一種錐型橡膠減振器的研制

鄭德志，曾凡偉

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院， 山東 青島 266042； 2.青島銳博爾橡塑有限公司， 山東 青島266043； 3.青島四方車輛研究所有限公司， 山東 青島 266031）

Zheng Dezhi1，2， Zeng Fanwei3

（Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China；2. Qingdao Ruibor Rubber & Plastic Co.， Ltd.， Qingdao 266043， China；3. Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266031，China）

一種錐型橡膠減振器的研制

鄭德志1，2，曾凡偉3

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院， 山東 青島 266042； 2.青島銳博爾橡塑有限公司， 山東 青島266043； 3.青島四方車輛研究所有限公司， 山東 青島 266031）

對一款減振器產(chǎn)品的開發(fā)過程作了總結(jié)，對開發(fā)過程中遇到的問題及解決方法進行了論述。針對開發(fā)中出現(xiàn)的問題，探索了多個解決方案，并對解決方案經(jīng)過多次優(yōu)化后，得出一種穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)方案，保證了量產(chǎn)后產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性和耐久性。

減振器；裂口；硫化工藝參數(shù)；裝料方式；收縮外徑

1 產(chǎn)品設(shè)計及檢測方法

設(shè)計的減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種呈錐型的襯套結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品由外套、芯軸兩件金屬骨架以及橡膠構(gòu)成，采用天然橡膠生產(chǎn)。根據(jù)客戶提出的技術(shù)要求，該產(chǎn)品的膠料性能并無特殊要求，僅規(guī)定了邵爾A硬度為（49±2）。根據(jù)產(chǎn)品的使用工況，提出了產(chǎn)品的檢驗標準。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)產(chǎn)品的特點和公司生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)計了一種1模4腔的注射模具。模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

產(chǎn)品檢驗方法（拉伸檢測）：固定產(chǎn)品外套，從產(chǎn)品的B端對芯軸施加載荷，將芯軸朝A端方向壓出位移50 mm，在最大位移處保持載荷2 min，觀察產(chǎn)品A端橡膠面不得出現(xiàn)缺陷。

圖2 硫化模具結(jié)構(gòu)示意圖

2 硫化工藝參數(shù)的優(yōu)化

2.1 硫化溫度的優(yōu)化

根據(jù)目前公司既有產(chǎn)品的常用硫化參數(shù)，將硫化工藝參數(shù)設(shè)定為150 ℃下硫化45 min，進行試模。硫化出模后，產(chǎn)品的B端橡膠體出現(xiàn)“裂口”現(xiàn)象。將硫化溫度分別調(diào)整為155 ℃和145 ℃兩種，試驗后該“裂口”現(xiàn)象依然存在，同時還存在橡膠與金屬骨架粘接不良的輕微“炸邊”現(xiàn)象。

經(jīng)過分析，認定原因為：硫化溫度較高的情況下硫化速度較快，根據(jù)硫化模具的傳熱特點，產(chǎn)品的外層部分首先受熱并達到所需的硫化溫度，開始發(fā)生硫化反應，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而橡膠是熱的不良導體，傳熱較慢，內(nèi)部膠料溫度升高到與表面膠料同一溫度需要一定的時間，產(chǎn)品內(nèi)部橡膠硫化起步滯后于外部橡膠。該不同步現(xiàn)象就會導致外部橡膠已經(jīng)硫化失去流動性，內(nèi)部膠料在一定時間內(nèi)仍然具有相當?shù)牧鲃有?，同時在傳熱過程中膠料會受熱膨脹。由于該產(chǎn)品所用膠料硬度低、含膠率高，受熱后膠料的膨脹率也較大，內(nèi)部膠料的受熱膨脹容易把表面已經(jīng)硫化的一層橡膠“撐破”，形成“裂口”缺陷。同時，交聯(lián)過程中積聚了一部分內(nèi)應力，出模后模壓消失、內(nèi)應力釋放，也會造成這類缺陷。

考慮到內(nèi)、外部膠料硫化不同步以及膠料受熱膨脹等因素，調(diào)整硫化溫度為140 ℃。降低溫度可以增加焦燒時間，并使硫化速度降低一半，減小內(nèi)、外部膠料在硫化初期的硫化程度差距。同時較低的溫度下，膠料膨脹率也相對較低。硫化過程中，膠料受熱膨脹時模具型腔內(nèi)壓力增大，但此時外部膠料仍然具有一定的流動性，會使硫化壓力達到一種動態(tài)平衡，隨后趨于穩(wěn)定。此時開始進行硫化反應，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不會由于內(nèi)部膠料膨脹力過大而產(chǎn)生缺陷。140 ℃下進行60 min硫化工藝試制后，“裂口”現(xiàn)象消失。

