橡胶注压模腔填充平衡性技术

王进文　编译

（西北橡胶塑料研究设计院有限公司， 陕西　咸阳　712023）

橡胶注压模腔填充平衡性技术

王进文编译

（西北橡胶塑料研究设计院有限公司， 陕西咸阳712023）

为了提高硫化效率、缩短硫化时间，并使所有模塑件具有稳定的质量，需要均衡橡胶注压模具多个模腔的填充顺序。实际中，大多数橡胶注射模具并没有稳定、均匀地均衡模具中所有模腔的填充顺序，即使从结构上均衡了流道和模腔布局也是如此。一种称为“Vanturi效应”的新流道设计技术有助于解决传统流道和模腔布局存在的固有不足，实现更加均衡的填充顺序。

注射；流道；模腔均衡填充

0　前　言

采用一系列热流道布局和特殊模腔形状设计，制造了专用橡胶注压模具。采用逐步缺料注射技术，研究流道和模腔的填充情况。注射系列包括流道和模腔布局相同的相同模具对。在每一对中，模具设计成典型的平衡性流道结构。每一对的配对模具与第一个相同，只是增加了些轻微的机械调整，引入了Vanturi效应。在严格控制注射工艺参数的情况下，采用几种胶料试样对模压流道进行了比较分析。

众所周知，橡胶行业企业都会遇到注压过程中多个模腔平衡性填充的问题。因而在模具设计过程中要进行专门研究，设计平衡的模腔布局，从而在注射过程中可同时填充模具。问题是注射时间必须足够长，才能完全填充所有模腔，这可能会长于所需的时间。原因是一些模腔完全填充，而另一些几乎没有填充。另一个问题是先填充的模腔可能会过度填充，而最后填充的模腔可能会填充不足。

过度充填模腔会在分型面处出现过量的飞边，而充填不足的模腔会存在气孔或充填不足的问题。过度填充可能会导致很薄的断面处焦烧，而填充不足的模腔的薄断面可能会欠硫。

随着模腔复杂程度的提高以及模具中模腔数量的增大，模腔均衡填充难度增大。大多数注压产品厂家观察到，随着模具温度提高，多模腔均衡填充的难度也增大。

现代注压技术的普遍趋势是不断加快硫化周期，这通常需要较高的模压温度。现代注压技术的另一个普遍趋势是在模压区尽可能多地设计模腔，以达到经济的规模。受这些趋势的影响，注射模具中常常形成多个模腔不能均衡填充的状况。模具设计人员为防止或减小模腔不均衡填充状况，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

图1所示模具为简单的8腔U形流道模具。流道系统是半圆形断面，采用平衡设计。这里的“平衡”是指在对称性及结构上的平衡。右侧照片是故意缺料注射的结果，以说明在这种模腔填充顺序下模腔填充的不平衡情况。注意到有一些模腔完全填充（包括排气孔），而有一些模腔填充量很少。

图1　几个特殊注压模具

1.2带排气孔的流道系统

图2为带有与图1相同平衡流道的特殊注压模具的照片。在图2中，模具中并没有实际模腔，每个流道在其端部延伸出一个小的排气通道。稍令人惊奇的是，人为缺料注压表明，排气孔充填不平衡。

图2　采用典型流道的平衡性模腔布局

1.3不平衡与平衡流道系统对比

图3所示的不平衡模腔布局具有与图1所示平衡模具相同的半圆流道的种类和尺寸。不平衡模具中U形流道模腔尺寸与形状也与图1所示模具相同。

图3　带有不平衡流道模腔布局的特殊注压模具与平衡流道模腔布局的对比

1.4不平衡与平衡流道系统对比

由图4可知，与预期的模压结果相符，最接近中心注压点的模腔填充量最大、通气孔最长，而距离注射点最远的模腔仅部分填充。本文介绍一种减小模腔不平衡填充新方法的基本原理，即在流道设计中采用一种较简单的机加工结构来有效地减少不平衡模腔填充产生的不利特征。

图4　不平衡流道模具中缺料注压结果的照片

从理论上讲，如果橡胶通过流道的层流效应与“文氏效应”（Venturi）的原理相符，则可能会有一种在新的实用方法中利用文氏效应的简单方式。文氏效应可理解为当流体流过一个管道或通道的受约束断面时流体压力减小的现象。

1.5文氏效应——流动限制效应

本文并不打算讨论或量化作为伯努里原理（Bernoulli）推论的文氏效应，也不打算讨论连续原理或连续方程，以及它们与文氏效应或伯努里原理的关系。而是要介绍一些与多腔模具平衡注压现象相关的初步原因和效果试验数据。

图5　流道中受约束断面以及流体流经流道相应断面后速度与压力的关系

1.6Vanturi效应——流道流动平衡方法

反向文氏效应导致的流体特征会改善模腔填充过程中的平衡性。这种增大流道或加宽流道的部位被称为一个“Vanturi”结构。胶料经流道加宽部位时的流速轻微下降。模腔的填充示于图6。速度减小能使胶料通过自校正流动调节进行有效的平衡。

图6　胶料经流道加宽部位时的流速

2　设计/原理/方法

本文研究的每一个模具都具有极高的加工精度和质量，保证模腔表面、注口尺寸和流道表面加工精度相同。在研究模具中进行了大量的缺料注射，以证明模压结果能说明定义的注射参数。

特种产品研究与设计公司（PRDS）有一个模压设备——Rutil Technomini橡胶液压机。这是一种小型等比例缩小的台式卧式橡胶液压机，配备电加热器和液压合模控制装置。该注压机可以精密调节工艺参数，因而能够反复地精确设置一组液压工艺参数。

