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o型圈模具设计 徐亚楠 33

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徐州工业职业技术学院

《专业综合实践》模具设计

（2013/2014学年第一学期）

学 生 姓 名 徐亚楠
班 级 高分子应用112
学 号 1132401235
班 内 序 号 33
指 导 教 师 刘巨源
教 研 室 高分子材料应用
系 部 材料工程系
设 计 日 期 2013 年 10 月 21日 至11月1 日

目 录
前言…………………………………………………………………………………2
一、 分析O型密封圈………………………………………………………………3
二、 模具结构的确定与设计…………………………………………… … ………… 5
三、 模具分型面的选择与确定……………………………………………………6
四、 胶料收缩率的确定及影响因素 …………………………………………………8
五、 模具型腔尺寸的确定…………………………………………………………9
六、 模具的导向与定位……………………………………………………………9
七、 余胶槽、启模口、手柄的设计………………………………………………10
八、 模具的型腔内的粗糙度及模具外表面的粗糙度 ……… ……………………10
九、 模具材料的选择……………………………………………… 11
十、 总结…………………… ……………………………………… ………… 12

橡胶密封圈模具设计
姓 名：徐亚楠
前 言
橡胶模具对产品质量和生产效率有直接的影响，另一方面，橡胶模具的造价高、身缠周期长、而且橡胶厂多且不太清楚模具结构设计和使用的用户单位提供,致使橡胶制品质量差、生产效率低、严重制约生产的发展。因此，提高橡胶模具结构设计知识已成为当务之急。
近年来，国内外模亚制品的发展具有以下特点:
（1）品种集中，专业化，系列化，标准化程度高，生产规模大;
（2)多数橡胶制品厂或百余人的小厂，为了保证制品质量，提高生产效率，特别是保证模具设计、制造、使用相协调，都配有设计和制造模具的专门力量,部分或大部分模具自行加工,并特别重视薄胶边或无胶边（飞边）模具的制造与研究.而模具发展的共同特点是：精密，多模腔（多数小规格制品模腔数在百余孔左右)，与主机配合使用（模具自动推动,制品自动顶出或用压缩空气吹出）；
（3）机械化,自动化程度高，在模压制品生产中，基本上摆脱了单纯的手工操作。特别是半成品准备，硫化和修边工序的改革，使生产效率大大提高，半成品成形多数采用精密预成型机，切圈机，沟条机，钻床划圈机，冲切机等机械化操作，修边工序普遍采用抛射式冷冻去边机以及磨削切割,冲制等机械化工艺。采用剪子，刀片进行修边的情况基本上消除。
（4）生产效率高，由于品种集中,专业化程度高，大量采用了机械化，自动化设备。从而使生产效率大幅度提高。
（5）重视研究，试验,技术改造工作，多数橡胶制品厂或制造公司都附有两个试验机构：一是材料试验室，从事配方,工艺研究，物性测试和生产控制等；另一个是成品试验室进行橡胶零件的模拟试验和结构研究，技术改造以及大力采用新技术，新工艺，新型模具结构的试验.
为了缩短与国外先进技术的差距，国内不少工厂企业的模具生产也走上了专业化的道路，逐步废除了用户设计，制造和自带模具的落后方式，代之由橡胶厂，研究所,专科技术院校承担,部分厂大部分模具设计和制造工作;同时大力发展专业化模具厂，制造大型，特殊精密，通用化，标准化橡胶模具，促使我国橡胶工业中橡胶模压成形模具的飞跃发展。

一、 分析O型密封圈
O型密封圈是具有圆形截面的环行橡胶密封圈,主要用于机械部件在静态条件下防止液体和气体介质的泄露。在某些情况下，O型密封圈还能用做轴向往复运动和低速旋转运动的动态密封元件。
图一 O型圈结构图

