O形橡膠密封圈冷凍修邊模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

馮 軍，魯 軍，梁光榮，向 宇

（1.廣州國機智能橡塑密封科技有限公司，廣東 廣州 510535；2.國家橡塑密封工程技術(shù)中心，廣東 廣州 510535）

冷凍修邊機利用液氮冷凍原理使塑料、橡膠及鋁、鎂、鋅等壓鑄制品的飛邊迅速發(fā)生脆化，在此狀態(tài)下，高速噴射出塑料彈丸撞擊制品的飛邊，從而既能高效率、高質(zhì)量地去除橡塑制品的飛邊，同時又能使制品本身性質(zhì)不發(fā)生改變。

冷凍修邊原理是橡膠、塑料等高分子材料在不同溫度下處于不同的相態(tài)，隨溫度下降發(fā)生硬化、脆化、結(jié)晶化[1]，且因制品厚度不同脆化程度不同，即在相同的低溫條件下，薄的部分變脆先于厚的部分。因此，利用溢邊與制品本體的厚度差異所導(dǎo)致的脆性梯度來完成修邊，也就是抓住溢邊已脆而本體未脆的時間差，對待修產(chǎn)品施加摩擦、沖擊、振動等外力將溢邊去除，而制品本體尚處于彈性狀態(tài)且不受損傷。

視覺檢測是指用機器代替人眼來做測量和判斷，通過機器視覺裝置[即圖像攝取裝置，分CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）和CCD（Charge Coupled Device，電荷藕合器件圖像傳感器）兩種]將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，將像素分布和亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來提取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場設(shè)備的動作，可用于生產(chǎn)、裝配或包裝。本研究涉及的CCD外觀檢測機利用反射的光源不同，對橡塑制品進(jìn)行全方位檢驗。當(dāng)產(chǎn)品表面有缺陷時，會存在光的透射缺陷（如裂痕、氣泡、毛刺等），光會在缺陷處發(fā)生折射，缺陷處的光會比周圍區(qū)域強，對目標(biāo)表面的檢測信號也會相應(yīng)增強；如果產(chǎn)品有雜質(zhì)（如毛絮），光會被雜質(zhì)吸收，導(dǎo)致雜質(zhì)部位的光會很弱，相機檢測到的光線會比周圍區(qū)域弱。通過分析攝像機采集到的信號強度和特征，得到相應(yīng)的制品缺陷信息。檢測系統(tǒng)根據(jù)接收到的光源不同，將不良產(chǎn)品送入相應(yīng)區(qū)域，同時統(tǒng)計各種缺陷產(chǎn)品的數(shù)量，整個過程實現(xiàn)自動化。視覺檢測在檢測缺陷和防止缺陷橡膠產(chǎn)品流入市場方面具有不可估量的價值。

客戶對精密元件用密封件如O形密封圈的使用要求極高，對產(chǎn)品毛刺長度要求極其嚴(yán)格[2-3]。由于影響冷凍修邊效果的因素眾多，同時O形密封圈尺寸較小，極易出現(xiàn)毛刺殘留或產(chǎn)品開裂的現(xiàn)象。因此，從冷凍修邊模具設(shè)計角度研究減少產(chǎn)品毛刺問題就顯得尤為重要[4-8]。

1 實驗

1.1 試驗對象

以一款內(nèi)徑為3 mm、線徑為0.8 mm的O形橡膠密封圈為例，產(chǎn)品尺寸如圖1所示。

圖1 O形橡膠密封圈試樣尺寸

1.2 主要設(shè)備和儀器

400 t平板硫化機，合肥磐石自動化科技有限公司產(chǎn)品；冷凍修邊機，東莞市飛創(chuàng)自動化設(shè)備科技有限公司產(chǎn)品；CCD，上海摩映精密科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 產(chǎn)品制備

