硅橡膠模具的設(shè)計(jì)與制作【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化</p><p>　　硅橡膠模具的設(shè)計(jì)與制作</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　儀器儀表、通訊產(chǎn)品、家用電器、光學(xué)器材、辦公用具、汽車零件、玩具等行業(yè)的產(chǎn)品大量應(yīng)用塑料制作外

2、形殼體，不僅幾何造型復(fù)雜，而目其內(nèi)壁常因安裝零部件的關(guān)系而對(duì)尺寸與形位精度要求很高。因此，新產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)好后，一般要驗(yàn)證設(shè)計(jì)圖紙的正確性，同時(shí)又希望制造出數(shù)十至數(shù)白件樣品，以滿足新產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型的要求。此時(shí)就有這樣一些問題:</p><p>　?。?）面對(duì)形狀復(fù)雜、尺寸較大、精度較高的塑料件圖紙，在未驗(yàn)證其正確性之前，立即制造金屬模具，設(shè)計(jì)師往往擔(dān)心在模具制造完畢后再作修改將致使新模具遭到損壞，較大的修改甚至造成模

3、具的報(bào)廢。</p><p>　?。?）由于金屬模具的制造周期長(zhǎng)，所以直接影響新產(chǎn)品的開發(fā)速度。過去曾使用鋅合金模、鈹銅合金模作為試樣模具，與鋼模相比雖然加工要方便些，成本也低，便于修改，但機(jī)械加工量相差不多，還不理想。</p><p>　　在20世紀(jì)60年代研制成功的液體硅橡膠材料具有優(yōu)異的仿真性、脫模性和極低的收縮率，并具有加工成型方便以及耐熱老化等特點(diǎn)，因此成為一種優(yōu)良的模具材料。許多

4、加工成型工藝紛紛采用液體硅橡膠材料來制造工作模具，以代替金屬或其它材料制造的模具。日前硅橡膠模具己廣泛應(yīng)用于高頻壓花制革制鞋、文物復(fù)制、塑料成型、精密鑄造、機(jī)械測(cè)繪以及石膏、蠟、低熔點(diǎn)合金的成型等領(lǐng)域，并取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[1]。</p><p><b>　　2主題</b></p><p>　　1硅橡膠模具制造技術(shù)</p><p>　　8

5、0年代末問世的快速原形技術(shù)(Rapid Prototyping)帶來了傳統(tǒng)加工模式的革命,它與快速制模技術(shù)(Rapid Tooling)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了小批量產(chǎn)品的快速制造,這就是快速成形制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing,簡(jiǎn)稱RPM) [2]。模具硅橡膠是一種在RPM技術(shù)中得到廣泛使用的快速制模材料,其骨架材料是端羥基聚二甲基硅氧烷,在催化劑(一般為有機(jī)錫)的存在下,它可在室溫下與三官能以上的交聯(lián)劑

6、(一般為硅酸酯)發(fā)生縮合反應(yīng),硫化成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的硅橡膠。硅橡膠不但可以在-50～350℃的寬溫度范圍內(nèi)使用,而且具備一種天然的脫模性,與其他材料不容易粘接[3]。作為一種柔性模具,硅橡膠在RTM中也有一定應(yīng)用[4～6]。與傳統(tǒng)模具相比,硅橡膠模具具有加工周期短、造價(jià)低、精度高、更容易脫模(不需考慮拔模斜度)等優(yōu)點(diǎn),但也存在強(qiáng)度低、翻模次數(shù)少、容易收縮等缺點(diǎn)。</p><p>　　硅橡膠模具制造工藝是一種比較

7、普及的快速模具制造方法。由于硅橡膠模具具有良好的柔性和彈性，能制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度，甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽類的零件，制造周期短，制件質(zhì)量高而備受關(guān)注。由于零件形狀尺寸不同，對(duì)硅橡膠模具的強(qiáng)度大小要求也不同，因而制模方法也不一樣。</p><p>　　目前，制模用硅橡膠為雙組分液體硅橡膠，分縮合型和加成型兩類，縮合型模具硅橡膠的主要組分包括：端基和部分側(cè)基為羥基的聚硅氧烷（生膠）、填料、交膠劑和