O型密封圈材料的选择对其密封性能和使用寿命有着重要意义。材料的性能直接影响O型圈的使用性能。除应具备密封圈材料的一般要求外,O型密封圈还要注意下述条件:
(1)富有弹性和回弹性；
(2）适当的机械强度，包括扩张强度、伸长率和抗撕裂强度等。
（3）性能稳定,在介质中不易溶胀，热收缩效应(焦耳效应）小。
（4）易加工成型，并能保持精密的尺寸。
(5)不腐蚀接触面，不污染介质等.
二、 模具结构的确定与设计
（一)、模具设计的基本要求
1、提高质量，满足制品的使用要求
模具应能提高制品的性能，满足外观和尺寸精度等方面的要求。
2、操作方便
模具的装卸、填料及制品的取出都应尽量方便,不要损坏制品,操作是否方便还直接关系到生产效率和劳动强度的轻重，因此在保证强度的前提下，力求减轻模重，并开置启模口,必要时装手柄（本次设计因模具的外径为276mm，相对较大，所以设有手柄），尽可能采用机械化和自动化的操作方式.
3、制造容易，成本低廉
模具制造是一件十分精细的工作，加工一副较复杂的模具,往往需要付出相当多的劳动工时，增加了模具制造的成本。因此设计模具时应力求结构简单，要简化制品工序，难以加工的型腔可以分成数块制造，然后再组装。并尽量采用先进的加工设备和加工工艺，以提高加工精度和生产效率（1)讨论采用一模一腔的结构，刚开始设计时浏览了设计任务书见下图一，根据所给的数据可以首先排除在横向上的模腔的扩展,制品的外径已经达到了Ф300,相对于一般的密封圈来说已较大，在一般的平板硫化机上也是无法进行硫化的，从工人的劳动强度上来说模具的面积增大势必对于工人的操作带来困难，且具有一定量的危险性。
（2）可否设计压铸模、注射模。这两种类型的模具最大的特点就是自动化程度高，易于实现联动化生产，对于Y型密封圈主要设计的就是压模,且压模能够满足制品的使用要求.这一点是从成本上来考虑的，往往一副注射模的加工费用是普通压模的几十倍.
（3）设计多层反包模。对于这一点设计之初是较认为可行的。原因主要有:①制品的外径虽然较大，但是其高度较小,（见图一)②为了提高平板硫化机设备的利用率。③中模采用反包结构可以缩小中模的厚度，减低成本.

（二）、模具的断面形状及类型的选择
模具的组成与分类
（1）模具的组成
橡胶模具可分为成型件和结构件.
成型件是与胶料直接接触成型的零件。如上模、下模、中模、型芯、镶块等。决定制品的形状、尺寸、粗糙度等。是模具的主要组成部分。为了保证制品质量和操作方便，在成型件上还需开设余胶槽、排气孔、启模口等。结构件是指成型件以外用于组合模具，实现相互配合或自动开启、闭合所需的各种零件,如定位销、导向柱、顶出装置等.
（2）模具的分类
橡胶模具按模制方法可分为压模、压铸模和注射模三种。
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,在平板硫化机或立式硫化罐中硫化成型的一种模具，它结构简单、造价低廉、应用广泛.三、分型面的选择与确定
将模具型腔分割成两个或者两个以上可分离部分的分割面称为分型面。模具分型面与型腔的交线称为分割线。
分型面的选择原则:
① 保证制品易于取出；
② 排气方便；
③ 避免锐角；
④ 避开制品的工作面;
⑤ 保证制品精度；
⑥ 分型面应便于装填胶料，模具易于装拆;
⑦ 型腔嵌进;
⑧ 保证制品的外观以及容易除去胶边；
因为要求是径向密封，而且为了得到操作方便，制品质量好，加工容易的模具，所以选择45°分型面。

图二 45°分型面的单腔模具结构示意图
四、收缩率的确定及影响因素
胶料的收缩率是指制品硫化后从型腔内取出冷却到室温的尺寸与制品对应型腔尺寸之差同制品实际尺寸的百分比。
1、 胶料的收缩率
我们知道橡胶在硫化前后其分子结构发生了变化，由线型结构变成了立体网状结构，而且在硫化过程中发生了一系列的化学反应，放出一些气体，与硫化前相比橡胶体积变小，相应的线性尺寸也变小.胶料的收缩率是指制品硫化后从型墙内取出冷却到室温的尺寸与制品对应型腔尺寸之差同制品实际尺寸的百分比。
2、产生胶料收缩的原因
(1）温度变化引起的收缩
由于制品温度降低,橡胶大分子热运动减轻，造成分子间距变小,使制品体积减小。
（2）化学变化（硫化)引起的收缩
橡胶分子链发生交联，使线型分子变为空间网状结构，限制了橡胶大分子的运动,同样造成分子间距离变小,使制品体积减小。
（3）分子链取向会使分子间的距离变小，造成体积减小
3、影响胶料收缩的因素
影响胶料收缩的因素很多，这些因素大致可分为：
(1）胶种
单就胶种来说，其收缩率大小顺序是 天然橡胶<氯丁橡胶<丁腈橡胶〈硅橡胶<氟橡胶 但由于配方不同,这种顺序早被打破了，特别是天然橡胶。
(2)胶料硬度
一般来说，胶料的含胶率越大，胶料硬度越小，收缩率越大,反之，胶料含胶率越小，胶料硬度越大，收缩率越小。
(3)硫化的工艺条件
硫化温度:硫化温度高，收缩率大,硫化温度每提高100C ，收缩率增大0.1%～0.2%左右,但有些胶种变化不明显。
硫化压力：同一胶料，其所压产品致密度越高,收缩率越。
硫化时间:正硫化时间与硫化温度相关，硫化温度每提高100C，硫化时间就缩短一半。所以正硫化时间对收缩率的影响表现硫化温度上。制品结构
收缩率随制品尺寸的增大而减小.环状制品的内径收缩率大于外径的收缩率。另外有无骨架制品的收缩率也不同的。
本次设计的是单腔模，单位面积受力较大，产品致密度高，所以收缩率比多腔模而言较小。

