CN102729389B - 一种气囊模具及采用该模具加工气囊的方法 - Google Patents

Abstract

一种气囊模具及采用该模具加工气囊的方法属于模具技术领域，具体地说是涉及一种加工气囊模具，以及采用该模具加工气囊的方法。本发明提供一种既能保证气囊成型率，延长气囊使用寿命，又能提高气囊生产效率的气囊模具及其加工方法。本发明包括下模、中模，以及上模，下模中部设有圆台状突起，下模中心设置有与圆台状突起顶部的凹陷中心形状相应的气囊铁芯；下模上方为中芯，中芯中部带有一开口向上的圆柱形空腔，该空腔底部设有通孔，通孔内设置有连接螺栓；中模位于中芯上方，中芯上部贯穿中模中心，相应于中芯的外弧面底部、在下模外缘上设置有流胶槽；上模位于中模的上方，在上模中空中心的内侧壁与中芯上部的环套状部分之间设置有中套。

Description

一种气囊模具及采用该模具加工气囊的方法

技术领域

本发明属于模具技术领域，具体地说是涉及一种加工气囊模具，以及采用该模具加工气囊的方法。

背景技术

隔膜泵是用于长距离管道化输送固液两相介质的核心设备。其主要构成包括：动力传动系统、动力端、液力端、液压控制系统、进料压力补偿系统、出料压力补偿系统、电控系统等七大部分。压力补偿系统分为压力补偿罐和氮气包两种形式。

隔膜泵采用球形预压式氮气包。其主要作用是稳定压力和流量。氮气包是利用气体的压缩和膨胀来储存或释放出一部分液体以达到减小管道系统的振荡及管路中流量不均匀度为目的的辅助设备。减小管路的流量不均匀度，可增加流量的均匀度，避免过流量的产生，以适应工艺流程的需要。氮气部分是预先充满的，氮气包只能充填氮气。

氮气包主要由压盖、气囊、壳体，以及底部法兰等组成。氮气包可通过充气工具和充气阀连接，对氮气包预充氮气（见附图1），以平衡隔膜泵进料或出料工作压力。气囊通常为橡胶件，由铁芯和胶囊组成（见附图2），是隔断氮气和料浆的主要介质，橡胶材料良好的变形缩放性能是管道压力补偿和流量稳定的关键因素。橡胶气囊通过气囊模具硫化压制而成。

经过多年的探索实践和经验总结，到目前为止申请人公司生产的隔膜泵氮气包气囊大致可分为三个发展阶段，随着氮气包制造技术的发展，各个阶段的气囊也有相应的技术提高。

第一阶段氮气包气囊为：焊接式铁芯与胶囊的结合体，及装配压板的组合体（见附图3）。该气囊的缺点为：（1）体积大、重量大，不易加工，浪费原材料，使用安装不方便；（2）组合式气囊加工安装不方便；（3）壳体内腔表面不能与气囊外表面完全贴合，对胶囊的疲劳损伤增大，导致胶囊损坏过快。

第二阶段氮气包气囊为：焊接式铁芯与球状橡胶气囊的结合体（见附图4）。该气囊的特点为：采用内部为一整体焊接铁芯一次性硫化压制完成的整体式气囊，减少胶板、压板等零件，减少了零件数量，增大气囊下落幅度，使气囊与壳体充分贴合，在同等氮气包壳体大小情况下，更充分的利用壳体内部空间，消减了氮气包压力波动效率。但同时这种结构使气囊产生过大的拉伸距离，缩短了气囊的使用寿命。

第三阶段氮气包气囊为：加工铁芯与橡胶气囊的结合体（见附图5）。该气囊的特点为：气囊内部为一整体加工铁芯，不但具备第二阶段氮气包气囊的所有优点，而且气囊铁芯由焊接式改进为加工结构，由两件零件焊接（其中包括下料、粗加工、精加工和焊接4道工艺）改为一件零件加工（其中包括下料、粗加工、精加工3道工艺），在气囊制造工艺和制造效率上有较大提高。