将每一种注射模具安装到Technomini中，采用多种注压参数进行一系列逐步缺料注压。还用模具注压了几种胶料（逐步缺料注射）。规定了一系列逐步缺料注射，获取一个模具的一组注压参数，证实是以可再现的稳定方式得到的模压结果。调节注射压力、注射时间或注射体积，收集一系列缺料注射结果。缺料注射是逐步进行的，开始时模腔全部填满，并逐步产生充填较少的模压结果。由于是在逐步缺料注射过程单独观察充填特征，所以最好延长模压硫化时间，使充填不完全的胶料充分硫化，以完整脱模，避免生成大量的污染物。

将逐步缺料注压试样摆放到一起，就可以看到模腔的相互充填情况，就像橡胶注入模腔时你可以透过模板观察一样。注压机的精密控制和体积计量能力决定着一种逐步缺料注射系列独立填充工序的个数。

2.18腔U形流道模具

图7 的模腔布局与图1相同，但模具带有Vanturi结构。Vanturi结构是一个简单的球状凹坑，位于流道交叉点处，用圆头铣刀的端部加工。球坑的深度等于半圆流道的深度，Vanturi结构的直径约为半圆流道直径和宽度的3倍。

图7　带有Vanturi结构平衡模腔布局

存在Vanturi结构的流道机加工交叉点处应仔细打磨，除去Vanturi结构内部表面上的锐边。图7示出了逐步缺料条件下的注压结果，显然，与图1所示无Vanturi结构的相同模具相比，8个模腔的平衡性都得到了改善。

图8（a）所示逐步缺料注压结果的对比清楚表明，与无Vanturi结构的模具相比，Vanturi结构可使模腔填充更加平衡。图8（b）所示为人为逐步缺料注压FKM胶料的照片，模压条件和所用FKM胶料与图8（a）所示注压示例相同，只是硫化温度设定为204 ℃。可以清楚地看出，与无Vanturi结构的模具相比，Vanturi结构改善了模腔填充条件。

图8　标准FМK胶料在一组规定模压条件下人为缺料注压对比照片

图9　带Vanturi结构的平衡模腔布局

2.2FKМ胶料对比

2.2.1平衡流道

对图8（a）与图8（b）所示的模压结果作进一步的比较表明，与176 ℃下硫化的试样相比，204 ℃下模腔的不平衡度增大。这证实了大多数人的观点，即在相同条件下，高温会使胶料的流动性变差。尽管如此，较宽温度下的模压结果证实，在注射流道中引入Vanturi结构能够改善模腔平衡。

2.2.2带排气孔的流道系统

图10　两种结构的填充顺序

图9使用的模具与图2相同，但在流道变化点处设有Vanturi结构。人为缺料注压结果表明，Vanturi结构使排气孔的充填较为平衡。

2.2.3采用Vanturi结构时填充顺序的比较

图10所示为无Vanturi结构的模具与有Vanturi结构的模具的两个人为缺料注压顺序。显然，在模腔填充顺序中，每一个增量下，有Vanturi结构模具的人为缺料注压系列改善了模腔平衡填充状况。

2.3丁腈橡胶胶料对比

在图11中，丁腈橡胶胶料在无Vanturi结构的相同模具中进行了3种逐步缺料注压。三个模具的注压参数相同，只是模具设置的硫化温度不同。

图11的比较分析再次表明，模压温度越高，模腔填充条件不平衡性越大。选用93 ℃的模压温度模拟典型注压冷流道板的工艺条件。将这些逐步缺料注射试样的硫化时间延长到足够长，使其达到完全硫化的程度，从模具中取出。该系列试样逐步缺料表明，在整个填充顺序内，模腔填充状况基本平衡。

图11　标准流道模压温度比较

2.3.1模拟冷流道条件

图12　93 ℃下无Vanturi结构特殊模具以及丁腈橡胶胶料人为缺料注压结果（注压参数模拟典型冷流道板的条件）

在较低的温度条件下，如注压冷流道板，基本无须Vanturi结构来改善平衡。但是，随着模压温度升至典型模压温度，模腔不平衡性增大。

逐步缺料注射的例子表明，所采用的Vanturi结构不足以完全平衡模腔顺序，但可显著改善平衡。对Vanturi结构的形状、尺寸和位置进行进一步的实验研究，可能有助于改善均衡填充状况，甚至可采用人为不平衡的流道布局。

2.3.2不平衡流道比较

尽管所采用的Vanturi结构不能完全消除不平衡流道布局，但由带Vanturi结构的模具进行的逐步缺料注压系列表明，在模腔填充过程中，各种增量条件下都可改善模腔填充平衡状况。

图13　一对未平衡模具的模压结果

图14　无和有Vanturi结构的相同模具两个逐步缺料注压顺序

3　结　论［1］

模压流道试样的比较分析表明，在流道设计中引入Vanturi效应后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究结果表明，胶料经流道中产生Vanturi效应的结构时，流经流道的胶料流体特性之间存在有价值的相互关系，从而可以改善流道和模腔的均衡充填。

需要进一步研究注塑流道中Vanturi结构的最佳形状、尺寸和位置。

初步研究表明，热流道注射模具或配置热流道的传递模压模具采用Vanturi结构可以改善模腔平衡性填充条件。

［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.

［责任编辑：翁小兵］

TQ 330.6+4

B

1671-8232（2016）09-0041-05

2016-06-10

王进文（1967— ），男，陕西澄城人，教授级高级工程师，主要从事期刊审校、信息及专业翻译工作，发表论文及译著近60篇。

模压流道试样的比较分析表明，在流道设计中引入Vanturi效应后，流道和模腔充填平衡性大幅改善。研究结果表明，胶料经流道产生Vanturi效应的结构时，流道中胶料的流体特性之间存在有价值的相互关系，从而可以改善流道和模腔的平衡性充填。