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橡胶模具设计应用实例 主编许发越机械工业出版社2005年6月出版 总论 第一章 橡胶模具设计基础 第二章 橡胶模具设计方法 第三章 O形橡胶密封圈模具设计 第四章 其他类型橡胶密封制品模具设计 第五章 其他类橡胶制品模具设计 第六章 橡胶模具设计 第一讲橡胶总论第二讲橡胶制品 轮胎第三讲橡胶模具设计第四讲橡胶加工 第一讲橡胶 橡胶基础知识种类橡胶配方橡胶的原始橡胶橡胶老化橡胶老化的因素结构用途橡胶加工天然橡胶的规格划分天然橡胶的成分天然的橡胶来源橡胶行业发展情况 橡胶 Rubber 具有可逆形变的高弹性聚合物材料 在室温下富有弹性 在很小的外力作用下能产生较大形变 除去外力后能恢复原状 橡胶属于完全无定型聚合物 它的玻璃化转变温度 Tg 低 分子量往往很大 大于几十万 橡胶一词来源于印第安语cau uchu 意为 流泪的树 天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固 干燥后而制得 1770年 英国化学家J 普里斯特利发现橡胶可用来擦去铅笔字迹 当时将这种用途的材料称为rubber 此词一直沿用至今 橡胶的分子链可以交联 交联后的橡胶受外力作用发生变形时 具有迅速复原的能力 并具有良好的物理力学性能和化学稳定性 橡胶是橡胶工业的基本原料 广泛用于制造轮胎 胶管 胶带 电缆及其他各种橡胶制品 橡胶的特性及其用途 橡胶具有独特的高弹性性能 优异的抗疲劳强度 极好的电绝缘性能 良好的耐磨耗性能和耐热性 还具有良好的防振 不透水 不透气和化学稳定等性能 因此 橡胶在国防 航海 汽车 机械 化工 医疗和日常生活等各个方面 都得到广泛应用 橡胶制品分为三类 生产资料 生活用品 特种制品 橡胶模制品橡胶模制品也叫橡胶模型制品 是通过相应的模具来实现的 将胶料装入或注入模具型腔中 进行加压定型 加热硫化 即可得到橡胶模制品 橡胶制品 工程巨胎 橡胶提取橡胶树 橡胶草等植物的胶乳 加工后制成的具有弹性 绝缘性 不透水和空气的材料 高弹性的高分子化合物 分为天然橡胶与合成橡胶二种 天然橡胶是从橡胶树 橡胶草等植物中提取胶质后加工制成 合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得 橡胶制品广泛应用于工业或生活各方面 种类橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶 按形态分为块状生胶 乳胶 液体橡胶和粉末橡胶 乳胶为橡胶的胶体状水分散体 液体橡胶为橡胶的低聚物 未硫化前一般为粘稠的液体 粉末橡胶是将乳胶加工成粉末状 以利配料和加工制作 20世纪60年代开发的热塑性橡胶 无需化学硫化 而采用热塑性塑料的加工方法成形 橡胶按使用又分为通用型和特种型两类 橡胶基础知识 橡胶rubber 橡胶的分类 按来源 天然橡胶 合成橡胶按用途 通用橡胶 特种橡胶 专用橡胶按物理状态 生橡胶 熟橡胶 硬橡胶 混炼胶 再生胶按形态 板块固态橡胶 粉末橡胶 液体橡胶 热塑性橡胶 配方不同的橡胶搭配配合剂应适当参照基础配方 如下 橡胶主胶 氧化锌 硬脂酯 防老剂 促进剂 硫磺 碳黑 氧化镁 碳黑比表面积研究是非常重要的 橡胶配方 1 NR 天然胶 10052 PBN1 DM1 2 