气囊模具的结构形式直接关系到气囊的成形效果和使用寿命，如附图6所示，整个装配模具的上表面、下表面、型腔及各模具零件的几何形状都直接关系到气囊成型后的几何结构、气囊橡胶密度等，而该两项都对气囊的使用寿命有决定性影响。

所以一种优选气囊模具不但是气囊几何结构形成的充分条件，更是气囊使用寿命的保证。

现有一种气囊模具，见附图7、8。其结构是：该模具是由下模、中模、上模、分割芯子组件，以及中芯构成；下模的中心设置有气囊铁芯，螺栓将气囊铁芯与其上方的圆柱筒状的中芯把合；分割芯子组件包括至少十个瓣芯，分别通过螺栓固定在中芯外侧圆周上，根据气囊形状需要，作成每个瓣芯的纵截面呈半弯月形状。中模的形状与分割芯子组件外侧壁形状相应，上模位于中模上方、套在中芯的上部。

这种结构的模具缺点是：（1）模具制造复杂。该模具所包含的零件数目较多，该类模具包含14件加工件，22件标准件。零件加工工艺复杂，尤其分割芯子组件在加工时对工艺要求甚高，在芯子完成整体下料、粗加工、精加工后，对整体芯子进行线切割，分割为不同形状的10块，在切割过程中稍有切斜就会影响到气囊成型效果。使用时，再将不同形状的芯子组合成分割芯子组件。

（2）压模流程繁琐。在模具装模时，首先将10块分散的芯子逐一通过中芯，用螺栓连接组合为一件整体的芯子组件，该步骤又可分为工作内容相同的10个过程，也是最笨重、最繁琐的一步。第二，固定下模；第三，进行首次铺设橡胶板；第四，放置气囊铁芯，并用螺栓将气囊铁芯定位；第五，进行第二次橡胶板铺设；第六，将分割芯子组件置于铺好橡胶板的下模上；第七，进行第三次铺设橡胶板；第八，装入中模，第九，装入上模，将模具合模。出模时，首先将上模脱去；第二，脱去中模；第三，脱去中芯；第四，将分割芯子组件依次打开，取出，共进行10次操作；第五，取出气囊。

（3）模具分割芯子分瓣处容易形成橡胶毛刺，影响产品外观和质量。由于分割芯子在进行线切割加工后，芯子的整体结构完整性遭到破坏，在装模时又将分割后的芯子组合到一起使用，此时切割缝已不能完全贴合到一起，然后模具经硫化机加热，经过热作用的橡胶液体会充满整个切割缝，从而在橡胶气囊内表面形成10条纵向毛刺，直接影响到橡胶气囊的外观和质量。且在硫化的过程中使气囊模具气密性降低，而且通过分割芯子会使硫化压力减小，使气囊密度降低。

（4）气囊成型效果参差不齐。由于气囊模具经过长时间的使用，反复装配，多次热胀冷缩后，分割芯子组件装配面及其它装配面会发生不能按要求贴合的状况，而此时操作者还以同样数量的橡胶进行浇注；橡胶在经硫化机加热为胶液后，胶液会流入各个变形的装配面中，从而引起气囊胶量不够，壁厚不均匀，直接影响到气囊的内在质量，造成气囊使用寿命下降。

（5）无法检测气囊内在质量。气囊在制作过程中产生的壁厚不均匀性、缩孔、缩松等制造缺陷都无法进行检测。

（6）产品生产效率低，模具使用者劳动强度较大。由于分割芯子组件在气囊制作过程中需要反复拆装，而操作者在制作一个气囊时，需将同样的螺栓进行40次拧紧与放松，而且每个实体分割芯子其本身有约40kg的重量，这些都在无形之中给操作者增加了劳动强度，从而降低了气囊生产制作效率。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种既能保证气囊成型率，延长气囊使用寿命，又能提高气囊生产效率的气囊模具及其加工方法。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明包括下模、中模，以及上模，其结构要点是：所述下模中部设有圆台状突起，下模中心设置有与该圆台状突起顶部的凹陷中心形状相应的倒梯形气囊铁芯；下模的上方为中芯，所述中芯的下部为纵截面呈弯月状的外凸内凹的双弧面体，其上部呈环套状，中芯的中部带有一开口向上的圆柱形空腔，该圆柱形空腔的底部设有一通孔，所述的通孔内设置有固定中芯与气囊铁芯的连接螺栓；所述的中模位于中芯上方，其下部内侧形状与中芯上部外侧的弧面部分相应，中芯上部的环套状部分贯穿中模的中心，相应于中芯的外弧面底部、在下模外缘上设置有流胶槽；所述的上模位于中模的上方，在上模中空中心的内侧壁与中芯上部的环套状部分之间设置有中套。