2.2 硫化時間的優(yōu)化

橡膠厚制品硫化時間的確定，常常采用“氣泡點”法。在硫化溫度為140 ℃不變的前提下，分別進行硫化時間的調(diào)整試驗，分40 min、45 min、50 min、55 min和60 min五個硫化時間進行硫化試驗，對硫化后的產(chǎn)品進行剛度試驗。實驗結(jié)果表明，不同硫化時間下產(chǎn)品的剛度大體一致，均符合產(chǎn)品的性能要求。而140 ℃、40 min條件下硫化的產(chǎn)品橫切面有輕微泡孔?？紤]到產(chǎn)品的硫化程度和生產(chǎn)效率，可以將產(chǎn)品的硫化時間確定為45 min。

采用140 ℃、45 min硫化工藝試制若干樣件，對產(chǎn)品進行拉伸檢測，至位移量達到最大值時，產(chǎn)品A端錐形橡膠表面普遍出現(xiàn)“裂口”和“熔合筋”現(xiàn)象，在受力狀態(tài)下出現(xiàn)“裂口”的比例較高。經(jīng)分析認定：按照目前制定的實驗條件，拉伸至最大位移后出現(xiàn)裂口的比例超過50%，并100%存在“熔合筋”現(xiàn)象?？赡苁且驗樵诖死鞐l件下，橡膠的實際變形值可能達到了或者已經(jīng)超過了該膠料的拉斷伸長率。因此，提升膠料的拉斷伸長率，使其超過實驗所加載的變形量，可以減少裂口的產(chǎn)生。

3 膠料配方的優(yōu)化

略微調(diào)整目前的膠料配方，在增加軟化油的同時增加部分炭黑的用量，以降低含膠率并增加膠料的拉斷伸長率。該膠料的硬度太低，添加軟化油可能會使軟化油容易遷移，造成橡膠與金屬骨架的粘接強度下降。增加炭黑可以提高膠料的粘接強度，平衡因增加軟化油造成的粘接強度的下降。調(diào)整后的混煉膠料門尼黏度下降、流動性增加，同時硫化膠的硬度略有下降、拉斷伸長率增加。

采用該膠料試制若干樣件，經(jīng)檢驗，剛度較之前變化不大，符合技術(shù)要求。對產(chǎn)品進行拉伸檢測，至拉伸位移量達到最大值時，產(chǎn)品A端錐形表面的“裂口”現(xiàn)象消失，但仍然存在“熔合筋”現(xiàn)象。該試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，膠料配方優(yōu)化后，產(chǎn)品一直存在的外套邊緣橡膠粘接不良、輕微“炸邊”現(xiàn)象消失，其主要原因是膠料中炭黑用量的增加提高了橡膠與金屬骨架的粘接強度所致。

4 硫化填料方式調(diào)整的試探

經(jīng)過多次試驗、幾次工藝調(diào)整，產(chǎn)品的外觀和性能缺陷基本解決，但是依然存在的“熔合筋”現(xiàn)象仍是一個潛在的隱患。產(chǎn)品在高頻率的反復受力狀態(tài)下，局部缺陷易誘發(fā)裂紋生成，并成為“失效點”。為消除這種現(xiàn)象，試驗了多種配方的膠料以及注壓工藝，最后的結(jié)果仍然不夠理想。對多次試驗的結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)：注壓的膠料經(jīng)過不同的注膠孔進入產(chǎn)品骨架形成的空間后，經(jīng)由每個注膠孔的膠料首先“堆疊”在一起，形成一個個獨立的“膠坨”。隨著膠料的不斷注入，不同“膠坨”之間相互接觸、相互擠壓，最后在注射壓力的作用下使整個型腔內(nèi)的膠料擠壓成一個密實的整體?！叭酆辖睢爆F(xiàn)象就是在不同“膠坨”之間相互接觸、相互擠壓過程中形成的，如圖3所示。

圖3 注壓成型中膠料不足時的填充狀態(tài)

根據(jù)所用膠料的硫化特性，不存在注膠過程中因為生熱出現(xiàn)焦燒而導致“熔合筋”現(xiàn)象的可能。最后得出的結(jié)論為：“熔合筋”現(xiàn)象是由不同的注膠孔的膠料相互滲透、熔合不足造成的，如果不讓膠料經(jīng)過注膠孔后再相互“熔接”，就不會形成“熔合筋”現(xiàn)象。根據(jù)這一結(jié)論，嘗試調(diào)整了裝料方式，得出一種“先纏膠、后注膠”的裝料方式。

