液体硅橡胶(LSR)注射成型工艺的设计

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液体硅橡胶(LSR)注射成型工艺的设计
> 在过去的三到五年里，热固性液体硅橡胶（LSR）的注塑技术得到了快速的发展。LSR的注塑设计与刚性工程热塑料有着重要的差别，这主要是因为这两种橡胶的物理性质，如低粘度，流变学性质（快速固化），剪切变稀性质，以及较高的热膨胀系数等区别较大。

由于LSR的粘度较低，因此它在注射成型过程中，即使在注射压力较低的情况下，填充流速也可以较快，但是为了避免空气滞留，对模具通风的要求更加严格。总的来说，现代LSR的快速硫化的循环时间更短（某些情况下循环时间不到20秒），为了充分利用这一特性，加工机械、注射成型机以及部件转移系统等必须相互配合，作为一个高度集成的整体运作。

冷流道成型

现代冷流道体系充分利用了LSR剪切变稀的性质，真正达到了无浪费，无毛边成型。在过去的三到五年里，冷流道模塑在制造业中的优势地位急速上升，并导致橡胶产品的产量增加、废品减少、劳动成本降低等良好的势头。
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& l* i7 N; x& n0 g3 gLSR不会在模具中收缩，这一点和热塑性塑料类似。但是由于膨胀系数较高，加热时会发生膨胀，冷却时却仅有微小的收缩。因此，部件通常不能在模具中保持准确的侧边距，只有在表面积较大的空腔中才可以保持。
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与热流道模塑相似，在冷流道加工中，热固LSR应保持较低温度和可流动性，以确保没有物料的损失。这种加工方法最适用于在清洁的室内环境中生产大小、结构相似的大体积部件。理想模型是在人为因素影响最小的设备中昼夜不停的运转，并逐步增大运转周期（日或周）。

) ^  Z' g/ F& p5 o目前所用的冷流道设备有两种基本类型，即闭合系统和开放系统，它们各有优缺点。注射循环中，闭合系统在每一个管道中都采用“开动销”或“针形阀”来控制LSR橡胶的流量。而开口系统则根据注射压力的大小，利用“收缩嘴”和阀门来控制物料的流量。
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1 P) m- p. L" t  u$ p- T; h与开口系统相比较，闭合系统最典型的特点是在较低的注射压力下进行注塑。设备中可调控的“节流口”可以对不平衡的分流道以及物料的不同剪切变稀性能进行微调。缺点是对某些给定大小的部件和模具，设备需作额外的调整。

  B  [9 B9 \, U& U: r) E0 I: B开放系统利用通过喷嘴或者阀门的高剪切速率，在注射压力降低时，进行截流。一般情况下，开放系统的空腔填充时间要比闭合系统稍微短一些。开放系统由于分流道和喷嘴较小，空腔密度较高。分流道则要求自然平衡，并与物料本身的流变性能严格匹配。因为开放系统的流道尺寸较小，所以通常不用可调“节流口”，只需普通阀门就可以很好的控制流量，并获得最佳的压力点。
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5 t6 \# d- x* @, u* j9 s9 h分模线

设计液体硅橡胶注射成型模具时，首先要考虑分模线的位置，因为分模线内部需设置一些通道，利用这些通道完成通风任务，通风孔必须设置在注射物料最后到达的模具末端。预先考虑以上因素，有助于避免空气的夹带和焊接线边缝强度的损失。

6 r- S6 E- C' O4 `+ T7 m6 c; c由于LSR的粘度低，所以必须确保分模型线的精确度，避免出现毛边。虽然如此，最终产品上的分模线清晰可见。部件的几何形状和分模线的位置还会影响脱膜过程。在部件设计中，轻微的根切有助于确保被塑部件与模具空腔之间坚固的结合在一起。

收缩

虽然液体硅橡胶在注射成型过程中没有收缩，但是由于硅橡胶具有较高的热膨胀系数，因而在脱膜、冷却后通常会有2％－3％的收缩。确切的收缩数据主要取决于物料配方，但是从加工的观点来看，设计者如果在构思的时候，预先对影响收缩的一些因素有所考虑的话，最后的收缩情况会有所变化，这些因素主要包括加工的温度，物料脱膜的温度，空腔压力等。

. R; d! n. ^- Q5 f; n% Y1 `0 `另外要考虑的是注入口的位置，因为通常物料在流动方向上的收缩要比其垂直方向的收缩来得明显些。另外，部件的尺寸也是一个影响因素，一般来说，部件越厚，收缩越小如果在实际应用中要求二次硫化，则还要考虑额外增加0.5%－0.7%的收缩。
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9 P' W  Q  ~  G5 `1 H8 ^$ f通风
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当模具空腔关闭时，空气滞留在内，随着LSR的注射，空气首先被挤压，接着逐渐被填料赶出空腔，由于LSR的粘度较低，空腔很快被填充。在快速填料过程中，如果空气不能完全被赶出空腔，将会夹带在硫化后的物料中（通常表现为沿部件周边一圈白边或是内部光滑的小气泡）。典型的通气管道宽1－3mm，深0.004－0.005mm，现已成功应用于生产中。