O形橡膠密封圈制備和檢測流程為：膠料混煉→半成品→硫化→冷凍修邊→CCD檢驗。

1.4 產(chǎn)品不良率統(tǒng)計

將CCD檢測的O形橡膠密封圈毛刺尺寸限值設(shè)置為0.08 mm（大于該值即為不合格），使用CCD對成品進(jìn)行外觀缺陷檢驗，將毛刺不良品挑出，CCD自動記錄毛刺不良數(shù)量和相應(yīng)的不良率。

2 結(jié)果與討論

2.1 常見的冷凍修邊模具型腔結(jié)構(gòu)分析

冷凍修邊的原理是利用修邊粒子將脆化的毛刺打碎，進(jìn)而得到外觀完好的制品。

目前主流的設(shè)計理念為在模具型腔位外側(cè)增加修邊位。由于修邊面積較大，產(chǎn)品在修邊過程中會受到更大的剪切力，更有利于毛刺從修邊位處整體剝落，達(dá)到良好的修邊效果。

在型腔位外側(cè)增加圓形修邊刀口（見圖2），在修邊過程中能起到良好的修邊效果，減少毛刺殘留，但圓形修邊刀口存在的最大問題是材料利用率較低，小規(guī)格的O形橡膠密封圈材料利用率僅為50%。由于密封圈需要使用特殊膠料，同時產(chǎn)品需求量極大，因此常見的圓形修邊刀口模具結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性較差。

圖2 圓形修邊刀口模具

2.2 冷凍修邊模具型腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

為了設(shè)計出能優(yōu)化冷凍修邊的模具型腔結(jié)構(gòu)，對主流模具分型結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善優(yōu)化，最終從設(shè)計的眾多方案中篩選出以下3種模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。

（1）模具分型結(jié)構(gòu)一（無修邊刀口模具）。使用兩片模加工，模板使用磨床精磨后，再使用數(shù)控加工中心加工出對應(yīng)的型腔，上模板與下模板之間零對零配合，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無修邊刀口模具

優(yōu)點：無修邊刀口，減少材料損耗，材料利用率高。

缺點：①材料流動性差，容易出現(xiàn)氣體無法排出的現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)品窩氣缺膠；②容易出現(xiàn)毛邊墊高的情況，導(dǎo)致產(chǎn)品在軸向出現(xiàn)尺寸超標(biāo)問題，無法滿足公差要求；③可能會導(dǎo)致較多毛刺殘留，無法滿足毛刺尺寸小于0.08 mm的要求。

（2）模具分型結(jié)構(gòu)二（菱形修邊刀口模具）。使用兩片模加工，模板使用磨床精磨后，再使用數(shù)控加工中心加工出對應(yīng)的型腔以及菱形修邊刀口，上模板與下模板之間零對零配合，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 菱形修邊刀口模具

優(yōu)點：相對于圓形修邊刀口模具，毛刺更容易剝落，且材料損耗更小，能夠顯著提升材料利用率。

缺點：由于修邊刀口強度相對較低，刀口尖銳，易出現(xiàn)碰傷情況，縮短模具使用壽命。

（3）模具分型結(jié)構(gòu)三（矩形修邊刀口模具）。使用兩片模加工，模板使用磨床精磨后，再使用數(shù)控加工中心加工出對應(yīng)的型腔以及矩形修邊刀口，上模板與下模板之間零對零配合，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 矩形修邊刀口模具

優(yōu)點：①相對于圓形修邊刀口模具，材料利用率更高；②由于修邊位面積更大，理論上修邊剪切力更大，更有利于產(chǎn)品修邊；③相對于菱形修邊刀口模具，修邊刀口強度更高，理論上模具使用壽命更長。