“先纏膠、后注膠”的裝料方式，如圖4所示。即預先裁剪一定尺寸的薄片狀長方形膠條，對芯軸預纏兩圈裝入模具，再將剩余部分的膠料進行注壓裝料。由于芯軸的錐形面直徑尺寸較小，預纏的膠料可以將其“遮蔽”，經(jīng)注膠孔進入的膠料無法直接到達此處，最后在注膠壓力的作用下，預纏的膠料被整體擠壓進入模具A端的錐形面型腔，這樣就避免了由不同的注膠孔進入的膠料相互“熔接”的可能。最后硫化出的產(chǎn)品的錐形面處膠料是由預纏的膠料整體硫化而來的。

為使預纏膠料和壓注膠料的溫度不致差別過大造成硫化不均衡，硫化之前對預纏膠料在90 ℃下進行一定時間的預熱，之后再按照“先纏膠、后注膠”的裝料方式進行硫化。

按照“先纏膠、后注膠”的裝料方式，經(jīng)140 ℃、45 min硫化工藝試制一批產(chǎn)品，產(chǎn)品外觀良好，檢驗剛度均符合技術(shù)要求。對產(chǎn)品進行拉伸實驗至拉伸位移量達到最大值，拉伸狀態(tài)下產(chǎn)品A端錐形表面的“熔合筋”現(xiàn)象消失，同時也未見其他缺陷。

圖4 纏膠工藝的實施流程

5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

借鑒部分其他產(chǎn)品的收縮外徑處理技術(shù)，可考慮對該產(chǎn)品進行不對稱收縮外徑處理，以保證其工作狀態(tài)下的安全性、可靠性和耐久性。不對稱收縮外徑處理如圖5所示，即：僅對A端面的外套部分進行收縮外徑處理，對B端面不做處理。這樣處理就使得A端面原先處于自由狀態(tài)甚至處于略微伸張狀態(tài)的橡膠層處于了擠壓狀態(tài)。收縮外徑處理完畢的產(chǎn)品，檢驗剛度略有上升，仍處在技術(shù)要求的合格范圍之內(nèi)。對產(chǎn)品進行拉伸實驗至拉伸位移量達到最大值，拉伸狀態(tài)下產(chǎn)品A端錐形表面光滑、整潔，不存在“熔合筋”現(xiàn)象。并可以看出此時的橡膠仍處于擠壓狀態(tài)，不受拉伸力。對拉伸狀態(tài)的A端錐形面用小刀沿軸向劃一裂口（與之前“熔合筋”同向），觀察發(fā)現(xiàn)裂口并不擴展，橡膠仍然在外套擠壓力的作用下緊靠在一起，這就大大提高了產(chǎn)品在工作狀態(tài)下的安全性、可靠性和耐久性。

圖5 產(chǎn)品收縮外徑示意圖

考慮到該產(chǎn)品生產(chǎn)過程中“先纏膠、后注膠”工序繁瑣，效率較低，而對產(chǎn)品采取了收縮外徑處理后，可徹底消除拉伸狀態(tài)的裂口和“熔合筋”現(xiàn)象，可以省去“先纏膠、后注膠”工序，采用完全注膠即可。經(jīng)試驗，對完全注膠的產(chǎn)品進行收縮外徑處理后，效果良好，質(zhì)量穩(wěn)定。所以最終確定的產(chǎn)品工藝方案為：硫化條件140 ℃、45 min，產(chǎn)品全部注膠，并對產(chǎn)品進行“收縮外徑”處理。

6 結(jié) 語

在產(chǎn)品的開發(fā)過程中會遇到各種意料之外的問題。對各種問題的表面現(xiàn)象進行觀察、分析，理清問題出現(xiàn)的根本原因，獲得問題的解決思路，并尋找切實可行的具體實施方法，是產(chǎn)品開發(fā)的難點和重點，也可以體現(xiàn)出技術(shù)人員分析問題、解決問題的能力。同一個問題可以有多種解決思路和實施方法，要根據(jù)公司實際生產(chǎn)情況，不斷改進和調(diào)整解決方法，找到最根本、最簡潔、最可靠的解決方案，才能獲得質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。

Development of A Cone Type Rubber Shock Absorber

∶ This paper summarized the development process of a cone type rubber shock absorber.The problems encountered in the development process were discussed，and the solutions as well. A stable and reliable production plan after multiple optimization was obtained， which could guarantee the stability， reliability and durability of the product quality.

∶ Shock Absorber； Crack； Vulcanization Parameters； Packing Method； Shrink Diameter

Zheng Dezhi1，2， Zeng Fanwei3

（Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266042， China；2. Qingdao Ruibor Rubber & Plastic Co.， Ltd.， Qingdao 266043， China；3. Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266031，China）

TQ 336.4+2

B

1671-8232（2015）12-0027-04

［責任編輯：朱 胤］

2015-10-16

鄭德志（1982-），男，山東日照人，青島科技大學在讀碩士研究生，從事橡膠配方、混煉及加工方面的研究。