1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 硅橡胶模具的设计与制作 1 前言 仪器仪表、通讯产品、家用电器、光学器材、 办公用具、汽车零件、玩具等行业的产品大量应用塑料制作外形壳体，不仅几何造型复 杂，而目其内壁常因安装零部件的关系而对尺寸与形位精度要求很高。因此，新产品图纸设 计好后，一般要验证设计图纸的正确性，同时又希望制造出数十至数白件样品，以满足新产 品设计定型的要求。此时就有这样一些问题 : （ 1）面对形状复杂、尺寸较大、精度较高的塑料 件图纸，在未验证其正确性之前，立即制造金属模具，设计师往往担心在模具制 造完毕后再作修改将致使新模具遭到损坏，较 大的修改甚至造成模具的报废。 （ 2
2、）由于金属模具的制造周期长，所以直接影响 新产品的开发速度。过去曾使用锌合金模、铍铜合金模作为试样模具，与钢模相比 虽然加工要方便些，成本也低，便于修改，但机械加工量相差不多，还不理想。 在 20 世纪 60 年代研制成功的液体硅橡胶材料具有优异的仿 真性、脱模性和极低的收缩率，并具有加工成型方便以及耐热老化等特点 ，因此成为一种优良的模具材料。许多加工成型工艺纷纷采用液体硅橡胶材料来制造工作模 具，以代替金属或其它材料制造的模具。日前硅橡胶模具己广泛 应用于高频压花制革制鞋、文物复制、塑料成 型、精密铸造、机械测绘以及石膏、蜡、低熔点合金的成型等领域，并取 得了明显的技术经济效果 1。 2
3、主题 1 硅橡胶模具制造技术 80 年代末问世的快速原形技术 (Rapid Prototyping)带来了传统加工模式的革命 ,它与快速制模技术 (Rapid Tooling)的结合 ,实现了小批量产品的快速制造 ,这就是快速成形制造技术 (Rapid Prototyping Manufacturing,简称 RPM) 2。模具硅橡胶是一种在 RPM 技术中得到广泛使用的快速制模材 料 ,其骨架材料是端羟基聚二甲基硅氧烷 ,在催化剂 (一般为有机锡 )的存在下 ,它可在室温下与三官能以上的交联剂 (一般为硅酸酯 )发生缩合反应 ,硫化成具有一定机械强度的硅橡胶。硅橡胶不但可以在 -50 350
4、的宽温度范围内使用 ,而且具备一种天然的脱模性 ,与其他材料不容易粘接 3。作为一种柔性模具 ,硅橡胶在 RTM 中也有一定应用4 6。与传统模具相比 ,硅橡胶模具具有加工周期短、造价低、精度高、更容易脱模 (不需考虑拔模斜度 )等优点 ,但也存在强度低、翻模次数少、容易收缩等缺点。 硅橡胶模具制造工艺是一种比较普及 的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能制造结构复杂、花纹精细、无拔模斜度，甚至倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制造周期短，制件质量高而备受关注。由于零件形状尺寸不同，对硅橡胶模具的强度大小要求也不同，因而制模方法也不一样。 目前，制模用硅橡胶为双组分液体硅橡
5、胶，分缩合型和加成型两类，缩合型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷（生胶）、填料、交胶剂和硫化促进剂。加成型硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷（生胶）、含氢硅油（交联剂）、铂触媒（催化剂）、 白炭黑（填料）。由于硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这便是它的独特之处，目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡模、石膏模、陶瓷模、塑料件，及低熔点合金如铅、锌以及铅合金零件，并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行业的应用不断扩大，对产品的更新换代起到不可估量的应用，利用硅橡胶制造模具可以更好地发挥原型快速制模技术的优势 7。
