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

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[` ——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。

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]。

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]。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。

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]。优异的耐磨性能，其抗磨性能是普通天然橡胶的5~10倍。

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]。

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。

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。

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。

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）。

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：

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]。

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

聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁机理

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~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