实验室橡胶硫化试样用模具的设计及优化

赵桂英，王忠光，王再学，郑招展，覃　彪

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140）

实验室橡胶硫化试样用模具的设计及优化

赵桂英，王忠光，王再学，郑招展，覃彪

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140）

通过对实验室橡胶硫化试样用模具的设计及优化，包括对模板、模腔、垫片及垫环等的设计，解决了在实验室对多种圆柱体橡胶试样的硫化，减少了硫化模具的数量和加工成本，降低了模具用错的几率，同时节省了模具存放空间，便于实验室管理；通过垫片和垫环的恰当组合，相同厚度的试样可同时压制成型，节约了能源，提高了效率，实现了多功能化。

硫化试样；模具；模腔；垫片；垫环

橡胶模具是将胶料模制成制品的装置，具有一定可塑度的胶料，经预制成简单形状后填入或直接注入模腔，经加压加热硫化后，即可获得所需形状的制品。目前，生产上采用模具制造的橡胶制品占到了整个产品品种的80%，模具已成为橡胶企业重要的生产手段，一个工厂至少要有几百套模具，多者甚至达到了几千种之多，模具费用已经占到生产设备购置量的20%~40%，除了一般的杂品小模之外，像注射机模、工矿大杂品模、制鞋模和轮胎模等的价值均在上万元到10万元之间；橡胶模具不仅代表了橡胶工业的生产能力、加工效率和技术水平，同时在很大程度上也决定着橡胶制品外观质量的优劣[1]。

橡胶企业新产品研发或高校教学科研都会在实验室开展大量的实验工作，其中试样制备是必不可少的步骤，硫化试样的质量直接影响着性能测试的结果；相对于企业实际生产所用的模具来讲，实验室主要采用橡胶压模进行硫化试样的制备，压模是将一定形状的胶料，加入敞开的型腔内，用压机闭模加压，在平板硫化机中硫化成型的一种模具，它结构简单，造价相对来讲较低，因此在硫化实验室应用广泛[2]。

1　现有硫化试样用模具的不足

橡胶性能测试所用的试样按形状主要分为四类：矩形试片（用于哑铃型、直角形等试样的制备）、圆柱体试样、圆柱体带孔试样或长条形试样，其中圆柱体试样应用较多；国家标准对几种圆柱体试样的尺寸做了明确的规定，具体见表1[3]。

表1　圆柱体橡胶试样的类型及尺寸

从表1可以看出，圆柱体试样主要用于橡胶磨耗、回弹性、压缩永久变形等性能的测试，尽管其形状相同，但具体的尺寸有一定的差别，归结起来其直径在10~29 mm之间，高度在6.0~12.5 mm之间。

目前，实验室所用的圆柱体试样模具由三块模板组合而成，中模板内部设置有多个模腔，模腔的尺寸为圆柱体试样的尺寸，先将中下模板组合后，在模腔中加入胶料，盖上上模板后即可硫化成型，制得硫化试样；因为一个模具仅能制备一种试样，如果要测试多种性能，或多组学生同时开展试验，就必须准备更多的模具。

存在以下问题：

（1）准备多幅模具，需要增加模具的投入成本。

（2）多幅模具占用较大的存放空间，对于尺寸相近的模具使用时容易选错，给实验室管理带来一定的难度。

（3）由于橡胶试样在压制前，必须提前预热模具，因此多幅模具的使用不仅造成能源浪费，还会耗用大量的人力和时间[4]。

2　硫化试样用模具的设计及优化

根据现有技术存在的不足，经过调研分析，遵循模具设计的基本原则，将模腔尺寸的调整作为设计及优化的重点和出发点，主要设计了垫片和垫环等，并通过垫片和垫环的灵活组合，提供了一种简易多功能橡胶硫化试样用模具；采用该模具可在实验室进行多种橡胶圆柱体试样的硫化。结合图1对该模具具体总结阐述如下。

2.1模板的设计

模板是模具的基本部件，其形状和结构直接关系到加工成本，应力求简化，容易组合和拆装，加料及制品取出应尽量方便，不要损坏制品，便于模具内部的清洗等，为此设计了上、中、下三块模板。

（1）上中下三块模板形状为矩形，其长度和宽度均为100 mm×130 mm，厚度分别为13 mm、12.5 mm以及13 mm，也可根据教学实际需要以及平板硫化机的类型增加模板的长度、宽度及厚度，但中模板的厚度不能改变。

（2）三块模板需组合后才能进行试样的制备，为使其能良好的配合，定位，保证制品的形状和尺寸，同时防止模板滑落，砸伤操作人员，造成安全事故，本设计采用定位销进行定位；在下模板上设置呈等边三角形对称的三个定位销（详见图1），定位销顶端做成圆头锥形，容易插入销孔；中模板相同位置开设定位孔，上模板相同位置开设一定深度的凹槽，定位销的直径和长度与定位孔和凹槽相配合，起到固定作用。