6、2 硅橡胶模具的特性 2.1 硅橡胶模具的优点 硅橡胶模具是快速模具中一种最常见的快速模具，它可以作为试制用模具，也可以用于制作快速过渡模或快速、少 批量生产塑料件的用模，它具有如下优点 8 9： （ 1）制作周期短。利用快速成形件或零件原型，在几天内能提供硅橡胶模和软模成形的双组份聚氨脂塑料件。与传统金属模注塑原型工艺相比，用硅橡胶模真空浇注聚氨脂原型，能缩短 90%的开发周期。 （ 2）制造成本低。与 CNC 机加工的金属模相比，硅胶软模的制作费用低得多，一般只有金属模的几分之一。 （ 3）弹性好，工件易于脱模。在传统的金属模中，通常需要设置脱模斜度，对于有小凹槽的工件还必须设置活块，以便
7、工件成形后顺利脱模。用硅胶模成形工件时，由于硅橡模具有足够的弹性，模具制 作时，不必考虑脱模斜度和为一些小凹槽而设置的活块，从而大大简化模具的设计与制造。 （ 4）复印性能好。硅橡胶具有良好的复印性能，能很好地再现母模上的细微特征，基本不会损失尺寸精度。 （ 5）在真空注形机中室温条件下可以浇注高性能的聚氨脂塑料件。 2.2 硅橡胶模具的不足 虽然硅橡胶模具具有上述优点，但是，硅橡胶模具自身也存在一些不足： （ 1）不能用于热注射成形。热注射成形时，有较高的注射压力，一般的室温硫化硅橡胶软模，注射时会发生明显的变形。 （ 2）导热性能差。硅橡胶的导热性能较差，因此，用它制造的软模难以加热， 如
8、果模具达不到所需要的温度（特别是寒冷的冬天），往往会影响浇注的聚氨脂塑料件的品质。 （ 3）模具使用寿命不长。对于无尖锐边缘、无薄壁、无大的高 /宽比凸台的形体简单的工件，用硅橡胶模可以浇注 30-40 个；对于一些有尖锐边缘的形体比较复杂的工件，用硅橡胶模具可以浇注 15-30 个；对于有尖锐边缘、伸展薄壁以及大的高 /宽比的形体复杂的工件，通常用硅橡胶模仅能浇注 10-15 个。此外，硅橡胶模的某些部位可能有撕裂或局部损伤，成形后的聚氨脂塑料件的外形质量难以被接受。尽管硅橡胶模存在一些不足，但是，作为新产品开发试制阶段 设计验证和市场调研是一种较经济实用的模具，值得研究和推广应用。 3 硅
9、橡胶模具的制造方法与步骤 硅橡胶模具的制造方法与步骤如下 10 11: （ 1）按照用户要求设计母样，即原型图。 （ 2）根据图纸要求制作原型 (机械加工或快速原型件等 )，并将母样进行表面处理、打磨。 （ 3）制作模框，并在模框中固定原型。 （ 4）将液体硅橡胶两个组分按一定比例计量、混合、脱泡后，进行浇注。浇注完毕，还需脱泡。 （ 5）对于缩合型硅橡胶，在室温下硫化 24h(25 )或更长时间 (低于 25 )：对于加成形硅橡胶，既可在室温下硫化 24h（ 25）或更长时间 (低于 25 )，也可以在 60的烘箱中硫化 2h 左右。尽量使用室温硬化，加温硬化会引起硅橡胶收缩。 (6)在上述
10、一段硫化后，拆取模框，用手术刀将硅橡胶模具剖开，取出原型。 （ 7）必要时将硅橡胶模具置于恒温箱内，根据不同的模具厚度，在 50-60的通风环境中进行二次硫化。 4 硅胶模模具的应用 12 13 硅胶模由于具有制作周期短、复制精度高、运行成本低等优点 ,在汽车、航空航天、电子和工艺品等诸多领域的产品开发过程中有广泛的应用。德国 MCP2HEK 公司 1987 年就开始发展 MCP 真空铸造技术 ,在设计及提供快速模具技术方面有超过 50 年的经验 ,是目前硅胶模应用领域的技术领导者。其客户群体包括 Ford、 GM、 VW、 BMW、 Bosch、 Daimler Chrysler、Sieme