52SBR 丁苯松香 10031 NS1 1 75 炉法50 3 CR 氯丁 10050 5 D2 NA 220 35 SRF29 44 IIR 丁基 10053TMTD11 75 HAF50 5 NBR 丁腈 10051DM11 5 瓦斯40 6 BR 顺丁 10032 103油15 NS0 91 5 HAF60 7 IR 异戊 10052NS0 72 25 HAF35 8 EPDM 三元乙丙 10051 环烷油15 M0 5TMTD1 51 5 HAF50 9 CSM 氯磺化聚乙烯 100黑SRK40一氧化铅25DM0 5DPPT2白氧化镁4DPPT2季戊四醇310 CIIR 氯化丁基 10031DM2TMTD1 HAF50 2 橡胶配方 11 PSR 聚硫 100100 5DM0 3DPD0 1 SRK60 12 ACM 丙烯酸酯 100FEF60硬脂酯钾0 75防RD1硬脂酸钠1 75硫磺0 2513 PUR 聚氨酯 100古马隆15M1DM4促进剂Caytur40 35硫磺0 75硬脂酸镉0 5HAF3014 CO 氯醇 100硬脂酸铅2FEF30铅丹1 5防老剂NBC2促进剂NA 221 215 FKM 氟橡胶 100中裂子热裂炭点 MT 20氧化镁15硫化剂Diak3 3 0 16 Q 硅橡胶 100硫化剂BOP 气相法 结构控制剂 橡胶配方 促进剂的互换关系DM1 CZ0 5 0 61DM1 M0 52 0 8DM1 NOBS0 63 0 69DM1 TMTD0 08 0 10NOBS1 DM1 43 1 6NOBS1 TMTD0 1NOBS1 M0 7 0 75CZ1 NOBS1 2 1 3 橡胶配方 橡胶的原始分类 橡胶分为天然橡胶和合成橡胶 天然橡胶主要来源于三叶橡胶树 当这种橡胶树的表皮被割开时 就会流出乳白色的汁液 称为胶乳 胶乳经凝聚 洗涤 成型 干燥即得天然橡胶 合成橡胶是由人工合成方法而制得的 采用不同的原料 单体 可以合成出不同种类的橡胶 天然橡胶 合成橡胶 线型结构 未硫化橡胶的普遍结构 由于分子量很大 无外力作用下 呈细团状 当外力作用 撤除外力 细团的纠缠度发生变化 分子链发生反弹 产生强烈的复原倾向 这便是橡胶高弹性的由来 支链结构 橡胶大分子链的支链的聚集 形成凝胶 凝胶对橡胶的性能和加工都不利 在炼胶时 各种配合剂往往进不了凝胶区 形成局部空白 形成不了补强和交联 成为产品的薄弱部位 交联结构 线型分子通过一些原子或原子团的架桥而彼此连接起来 形成三维网状结构 随着硫化历程的进行 这种结构不断加强 这样 链段的自由活动能力下降 可塑性和伸长率下降 强度 弹性和硬度上升 压缩永久变形和溶胀度下降 橡胶结构 橡胶硫化后的结构 常用橡胶 1 天然橡胶 NR 2 异戊橡胶 IR 3 丁腈橡胶 NBR 4 丁基橡胶 IIR 5 乙丙橡胶 EPMEPDM 6 乙稀酸脂橡胶 AR 7 聚氨脂橡胶 UR 8 硅橡胶 SR 9 聚硫橡胶 PSR 10 氟橡胶 FPM 橡胶分类 1900年 1910年化学家C D 哈里斯 Harris 测定了天然橡胶的结构是异戊二烯的高聚物 这就为人工合成橡胶开辟了途径 1910年俄国化学家SV列别捷夫 Lebedev 1874 1934 以金属钠为引发剂使1 3 丁二烯聚合成丁钠橡胶 以后又陆续出现了许多新的合成橡胶品种 如顺丁橡胶 氯丁橡胶 丁苯橡胶等等 合成橡胶的产量已大大超过天然橡胶 