藝，就會大大延長產品開發(fā)周期，而快速模具能做到跳過傳統(tǒng)的CNC加工，直接對所需零件進行復制。硅橡膠模具還具有良好的耐高溫性能、尺寸精準復制性能和彈性，適用于對具有倒扣面域的產品進行強行脫模。根據(jù)硅橡膠模具的步驟不同和真空設備不同，硅膠模具制作方法可以分為真空澆注法和簡單澆注法兩種大類[1]。對于結構復雜表面質量要求高的就主要采用真空澆注法。對于產品外部特征較多和復雜的，如雕塑模型，就采用簡單澆注法，這樣可以保證復雜分型面的準確性。具體硅膠模的方法如圖1所示。

圖1 硅橡膠模具制造工藝

1 真空澆注刀割分型面法

硅膠在固化前是一種具有黏稠性的流體，在和固化劑充分攪拌過程中會產生很多小氣泡。硅膠攪拌后，在澆注時氣泡因受到原件表面張力影響而吸附在其表面上，隨之固化，會嚴重影響復制產品的表面質量。為去除攪拌澆注所產生的氣泡，在制作模具時可以采用抽真空的方法，也就是真空澆注法。當硅膠固化之后就可以使用工藝刀片進去分型。在刀割的過程中，刀尖采用走曲線方式，一層層割，直到上下模分離。其刀割分型法的硅膠模具結構如圖2所示。

圖2 真空澆注刀割分型面法

2 塑料瓶蓋硅膠模具制作

1）準備塑料瓶蓋原型。在澆注硅橡膠模具過程中，硅膠在尚未硫化前處于黏稠狀的流態(tài)，能把原型的瑕疵和缺陷復制到模具中去，所以在制作模具前要對于塑料瓶蓋原型進行打磨拋光。如果瓶蓋表面進行打磨拋光時發(fā)現(xiàn)有較大的缺口，就需要使用膩子粉進行修復，如圖3所示。

圖3 瓶蓋

2）采用透明薄膜作為分型面。雖然制作硅橡膠模具方便、制作周期短，但如果制作不合理，就會在循環(huán)使用過程中受到熱腐蝕和化學腐蝕。特別是分型面不規(guī)整的情況下，就會加大上下模的摩擦。分型面設計不合理，就會分不清分模線位置，就容易割錯，使模腔錯位，到模具制作失敗。所以為提高硅膠模具的質量，往往要避免分型面復雜和刀割分型面不準情況，這時可以采用分型線加黑法和分型面延伸法，如圖4所示。

圖4 利用彩色筆筆描畫出最大分型邊

3）設計硅膠模具?？蚺c澆注、排氣系統(tǒng)。模框設計需要根據(jù)相應的標準進行計算，?？虻拇笮≈苯佑绊懼萍馁|量和生產成本。根據(jù)原型零件特點，應選擇、制作合適的模框。當?？蛱r，制作出來的模具側壁太薄，分模時容易造成模具損壞，影響模具的壽命。當?？蜻^大時，會造成原料的不必要浪費，增加模具制作成本[2]。最佳的方式就是根據(jù)?？虼笮」絹碓O計[3]。首先裁出5塊直角的基板，然后用熱熔膠槍分別把基板粘起來。注意在用膠水粘的時候，一定要細心粘好，不然在倒入硅膠的時候，硅膠會從四周溢出，造成不必要的浪費。在設計澆注排氣系統(tǒng)時，必須遵守傳統(tǒng)模具設計的原則，主流道與澆口位置不能過近，避免在澆注時因壓力影響而導致模腔變形。在設計澆口時，應設計在不影響外觀和容易脫澆的側壁。對于大型零件，可以采用多澆口進膠方式。澆注時為了能使模腔中的氣體排出，需要對模具設計排氣系統(tǒng)。最后，硅膠模具的制作能巧妙地擺脫傳統(tǒng)模具設計的路徑，把澆注系統(tǒng)、澆口、排氣系統(tǒng)融合到模框制作中的支撐系統(tǒng)中去。詳細過程如圖5所示。

圖5 ?？蛑谱鬟^程

以原件尺寸為基準，則硅膠的收縮率S=（LM-LS）/LS×100%，以?？虺叽鐬榛鶞剩瑒t硅膠的收縮率S=（LM-LS）/LM×100%。式中：LS為制品尺寸；LM為模具尺寸。