11、ns、 Adidas、 Nike、 3 D Systems 等众多世界著名企业。 4.1 在汽车工业 硅胶模在汽车、摩托车的内饰件、发动机、汽缸头等零部件的研发制造方面具有一定的应用 ,带来了较大的经济效益。如在汽车发动机的进气歧管、座椅、车灯等的开发研制中 ,大大缩短了研发周期。 4.2 在航 空航天工业 航空航天工业中 ,一些具有特殊外形要求的零部件很难用传统的方法来机加工。此时 ,常采用基于堆积成形原理的快速成形技术来制造快速模具。如某新型火箭发动机泵壳原型件的制造 ,采用快速成形法为该产品制做塑料样件 ,作为模具母模用于翻制硅胶模。利用硅胶模进行浇注、喷砂 ,一件合格的泵壳铸件可在 2
12、 个月内制造出来 ,经过必要的机加工 ,即可装机运行。整个试制周期比传统方法缩短了 2/3,费用节约 3/4。 4.3 在电子行业 为了满足不断变化的市场需求 ,电子产品的寿命周期越来越短 ,新产品的更新速度正不断加快 ,尤其是手机、相机 等数码产品。在这种情况下 ,为了缩短新产品的研发周期 ,快速制模技术的应用就显得尤其重要。由于硅胶模浇注壳类零部件具有很好的效果 ,因此 ,硅胶模在电子产品的外壳研发试制中具有广泛的应用。 4.4 在医学领域 人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的内部组织结构。要真实地复制人体内部的器官构造 ,反映病变特征 ,快速原型几乎是唯一的方法。以医学 CT 影像数据为基
13、础 ,利用 RP 和 RT技术制作人体器官模型有极大的应用价值 ,医疗专家组利用可视模型 ,进行模拟手术 ,对特殊病变部分进行修补 (颅骨损伤、耳损伤等 )。此外 ,利用快速成型机制取原型 ,再用硅胶模翻制熔模 ,然后熔模铸造的方法 ,现在广泛应用于口腔下颌骨及牙假体、骨科关节假体、人工骨盆等的个体化制作 ,且技术成熟 ,像德国 Link 公司、中国台湾联合公司已经商业化运作。 4.5 在艺术品制作领域 艺术品熔模铸造是无法用机械加工制造出浇注蜡模用模具的。由于硅橡胶的流动性极好 ,具有优良的复印性 ,即使原模上有很细微的纹饰 ,亦能清晰地在硅橡胶模上反映出来。因此 ,在铸造各类艺术铸品时 ,
14、必须应用硅橡胶模 ,因此制作硅橡胶模是艺术铸品的基础工艺之一。 4.6 应用发展趋势 在国外 ,对硅胶模的应用研究趋向于大型制造 和微制造两个方面。在大型件方面 ,德国MCP2H E K 公司的真空铸型设备可以用于制造较大覆盖件的硅胶模和真空铸件。微制造方面 ,国外一些学者对利用硅胶模制造微型件 (如微齿轮、微流道等 )进行了实验研究 ,结果证明 ,硅胶模对微型件的快速制造有一定的适用价值 14 15。 3 总结 随着市场的全球化不断深入 , 企业参与国际竞争范围更广 , 力度更大 , 对产品快速开发和制造的的要求越来越迫切 , 快速模具制造技术市场必然看好。随着市场对小批量、个性化等定制产品
15、的快速开发和制造需求增长 , 大量的模具厂家面临快速反应客户 需求的低成本中小批量模具的制造技术需求 , 快速模具将具有巨大的市场需求 快速原型制造技术及以其为基础的快速模具制造技术在企业新产品开发中发挥着重要作用，尤其对于产品样件开发验证、小批产品功能测试、新品开发推广具有非常重要的意义。它可以大大缩减新产品的开发周期，提高产品开发的一次成功率，降低开发成本，避免开发风险。随着市场竞争的不断加剧和多品种、小批量、改型快等现代制造模式的进一步发展 ,快速原型制造技术以及基于快速原型的硅胶模技术必将得到更为广泛的应用。 4 参考文献 1 贾玉玺，程雪玲，孙胜，党福祥，刘 莉莉 .硅橡胶模具技术的
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