所述的圆柱形空腔位于中芯中部，用于硫化时放置转换接头；其尺寸为φ100～200mm，深度为0.6～0.8倍中芯总高度。

所述的上模与中套为过盈配合，其作用是：增大硫化压力，提高气囊密度。

模具几何结构确定应根据不同气囊和其内外形结构来首先确定中芯的形状及尺寸，中芯中部留有φ100～200mm，深度为0.6～0.8倍中芯总高度的圆柱形空腔，便于连接螺栓和转换接头相互更换。然后，根据气囊端口形状来确定中套的关键尺寸及外形结构，中套内侧上部留有30～40mm的导向部分（直段），再在内侧下部设计与中芯相互配合的10°锥面（配合段），用锥面与中芯逐渐压紧的方式来稳定气囊结构。之后，根据气囊外形来设计上模、中模、下模，每个零件都应留有起吊孔，便于模具搬运和装配；上模和中模之间、中模和下模之间都应设计出10～20°的起模斜面，而且应留有10～20mm的工具插入间隙，便于脱模。在下模和气囊接触面上，设置R2～R4mm的流胶槽；流胶槽的数量为4～6个，将下模的外缘等分，这样多余的胶液可从流胶槽排出，保证气囊的壁厚均匀性。其余尺寸可根据模具的适用性、经济性及工艺性进行外形几何结构设计。

采用上述气囊模具加工气囊的方法如下。

（1）装模：首先，在下模上铺设橡胶，再在下模中心上方的橡胶上放置气囊铁芯，气囊铁芯上也铺设橡胶；然后，将中芯放置在下模上方的橡胶之上，拧紧通孔内的连接螺栓，使中芯与气囊铁芯相对固定；再在中芯外铺设橡胶，并套上中模，接着在中芯上部的环套状部分外装上中套；最后，在中套外套上上模。装模时，应注意各模具零件配合面的贴合情况及模具整体的同轴度，不允许出现偏、斜等操作误差，以防止气囊局部变形。橡胶板铺设尽量均匀，防止气孔、缩孔等缺陷发生。

（2）开启硫化机，将装填完毕的模具放入硫化机进行模具预加热，加热到80～100℃，10～20分钟。预热是硫化的前提准备工作，是调整气囊形状的关键步骤。

（3）进行硫化机加压15～18MPa，对气囊形状进行修正。同时，分两段升温到150～180℃，两段的升温时间相同，且前半段时间从预热的工作环境温度，逐渐升温至150～180℃，而后半段则保持150～180℃；使固体橡胶转化为液态，充满模具型腔。

（4）第三步硫化50～80分钟后，准备出模。

硫化是线性高分子通过交联作用而形成网状高分子的工艺过程，从物性上是塑性橡胶转化为弹性橡胶或硬质橡胶的过程。影响气囊硫化过程的主要因素是硫磺用量、硫化温度及硫化时间。①硫磺用量：其用量越大，硫化速度越快，可以达到的硫化程度也越高。硫磺在橡胶中的溶解度是有限的，过量的硫磺会由胶料表面析出，俗称“喷硫”。为了减少喷硫现象，要求在尽可能低的温度下，至少在硫磺的熔点（119℃）以下加硫。根据橡胶制品的使用要求，硫磺在软质橡胶中的用量一般不超过3%，在半硬质胶中的用量一般为20%左右，在硬质胶中的用量可高达40%以上。②硫化温度：150～180℃。若温度高10℃，硫化时间约缩短一半。由于橡胶是不良导热体，气囊的硫化进程由于其各部位温度的差异而不同。为了保证比较均匀的硫化程度，气囊制作时一般采用逐步升温、低温长时间硫化（低温时间与工作温度的时间相等，例如从预热温度100℃至工作温度150℃逐渐升温，持续40分钟；达到150℃后再持续40分钟）。③硫化时间：这是硫化工艺的重要环节。时间过短，硫化程度不足。时间过长，硫化程度过高。只有适宜的硫化程度，才能保证橡胶气囊最佳的综合性能，所以在本发明中的橡胶气囊硫化时间为50～80分钟。

