具有非垂直结构特征的硅橡胶压制模具的加工

刘 峙

（许昌技术经济学校，河南许昌 461000）

1 引言

硅橡胶具有较好的高、低温性能，它能够在-70℃～200℃之间仍能保持一定的柔韧性、回弹性和表面硬度，且力学性能无明显变化。特别是硅橡胶还具有优异的绝缘性能、耐电晕性、耐电弧性以及很强的耐候性，在氧、臭氧、紫外线、油、化学试剂等恶劣的户外环境中仍能保持稳定的物理机械性能、化学稳定性能以及电性能，并且硅橡胶无毒、无味、无嗅，不与人体组织发生粘连，很少会对肌体组织产生反应。因为硅橡胶如此优异的特性，现被广泛用作高压电器设备绝缘件制作的原材料。下面以某型号高压互感器外绝缘护套的压制成型模具为例，介绍具有非垂直结构特征的硅橡胶压制模具设计以及解决模具中一些非垂直结构特征加工难题的技巧。

2 案例来源

某高压电器生产企业，主营产品高压互感器，生产中需要大量配套的高压互感器绝缘外护套作为互感器的绝缘保护，耐受110KV以上高压甚至350KV的瞬间高电压，这需要具有对地、对设备和对自然界生物具有绝对安全的绝缘防护措施。目前，针对高压互感器设备绝缘防护套通常采用硅橡胶全包络设计，这种高压互感器全包络硅橡胶护套的制作一般有两种方法：一是采用液体硅橡胶注射模具成型的方式；二是采用混炼型硅橡胶（又称为固态硅橡胶）压制模具成型。因固态硅橡胶比液态硅橡胶价格上要便宜很多，且两种不同形态的原材料加工后成品的各项性能指标相差不是很大，因此很多电器绝缘件生产企业都采用了物美价廉的混炼型硅橡胶利用压制模具压制成型的办法来生产高压电器设备的外绝缘护套。

市面常见某型号高压互感器产品外观图及外形结构示意图如图1所示，电器外围所包络棕褐色结构件为高压互感器绝缘护套，材质为硅橡胶，作用主要起绝缘、隔弧等作用。图2所示为本案某公司自行设计的高压互感器的绝缘护套产品结构示意图，该产品材质为硅橡胶，总体尺寸为345×235×125mm，壁厚为5mm。该产品外形像一个倒扣的“澡盆”，最突出的结构特征为“澡盆”底有两个与水平面成77.5°的圆柱筒。

图1 某型号高压互感器产品外观图和外形全结构示意图

图2 某型号高压互感器绝缘护套产品设计图

3 模具整体情况

针对该绝缘护套外形及结构特征，所设计的该护套压制模具装配图如图3所示。

图3 绝缘护套压制模具装配图

3.1 模具结构

该副模具按照使用功能结构特征，共分成6个部分，从上向下依次为上模垫板、上模板、上模芯、上模芯拼块、下模腔、下模垫板。上模垫板、上模板和上模芯之间采用内六角螺钉联结，上模垫板与四立柱液压机的压排相连。下模腔用内六角螺钉固定在下模垫板上，为了脱模方便，上模芯拼块从下模腔底部两电极孔穿过，用内六角螺钉固定在下模垫板上。