(4）制品断面结构 对于胶料中有夹织物、金属骨架的，其收缩率相对纯胶制品来说，收缩率偏小。制品形状大小 收缩率随制品尺寸的增大而减小
3. 胶种
丁腈橡胶的耐热性能比天然橡胶和丁苯橡胶好，经过适当的配比的丁腈橡胶制品,可以在120℃的条件下连续使用。该橡胶在热油中能耐150℃的温度，在191℃的热油中浸泡70h仍然具有屈挠性能。此外，丁腈橡胶还具有良好的耐磨性能，耐老化性能和气密性能。但是,该橡胶的耐臭氧性能差一些.
丁腈橡胶广泛用于各种耐油制品，丁腈-40一般用于直接与油类接触及耐油性能要求较高的橡胶制品,如油封，输油胶管，化工仪器衬里，密封圈，油囊等，耐油手套等;丁腈—30通常用于各种普通耐油制品.如耐油胶管，油箱，印刷胶辊，耐油手套等；丁腈-20一般用于耐油性能要求较低的橡胶制品，如低温耐油制品,耐油减振制品等。丁腈橡胶还可以与其他橡胶或者塑料并用，以及改善其他方面的性能。最常见的是与聚氯乙烯并用，以进一步提高其耐臭氧老化性能.
K=［(Dq—Dz)/Dz］×100﹪
式中:K—胶料的收缩率,﹪；
Dq—室温下模具的型腔尺寸,mm;
Dz—室温下制品的实际尺寸,mm。
收缩率的确定
采用经验公式 K=2.8-(0。015～0.02)A（﹪）
式中：K-直径方向的收缩率，﹪；
A-硫化胶的平均绍尔硬度；
选用丁腈P228 硬度为60±5
K=2。8-(0。015～0.02）A
K=2.8-0.015×65=1.825﹪,通过查找资料对比最终确定其收缩率一般为1.8﹪.

五、型腔尺寸的确定
通过查国标GB/T 3452。1—2005可知，内径尺寸为50㎜时，其公差为0。48㎜；断面直径尺寸为2。5时，其公差为0。09㎜。

型腔尺寸计算

1、 计算制品平均尺寸

内径 d1 = 1/2（dmax+dmin)
= 1/2（50.48+49.52)
= 50(㎜）

高度 C2 = 1/2（Cmax+CMIN）
= 1/2（2.59+2.41）
= 2。5（㎜)

2、 确定模具型腔尺寸公差

△1 = 0.48 -（-0。48）= 0。96
△2 = 0。09 -（0。09)= 0。18

内径公差：﹠1 = （1/3—1/5）△1 =1/4 ×0。96 = 0。24
高度公差：﹠2 = (1/3—1/5)△2 = 1/4 × 0.18 = 0。04

