材料成形设计基础 第五章 第三节 橡胶成型

第三节橡胶成形橡胶：使用温度处于高弹态的高分子材料，橡胶具有良好的弹性，其弹性模量仅为10MPa，伸长率可达100%~1000%，同时还具有良好的耐磨性、隔音性、绝缘性等。成为重要的弹性材料、密封材料、减震防震和传动材料。应用：国防、交通运输、机械制造、医药卫生、农业和日常生活等各个方面。常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶是由天然胶乳经过凝固、干燥、加压等工序制成的片状生胶。合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。成形：将生胶经塑炼和混炼后才能使用。橡胶制品是以生胶为基础加入适量配合剂（硫化剂、硫化促进剂、防老剂、填充剂、软化剂、发泡剂、补强剂、着色剂等），然后再经过硫化成形获得。橡胶制品的成形方法与塑料成形方法相似，主要有压制成形、注射成形和传递成形等。一、橡胶的压制成形（一）压制成形工艺流程橡胶的压制成形是将经过塑炼和混炼预先压延好的橡胶坯料，按一定规格和形状下料后，加入到压制模中，合模后在液压机上按规定的工艺条件进行压制，使胶料在受热受压下以塑性流动充满型腔，经过一定时间完成硫化，再进行脱模、清理毛边，最后检验得到所需制品的方法。橡胶压制成形的工艺流程如图5-26所示。图5-26橡胶压制成形的工艺流程（1）塑炼在一定的温度下利用机械挤压、辊轧等方法，使生胶分子链断链，使其由强韧的弹性状态转变为柔软、具有可塑性的状态，这种使弹性生胶转变为可塑状态的加工工艺过程称为塑炼。（2）混炼为了提高橡胶制品的使用性能，改进橡胶的工艺性能和降低成本，必须在生胶中加入各种配合剂。将各种配合剂混入生胶中，制成质量均匀的混炼胶的工艺过程称为混炼。（3）制坯制坯是将混炼胶通过压延或挤压的方法制成所需的坯料，通常是片材，也可为管材或型材。（4）裁切在裁切坯料时，坯料质量分数应有超过成品质量分数5%~10%的余量，结构精确的封闭式压制模成形时余量可减小到1%~2%，一定的过量不仅可以保证胶料充满型腔，还可以在成形时排除型内的气体和保持足够压力。裁切可用圆盘刀或冲床按型腔形状剪切。（5）模压硫化模压硫化是成形的主要工序，它包括加料、闭模、硫化、脱模和模具清理等步骤，胶料经闭模加热加压后成形，经过硫化使胶料分子交联，成为具有高弹性的橡胶制品。脱模后的橡胶制品经修边和检验合格后即为成品。（二）压制工艺橡胶压制成形工艺的关键是控制模压硫化过程。硫化是指橡胶在一定压力和温度下，坯料结构中的线性分子链之间形成交联，随着交联度的增加，橡胶变硬变韧的过程。硫化过程的主要参数：硫化温度、压力和时间等。（1）硫化温度硫化温度直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度高，硫化速度快，生产效率就高。但是硫化温度过高会使橡胶高分子链裂解，从而使橡胶的强度、韧度下降，因此硫化温度不宜过高。橡胶的硫化温度主要取决于橡胶的热稳定性，橡胶的热稳定性愈高则允许的硫化温度也愈高。表5-11是常见胶料的最适宜硫化温度。表5-11常见胶料的最宜硫化温度（℃）胶料类型最适宜硫化温度胶料类型最适宜硫化温度天然橡胶胶料143丁基橡胶胶料170丁苯橡胶胶料150三元乙丙胶料160~180异戊橡胶胶料151丁腈橡胶胶料180顺丁橡胶胶料151硅橡胶胶料160氯丁橡胶胶料151氟橡胶胶料160（2）硫化时间硫化时间是和硫化温度密切相关的，在硫化过程中，硫化胶的各项物理、力学性能达到或接近最佳点时，此种硫化程度称为正硫化或最宜硫化。在一定温度下达到正硫化所需的硫化时间称为正硫化时间，一定的硫化温度对应有一定的正硫化时间。