聚氨酯橡胶

引言
现在聚氨酯橡胶作为一种材料，在国内外的冲压模具行业中得到广泛的应用。

它不仅可以代替天然橡胶作冲模的弹性元件，使其寿命提高10倍以上，而且还可以代替钢，制作聚氨酯橡胶冲裁模、弯曲模、拉深模、翻边模和胀形模等多种冲压模具，解决了传统的钢模所难以解决，甚至无法解决的难题。

如：对于0.2mm以下厚度的极薄材料冲裁，应用传统的钢模是依靠钢质凸模和凹模的精密配合和锋利的刃口，对薄板进行快速冲压，完成冲裁工序的，效果很不好，废品率高质量差，制模难，周期长，模具寿命短，成本高。

零件越薄，外形越复杂，效果越不好。

应用聚氨酯橡胶冲裁模效果却非常好，零件精度能达到IT9-5级，断面无毛刺，平面平整，零件质量好而稳定，生产效率高，零件越薄，外形越复杂，效果越好。

而且模具结构简单、寿命长，制模和修模都很容易，工时能减少1/2~1/3，模具成本约降低50%。

现在已广泛应用于电器装备、精密仪器仪表，小型家电等零配件加工。

又如：对于管状、筒形、球状、椭圆等异形零件的冲压工艺很复杂，成型效果差，有时根本无法实施该工艺。

如果利用聚氨酯橡胶胀形模，就会使复杂零件的成型工艺变得简单易行[1]。

大家所熟悉的自行车的中轴（六通接头）需要在管材的不同角度、不同位置开出几个圆孔。

传统工艺只能采用普通机械加工方式进行多次定位、加工，不仅费工费时，而且产品质量低。

现在采用聚氨酯橡胶胀形模进行冲压生产，就使得这种产品的加工变得简单得多。

如图1所示，在成型中，选用与管状内径相匹配，硬度适中（即邵氏硬度70~80A）的聚氨酯橡胶棒充当胀形模的凸模。

而凹模则是使用普通金属组合而成的，根据零件要求，开出相应的孔洞，工作时在胶棒上施压，使其产生较大变形，从而迫使管材在凹模孔洞处产生较大的外凸变形，当卸压后，聚氨酯橡胶恢复原状，取出即可达到多孔胀形一次完成的目的。

因此，聚氨酯橡胶冲模的应用给冲压技术带来不小的变革，具有显著的经济技术效益。

它缩短了冲压模具的制作时间，加快了新产品开发步伐，简化了传统冲模设计和制造程序，使传统的冲压工艺难以完成或无法进行的工作成为可能。

现在引起越来越多业内人士的关注，越来越多的机构和学者对它进行研究。

我国于70年代后期研制成功了聚氨酯橡胶，并于80年代初用于冲压技术，用它代替钢材料制作各种冲模。

经过这些年的努力，这项技术已经有了很大的进步，但在我国还算是一项年轻的技术，还有很大的发展空间，还须进一步完善和提高。

所以对聚氨酯橡胶模具，尤其对当前应用最广泛的冲裁模工作的理论基础研究,就显得非常必要。

2、聚氨酯橡胶的性能
2.1 聚氨酯橡胶的组成
聚氨酯橡胶的全称是聚氨基甲酸酯橡胶，是一种性能介于天然橡胶与一般塑料之间的弹性体，是人工合成的一种高分子聚合物。

目前应用于金属板料压力加工中的聚氨酯橡胶主要是聚酯浇注型的。

它由已二酸、乙二醇、丙二醇缩聚而成分子量为2000左右的端羟基聚酯，进一步与甲苯二异氰酸酯（TDI）合成为分子量较低的端基为异氰基的预聚体，并按端异氰基的含量高低，与MOCA[4.4` ——亚甲基双(2——氯苯胺)]熔融混合浇注模压成形，并经二次硫化而获得硬度高低不同的聚氨酯橡胶制品。

2.2 聚氨酯橡胶的机械性能
由上述可知，由于聚氨酯橡胶的组成不同，其硬度及其他机械性能也不一样。

表1例出，几种国产聚酯橡胶的机械性能[2]。

2.3 聚氨酯橡胶的机械加工性能
由于聚氨酯橡胶具有较好的机械性能，所以各种硬度的聚氨酯橡胶都可以进行机械加工，只是硬度不同，其加工范围也有区别，表2列出各种硬度的聚氨酯橡胶机械加工的适用范围[2]。

