硅橡胶复合绝缘子真空注射模具的设计与制作

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编者按

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针对硅橡胶复合绝缘子在注射生产时存在的模具难加工、产品气孔难排除及外观存在黑点等一系列质量问题，优化注射模具设计思路，通过对成套注射模具增加抽真空装置、拆分加工复杂模具腔体及调整模具体装配加热温度等办法，巧妙解决硅橡胶复合绝缘子在注射生产时的质量问题。

高级讲师、数控铣高级技师 李宁

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序言

在高压电器行业，对产品的绝缘性能和外观光洁程度要求很高，目的是为了减少设备漏电、爬电及局部放电等现象发生，保障高压电器设备操作人员的安全，这就要求高压电器在制造过程中，内部及表面不能有任何微小瑕疵存 在 ^[1] 。

图1所示为某型号棒形悬式硅橡胶复合绝缘子，是10~1000kV高压输变电线路常用器件，产品结构复杂，特别是增加爬电距离的伞裙特别多，目前采用模具整体注射成型的生产工艺，产品质量非常不理想，主要原因在于原材料液态硅橡胶自模具下方注料，上升过程中硅橡胶液体不断自各个方向交汇到模具交接面，不可避免地会产生较多的气泡，这些气泡随着黏稠的橡胶液体不断上升，在硅橡胶上升固化过程中，部分气泡不能及时排出，存在于产品内部或者伞裙表面，造成复合绝缘子内部放电以及表面存污垢后腐蚀放电等，大大降低产品的绝缘性能和使用寿命，给输变电线路及设备带来极大的安全隐患。

图1 某型号棒形悬式硅橡胶复合绝缘子

根据液态硅橡胶注射的特性，通过对注射模具增加抽真空辅助结构装置，拆分制造模具腔体，以及改善模具腔体拼块装配温度等工艺，解决了注射时硅橡胶固化过程中存在气泡的问题，提高了伞裙结合边界的表面质量，增大了高压电器设备的爬电距离，大幅提高了复合绝缘子产品的绝缘性能、使用寿命、安全保障性能和外观美感等。

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注射模具设计思路

国内生产棒形悬式硅橡胶复合绝缘子普遍采用硅橡胶模具注射成型工艺，存在两大技术难题，一是产品外形伞裙多，结构复杂，模具设计和制造难度大；二是液态硅橡胶注射时，模具腔体存在的气体与硅橡胶混合，在硅橡胶固化过程中容易产生气泡，影响产品性能 ^[2] 。

模具设计和制造难度大，主要原因在于复合绝缘子产品外形复杂，模具型腔内部需要加工多处曲面，机械加工难度很大。解决此类问题的思路是把复杂的型腔结构拆分成多个易加工的特征单元，每一个特征单元制作一个拼块分别进行机械加工，然后把这些加工好的拼块拼装起来，再装配到模具腔体中，合成一个半模，这样可以解决模具腔体难加工的问题。

产品的气泡问题，主要原因在于注料时气体存在于模腔内，液态硅橡胶注射入模具腔体内与腔体内的气体混合，最后形成气泡残留在硅橡胶中，在硅橡胶固化时存在于产品中。解决此问题的关键是在液态硅橡胶原料注射入模具腔体前，把模具腔体内的气体全部清空，并且注射过程中不允许外边的气体再进入模具腔体。在模具设计中必须要考虑模?具的密封问题，即左右模合紧后可以达到完全密封的状态。另外，在注料前，为了把模具腔体内的气体抽空，在模具上方必须设计一套抽真空装置，左右半模合模后，先将模具中的空气完全抽出，模具内部达到真空状态，然后开始注料，材料在上升过程中不会产生气泡，液态硅橡胶在各腔体内交汇翻滚时，藏在注射料内的涡流气隙也会因为真空状态下气体的体积放大而优先在模具上方被挤走，从而使固化后硅橡胶内部和表面都不会存在微小气泡。

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真空注射模具结构设计

为了提升生产效率，模具一般设计两个型腔，一次注料可以生产两个产品。模具为左右合模结构，底部为硅橡胶注射孔，顶部为抽真空装置。同时为了降低模具模腔制造难度，在设计时把此套模具中每一个伞裙特征部分拆分为一个拼块，每一个拼块单独进行加工，最后再用紧固螺钉把各个拼块固定到模腔当中去，组装完成整套模具 ^[3] 。真空注射模具装配如图2所示，其中的零件明细见表1。