（5）打开模具，脱去下模。

（6）脱去上模和中套，由于上模和中套通过过盈配合已经连接到一起。

（7）脱去中模。

（8）此时压铸成型的橡胶气囊依附于中芯外表面，将中芯底部连接螺栓更换为转换接头，连接气动出模装置；转换接头将压缩空气引入到中芯和气囊之间，是压缩空气的主要接入点，转换接头为内外螺纹金属件（见图11和图12），其精密的加工要求是保证转换接头良好气密性的充分条件。

（9）将气动快速接头与转换接头连接。

（10）将中芯和气囊置于密闭空间中。

（11）打开气动阀，通过瞬间空气压力作用（空气压力为6～7bar），气囊从中芯上脱下，完成脱模。

在脱模过程中稳定的气源供给是保证气囊顺利出模的基础条件，因此在气源之后安装气动三联件，并通过调节气动三联件的压力来达到稳定的气囊出模压力值（空气压力为6～7bar）；气动三联件之后安装气动阀，用来接通和关闭压缩空气流通，通过气动阀控制空气流量来避免供气时间过长（通常为30秒左右），鼓破气囊。

检测：在将气囊与中芯脱开的过程中，借助气动压力对气囊的制造缺陷进行检测，有缺陷处会在瞬时气动压力作用时发生破裂，说明该气囊在制作过程中存在制造缺陷，不符合气囊使用要求；反之气囊会完好无损地从中芯脱下，则气囊应是完整无缺的。

与现有技术相比本发明的有益效果是：①易于装入模具。该气囊从装模到成品件出模共11道工序，不需进行中芯组合和拆卸，而现有的分瓣模具需要34道工序，工序缩减约60%。

②优选气囊模具结构，增大橡胶硫化压力，使橡胶气囊密度增大；通过在中芯上部设置中套，在硫化机加压过程中通过中套与中芯的斜面配合，不但可以增加气囊模具气密性，而且通过中芯会增大硫化压力，使气囊密度增大10%～20%。

③采用气动压力出模，使气囊成型后自动脱模，进而提高气囊制造成品率；在气动出模过程中，如果气囊存在壁厚不均匀、气孔等制造缺陷时，通过空气压力作用后，有缺陷处会将缺陷直接暴露，可以直观地对气囊进行质量检测，这是之前的气囊模具所不具备的功能。

④中芯为一体成型；首先在气囊模具加工制造时，减少工艺、工序，与分瓣式中芯相比降低制造成本约20%，其次便于操作者反复拆装模具。

⑤提高产品质量、延长气囊使用寿命。经过气动脱模后的气囊，都是在初次压力检测后不存在制造缺陷、合格的气囊，使气囊的内在质量有了可靠的保证。采用中芯为一体型结构，没有了像分瓣气囊一样制作时压铸出的胶痕，使气囊的外观和质量有了显著地提高。采用现有模具制作的第三代气囊使用寿命为3500～4000小时,而用本发明模具则可使其提高到6000～8000小时。

⑥缩短气囊制造成型后的脱模时间，提高生产效率。采用本气囊模具制作气囊时，不需要在装模时对中芯进行组合，出模时进行中芯拆分，这样可使气囊制作时间从120分钟缩短到80分钟，大大的提高了生产效率。