其中产量最大的是丁苯橡胶 通用橡胶是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种 如丁苯橡胶 顺丁橡胶 异戊橡胶等 主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品 通用橡胶的需求量大 是合成橡胶的主要品种 丁苯橡胶丁苯橡胶 1 是由丁二烯和苯乙烯共聚制得的 是产量最大的通用合成橡胶 有乳聚丁苯橡胶 溶聚丁苯橡胶和热塑性橡胶 SBS 顺丁橡胶是丁二烯经溶液聚合制得的 顺丁橡胶具有特别优异的耐寒性 耐磨性和弹性 还具有较好的耐老化性能 顺丁橡胶绝大部分用于生产轮胎 少部分用于制造耐寒制品 缓冲材料以及胶带 胶鞋等 顺丁橡胶的缺点是抗撕裂性能交差 抗湿滑性能不好 橡胶分类 异戊橡胶异戊橡胶是聚异戊二烯橡胶的简称 采用溶液聚合法生产 异戊橡胶与天然橡胶一样 具有良好的弹性和耐磨性 优良的耐热性和较好的化学稳定性 异戊橡胶生胶 未加工前 强度显著低于天然橡胶 但质量均一性 加工性能等优于天然橡胶 异戊橡胶可以代替天然橡胶制造载重轮胎和越野轮胎还可以用于生产各种橡胶制品 乙丙橡胶乙丙橡胶以乙烯和丙烯为主要原料合成 耐老化 电绝缘性能和耐臭氧性能突出 乙丙橡胶可大量充油和填充碳黑 制品价格较低 乙丙橡胶化学稳定性好 耐磨性 弹性 耐油性和丁苯橡胶接近 乙丙橡胶的用途十分广泛 可以作为轮胎胎侧 胶条和内胎以及汽车的零部件 还可以作电线 电缆包皮及高压 超高压绝缘材料 还可制造胶鞋 卫生用品等浅色制品 橡胶分类 氯丁橡胶它是以氯丁二烯为主要原料 通过均聚或少量其它单体共聚而成的 如抗张强度高 耐热 耐光 耐老化性能优良 耐油性能均优于天然橡胶 丁苯橡胶 顺丁橡胶 具有较强的耐燃性和优异的抗延燃性 其化学稳定性较高 耐水性良好 氯丁橡胶的缺点是电绝缘性能 耐寒性能较差 生胶在贮存时不稳定 氯丁橡胶用途广泛 如用来制作运输皮带和传动带 电线 电缆的包皮材料 制造耐油胶管 垫圈以及耐化学腐蚀的设备衬里 橡胶分类 橡胶材料的主要性能指标 1 邵尔硬度2 伸长率3 拉伸强度4 脆性温度5 永久变形6 老化系数 橡胶的成型性能生橡胶是一种高分子量的聚合物 不能直接使用 只有通过硫化 在加热的条件下 生橡胶与硫化剂发生化学反应 从而使橡胶的塑性改变为弹性 橡胶及其制品在加工 贮存和使用过程中 由于受内外因素的综合作用而引起橡胶物理化学性质和机械性能的逐步变坏 最后丧失使用价值 这种变化叫做橡胶老化 表面上表现为龟裂 发粘 硬化 软化 粉化 变色 长霉等 橡胶老化的因素氧a 氧 氧在橡胶中同橡胶分子发生游离基链锁反应 分子链发生断裂或过度交联 引起橡胶性能的改变 氧化作用是橡胶老化的重要原因之一 臭氧B臭氧 臭氧的化学活性氧高得多 破坏性更大 它同样是使分子链发生断裂 但臭氧对橡胶的作用情况随橡胶变形与否而不同 当作用于变形的橡胶 主要是不饱和橡胶 时 出现与应力作用方向直的裂纹 即所谓 臭氧龟裂 作用于变形的橡胶时 仅表面生成氧化膜而不龟裂 橡胶老化 热C 热 提高温度可引起橡胶的热裂解或热交联 但热的基本作用还是活化作用 提高氧扩散速度和活化氧化反应 从而加速橡胶氧化反应速度 这是普遍存在的一种老化现象 热氧老化 光D 光 光波越短 能量越大 对橡胶起破坏作用的是能量较高的紫外线 紫外线除了能直接引起橡胶分子链的断裂和交联外 