2.4 聚氨酯橡胶的优点
聚氨酯橡胶是不可压缩的弹性体，它在一个方向受压，在其他方向就呈胀的状态，与液体相似有良好的各向流动特性，能传递压力。

从聚氨酯橡胶的机械性能和机械加工性能来分析，它具有下列主要优点，所以能够在冲压生产中的冲裁，成形以及弹性元件等几个方面获得越来越广泛的应用。

2.4.1硬度适用范围大，它可根据钣金加工的不同要求，其硬度可在邵氏20A至70D之间调节[1]。

2.4.2 优异的耐磨性能，其抗磨性能是普通天然橡胶的5~10倍。

2.4.3 优异的抗压强度和抗切口撕裂强度。

普通天然橡胶所能承受的最大压力约为40Mpa，而聚氨酯橡胶的一般抗压强度都能达到160~100Mpa，有时甚至能在1000Mpa的高压和超高压下工作。

其抗切口撕裂性能也比天然橡胶优越得多[1]。

2.4.4 强度高弹性好，而且永久变形小，它在高硬度下仍具有优良的弹性，即仍具有良好的流动性。

2.4.5 耐油性能好，是天然橡胶的5~6倍，能抵抗在机械加工过程中各种油品的侵蚀。

耐老化和冲击性能也很好。

2.4.6 弹性模量大，而且其硬度越高，弹性模具值越大。

图2所示，是一组国产聚氨酯橡胶的压缩性能曲线[1]，这是橡胶模块在四周无约束上下两面受压的状态下获得的。

由图中可见，硬度高（95A）的聚氨酯橡胶的弹性模量远大于硬度较低（70A）的聚氨酯橡胶。

图
3所示，是95A聚氨酯橡胶在封闭状态下的几种形状系数的压缩性能曲线。

由图中显示，在此状态下只要很小的变形就能获得很大的单位压力。

2.4.7 机械加工性能较好，便于加工成各种形状的模具零件，以满足模具装配的要求。

不同的聚氨酯橡胶的各种性能是不一样的，从冲压，钣金工艺的应用而言，有使用价值的是硬度为邵氏70~95A的聚氨酯橡胶。

硬度较高（90A、95A）的聚氨酯橡胶，只要很小的变形就能产生很高的单位压力与剪切力，而且还有良好的流动性，这类橡胶主要应用于冲裁模、落锤模以及局部成型模等。

硬度为70~80A的橡胶具有非常好的流动性，在压缩量较大的情况下只能引起很小的永久变形，但却能产生相当大的单位压力，这类橡胶主要应用于各种成形模与弹性元件（顶件器、卸料器或压边圈等）。

2.5 聚氨酯橡胶的缺点
聚氨酯橡胶除了上述的优越性能外，也有其缺点：
2.5.1 易水解，在较高温度（38℃以上）的湿空气中，聚氨酯会发生水解，强度下降[2]。

2.5.2 滞后产生的热量大，在反复变形条件下，滞后生热。

橡胶本身发散热量较慢，热量积聚温度就上升，但聚氨酯橡胶的耐热温度仅在80~100℃之间，因而加速橡胶的磨耗[2]。

因此，把聚氨酯橡胶应用于冲压技术时，既要利用它的优越性能，也要考虑它的缺点。

应避免聚氨酯橡胶模具在高温潮湿的环境中使用，以防水解；也不宜配置在高速冲床上使用，以尽量减少滞后而产生的热量，力求不影响模具的使用寿命。

综上所述聚氨酯橡胶是非常理想的模具材料，其应用的前景非常广阔。

3、聚氨酯橡胶冲模的工作机理
3.1聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁机理
3.1.1模具结构简介：
聚氨酯橡胶冲裁模是聚氨酯橡胶模具中应用最多的一种，它的经济技术效益非常显著，所以在国内外推广很快。

冲裁模又分为专用模和通用模。

专用模是用来生产某一零件的专用模具，如图5所示。

这是一副落料冲孔复合模。

但它仅有钢质的凸凹模而无钢质的凹模和凸模，后二者是以装在容框中的聚氨酯橡胶代替。

容框的型腔与凸凹模有0.5~1.5mm的间隙，即聚氨酯橡胶的端面比凸凹模大。

这比传统的钢模结构简单了许多，但仍然有很多相似之处，也是采用条料冲裁，有较高的生产率，适用于0.2mm以下厚度材料的批量冲裁。

通用模
是在一副模具中可以用于外形相近的各种零件的冲裁、弯曲、浅拉延以及其他浅成形工序。

以生产冲裁件为例，只需要加工一块与零件外形一致的厚约（10~15）t（t为材料的厚度）的切割模板即可，如果要生产另一种冲裁件，只要更换切割模板，模架是通用的，如图6所示。