; I; z1 A- h0 p  c( u排除空腔滞留空气的最佳方法，是在每一个注射成型循环中，采用抽真空的办法将空腔中滞留空气赶走。就是说，在设计分模线时确保模具密闭，真空泵通过模具开关下面的夹具将所有空腔抽真空。一旦真空度达到预想标准要求，立刻关闭模具，开始注射。
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还有一种成功应用的方法是，利用调节夹具力度达到赶走空气的目的。制造者在夹具力较低时LSR填充至空腔的90％－95％，之后再将夹具力度调高，同时避免积压液体硅橡胶溢出，产生毛边。
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9 C* x$ m# s6 R$ Z6 E注入口
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" n6 m* r) {9 O: @; `; H一个合适的加工设计，既希望阀门的痕迹小而坚固，又希望阀门的位置不易察觉，这是非常困难的。但是如果将阀门设置在非临界区域或内表面上，就可以避免很多麻烦，例如前面提到的，利用冷流道系统进行LSR材料的注射成型就可以省去注入口痕迹的消除，从而避免了劳动集约型的生产过程和大量物料的浪费。很多情况下，无注入口设计也将缩短循环时间。
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- R2 f1 Q: |5 F9 G- @! I8 |# d如果采用冷流道系统，在热空腔与冷流道之间设置有效的隔离温度是十分重要的。如果分流道太热，物料在注射前就开始固化，而如果冷却太快的话，它会从模具阀门区域吸收过多热量，防碍固化的完成。闭合系统的阀门或是开动销，一般设计为0.5－0.8mm之间，以保证销和它周围流动的物料的活动空间。而开口系统中，喷嘴和阀门通常要小一些（0.2－0.5mm），这样可以较好的控制流量。

+ R) c, }( x. _/ B对于低粘度的LSR来讲，若是通过传统注入口注入物料，例如潜伏式阀门或是锥形阀门，那么喂料直径要略小些。（注入口直径通常在0.2－0.5mm之间。）
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4 G& A* Y: J. s) l脱模

除非是较特殊的配方，一般固化LSR容易粘在金属表面上，这给脱模带来了一定的困难。虽然如此，目前LSR橡胶的热撕裂强度还是能够满足脱模要求的，在脱模后基本没有损失。应用最为普遍的脱模技术设备，包括分馏柱塔板，推顶销和空气推顶。其他应用较多的方法包括滚筒扫除机，排除塔，和机器人操作。
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8 B) T, }* T7 B% ?使用推顶系统时，必须使推顶系统保持在相近的公差范围内。如果推顶销和套管之间清除过度，或是元件磨损时间过长，都会引起部件毛边的出现。反锥形或蘑菇形推顶器的接触压比较大，可增进系统的密闭性，因而功效很强。

模具材料
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一般情况下，护圈板都是采用非合金加工钢（no. 1.1730, DIN code C45W）来制造的。由于模板要暴露在170℃－210℃的高温下，所以应该采用预回火的钢材（no.
4 {) E! _9 @7 U4 ^+ u, J! |1.2312, DIN code 40 CrMnMoS 8 6）制造，以提高抗冲压性能。具有空腔的模板最好采用耐温性好的弹性热钢为材料。
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, w* Q& H/ j: B+ G- N! s  n) U针对像抗油品级这类高填充LSR材料，推荐使用更强硬的材料，例如镀铬钢和粉末金属都在这一应用上有了较大的发展（钢no.1.2379, DIN code X 155 CrVMo 12 I）。在为研磨性物料制作模具时，要注意使用特别的插件或者其他可替换加工工具，这样元件磨损后可以单独替换，而不必更换整个模具。

6 v5 K) G5 p9 {/ A% x1 e模具空腔表面的优劣对部件的品质有重要的影响，简单讲，铸好的部件会将模具空腔的原貌准确的复制下来。抛光钢对于透明部件显得十分重要。表面经过处理的钛/镍钢具有很高的抗磨损能力，而PTFE/镍更加容易脱膜。LSR材料在某种程度上具有研磨特性，因而最好不要选择铝质材料。在经济条件允许的情况下，选用最好的金属材料，以便得到更好的相容性，同时便于由粗产品加工为最终产品。
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7 ^' |, X4 a' r9 o- X9 ?$ c. R4 TLSR成型工艺中，典型的加热方式是电加热，通常采用电热丝加热器、加热管或者加热盘。LSR的一次型固化过程中，模具内温度的均匀分配是非常重要的。在大型模具中，最经济的加热方法是“油温控制法”。

用绝缘板包裹模具，也有助于减少热损失。如果表面温度下降过快，会使物料的固化速度降低，不断抑制部件的释放，影响部件的品质。加热器与分模线之间保留一段距离，可以大大避免模板的弯曲与变形，但是会使铸好的部件出现毛边。

如果模具是为冷流道系统设计的，那么在冷热界面上必须有适合的隔离，这是必不可少的。像3.7165（Ti Al 6V4）这样的钛合金，相比其他钢材料来说，其热导性能差，因此是冷热隔离的良好材料。对于整体模具加热体系，应该在模具与模板之间放置绝缘层，把热损失降低到最小。

模拟设计
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! N& W  f/ [0 ]/ CLSR分流道系统中，LSR将均匀填充所有的模具空腔，在这样的一个体系中，LSR分流道规划的平衡显得十分重要。采用电脑物流动力学模拟软件来设计分流道阀门和通风口，可以帮助模具的改进，避免反复试错法的高消耗。其实验结果可以用填充研究来论证，但是，正确的模拟要求工程师对所注塑的LSR配方的机械反应性能了如指掌。利用有限元分析法进行部件设计的实验，可忽略高应力区。
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小结

予以恰当的设计和规划，LSR材料的注射成型是一项经济收益好，操作相对简洁的生产工艺。充分理解注射成型与流程设计的原则，制造者即可在避免出现问题的同时，进行高效生产，相信LSR出色的空腔填充性能和快速硫化特性，必将带来高品质、高产出的工业效应。