附图说明

图1是隔膜泵氮气包的结构示意图。

图2是氮气包内气囊的结构示意图。

图3是第一种气囊的结构示意图。

图4是第二种气囊的结构示意图。

图5是第三种气囊的结构示意图。

图6是本发明气囊模具的结构示意图。

图7是一种现有气囊模具的结构示意图。

图8是现有气囊模具分割芯子组件的结构示意图。

图9是图6的立体图。

图10是利用本发明气囊模具加工气囊方法的示意图。

图11是转换接头的结构示意图。

图12是图11的俯视图。

图中，1为流胶槽、2为工具插入间隙、3为起模斜面、4为上模、5为锥面、6为中套、7为导向部分、8为圆柱形空腔、9为环套状部分、10为中芯、11为中模、12为下模、13为圆台状突起、14为连接螺栓、15为通孔、16为气囊铁芯、17为凹陷中心、18为气囊、19为电机、20为空气泵、21为压力表、22为软管、23为气动阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的气囊模具作进一步详细说明。

如图6和图9所示，分别为本发明气囊模具的结构示意图，以及气囊模具各部件的分体图。位于整个模具的最底部为下模12，下模12的中部有圆台状突起13(弧面)，在圆台状突起13的顶部中心为一凹陷中心17，该凹陷中心17的形状与气囊铁芯16的形状相应，气囊铁芯16为一梯形圆台；在下模12的外缘的壁高略低于圆台状突起13的顶部，下模12的外壁上部开有流胶槽1。

下模12的上方为中芯10，中芯10犹如一“碗”倒扣在下模12上方。中芯10从外形来看，分成两部分（实为一整体），上部为梯台，梯台内包括一圆柱形空腔8，圆柱形空腔8的底部中心有一通孔15，通孔15内置连接螺栓14，连接螺栓14将气囊铁芯16及中芯10连接；中芯10上部梯台的外侧壁分为两段，上段为直立段即导向部分7段，下段为与竖向成10°的锥面5段。中芯10下部为双弧面体，即外凸内凹的两个弧面构成，且两弧面的边缘薄、中间厚，与气囊18的形状相应，纵剖中芯10，其下部呈弯月状。两弧面的边缘部与下模12圆台状突起13和其外壁内侧形成的空间相应。

中模11为一与下模12直径相同的套件，位于中芯10上方。中模11的内侧壁下部为弧面，与中芯10的外弧面相应；内侧壁上部为直立面，可容纳中套6以及中芯10上部的梯台。当中芯10放置在下模12上之后，中模11的顶面低于中芯10的梯台顶面，其距离差则为上模4的厚度。

中套6亦为一套件，位于上模4及中芯10上部梯台的外侧壁之间。中套6的内侧壁与中芯10上部梯台的外侧壁形状相应，中套6外侧壁与上模4的内侧壁形状相应。

上模4为一与下模12和中模11直径相同的套件，位于中模11上方。上模4与中套6为过盈配合；上模4、中套6及中芯10的顶面位于同一平面内。

如图10为利用本发明气囊模具加工气囊方法的示意图。图中，为硫化后已脱去下模12、中模11、上模4及中套6的气囊18，而中芯10尚未脱去。此时，应将连接螺栓14换成转换接头，再将转换接头与气动快速接头连接，开启气动阀23，气动阀23与软管22（增加模具的随动性）相连，再连接压力表21、空气泵20和电机19。

Claims (8)

1.一种气囊模具，包括下模（12）、中模（11），以及上模（4），其特征在于：

所述下模（12）中部设有圆台状突起（13），下模（12）中心设置有与该圆台状突起（13）顶部的凹陷中心（17）形状相应的倒梯形气囊铁芯（16）；

下模（12）的上方为中芯（10），所述中芯（10）的下部为纵截面呈弯月状的外凸内凹的双弧面体，其上部呈环套状，中芯（10）的中部带有一开口向上的圆柱形空腔（8），该圆柱形空腔（8）的底部设有一通孔（15），所述的通孔（15）内设置有固定中芯（10）与气囊铁芯（16）的连接螺栓（14）；