整副模具6个基本组成部分中，上模芯、上模芯拼块和下模腔采用40Gr材质，其它部位均采用45钢。

为了确保硅橡胶压制后产品的质量、精度和压制过程中上下模具的位置精度，在上下模具上设置4副定位导柱套结构。

本压制模具采用40t四柱三梁液压机，该型号液压机公称压力为400kN，系统压力为25MPa，最大行程280mm，最大开口400mm，工作台600×500mm。

3.2 模具中非垂直结构特征元素

这样的模具结构在模具设计行业算是常见通用型，属于典型的上下结构。但是该模具中存在有两处与上下模板不垂直的结构特征，这是区分一般模具的地方，属于非典型性结构。如图4所示，上模芯设计图中，上模芯底部有两处圆柱形凸起，凸起的两圆柱体直径为ϕ61.5mm，这两处圆柱形凸起与上模芯整体轮廓结构不相垂直，且凸起的圆柱体中心线与上模芯竖直中心线呈12.5°的夹角，两凸起圆柱体距离上模板顶面中心点的位置相距115.8mm，凸起底平面离上模板垂直高度为158.3mm，上模板高度为29.8mm。为了产品使用功能、外观及脱模需要，上模芯摒弃尖角和直角设计，大多数的过渡位置都采用圆弧和过渡圆角处理。

图4 上模芯设计图

图5所示为模具下模腔的设计图，包含了下模腔的主视图、俯视图、左视图和仰视图，其中主视图和左视图为了看清内部的结构，采用了全剖视图的表达方式。仰视图重点表达下模板与下模腔之间的联结示意，其它三幅图重点表达下模腔体的内部结构，特别是与上模芯配套的两处与整体结构不垂直的圆柱形腔体的示意图。A、B两圆柱形腔体直径为ϕ71.76mm，两圆柱形腔体中心线夹角为25°，与下模腔体中心线呈12.5°的夹角，模具的主要结构特征与模具体的主要轮廓呈非垂直关系，这是这副模具中最为突出的结构特征。

图5 下模腔设计图

4 模具中非垂直结构特征元素的加工分析

为了保证电压互感器护套产品的使用性能、结构功能、产品的制造成本以及产品外观等要素，模具设计考虑通过模具压制一次性成型，尽量减少护套产品的二次加工。所以在模具设计时很多关键配合部位的表面粗糙度值要求都比较低，很多电极接触面，模具制造要求达到Ra0.8μm，一些非关键配合部位表面粗糙度值也要求在Ra3.2μm以上，非配合表面粗糙度值为Ra6.3μm。

模具上模芯和下模腔，均存在两处与主要轮廓呈一定夹角关系的形状特征，这些非垂直的圆柱凸起和圆柱形腔体的中心线与模具体中心线呈12.5°的夹角，与模具体的上下垫板呈77.5°的夹角，这些非垂直性表面结构特征是整副模具加工的难点。

4.1 加工难点

模具体中大多数的待加工轮廓结构都是与机床工作台保持垂直或水平的位置关系，包括模具体中的一些圆弧结构特征的待加工部位，对于数控铣床或者普通加工中心来说都是可以通过圆弧加工程序正常解决的。但是模具中一些与模具体主要轮廓呈非垂直结构特征的待加工表面，再加上这些待加工表面还有很高的粗糙度要求，这是机械加工的难点。

目前，模具制造通常采用以下3种方式：第一，是模具钳工+手工制作的方式（这种模具制造方式费时费工，生产效率很低，通常用于单件模具的修护等，此种工艺在工业生产中基本已淘汰）；第二种方式为利用普通车、铣、钻、镗等方式完成，或者利用数控铣削或数控加工中心等数控智能型设备来完成，这种方式一般适合中小型企业；第三种利用5轴或5轴以上的加工中心的智能机床设备来加工。这种工艺主要存于大中型模具生产企业或者专门从事机械加工制造企业，因为一台5轴或5轴以上的加工中心设备的价格都在百万以上，有的甚至高达数百万，并且这类机床的附件配置下来也需要十几万甚至几十万，这不是一般的企业所能承受的。

承担高压互感器护套生产任务的企业，属于中小型电器生产企业，具有一般机械加工能力，配置有数控铣床、数控车床、普通铣床、钻床、数控镗床等通用机械加工设备，这也是现代中小型机械加工企业或电气设备制造企业的典型设备配置（高档设备的利用率低，产品制造成本太高）。一般这类企业使用的模具和工装夹具都是有金工车间或者模具车间利用现有设备自行制造完成，基本能满足本企业生产需求。