8、硫化促進(jìn)劑。加成型硅橡膠的主要組分包括：端基和部分側(cè)基為乙烯基的聚硅氧烷（生膠）、含氫硅油（交聯(lián)劑）、鉑觸媒（催化劑）、白炭黑（填料）。由于硅橡膠模具具有很好的彈性，對(duì)凸凹部分澆注成型后也可直接取出，這便是它的獨(dú)特之處，目前用硅橡膠制造的彈性模具已用于代替金屬模具生產(chǎn)蠟?zāi)?、石膏模、陶瓷模、塑料件，及低熔點(diǎn)合金如鉛、鋅以及鉛合金零件，并在輕工、塑料、食品和仿古青銅器等行業(yè)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，對(duì)產(chǎn)品的更新?lián)Q代起到不可估量的應(yīng)用，利用硅橡膠制造模

9、具可以更好地發(fā)揮原型快速制模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[7]。</p><p><b>　　2硅橡膠模具的特性</b></p><p>　　2.1硅橡膠模具的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　硅橡膠模具是快速模具中一種最常見的快速模具，它可以作為試制用模具，也可以用于制作快速過渡?；蚩焖?、少批量生產(chǎn)塑料件的用模，它具有如下優(yōu)點(diǎn)[8～9]：</p><

10、;p>　　（1）制作周期短。利用快速成形件或零件原型，在幾天內(nèi)能提供硅橡膠模和軟模成形的雙組份聚氨脂塑料件。與傳統(tǒng)金屬模注塑原型工藝相比，用硅橡膠模真空澆注聚氨脂原型，能縮短90%的開發(fā)周期。</p><p>　?。?）制造成本低。與CNC機(jī)加工的金屬模相比，硅膠軟模的制作費(fèi)用低得多，一般只有金屬模的幾分之一。</p><p>　　（3）彈性好，工件易于脫模。在傳統(tǒng)的金屬模中，通常需

11、要設(shè)置脫模斜度，對(duì)于有小凹槽的工件還必須設(shè)置活塊，以便工件成形后順利脫模。用硅膠模成形工件時(shí)，由于硅橡模具有足夠的彈性，模具制作時(shí)，不必考慮脫模斜度和為一些小凹槽而設(shè)置的活塊，從而大大簡(jiǎn)化模具的設(shè)計(jì)與制造。</p><p>　　（4）復(fù)印性能好。硅橡膠具有良好的復(fù)印性能，能很好地再現(xiàn)母模上的細(xì)微特征，基本不會(huì)損失尺寸精度。</p><p>　?。?）在真空注形機(jī)中室溫條件下可以澆注高性能的

12、聚氨脂塑料件。</p><p>　　2.2硅橡膠模具的不足</p><p>　　雖然硅橡膠模具具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是，硅橡膠模具自身也存在一些不足：</p><p>　?。?）不能用于熱注射成形。熱注射成形時(shí)，有較高的注射壓力，一般的室溫硫化硅橡膠軟模，注射時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的變形。</p><p>　?。?）導(dǎo)熱性能差。硅橡膠的導(dǎo)熱性能較差，因此，用

13、它制造的軟模難以加熱，如果模具達(dá)不到所需要的溫度（特別是寒冷的冬天），往往會(huì)影響澆注的聚氨脂塑料件的品質(zhì)。</p><p>　?。?）模具使用壽命不長(zhǎng)。對(duì)于無尖銳邊緣、無薄壁、無大的高/寬比凸臺(tái)的形體簡(jiǎn)單的工件，用硅橡膠?？梢詽沧?0-40個(gè)；對(duì)于一些有尖銳邊緣的形體比較復(fù)雜的工件，用硅橡膠模具可以澆注15-30個(gè)；對(duì)于有尖銳邊緣、伸展薄壁以及大的高/寬比的形體復(fù)雜的工件，通常用硅橡膠模僅能澆注10-15個(gè)。此外