通用模与钢模比，制模周期和零件成本都会降低95%以上，适用于小批量和试制生产。

3.1.2冲裁变形过程及材料受力分析。

这二种模具的冲裁机理都一样，但与钢模比却有很大的区别。

图7为其冲裁过程示意图，为了便于说明仅以专用模落料为例，冲孔与之相同。

由图中可见，在冲裁过程中聚氨酯橡胶处于封闭状态。

根据聚氨酯橡胶不可压缩且高弹性的性能，它在封闭状态下受压缩时似液体能流动，可传递压
力。

当压力机滑块下行至上模和下模接触时，上模部分的压板，凸凹模及顶杆，下模部份的容框及聚氨酯橡胶开始压紧材料，同时聚氨酯橡胶也完全处于封闭之中。

随着滑块的继续下行，凸凹模便推着材料压入到下模容框的型腔中，聚氨酯橡胶开始受压，材料的搭边被压板压在容框的上平面，其压力为P。

压板型孔的下端沿着周边倒角（见图7）为聚氨酯橡胶提供变形流动的空间。

而容框口部和凸凹模刃口处的材料都产生弯曲变形，连接它们之间的材料（即处于容框和凸凹模的间隙间的材料）呈斜面，此时材料进入弹性变形阶段。

凸凹模下的材料除了受到凸凹模垂直向下的压力F作用以外，还受到聚氨酯橡胶向上的反作用力。

聚氨酯橡胶由于不可压缩的性能，在垂直方向受压后便往容框型腔和凸凹模的间隙处流动，产生很大的反作用力q垂直作用在斜面材料上。

q可以分解为q1和q2，q1使材料靠向凸凹模的侧壁，但由于材料搭边受到压板压力P的垂直作用，产生了沿水平方向的摩擦阻力f，阻止了材料靠向凸凹模的侧壁，并且在刃口附近形成了沿斜面材料的拉力N，这加强了凸凹模刃口处材料弯曲、拉伸变形。

同时q2与凸凹模的压力F在刃口处形成一对剪切力，促使材料在刃口处产生剪切变形，q2还减弱了容框口部的弯曲变形。

在弹性变形阶段，材料所受的力比较小。

随着凸凹模的继续下压，聚氨酯橡胶的单位压力逐渐加大。

刃口处材料的弯曲、拉伸和剪切变形都在加剧，材料内的应力也不断增大，当达到屈服极限时变形即进入塑性阶段，在变形过程中弯曲的外侧不断被拉伸而变薄，强度也在不断减弱，而在内侧由于凸凹模刃口锋利的缘故，材料在此处产生的压痕、应力集中也随着变形发展而不断加强。

同时剪切作用也在增大，当应力超过抗剪强度时，材料便沿着凸凹模刃口被切断而分离。

整个剪切分离过程，材料都处于塑性状态，所以塑性变形阶段，也是材料的切断阶段[3]。

3.1.3变形区的应力应变状态。

由前面的分析可知在冲裁变形过程中，材料的主要变形区域在凸凹模刃口处，该处变形很复杂，其内部的应力应变状态也很复杂，且与变形过程有关。

变形过程的关键阶段是塑性变形，在这个阶段实现了材料分离，完成了冲裁工作，所以分析该阶段变形区的应力应变状态是很有意义的。

在这个阶段，该处材料处于弯曲状态，除了弯曲变形外，还有拉伸和剪切等变形，其应力应变状态如图8所示。

在聚氨酯橡胶的强大压力下，弯曲的内侧（即凸凹模刃口一侧）处于强烈的三向压应力状态，切向为压应变，宽度应变为零，根据体积不变规律，厚度方向为拉应变。

外侧（即聚氨酯橡胶一侧），切向处于拉伸状态，而且还受到斜面材料的牵拉，所以此处是拉应力，应变为拉应变，宽度方向也是拉应力，应变为零，厚度方向则是压应力，根据体积不变规律应变为压应变，在切断面（即凸凹模侧壁方向）存在切应力。