图2 真空注射模具装配图样

表1 真空注射模具装配图样零件明细

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模具制作技术难题及解决方案

4.1 技术难题

该套模具制作和装配过程中存在5个技术难题。

1）产品带有多个伞裙结构，需要根据结构特征和机床加工特点将模腔拆分为多个容易加工的结构拼块。

2） 模具型腔比较深，铣削加工中很容易出现腔体内表面与底面不垂直的情况，需要单独考虑加工工艺。

3） 事先做好拼块，放入模腔中，需要考虑拼块与模腔配合的尺寸问题，同时每一拼块的尺寸公差、几何公差在设计时都经过细致的计算或仿真，以免拼块装入模腔后，左右模具间的伞裙错位，导致模具注射时产品各结合边界不光滑。

4） 各拼块和模腔装配时要保证严密性，需要采用热装工艺，这就要求控制模具型腔在合适的加热温度，在热装过程中不能使模具型腔氧化，同时还应防止模具在热装中急速降温，必须考虑模具装配中的保温措施。

5） 硅橡胶注射时，为了防止产生气泡影响产品质量，模具顶部增加抽真空装置，来保障整个模腔内的真空环境，同时还要考虑整套模具的密封问题，以免在注料时出现其他地方进气的情况。该套模具的典型特点是合模线较长，而且模具内部有20块拼块要在模具中固定，轴芯还需要伸出模具，形成了复杂的交接面等，需要考虑多处的密封问题。

4.2 解决方案

针对各技术难题，逐一给出如下解决方案。

1） 关于拼块分界的问题。由于整个伞裙结构比较复杂，因此模具伞裙腔体部分很难一次在机床上加工完成。按照图3所示拼块分界方法，在伞裙凹模结构特征末端圆弧的180°象限点处进行分界，这样伞裙凹模就可以拆分成两个半圆弧过渡的圆锥面结构，拆分后的结构利用普通数控车床来加工，可以轻松保障伞裙的尺寸公差和几何公差。

图3 拼块分界方法

2） 关于模具型腔较深的问题。铣削加工时，因刀杆伸出较长，故容易出现模具腔体与底面不垂直的现象。破解这一难题的方案是首先增加铣刀刀杆强度，使用特制刀杆；其次采用多工步小进给量的方式铣削加工。通过这两种办法，完全可以解决问题。

3） 关于拼块与拼块在模腔装配时，左右模具间的伞裙错位，模具注射时产品各结合边界不光滑的问题。解决这一问题的方案是精加工伞裙凹模形状特征，充分保证伞裙凹模内部形状的尺寸公差和几何公差，然后把凹模拼块组装到一起，确保在伞裙凹模无错位的情况下，通过铣床铣削拼块的外表面，同时注意为拼块外部尺寸预留正向偏差，以保证拼块与模腔装配时的过盈配合。

4） 关于拼块和模腔热装工艺问题。通过查询P20材质的热膨胀系数以及组装拼块的过盈尺寸大小，换算计算确定模腔的加热温度，一般模腔加热温度控制在220~60℃。模腔加热温度一定不要过高，否则很容易导致模腔内金属被氧化，模腔表面金属的氧化皮会在注射时凝固在产品外表面而产生黑色斑点，严重影响产品质量。若拼块与模腔装配时过盈量过大，不易装配时，可以考虑适当减少拼块的过盈量。

5） 关于整套模具的密封问题。需要密封的地方主要有3处。一是左右两半模合模时的密封，特别是整套模具的合模线较长时；二是产品内部拼块要在模具型腔中固定时，螺钉的密封问题；三是轴芯伸出模具的密封问题。解决方案分别为在左右半模合模处增加定制的硅橡胶密封圈，在拼块的固定螺钉上加装硅橡胶密封环，然后把伸出模具的轴芯固定在抽真空装置中。

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结束语

硅橡胶复合绝缘子产品存在的气泡、黑点等质量问题，主要原因是液态硅橡胶注射时模具型腔中的气体难以排除，同时复合绝缘子伞裙部分结构复杂，模具制造及改型难度较大，成本较高，且形状不易保证，成为生产厂家提升质量的瓶颈。本文根据液态硅橡胶特性，设计制作真空注射模具并增加抽真空辅助结构装置，通过拆分制造模具腔体、改善拼块装配温度等工艺，解决了模具腔体难加工和产品气泡问题，取得了事半功倍的效果。

参考文献：

[1] 曾磊磊，张宇，曾鑫，等. 复合绝缘子硅橡胶伞裙老化状态评估方法综述[J]. 电瓷避雷器，2022（ 2 ）：139-145，152.

[2] 曹桢，田永亮. 一种多色注射模抽真空结构设计[J]. 模具制造，2018（ 10 ）：51-53.

[3] 周燕清，丁金晔. 工具外壳注射模具设计[J]. 工程机械文摘，2021（ 3 ）:12-15.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第11期8~11页，作者： 许昌技术经济学校 李宁 ，刘 峙； 河南易和电器有限公司 赵战红，原标题：《硅橡胶复合绝缘子真空注射模具的设计与制作》。

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