当胶料配方和硫化温度一定时，硫化时间决定硫化程度，不同大小和壁厚的橡胶制品通过控制硫化时间来控制硫化程度，通常制品的尺寸越大或越厚，所需硫化的时间越长。（3）硫化压力为使胶料能够流动充满型腔，并使胶料中的气体排出，应有足够的硫化压力。通常在100~140℃范围压模时，必须施用20~50MPa的压力，才能保证获得清晰复杂的轮廓。增加压力能提高橡胶的力学性能、延长制品的使用寿命。试验表明，用50MPa压力硫化的轮胎的耐磨性能，较压力在2MPa硫化的轮胎的耐磨性能高出10%~20%。但是，过高的压力会加速分子的降解作用，反而会使橡胶的性能降低。通常，对硫化压力的选取应根据胶料的配方、可塑性、产品的结构等因素决定。在工艺上应遵循的原则为：制品塑性大，压力小；制品厚、层数多、结构复杂，压力大；薄制品压力低。生产中采用的硫化压力多在3.5~14.7MPa之间，模压一般天然橡胶制品常用压力为4.9~7.84MPa之间。（三）压制模具橡胶压制模与一般塑料压塑模结构相同，如图5-27所示。橡胶模在设计时注意如下问题：（1）测温孔为保证橡胶制品的质量，硫化温度的误差应控制在±2℃范围，因此，在压制模型腔附近必须设置测温孔。在压制过程中，利用水银温度计通过测温孔控制温度。测温孔应设置在型腔附近约5~10mm处。（2）流胶槽由于在加料时一般有5%~10%的余量，为保证制品精度，在型腔周围设置流胶槽，流胶槽多为R1.5~2mm的半圆形，在流胶槽与型腔之间开设一些小沟，使多余的胶料排出。图5-27橡胶压制模1－定位销2－压制模3－住塞4－流胶槽二、橡胶注射成形（一）橡胶注射成形工艺过程橡胶注射成形的工艺过程：预热塑化、注射、保压、硫化、脱模和修边等工序。将混炼好的胶料通过加料装置加入料筒中加热塑化，塑化后的胶料在柱塞或螺杆的推动下，经过喷嘴射入到闭合的模具中，模具在规定的温度下加热，使胶料硫化成形。在注射成型过程中，由于胶料在充型前一直处于运动状态受热，因此各部分的温度较压制成形时均匀，且橡胶制品在高温模具中短时即能完成硫化，制品的表面和内部的温差小，硫化质量较均匀。注射成型的橡胶制品具有质量较好、精度较高、而且生产效率较高的工艺特点。（二）注射成形工艺条件注射成型工艺条件主要有料筒温度、注射温度（胶料通过喷嘴后的温度）、注射压力、模具温度和成型时间。（1）料筒温度胶料在料筒中加热塑化，在一定温度范围内，提高料筒温度可以使胶料的粘度下降，流动性增加，有利于胶料的成形。一般柱塞式注射机料筒温度控制在70~80℃；螺杆式注射机因胶温较均匀，料筒温度控制在80~100℃，有的可达115℃。（2）注射温度一般应控制在不产生焦烧的温度下，尽可能接近模具温度。（3）注射压力注射压力是注射时螺杆或柱塞施于胶料单位面积的力，注射压力大，有利于胶料充模，还使胶料通过喷嘴时的速度提高，剪切摩擦产生的热量增大，这对充模和加快硫化有利。采用螺杆式注射机时，注射压力一般为80~110MPa。（4）模具温度在注射成形中，由于胶料在充型前已经具有较高的温度、充型之后能迅速硫化，表层与内部的温差小，故模具温度较压制成形的高，一般可高出30~50℃。注射天然橡胶时，模具温度为170~190℃。（5）成形时间成形时间是指完成一次成形过程所需时间，它是动作时间与硫化时间之和，由于硫化时间所占比例最大，故缩短硫化时间是提高注射成形效率的重要环节。硫化时间与注射温度、模具温度、制品壁厚有关。表5-12是天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表，由表中可以看出注射成形时间较压制成形时间少得多。表5-12天然橡胶注射成形与压制成形时间对比表成形方法料筒温度/℃注射温度/℃模具温度/℃成形时间注射成形8015017580s压制成形——14320~25min上一节