所述的中模（11）位于中芯（10）上方，其下部内侧形状与中芯（10）上部外侧的弧面部分相应，中芯（10）上部的环套状部分（9）贯穿中模（11）的中心，相应于中芯（10）的外弧面底部、在下模（12）外缘上设置有流胶槽（1）；

所述的上模（4）位于中模（11）的上方，在上模（4）中空中心的内侧壁与中芯（10）上部的环套状部分（9）之间设置有中套（6）。

2.如权利要求1所述的气囊模具，其特征在于：圆柱形空腔（8）位于中芯（10）中部，用于硫化时放置转换接头；其尺寸为φ100～200mm，深度为0.6～0.8倍中芯（10）总高度。

3.如权利要求1所述的气囊模具，其特征在于：所述的上模（4）与中套（6）为过盈配合，其作用是：增大硫化压力，提高气囊（18）密度。

4.如权利要求1所述的气囊模具，其特征在于：所述的中套（6）内侧上部留有30～40mm的导向部分（7），其内侧下部设置有与中芯（10）相互配合的10°锥面（5）。

5.如权利要求1所述的气囊模具，其特征在于：上模（4）和中模（11）之间、中模（11）和下模（12）之间均设置有10～20°的起模斜面（3），上模（4）和中模（11）均带有10～20mm的工具插入间隙（2）。

6.如权利要求1所述的气囊模具，其特征在于：流胶槽（1）为R2～R4mm，流胶槽（1）的数量为4～6个，将下模（12）的外缘等分。

7.采用权利要求1-6中任一权利要求所述的气囊模具加工气囊的方法，其特征在于，硫磺用量：硫磺在软质橡胶中的用量不超过3%，在半硬质胶中的用量为20%，在硬质胶中的用量达40%以上；然后进行：

（一）装模：首先，在下模（12）上铺设橡胶，再在下模（12）中心上方的橡胶上放置气囊铁芯（16），气囊铁芯（16）上也铺设橡胶；然后，将中芯（10）放置在下模（12）上方的橡胶之上，拧紧通孔（15）内的连接螺栓（14），使中芯（10）与气囊铁芯（16）相对固定；再在中芯（10）外铺设橡胶，并套上中模（11），接着在中芯（10）上部的环套状部分外装上中套（6）；最后，在中套（6）外套上上模（4）；装模时，应注意各模具零件配合面的贴合情况及模具整体的同轴度，不允许出现偏、斜操作误差，以防止气囊（18）局部变形；橡胶板铺设尽量均匀，防止气孔、缩孔缺陷发生；

（二）开启硫化机，将装填完毕的模具放入硫化机进行模具预加热，加热到80～100度，10～20分钟；

（三）进行硫化机加压15～18MPa，对气囊（18）形状进行修正；同时，分两段升温到150～180度，两段的升温时间相同，且前半段时间从预热的工作环境温度，逐渐升温至150～180度，而后半段则保持150～180度；使固体橡胶转化为液态，充满模具型腔；

（四）第三步硫化50～80分钟后，准备出模；

（五）打开模具，脱去下模（12）；

（六）脱去上模（4）和中套（6），由于上模（4）和中套（6）通过过盈配合已经连接到一起；

（七）脱去中模（11）；

（八）此时压铸成型的橡胶气囊（18）依附于中芯（10）外表面，将中芯（10）底部连接螺栓（14）更换为转换接头，连接气动出模装置；转换接头将压缩空气引入到中芯（10）和气囊（18）之间；

（九）将气动快速接头与转换接头连接；

（十）将中芯（10）和气囊（18）置于密闭空间中；

（十一）打开气动阀（23），通过瞬间空气压力作用，气囊（18）从中芯（10）上脱下，完成脱模。

8.如权利要求7所述的加工气囊的方法，其特征在于：在气源之后安装气动三联件，并通过调节气动三联件的压力来达到稳定的气囊出模压力值；气动三联件之后安装气动阀（23），用来接通和关闭压缩空气流通，通过气动阀（23）控制空气流量来避免供气时间过长，鼓破气囊。

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