缺點：相對于無修邊刀口模具，材料利用率較低。

2.3 模具結(jié)構(gòu)調(diào)整對硫化生產(chǎn)的影響

O形橡膠密封圈生產(chǎn)過程中如果混煉膠流動性較差，更容易出現(xiàn)飛邊過厚或缺膠的問題。

模具型腔設(shè)計冷凍修邊刀口使膠料在硫化過程中流動距離變長，易出現(xiàn)毛刺過厚和產(chǎn)品缺膠的情況。通過調(diào)整半成品的尺寸和硫化工藝參數(shù)，可完全避免冷凍修邊刀口對產(chǎn)品尺寸和外觀的影響。

另外，模具上有修邊刀口對產(chǎn)品脫模有一定的影響，因為膠料與模具接觸面積越大，橡膠制品與模具的粘附力越大，就越難脫模。適當(dāng)調(diào)整膠料配方和優(yōu)化操作工藝，可解決冷凍修邊刀口影響脫模的問題。

2.4 冷凍修邊模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗方案實施

將上述3種結(jié)構(gòu)模具各加工一副進(jìn)行驗證，用3種結(jié)構(gòu)模具各生產(chǎn)帶毛刺的產(chǎn)品8 kg。同時冷凍修邊機選用網(wǎng)孔直徑為2 mm的冷凍修邊網(wǎng)籃以防止修邊后的產(chǎn)品掉落。

將3副模具生產(chǎn)的產(chǎn)品依次投入修邊機進(jìn)行冷凍修邊。修邊完成后將CCD外觀檢測機的毛刺檢測參數(shù)設(shè)置為小于0.08 mm，對產(chǎn)品進(jìn)行全方位檢測，并由設(shè)備自動記錄統(tǒng)計相應(yīng)的毛刺不良率。無修邊刀口模具、菱形修邊刀口模具和矩形修邊刀口模具產(chǎn)品的機檢毛刺不良率分別為2.94%，1.7%和0.14%。由此可知，同樣產(chǎn)品在相同冷凍修邊參數(shù)情況下，有修邊刀口模具產(chǎn)品的殘留毛刺明顯少于無修邊刀口模具產(chǎn)品，其中矩形修邊刀口模具產(chǎn)品的殘留毛刺最少。

在實際修邊過程中，矩形修邊刀口模具產(chǎn)品第1次修邊后，目測毛刺基本無殘留，而另外兩種結(jié)構(gòu)模具產(chǎn)品在第1次修邊后仍有明顯毛刺殘留，如圖6所示。

圖6 3種模具生產(chǎn)的產(chǎn)品第1次修邊后的外觀

在工業(yè)顯微鏡下放大觀察，無修邊刀口模具產(chǎn)品有較明顯的毛刺，菱形修邊刀口模具產(chǎn)品毛刺較少，矩形修邊刀口模具產(chǎn)品毛刺最少。

由試驗結(jié)果可知，由于修邊位面積和修邊剪切力大，矩形修邊刀口模具產(chǎn)品的毛刺修理效果最好。

2.5 量產(chǎn)修邊效果確認(rèn)

為確認(rèn)矩形修邊刀口模具的產(chǎn)品修邊效果，選取部分量產(chǎn)數(shù)據(jù)增大樣本量進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 矩形修邊刀口模具與菱形修邊刀口模具量產(chǎn)的產(chǎn)品修邊效果對比

由表1可以看出，相對于菱形修邊刀口模具，矩形修邊刀口模具量產(chǎn)產(chǎn)品的修邊效果更優(yōu)異。

3 結(jié)論

（1）在采用冷凍修邊工藝去除橡膠制品毛刺時，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計有菱形或矩形修邊刀口的產(chǎn)品修邊效果優(yōu)于無修邊刀口模具。

（2）在一定范圍內(nèi)，修邊面積越大，制品在修邊過程中承受的剪切力越大，毛刺越容易整體剝落，修邊效果越好。

（3）矩形修邊刀口模具的產(chǎn)品修邊效果優(yōu)于菱形修邊刀口模具，模具采用矩形修邊刀口能夠有效降低產(chǎn)品返工率，減小材料損耗，提高企業(yè)利潤。