普通数控铣床和3轴或3轴半加工中心，刀具相对于工作台只能按照上下、前后、左右的方向移动，刀具以Z轴为中心的旋转运动，甚至有些机床的工作台还能相对于XY平面实现旋转，这一类CNC机床的刀具一般都不能实现相对于XYZ轴的倾斜旋转，所以对于本案中非垂直的圆柱形凸起和非垂直圆柱形腔体的加工则显得束手无策。

4.2 解决思路

针对非垂直结构特征机械形体的加工，业内常用有3种解决办法：一种办法是制作镶块，把圆柱体凸起和圆柱体型腔，切挖出来，单独加工好后，再焊接或装配到整个模具体上；第二种办法就是购买5轴或5轴以上加工中心，利用高档智能型机床进行加工；第三种办法就是利用垫铁把非垂直性结构调整为与CNC机床工作台水平或者垂直的位置状态，满足加工需求。

对比以上3种解决办法，第一种模具压制过程中焊接的镶块或机械装配上的镶块很难承受住几百千牛压力和数十兆帕压强，且镶块装配时两连接件之间会存在一定的不平度，在压制过程中，严重影响高压互感器绝缘护套的产品质量，甚至会降低绝缘护套的机械力学性能及化学稳定性能，无法满足产品的使用性能要求。第二种加工方法，需要购买昂贵的高档机床加工设备，一般企业都不愿意进行此项投资。第三种方法通过制作工装或垫铁，对待加工部位进行调整找平。因此，第三种加工方案则显得简单易行，并且具有很强的可操作性。

5 模具体非垂直结构特征机械加工辅助工装的设计与制造

根据以上的分析，此种具有非垂直结构特征模具体的加工，最好的方式就是利用垫铁把非垂直的结构特征垫平，利用水平仪和百分表进行找正，然后利用数控铣床或者普通加工中心完成机械加工。此种解决方案的设计灵感来源于正弦规工作原理。图6所示为根据此灵感设计的模具非垂直结构特征机械加工的辅助工装。

图6 模具非垂直结构特征机械加工辅助工装

此工装设计共分上中下3个部分，最下边一部分为固定旋转滑台，用螺栓固定在CNC机床工作台上；中间一部分半圆柱体形状为可旋转滑台，这一部分放置在最下部固定滑台与半圆柱体等径的半圆柱体凹槽内，通过紧定螺钉和定位柱销实现下部与中部的精确定位联结；最上边部分为固定平板，主要作用是实现与上模芯大平面或下模腔下平面的联结。此辅助工装采用45钢。

此辅助工装在使用时，首先把辅助工装的最下部固定在CNC机床的工作台上合适的位置，用螺栓进行固定；第二步放置工装中部可转动滑台到工装最下部的圆柱体凹槽内，并调整到前后两端平齐的位置；第三步把最上部的固定平板通过内六角螺钉固定在可转动滑台上；第四步把待加工上模芯或下模腔固定在此工装最上边的固定平板上；第五步对工装中部可转动滑台部分进行位置调整，利用百分表、水平仪等辅助工量具，对非垂直特征结构待加工位置进行找正，让两处非垂直结构待加工圆柱体（或圆柱腔体）中心线调整到相对于机床工作台呈垂直状态；第六步利用紧定螺钉和定位销钉对可转动滑台进行固定，确保机械加工过程中的待加工零件不会产生相对位移。经过这六步对辅助工装的调整即可满足数控铣床或普通加工中心此模具体中非垂直结构部位的加工。

6 结束语

在模具制造中，一些非垂直性结构特征的机械加工，一直以来都是中小型机械制造企业无法回避的难题，这类特征结构的零部件加工难度很大，尺寸精度和形位公差不好保证，加工后的表面质量也很难达到要求。本例中，针对这一类特征结构零件的机械加工，设计开发出了一副非常实用的工装，轻松解决了这一技术难题，并且操作使用相当简便，加工质量非常可靠，制造成本也比较低廉，非常值得推广。