14、，硅橡膠模的某些部位可能有撕裂或局部損傷，成形后的聚氨脂塑料件的外形質(zhì)量難以被接受。盡管硅橡膠模存在一些不足，但是，作為新產(chǎn)品開發(fā)試制階段設(shè)計(jì)驗(yàn)證和市場(chǎng)調(diào)研是一種較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的模具，值得研究和推廣應(yīng)用。</p><p>　　3硅橡膠模具的制造方法與步驟</p><p>　　硅橡膠模具的制造方法與步驟如下[10～11]:</p><p>　?。?）按照用戶要求設(shè)計(jì)母樣，

15、即原型圖。</p><p>　?。?）根據(jù)圖紙要求制作原型(機(jī)械加工或快速原型件等)，并將母樣進(jìn)行表面處理、打磨。</p><p>　?。?）制作模框，并在?？蛑泄潭ㄔ?。</p><p>　?。?）將液體硅橡膠兩個(gè)組分按一定比例計(jì)量、混合、脫泡后，進(jìn)行澆注。澆注完畢，還需脫泡。</p><p>　?。?）對(duì)于縮合型硅橡膠，在室溫下硫化24h

16、(25℃)或更長(zhǎng)時(shí)間(低于25℃)：對(duì)于加成形硅橡膠，既可在室溫下硫化24h（25℃）或更長(zhǎng)時(shí)間(低于25℃ )，也可以在60℃的烘箱中硫化2h左右。盡量使用室溫硬化，加溫硬化會(huì)引起硅橡膠收縮。</p><p>　　(6)在上述一段硫化后，拆取?？颍檬中g(shù)刀將硅橡膠模具剖開，取出原型。</p><p>　?。?）必要時(shí)將硅橡膠模具置于恒溫箱內(nèi)，根據(jù)不同的模具厚度，在50-60℃的通風(fēng)環(huán)境中

17、進(jìn)行二次硫化。</p><p>　　4硅膠模模具的應(yīng)用[12～13]</p><p>　　硅膠模由于具有制作周期短、復(fù)制精度高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),在汽車、航空航天、電子和工藝品等諸多領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)過程中有廣泛的應(yīng)用。德國MCP2HEK公司1987年就開始發(fā)展MCP真空鑄造技術(shù),在設(shè)計(jì)及提供快速模具技術(shù)方面有超過50年的經(jīng)驗(yàn),是目前硅膠模應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。其客戶群體包括Ford、GM、V

18、W、BMW、Bosch、Daimler Chrysler、Siemens、Adidas、Nike、3 D Systems等眾多世界著名企業(yè)。</p><p><b>　　4.1　在汽車工業(yè)</b></p><p>　　硅膠模在汽車、摩托車的內(nèi)飾件、發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸頭等零部件的研發(fā)制造方面具有一定的應(yīng)用,帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。如在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管、座椅、車燈等的開發(fā)研制

19、中,大大縮短了研發(fā)周期。</p><p>　　4.2　在航空航天工業(yè)</p><p>　　航空航天工業(yè)中,一些具有特殊外形要求的零部件很難用傳統(tǒng)的方法來機(jī)加工。此時(shí),常采用基于堆積成形原理的快速成形技術(shù)來制造快速模具。如某新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)泵殼原型件的制造,采用快速成形法為該產(chǎn)品制做塑料樣件,作為模具母模用于翻制硅膠模。利用硅膠模進(jìn)行澆注、噴砂,一件合格的泵殼鑄件可在2個(gè)月內(nèi)制造出來,經(jīng)過必要

20、的機(jī)加工,即可裝機(jī)運(yùn)行。整個(gè)試制周期比傳統(tǒng)方法縮短了2/3,費(fèi)用節(jié)約3/4。</p><p><b>　　4.3　在電子行業(yè)</b></p><p>　　為了滿足不斷變化的市場(chǎng)需求,電子產(chǎn)品的壽命周期越來越短,新產(chǎn)品的更新速度正不斷加快,尤其是手機(jī)、相機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品。在這種情況下,為了縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期,快速制模技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤其重要。由于硅膠模澆注殼類零部件具有很