（3） 在中模板两平行边的上下面上分别开有启模孔，用于将模板分开，取出制品；三块模板的另外两端分别设置有手柄，便于操作。

2.2模腔的设计

由于硫化试样为小型制品，为避免平板硫化机不致因模具太小，局部受压过大而早期损坏，同时为了提高试验效率，降低能耗，往往一副模具中设置多个模腔；本设计结合教学实际，在中模板内设置了6个模腔，模腔的内径为29 mm，高度为12.5 mm，可一次硫化成型2~6个试样。

2.3垫片及垫环的设计

为制备出不同尺寸的圆柱体试样，灵活调整模腔的内径和高度，分别设计了一组垫片和垫环，同时在垫片和垫环的表面印有明显的型号和尺寸，便于其快速，准确的组合到模腔内。

本设计垫片共有两个，安装在模腔的底部，用于调整模腔的高度；垫片的直径与模腔的内径相配合，垫片的厚度分别为2.5 mm、3.7 mm；垫环共有三个，安装在模腔内，用于调整模腔的内径；垫环的内径分别为16 mm、13 mm及10 mm，与之相对应的高度分别为6.3 mm、6.3 mm及10 mm，垫环的外径分别与模腔或组合垫环的内径相配合。

图1　硫化试样用模具的结构示意图

3　模具材料及制备方法

目前橡胶模具使用的金属材料，一般多为软钢，半硬钢，铸铁，特种铝合金，不锈钢等等；本设计从成本、性能和耐久性方面考虑，下模板，中模板、上模板、垫片和垫环的材质全部选择S45C钢，由于这类钢材的切削加工良好，因此该模具采用机械方法加工而成，要求模具内部表面光滑，以确保硫化试样的外观质量符合要求；为使硫化橡胶能较容易地从模腔内脱离取出，并防止给模具造成污染，采用了最常见的镀硬铬对模具表面进行处理[5]。

4　硫化试样用模具的使用方法[6]

先根据欲制作橡胶试样的厚度选择合适的垫片组合，使模腔内腔的高度是所需试样的厚度，然后根据试样的直径选择合适的垫环组合，使模腔内腔的直径是所需试样的直径。

（1）当需要制备辊筒磨耗试样时，选择装入厚度为2.5 mm和3.7 mm的垫片，以及内径为16 mm、高度为6.3 mm的垫环；这样模腔内腔的高度变为6.3 mm,内径变为16 mm。

（2）当需要制备压缩永久变形B型试样时，选择装入2.5 mm和3.7 mm厚的垫片，再选择装入内径为16 mm，高度为6.3 mm的垫环，最后选择装入内径为13 mm，高度为6.3 mm的垫环；这样模腔内腔的高度变为6.3 mm，内径变为13 mm。

（3）当需要制备压缩永久变形C型试样时，选择装入2.5 mm厚的垫片，以及内径为10 mm，高度为10 mm的垫环；使模腔内腔的高度变为10 mm，内径变为10 mm。

（4）当需要制备回弹性和压缩永久变形A型试样时，不需要装入垫片和垫环。

（5）垫片组合后模腔高度相同的试样可以同时压制成型，否则应分批压制。

（6）分批压制时，建议将胶料放置于对称的模腔中。

具体选择方式见表2。

表2　圆柱体橡胶试样的类型及组合方式

然后将下模、中模、上模、垫片和垫环同时预热，放入橡胶胶料，盖上上模进行硫化。硫化结束后，打开下模和上模，从中模模腔中取出试样，同时顶出垫片和垫环。

5　效果

经过对橡胶硫化试样用模具进行设计，达到了以下效果。

（1）一副模具，通过不同的垫片和垫环组合，能够制备出多种圆柱体试样，减少了模具的数量和加工成本。

（2）节省了模具的存放空间，减少了用错的几率，便于实验室管理。

（3）组合后相同厚度的试样可同时压制成型，节约了能源，提高了效率，实现了多功能化。

6　结语

通过对橡胶硫化试样用模具的设计和优化，包括对模板、模腔、垫片和垫环的设计，通过选取不同垫片和垫环的组合，只需一副模具就能制备出多种圆柱体试样，减少了模具的数量和加工成本；节省了模具的存放空间，减少了用错的几率，便于管理；组合后相同厚度的试样可同时压制成型，节约了能源，提高了效率，实现了多功能化；该装置结构简单，操作方便，有利于模具的清洗，提高硫化试样的外观质量。

[1] 于清溪. 橡胶模具发展概观[J]. 橡塑技术与装备，2007，33（04）：13~22.

[2] 刘希春. 橡胶加工设备及模具[M]. 化学工业出版社，2014. [3] 赵桂英,王忠光. 高分子材料性能测试技术[M]. 化学工业出版社，2014.

[4] 徐州工业职业技术学院. 简易多功能复合橡塑模具[P]. ZL201420043181.1.

[5] 胡华南. 橡胶模具的设计及应用[J]. 模具技术，2006，03（04）：25~35.

[6] 徐州工业职业技术学院. 组合式模具[P]. ZL201420777114.2.

Design and optimization of laboratory rubber vulcanization sample mold

TQ330.41

1009-797X(2015)19-0037-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.19.009

赵桂英（1969-），女，学士，副教授，研究方向为高分子材料应用技术。

项目来源：2014年度徐州工业职业技术学院教改项目，项目编号：XGY201425

2015-03-09