3、 计算型腔尺寸

dx =「d1( 1+ k) +﹠1/2 」—﹠10
= 「50( 1+ 1。8%） + 0.24/2」—0。230
= (51。2 ）—0。230

C = C2 ( 1+ k ） ＋－﹠2 /2
= 2。55 +﹣002
六、模具的导向与定位
导向 所谓导向就是使模具闭合时模板能沿一定方向进入固定的置.导向可靠，可以确保模具的安全使用.实践表明，压制时损坏的模具中除一部分因刚度不够受力变形外，有相当大一部分就是因导向不好,模板错位而压坏。
定位 使模板间相互配合所处的正确位置.定位的合理、准确，可以保证制品的精度要求。导向件与定位件在结构中往往是同一个零件，例如定位销既起定位作用也起导向作用。
在最简单的压模中,模板间可以不用定位和导向,直接放上，它虽然加工简便，但仅在少数情况下适用，而且上模板易滑落,砸伤操作人员，造成安全事故，多数情况下均采用一定的定位方式。
目前导向与定位一般采用的有：锥面定位、斜面定位、圆柱定位、定位销定位四种。
设计时所采用的是圆形模具，其一般定位形式主要是圆锥面定位和圆柱面定位，我所采用的是圆锥面定位。
圆锥面配合在模具中被广泛应用，其具有以下优点:
（1） 圆锥面配合精度高；
（2） 装拆方便，多次装拆后仍能够保证精确的定心作用；
圆柱面定位的主要缺点：
（1） 模具装拆比锥面难；
（2） 一旦磨损就会影响模具定位精度;
（3） 加工难度较大
对于圆锥面定位其基本要求就是：圆锥面的斜角为5°～15°，L的距离随着制品的高度增加而增加，但也不可太高，且L1≤L, R=1～1。5mm.设计时取斜角为15°，R取1mm。的结构.在2处中模板与下模板相接触时靠的也是锥面定位，其锥面垂直距离只有5mm，目的就是使制品形成的胶边能够很容易修剪。
七、余胶槽、启模口、手柄
余胶槽
为保证填入型腔的胶料充满压实，胶料必须稍微过量，因此必须在型腔周围开置沟槽来储存胶料，这种用来排除余料的沟槽称为余胶槽。
(1）余胶槽的大小与形状 余胶槽的容积以等于型腔容积的15﹪–20﹪为宜,这与坯料的余胶量有关。设计时通常采用3mm深、6mm宽的半圆沟槽，也可采用三角形或矩形沟槽,根据习惯选用。
（2）距离 余胶槽与型腔的距离越小、胶边越薄，胶料越与流失，型腔的胶料压力也越易泄掉,反之，制品致密性较好，但胶边较厚。因此，余胶槽与型腔壁应取合适的距离，一般取3mm左右。
启模口
橡胶模具最少由两块或两块以上的模板组成，要将装配在一起的模板启开，必须开设必要的启模口。一般情况下，圆形模具启模口为圆环状矩形。通常，只对启模口的高度和宽度有要求,而长度可根据加工方便开通或不开通,但不开通的启模口最小长度应不小于50mm,下表是模具规格与启模口对应尺寸;
模具规格/mm
启模口高度(H)/mm
启模口宽度(H1)/mm
≤Ф100
4
10
Ф150～350
5
12～15
Ф350~500
5
16~18
Ф500～1000
6～8
18～22
≥Ф1000
8～10
22～25
设计的模具其外形尺寸在Ф150~350之间，其启模口的高度为4mm、启模口宽度为15mm,长度为50mm。
手柄
为了便于模具的挪动、移位、上下机台以及生产过程中的启、合模具等操作,对于形体和重量较大的模具及一只手难以持拿的模具，应设置安装手柄。橡胶模具手柄的结构形式及其尺寸大小，应当按照模具的外形结构特点及形体的大小来确定。
在橡胶模具的设计中，对手柄的设计要求是：形状实用、美观大方、尺寸合适、连接牢固、使用可靠、持拿操作顺手和方便。
本设计采用的是圆形的模具，手柄设计为简易手柄.
直接用直径为8~12mm的钢筋弯制而成，焊接在模板上.这种手柄的制作简单，材料易得，不需要其它的机械加工，造价最低。但其部美观，焊接时有可能使模具局部变形.遇到模具返修时，需要割开焊接处，返修后要重新安装手柄,较麻烦。简易手柄一般适用于简易模具，模具使用期短，质量不大，但模板厚度在15mm以上的情况。
八、模具的型腔内的粗糙度及模具外表面的粗糙度
橡胶模具型腔的表面粗糙度,直接影响制品零件的表面质量，特别是要求很高的密封类制品零件的工作面。此外,模具的各个分型面、定位要素的表面、与硫化压力机平板接触的上、下平面等，都对其表面粗糙度有不同的要求.

Ra值/um
应用举例
0.2～0。4
模具型腔表面、分型面
1.6～0.8
余胶槽、导向面、
6。3~12.5
模板的表面与侧面
6。3～3。2
启模口

手柄
九、模具材料的选择
在每副模具设计过程中，要针对不同零件的要求选择不同的材料。如对于一般的压铸成型模具的压制成型模具,通常要求其具有良好的综合机械性能，所以一般采用优质碳素钢(常用45﹟钢）；对用于大批量生产的注射模型腔零部件要求较长的使用寿命，则采用工具钢或合金刚。
本设计模板所采用的是45﹟钢。
45﹟钢在调质后具有良好的综合机械性能，一般用于中等生产量以下的模具。
45﹟钢调质后硬度为HRC35～40。这个硬度范围能满足大部分用于中小批量生产模具的要求，而且利于切削.对于要求更高的模具可将热处理硬度提高至HRC40～45，并对型腔进行镀铬，铬层厚度在0。008～0.01mm，并抛光。
45﹟钢模具的加工工艺过程是:下料、正火、粗加工、调质、精加工、表面淬火、低温淬火、精磨。

总 结

在本次O型密封圈的设计中, 我们得到了刘巨源老师的细心指导，使我们顺利完成了设计。通过这次O型密封圈的设计加强了我对橡胶模具设计的步骤、设计方法的了解，熟练的掌握了如何使用CAD制图，能够独立的设计出O型密封圈模具。深切感受到理论联系实际的重要性，实践是检验真理的唯一办法，在以后的学习生活中要达到学以致用,但也要充分发挥自己的主观能动性学会创新。

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