橡胶因吸收光能而产生游离基 引发并加速氧化链反应过程 经外线光起着加热的作用 光作用其所长另一特点 与热作用不同 是它主要在橡表面进生 含胶率高的试样 两面会出现网状裂纹 即所谓 光外层裂 橡胶老化 机械应力E 机械应力 在机械应力反复作用下 会使橡胶分子链断裂生成游离荃 引发氧化链反应 形成力化学过程 机械断裂分子链和机械活化氧化过程 哪能个占优势 视其所处的条件而定 此外 在应力作用下容易引起臭氧龟裂 水分F 水分 水分的作用有两个方面 橡胶在潮湿空气淋雨或浸泡在水中时 容易破坏 这是由于橡胶中的水溶性物质和亲水基团等成分被水抽提溶解 水解或吸收等原因引起的 特别是在水浸泡和大气曝露的交替作用下 会加速橡胶的破坏 但在某种情况下水分对橡胶则不起破坏作用 甚至有延缓老化的作用 橡胶老化 油G 橡胶制品在使用过程如果和油类介质长期接触 油类能渗透到橡胶内部使其产生溶胀 致使橡胶的强度和其他力学性能降低 油类能使橡胶发生溶胀 是因为油类渗入橡胶后 产生了分子相互扩散 使硫化胶的网状结构发生变化 其他因素H 其它 对橡胶的作用因素还有化学介质 变价金属离子 高能辐射 电和生物等 橡胶老化 龟裂 鼓包 不同用型橡胶的来源及应用特点 通用型橡胶的综合性能较好 应用广泛 主要有 天然橡胶 从三叶橡胶树的乳胶制得 基本化学成分为顺 聚异戊二烯 弹性好 强度高 综合性能好 异戊橡胶 全名为顺 1 4 聚异戊二烯橡胶 由异戊二烯制得的高顺式合成橡胶 因其结构和性能与天然橡胶近似 故又称合成天然橡胶 丁苯橡胶 简称SBR 由丁二烯和苯乙烯共聚制得 按生产方法分为乳液聚合丁苯橡胶和溶液聚合丁苯橡胶 其综合性能和化学稳定性好 顺丁橡胶 全名为顺式 1 4 聚丁二烯橡胶 简称BR 由丁二烯聚合制得 与其他通用型橡胶比 硫化后的顺丁橡胶的耐寒性 耐磨性和弹性特别优异 动负荷下发热少 耐老化性能好 易与天然橡胶 氯丁橡胶 丁腈橡胶等并用 不同特种型橡胶的来源及应用特点 特种型橡胶指具有某些特殊性能的橡胶 主要有 氯丁橡胶 简称CR 由氯丁二烯聚合制得 具有良好的综合性能 耐油 耐燃 耐氧化和耐臭氧 但其密度较大 常温下易结晶变硬 贮存性不好 耐寒性差 丁腈橡胶 简称NBR 由丁二烯和丙烯腈共聚制得 耐油 耐老化性能好 可在120 的空气中或在150 的油中长期使用 此外 还具有耐水性 气密性及优良的粘结性能 硅橡胶 主链由硅氧原子交替组成 在硅原子上带有有机基团 耐高低温 耐臭氧 电绝缘性好 氟橡胶 分子结构中含有氟原子的合成橡胶 通常以共聚物中含氟单元的氟原子数目来表示 如氟橡胶23 是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物 氟橡胶耐高温 耐油 耐化学腐蚀 聚硫橡胶 由二卤代烷与碱金属或碱土金属的多硫化物缩聚而成 有优异的耐油和耐溶剂性 但强度不高 耐老化性 加工性不好 有臭味 多与丁腈橡胶并用 此外 还有聚氨酯橡胶 氯醇橡胶 丙烯酸酯橡胶等 天然的橡胶来源 三叶橡胶树提供最多的商用橡胶 它在受伤害 如茎部的树皮被割开 时会分泌出大量含有橡胶乳剂的树液 另外 无花果树和一些大戟科的植物也能提供橡胶 德国在第二次世界大战时由于橡胶供应被切断 曾尝试从这些植物取得橡胶 但后来改为生产人造橡胶 最初的橡胶树生长于南美洲 但经过人工移植 现在东南亚也种有大量的橡胶树 事实上 亚洲已成为最重要的橡胶来源地 