4）硅膠與固化劑稱量與攪拌。首先，根據(jù)配比計算硅膠、固化劑用量，將定量的硅膠放進真空澆注機中固定。再把固化劑放進真空機的搖杯中，抽真空10 min。硅膠與固化劑配比公式[3]為W=k·a·b·c·ρ。式中：W為硅橡膠質量，g；k為考慮硅橡膠固化收縮、硅橡膠黏壁等損耗因素的安全系數(shù)，一般取1.1～1.3；a為模具長度，mm；b為模具寬度，mm；c為模具高度，mm；ρ為硅橡膠密度，g/mm3。

在本次試驗中使用的真空澆注機為V550，其特點為抽真空快速、真空度大、保壓力大。具體參數(shù)如下：最大注料容量為2600 g，最大模具尺寸為600 mm（長）×600 mm（寬）×500 mm（高），真空度≤-200 kPa，抽真空時間≤3 min，設備外形尺寸為1200 mm（長）×700 mm（寬）×1600 mm（高），放氣時間(可調)≤15 s，真空保壓≤3 kPa/h。

5）硅橡膠澆注。硅膠在沒有完全硫化前是黏稠的流體，所以澆注時一般從框壁注入，并且澆注時需要勻速緩慢進行。保證在澆注時不會沖倒塑料瓶蓋原型。當硅膠溢滿預設好的高度時，應該靜止1 min，等待充分充滿模框，再根據(jù)情況填補材料，具體如圖7所示。

圖6 V550全自動真空機

圖7 澆注

6）固化前真空脫泡。硅橡膠澆注后，因為塑料瓶蓋內壁有螺紋，并受到原件表面張力影響，有部分氣體不能自然排出，所以為保證模具表面質量完好，需要對澆注好的模具進行抽真空脫泡。為很好地去除內部結構表面的氣泡，此次脫泡時間應比第一次脫泡時間更長。具體抽真空的時間可以參考所使用硅膠的性能和固化時間和硅膠模具大小、內部結構的復雜等綜合性因素進行適當調整。還可通過觀察法，根據(jù)抽真空時硅膠的沸騰情況進行判斷，當在抽真空過程中看到沸騰的氣泡突然減少時，就可以認為脫泡完成。

7）硅膠模固化。為了壓縮硅膠模的固化時間，提高模具開發(fā)的效率，當攪拌好的硅膠和固化劑混合物遇到溫度升高時，就會加速硫化，固化的速度加快，所以可以把脫泡后的硅膠模放進60 ℃的烤箱中進行加速固化。

8）刀割分型。當模具完全固化后，就可以開模，首先拆除圍框和主流道，清理模具飛邊。然后準備刀割開模，使用鋒利的刀片對準前面設計的分型面和黑色分型線，根據(jù)“S”形走向，一層層割到分型面層處，直到上下模分離，如圖8所示。

圖8 刀割開模

3 技術難點分析與改進

3.1 模框的設計與拼接黏合工藝

?？虻脑O計與拼接黏合工藝是硅膠模具制作中的重要環(huán)節(jié)。?？蛑谱魇枪枘z快速模具的第一步。當原件尺寸較小時，若選用較大的?？蚓蜁е鹿枘z原料的浪費，并提高開模的難度。當原件尺寸一定時，選用的?？虺叽缙?，就會導致在快速澆注時模腔受到壓力并變形。所以選用?？驎r要適中，在制作工藝上選用統(tǒng)一規(guī)格的透明基板。為了靈活調整模具的尺寸，可以選用“回”字形的制作工藝，如圖9所示。?？蛩谋凇⒌酌婢嘣芜吘売?0～30 mm距離，保證模具的剛度足夠。側面基板高度為模具設計高度的3倍左右，是為了保證真空脫泡時沸騰的硅膠不溢出?？?。

圖9 “回”字圍框

3.2 硅膠模具分型面與鎖緊位設計技巧

硅膠模具與傳統(tǒng)模具不一樣，使用手工脫模方法，模具在反復使用過程中容易磨損。為了避免磨損和提高生產效率，分型面設計就要符合化難為簡的基本要求。先設計分析線，通常選取投影面積最大的位置，然后使用透明膠帶延伸出分型面。再在透明膠的外邊沿涂上黑色的墨水，讓后期刀割分型面有精準的目標。