21、好的效果,因此,硅膠模在電子產(chǎn)品的外殼研發(fā)試制中具有廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　4.4　在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域</b></p><p>　　人體的骨骼和內(nèi)部器官具有極其復(fù)雜的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。要真實(shí)地復(fù)制人體內(nèi)部的器官構(gòu)造,反映病變特征,快速原型幾乎是唯一的方法。以醫(yī)學(xué)CT影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用RP和RT技術(shù)制作人體器官模型有極大的應(yīng)用價(jià)值,醫(yī)療專家組利用可視模型,進(jìn)行模

22、擬手術(shù),對(duì)特殊病變部分進(jìn)行修補(bǔ)(顱骨損傷、耳損傷等)。此外,利用快速成型機(jī)制取原型,再用硅膠模翻制熔模,然后熔模鑄造的方法,現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于口腔下頜骨及牙假體、骨科關(guān)節(jié)假體、人工骨盆等的個(gè)體化制作,且技術(shù)成熟,像德國Link公司、中國臺(tái)灣聯(lián)合公司已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)作。</p><p>　　4.5　在藝術(shù)品制作領(lǐng)域</p><p>　　藝術(shù)品熔模鑄造是無法用機(jī)械加工制造出澆注蠟?zāi)Ｓ媚＞叩?。由于硅橡膠

23、的流動(dòng)性極好,具有優(yōu)良的復(fù)印性,即使原模上有很細(xì)微的紋飾,亦能清晰地在硅橡膠模上反映出來。因此,在鑄造各類藝術(shù)鑄品時(shí),必須應(yīng)用硅橡膠模,因此制作硅橡膠模是藝術(shù)鑄品的基礎(chǔ)工藝之一。</p><p>　　4.6　應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　在國外,對(duì)硅膠模的應(yīng)用研究趨向于大型制造和微制造兩個(gè)方面。在大型件方面,德國MCP2H E K公司的真空鑄型設(shè)備可以用于制造較大覆蓋件的硅膠模和真空鑄

24、件。微制造方面,國外一些學(xué)者對(duì)利用硅膠模制造微型件(如微齒輪、微流道等)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果證明,硅膠模對(duì)微型件的快速制造有一定的適用價(jià)值[14～15]。</p><p><b>　　3總結(jié)</b></p><p>　　隨著市場(chǎng)的全球化不斷深入, 企業(yè)參與國際競(jìng)爭(zhēng)范圍更廣, 力度更大, 對(duì)產(chǎn)品快速開發(fā)和制造的的要求越來越迫切, 快速模具制造技術(shù)市場(chǎng)必然看好。隨著市場(chǎng)對(duì)

25、小批量、個(gè)性化等定制產(chǎn)品的快速開發(fā)和制造需求增長(zhǎng), 大量的模具廠家面臨快速反應(yīng)客戶需求的低成本中小批量模具的制造技術(shù)需求, 快速模具將具有巨大的市場(chǎng)需求</p><p>　　快速原型制造技術(shù)及以其為基礎(chǔ)的快速模具制造技術(shù)在企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要作用，尤其對(duì)于產(chǎn)品樣件開發(fā)驗(yàn)證、小批產(chǎn)品功能測(cè)試、新品開發(fā)推廣具有非常重要的意義。它可以大大縮減新產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，降低開發(fā)成本，避免開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

26、隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇和多品種、小批量、改型快等現(xiàn)代制造模式的進(jìn)一步發(fā)展,快速原型制造技術(shù)以及基于快速原型的硅膠模技術(shù)必將得到更為廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　4參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 賈玉璽，程雪玲，孫勝，黨福祥，劉莉莉.硅橡膠模具技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].山東大學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003,33（1）：32-35</p>

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