由银菊胶制成的橡胶能够减少敏感 天然橡胶的成分 天然橡胶是由胶乳制造的 胶乳中所含的非橡胶成分有一部分就留在固体的天然橡胶中 一般天然橡胶中含橡胶烃92 95 而非橡胶烃占5 8 由于制法不同 产地不同乃至采胶季节不同 这些成分的比例可能有差异 但基本上都在范围以内 蛋白质可以促进橡胶的硫化 延缓老化 另一方面 蛋白质有较强的吸水性 可引进橡胶吸潮发霉 绝缘性下降 蛋白质还有增加生热性的缺点 字串1丙酮抽出物是一些高级脂肪酸及固醇类物质 其中有一些起天然防老剂和促进剂作用 还有的能帮助粉状配合剂在混炼过程中分散并对生胶起软化的作用 灰分中主要含磷酸镁和磷酸钙等盐类 有很少量的铜 锰 铁等金属化合物 因为这些变价金属离子能促进橡胶老化 所以他们的含量应控制 干胶中的水分不超过1 在加工过程中可以挥发 但水分含量过多时 不但会使生胶储存过程中易发霉 而且还会影响橡胶的加工 如混炼时配合剂易结团 压延 压出过程中易产生气泡 硫化过程中产生气泡或呈海绵状等 天然橡胶的规格划分 天然橡胶可分为标准胶 又称颗粒胶 烟胶片 浓缩胶 白绉胶片 浅色胶片 胶清橡胶和风干胶片等 最常用的是标准胶和烟胶片 标准胶分为一级 SCR5 二级 SCR10 三级 SCR20 四级 SCR50 四个等级 烟胶分成1 5号烟胶片 RSS1 RSS5 五个等级 标准胶 标准橡胶主要分为5号胶 10号胶和20号胶 5号胶为一级胶 是最好的胶 其所含杂质为0 05 10号胶为二级胶 其所含杂质为0 10 20号胶为三级胶 其所含杂质为0 20 不同型号的胶用途也不一样 5号胶一般用于制作轮胎内胎 10号胶和20号胶一般用于制作轮胎外胎 烟胶片 即用燃烧椰子壳所发生的烟和热对压去水分的天然胶片进行熏烤后所得的胶片 烟熏的目的是为了使胶片干燥并注入防氧化及防腐的甲酚物质 烟胶片属于初级形状的天然橡胶 橡胶加工 橡胶加工过程包括塑炼 混炼 压延或挤出 成型和硫化等基本工序 每个工序针对制品有不同的要求 分别配合以若干辅助操作 为了能将各种所需的配合剂加入橡胶中 生胶首先需经过塑炼提高其塑性 然后通过混炼将炭黑及各种橡胶助剂与橡胶均匀混合成胶料 胶料经过压出制成一定形状坯料 再使其与经过压延挂胶或涂胶的纺织材料 或与金属材料 组合在一起成型为半成品 最后经过硫化又将具有塑性的半成品制成高弹性的最终产品 合成橡胶的组成 合成橡胶是以石油 天然气为原料 以二烯烃和烯烃为单体聚合而成的高分子 橡胶的高分子已经突破了单体聚合的工艺 目前世界领先的橡胶工厂已经开始运用更加强度的橡胶 用超高分子聚集而成 而且成本相当的低 橡胶的粘接修复橡胶的极性越大 胶接效果越好 其中丁腈氯丁橡胶极性大 胶接强度大 天然橡胶 硅橡胶和异丁橡胶极性小 粘接力较弱 另外橡胶表面往往有脱模剂或其它游离出的助剂 妨碍胶接效果 用胶粘剂胶接橡胶 具体方法分为热粘法和冷粘法 热粘法是用塑炼未硫化的生胶与被粘橡胶制品一起硫化后实现胶粘 其方法复杂 需要加热加压设备 使用不便 冷粘法就是将配好的胶粘剂 涂于被粘制品的表面 晾置叠合后 放在室温下固化 当然 适当的加热有利于缩短固化时间 提高胶接强度 冷粘法简单易行 且节省能源 是值得推广的好方法 不同种类的橡胶制品 所用的胶粘剂也不同 要注意选择 不可随意使用 橡胶行业发展情况 橡胶行业是国民经济的重要基础产业之一 它不仅为人们提供日常生活不可或缺的日用 医用等轻工橡胶产品 