3.3 澆注、排氣系統(tǒng)與支撐系統(tǒng)設計[4]

硅膠模具制作具有靈活性，在制作時可以把澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)進行轉換，變成制作模具的支撐原件系統(tǒng)，讓原件定位在?？蛑行?。但在制作模具過程中需要考慮后期制件的實現(xiàn)，在保證模具制作成功的前提下，還要考慮澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)對原件表面的影響和脫模難度。以塑料瓶蓋為例，進膠口和排氣口應該設計在瓶蓋的邊沿處。

主流道設計和排氣道設計可以用6 mm的ABS棒，這樣可以保證AB料在足夠流動性情況下能快速充滿模腔。排氣道也是用6 mm，可以保證預留足夠大的排空腔和注塑余料腔。

澆口的位置對于制件表面質量有直接影響，如果其位置和大小選擇不合理，就會導致制件難脫模、接位過大、脫模拉裂、應力缺角等缺陷。澆口的形狀、位置和尺寸等參數(shù)可以參考傳統(tǒng)模具，對澆口和排氣口的形狀、位置、尺寸再設計，但需要注意有以下幾點：1）澆口應該設計在原件邊沿處，又要離各角落等距。同時保證澆口進膠能與最快速度充滿模腔，避免在澆注到一半時AB料凝固，從而影響制件成型質量。2）澆口應設在樹脂制件壁厚較厚的部位，使樹脂材料從厚端面流入薄端面，以利于補料。澆口設置應有利于排氣和補縮，這樣可以避免產生縮孔和凹陷。3）澆口尺寸應小于產品壁厚，這樣可以避免脫模拉裂制件的情況。澆口和排氣口都應設置在不影響樹脂制件外觀的部位，還可以保證制件有良好的外觀。4）當原型較大時，為了提高成型質量，就可以設計多澆口，保證以最短時間注滿模腔，這樣可以克服制件翹曲變形。5）排氣口設計。在可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，排氣口盡量設計在尖角位，這樣有利于排氣。

因此，澆口和排氣口對制作硅膠模具非常重要，對于要求非常高的模具，還可以采用CAE分析方法，優(yōu)化模具流動性，準確找到澆口位置。

3.4 保證硅橡膠材料混合均勻

按照硅膠的配比準確稱量硅膠和固化劑，一般為10∶1，必須嚴格按照比例稱量，當比例不對時就會造成硅膠固化不均勻或直接不固化。攪拌時可以采用機器攪拌，在材料較少時可以采用手工攪拌，前提就是保證充分攪拌，硅膠能充分硫化固化。

3.5 正確控制開模刀行走路線

刀割開模時，先割去模具周邊的飛邊，然后沿著制作模具所設計的分模線外沿進刀。首刀切入大約為10 mm，紋路為“S”形，刀尖走直線、刀尾走波浪，走完一圈一層，直到分型面的黑色邊沿處，上下模分離。在走刀時需要一氣呵成，不能出現(xiàn)多次抬刀后再下刀的情況。需要分割成多個部分時，要考慮合模時錯位、夾線、漏膠等問題。使硅橡膠模具的分型面形狀不規(guī)則，這樣可以確保上、下模合模時準確定位，避免因合模錯位引起誤差，如圖10所示。

圖10 刀割波浪形分型面

4 結語

硅橡膠模具制作工藝簡單，制作成本較低，制作周期較短。硅膠模還具有較好的復制性能，模具收縮性小，可以保證制件尺寸精度，對于復制結構的原件還可以使用強制脫模法，所以對于一些比較急的生產鏈就可以采用硅膠模具進行快速小批量制件[5]。該種工藝的硅膠模具需要的配件材料簡單，不需要高精度的傳統(tǒng)制造裝備，只需要幾塊基板和硅膠和真空機就可以在數(shù)小時內制作出精度高的模具。硅膠模具還具有重復使用性能，一套模具可以重復利用200次，而且還能保持制件形狀和小批量生產產品的尺寸精度，并能直接復制出結構復雜的產品。免去傳統(tǒng)加工工藝的復雜工序，脫模十分容易，大大縮短產品的制作周期，后期改模成本也較低。目前硅橡膠模具已部分取代金屬模具，用于生產手辦、工藝品、類ABS工程零件、透明制件、硬轉軟零件，以及低熔點合金（如鉛、鋅及鋁合金）零件。