由上述的应力应变状态分析可以看出，凸模一侧的材料是处于三向高压应力状态，其塑性很好，在变形过程中是增厚的，而在聚氨酯橡胶一侧材料是处于二向拉应力，一向压应力状态，虽然塑性不如前者，但在变形过程是拉伸变薄的。

这就可以保证剪切变形的全过程在塑性状态下完成。

3.1.4冲裁件断面情况
冲裁所得的冲裁件断面并不是光滑而垂直的，而是在断面上形成2个特征区，即圆角带和切断带，如图9所示。

（1）、圆角带
这个区域是在聚氨酯橡胶一侧发生的，从弹性变形阶段开始发生，延续到塑性变形阶段直至材料分离。

它主要是当凸凹模推着板料进入容框的型腔中，材料受到聚氨酯橡胶的压力，在凸凹模刃口处产生弯曲，其外侧（即聚氨酯橡胶一侧）受拉伸变薄而形成的。

材料塑性越好，拉伸变薄越严重，圆角也越大，如图9所示，其值为：
对塑性较好的材料如LF21M、H62、T2、T3等：
a=（0.5~0.7）t
b=（0.75~1.15）t
r=t
对塑性较差的材料如LY12M等
a=（0.25~0.45）t
b=（0.35~0.65）t
r=0.5t
对0.2mm以下的薄料，其外观并没有不良影响。

（2）切断带
这个区域发生在塑性变形阶段。

由于材料是在塑性状态下主要以剪切变形的形式完成分离的，所以断面只有切断带，而没有被拉断的粗糙的断裂带，一般也没有毛刺。

另外，在落料时，只有钢制的凸模，而无钢制的凹模，后者的作用则以聚氨酯橡胶代替，所以切断带就没有被凹模型腔侧壁挤光的条件，故表面粗糙度只能达到Ra6.3~Ra3.2微米。

根据前面的分析，材料分离过程，除了剪切变形以外还有拉伸和弯曲变形，在弯曲的外侧切向还有比较大的拉应力，所以材料的切断除了切应力的作用外，还受到拉应力的影响，造成切断带沿着拉应力增大的方向（即厚度方向的外侧）向外倾斜，如图9所示。

所以切断带不垂直于底面，略有斜度，这就导致了落料件的外径尺寸略大于凸凹模的外径，而内孔则略小于凸凹模相应的孔径。

其差值与材料的厚度及机械性能有关，而与零件平面尺寸的大小无关。

根据实验差值如下：
对塑性较好的材料如LF21M，H62、H58、T2、T3等。

△=（0.15~0.25）t
对塑性较差的材料如：LY12M等。

△=（0.1~0.15）t
聚氨酯橡胶专用冲裁模适用于0.2mm以下的薄料冲裁，所以所获得零件精度还是比较高的，一般能达到IT9~TI5级。

3.2 聚氨酯橡胶成形模的成形机理
聚氨酯橡胶成形模具的工作机理与冲裁模相似，同样可以用聚氨酯橡胶代替钢制的凸模或凹模，也是利用其不可压缩高弹性的性能，让它在封闭状态下受压，促使其向着需要成形的位置流动，迫使材料形成各种形状。

在成形过程中聚氨酯橡胶都贴合材料，随着压力机滑块行程的增加，橡胶对板料的单位压力也随之增大，当大到一定数值后，就会使板料产生较大的塑性，回弹角逐渐减小，直至接近于零，具有很好的成形效果。

4 、结论
（1）聚氨酯橡胶具有十分优越的性能，是很理想的冲模材料。

（2）在冲裁中材料分离的必要条件：
①凸凹模的刃口必须锋利，以便材料在此处的应力能高度集中，为材料分离创造良好的条
件。

②条料的搭边在冲裁过程中必须被压紧，而不被拖入容框内，这样橡胶所产生的强大的单位压力才能迫使材料产生一系列变形，最终导致分离。

③凸凹模压入橡胶应有一定的深度，这样才能迫使橡胶产生足够大的变形，从而产生足够大的单位压力，使被冲材料在刃口处顺利分离。

但压下量又不宜太大，否则会引起橡胶过早疲劳，而缩短寿命。

（3）既要提高聚氨酯橡胶的寿命，也要减小条料的搭边值，提高材料的利用率；还要减小材料能冲出的最小孔径，提高模具的应用范围。

这是模具结构和聚氨酯橡胶性能还应继续进行研究的课题，也是聚氨酯橡胶冲模发展的方向。