而且向采掘 交通 建筑 机械 电子等重工业和新兴产业提供各种橡胶制生产设备或橡胶部件 可见 橡胶行业的产品种类繁多 后向产业十分广阔 近几年来 橡胶行业得到不少发展 已有细分行业稳中有升 新生橡胶细分行业则飞速发展 但同时 橡胶行业也还存在环境 资源 灾害 创新等问题 2004年 全国天然橡胶种植总面积69 62万公顷 开割面积45 19万公顷 干胶产量57 33万吨 其中农垦橡胶种植面积41 1万公顷 民营28 52万公顷 分别占全国橡胶总面积的59 03 和40 97 2005年 海南遭遇50年罕见的干旱和百年不遇的台风灾害 天然橡胶生产遭受重创 为挖掘国内天然橡胶种植 加工的发展潜力 增加自给 中国橡胶行业做出了不懈的努力 认真贯彻国家安全 节能 环保和清洁生产方针 并取得重大成果 尤其是橡胶助剂行业积极调整产品结构 绿色环保型助剂大幅增长 防老剂优良品种产量比例已达80 促进剂达50 有毒 有害 高致癌的NOBS生产量得到有效控制 废橡胶综合利用率达65 以上 再生胶及胶粉后加工利用领域扩大 2006年 中国橡胶工业协会六届三次理事会讨论通过并发布 中国橡胶工业 十一五 科学发展规划意见 及橡胶行业 十一五 实施名牌战略规划意见 这是首次由协会组织制订的行业规划 规划表明 橡胶工业 十一五 期间要走自主创新之路 全行业要切实转入科学发展的轨道 使中国成为世界橡胶工业的强国 橡胶行业发展情况 中国 2 橡胶行业的发展前景广阔 2010年 中国天然橡胶总消耗量230万吨 橡胶工业的产品结构有较大变化 新型产品 更新换代产品增多 新材料 新工艺应用扩大 生产技术有明显进步 橡胶行业的特征决定了当一国的橡胶行业成熟后 该行业的景气状况与整个经济的运行状况将保持很强的相关性 其发展周期的长度与该国经济周期的长度相当 走势同向 但由于橡胶行业属于基础工业 它的周期变化要略提前于经济周期的变化 另外 同样由于橡胶行业处于国民经济生产链的前端 其周期波动的波幅要小于产业链末端行业的波幅 也小于整个经济的波幅 因此 从产业投资的角度看 成熟的橡胶行业比较接近收益型投资行业 橡胶行业发展情况 橡胶制品的设计工艺 1 脱模斜度 2 断面厚度与圆弧 3 囊类制品零件的口径 腹径比 4 波纹管的峰 谷直径比 5 孔的成型 6 进料口的位置 7 嵌件的包镶形式 8 产品标记 9 非配合尺寸公差的选择 1 5橡胶制品零件生产的工艺流程1 5 1橡胶制品零件的生产方式制品零件的生产方式分为 模压成型法 压注成型法 注射成型法 移模成型法 1 5 2橡胶制品零件飞边的修除制品零件飞边的修除方法为 手工修除法 机械修除法 模具修除法 1 6橡胶实心模压制品和压出制品的尺寸公差1 6 1压出制品类模压制品尺寸公差的精度等级分为四级 精密级 高度精密级 中精密级 低精密级 1 6 2压出制品类压出制品尺寸公差的精度等级分也为四级 精密级 高度精密级 中精密级 低精密级 第二章橡胶模具设计基础2 1橡胶模具知识2 1 1橡胶模具简述橡胶模具设计的基本要求是满足制品零件的设计和使用 模具设计得是否合理 将直接影响到制品零件的尺寸精度 物理性能 表面质量 劳动强度 生产成本和生产效率 因此在橡胶制品生产中模具的设计是一项非常重要的技术 2 1 2橡胶模具的类型2 1 2 1填压模填压模有三种结构形式 开放式填压模封 闭式填压模 半封闭式填压模2 1 2 2压注模2 1